燃氣輪機及燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)在部分工況下的仿真研究.pdf

1、21世紀火電站發(fā)展要求有較高的能源利用效率，較好的經濟性并且具有良好的環(huán)保性能，即達到能源(Energy)、經濟(Economy)、環(huán)境(Environment)三者結合(3E)，這一要求動搖了目前世界火電站汽輪機長期占統(tǒng)治地位的局面。燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)以比投資費用低、建設周期短、供電效率高、排放污染小的明顯優(yōu)勢，將逐步取代傳統(tǒng)的汽輪機電站。通過建立聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)模型以預測其特性并優(yōu)化其運行策略，已成為基礎研究和工程應用兩方面都很

2、迫切的現(xiàn)實需要。由于壓氣機的特性嚴重依賴于轉速，在燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)各主要部件中壓氣機的特性計算最為困難也最為關鍵，壓氣機特性圖計算的準確性對燃氣輪機整機計算的可靠性具有重要影響，現(xiàn)代重型燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)高壓比、高精度的計算要求對基于部件特性的系統(tǒng)仿真提出嚴峻挑戰(zhàn)，迫切需要改進壓氣機特性外推計算方法，建立適合大幅度變工況的燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)仿真系統(tǒng)，并研究其運行策略已成為一個有重要意義的課題。本研究目標就是尋找能夠由有限的壓

3、氣機高轉速特性線定量計算定幾何多級軸流式壓氣機在大幅度變工況下特性的計算方法，最終建成一套由模塊化部件構成的能適應大幅度變工況特性計算的燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)動態(tài)仿真模型；對燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的運行策略進行動態(tài)仿真研究，確定各階段機組的運行策略。主要研究內容如下： ⑴提出特征級方法估算壓氣機部分工況特性。由于壓氣機壓比通常較大，壓氣機部分工況下進出口流量系數(shù)不匹配，與設計工況下的葉柵氣流角差異較大，直接相似外推壓氣機特性時不

4、滿足相似條件，外推誤差很大。通過討論工質可壓縮性對壓氣機效率的影響引入特征級的概念，將壓氣機的壓縮過程分解為若干個串聯(lián)的低壓比特征級，可以利用相似外推方法計算完整的特征級特性圖，由特征級特性圖逐級計算重構出完整的壓氣機特性圖。特征級代表對原壓氣機壓縮過程的虛擬分解，而不考慮實際壓氣機各級壓比分配和各級間的特性關系，物理意義在于它表征了壓氣機整體特性的平均級特性，只要分解級數(shù)足夠多，在部分工況特性計算時可以充分逼近相似條件。采用單純形最優(yōu)

5、化方法，以重構出壓氣機特性圖與原壓氣機特性線誤差最小為目標函數(shù)，由已知的有限的壓氣機高轉速特性線確定多級軸流式壓氣機特征級特性。 ⑵用SVM方法回歸壓氣機特征級特性。用支持向量機(SVM)回歸算法，對由壓氣機多條轉速特性線計算所得的不同特征級特性線進行回歸分析，得到統(tǒng)一的特征級特性線，能夠充分利用已有的數(shù)據，并且采用壓氣機的自身特性計算，可以充分體現(xiàn)壓氣機自身特性，進一步降低了重構后整機特性圖的誤差。 ⑶外推部分工況特征

6、級特性，并提出變幾何級特性計算方法。將參考轉速下的特征級特性外推得到完整的特征級特性圖，提出了軸流式壓氣機非設計工況特性換算方法，并對對相似系數(shù)的修正進行了討論。燃氣輪機部分工況特性計算問題除低速特性線的獲取問題外，還面臨轉靜葉時特性圖的獲取問題，利用輪周功與進出口氣流角的關系，推算出特性圖中轉動葉片前后對應的相似點，從而解決轉導葉轉靜葉的特性計算問題。 ⑷建立燃氣輪機動態(tài)仿真模型并對其進行部分工況運行的策略分析基于部件特性，采

7、用模塊化建模方法建立了壓氣機靜葉可調的單軸變幾何燃氣輪機動態(tài)仿真系統(tǒng)，并進行了燃氣輪機在啟動、加載、減載、停機等變工況特性分析。結果表明，變幾何調節(jié)后燃氣和排氣溫度都高，排熱損失的增大抵消了T*3增加對效率的提高。但在低負荷下，關小靜葉可減少空氣流量，減少機組的空載燃料耗量。啟動過程中T*4有一峰值，在此過程中T*3溫度也是先升后降且有一個峰值，在點火之后到脫扣之前應限制燃料供給量隨轉速升高的增量，控制機組啟動速度，避免超溫。

8、⑸建立燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)仿真系統(tǒng)并對其進行部分工況運行策略分析建立了包括自然循環(huán)余熱鍋爐的燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)仿真系統(tǒng)，并對余熱鍋爐的動態(tài)特性進行了分析，仿真結果指出，在燃機和汽機工況變化劇烈的條件下，汽包會出現(xiàn)明顯的虛假水位現(xiàn)象，在實際運行管理中應引起重視。分析了聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)在啟動、加載、減載、停機等變工況下的運行策略。在負荷下降時，采取等T4方案調節(jié)壓氣機可調靜葉較好，它既能達到等T3調節(jié)時的聯(lián)合循環(huán)效率ηNCC，又能在降低負荷時滿足燃氣