燃气轮机系统建模与性能分析

燃气轮机系统建模与性能分析

张帆

神华国华（北京）燃气热电有限公司 100024

摘要：燃气轮机机组具有超强的北线性，人们掌握它的具体实施工作过程运行规律是很难得。在我过电力工业中对它的应用又不断加强。为了更加透彻的解决这个问题，本文将通过建立燃气轮机机组系统建模及模拟比较研究机组设计和运行中存在的问题，从而分析它的性能。

关键词：燃气轮机；系统建模；性能

1模拟对象燃气轮机的物理模型

在标准IS0工况条件(15℃101.3kpa及相对湿度60%)下，压气机不断从大气中吸入空气，进行压缩。高压空气离开压气机之后，直接被送入燃烧室，供入燃料在基本定压条件下完成燃烧。燃烧不会完全均匀，造成在一次燃烧后局部会达到极高的温度，但因燃烧室内留有足够的后续空间发生混合、燃烧、稀释及冷却等复杂的物理化学过程，使得燃烧混合物在离开燃烧室进入透平时，高温燃气的温度己经基本趋于平均。在透平内，燃气的高品位焙值(高温、高压势能)被转化为功。

1.1燃气轮机数值计算模型与方法

本文借助于 GateCycle软件平台，搭建好的燃气轮机部件模块实现燃气轮机以上物理模型的功能转化，进行燃气轮机的热力学性能分析计算的。在开始模拟燃气轮机之前，首先对燃气轮杋部件模块数学模型及计算原理方法进行简单介绍。

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.2压气机数值计算模型

式中，q₁ 、q₂ 、q_l 分别为压气机进、出口处空气、压气机抽气冷却透平的空气的质量流量；

T₁^*、 p₁^* 分别为压气机进出口处空气的温度、压力；

T₂^*、 p₂^* 分别为压气机出口处空气的温度、压力

η_c、π_c分别为压气机绝热压缩效率，压气机压比

γ_a为空气的绝热指数；ρ_a为大气温度；∅₁为压气机进气压力损失系数

ι_cs、ι_c分别为等只压缩比功和实际压缩比功

i^*_2s、i^*_2、i^*₁分别为等只压缩过程中压气机出口处空气的比焓，实际压缩过程中压气机出日处空气的比烩和压气机进日处空气的比焓；

当压气机在非设计工况下工作时，一般计算方法是将压气机性能简单处理编制成数表，通过插值公式求得计算压气机的参数，即在压气机性能曲线上引入多条与喘振边界平行的趋势线，这样可以把压比，流量，效率均视为平行于喘振边界的等趋势线和转速的函数。本文采用了同样的计算方法，在计算燃气轮机变工况性能过程中引入无实际物理涵义的无量纲参变量CMV（compressor map variable），仅相当于引入的平行于压气机喘振边界的趋势线，压气机的质量流量、压力和效率计算是通过上下游 回馈的热力计算结果，插值寻找能够使得上下游热力参数（压力，温度，输出功率，转速，流量）计算收敛的工作点，即压气机的变工况工作点。

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.3燃烧室数值计算模型

其中

式中：

α为过量空气系数：

L₀为燃料的理论空气量：

i*₃为燃烧室出口燃气的比焓

δH_B为燃烧室的能量损失

i_f为燃烧室进口燃料的比焓

H为燃料的低位发热量

q₃为进入燃烧室出口燃气的质量流量

q为进入燃烧室的燃料流量

ρ燃烧室出口燃气压力

Ø为燃烧室总压恢复系数

η为燃烧室的燃烧效率

2燃烧室内喷水对燃气轮机性能的影响

2.1标准天然气PG6561B型燃气轮机性能

一台燃气轮机再平衡工况下运行时，组成它的各个部件如压气机、燃烧室和透平等的参数处于平衡状态。因此，由这些部件之间参数平衡得到的工况点就是燃气轮机的平衡运行点。燃气轮机在平衡工况下运行时，必须满足燃气轮机的功率平衡、流量平衡、压力平衡、转速平衡和燃烧室的热平衡。

P
G6561B 模拟流程图

计算在燃气轮机压气机特性线及透平冷却等信息缺失的情况下，利用GateCycle软件对模型进行热力计算，通过上下游气动热力参数反复计算直至参数收敛，被动实现燃气轮机各部件的平衡匹配并获取部分关键未知参数，计算建立模型未考虑压气机放气对燃气轮机性能的影响。如模拟流程图所示，其中C1为压气机，CMB1为燃烧室，EX1为透平，S1为流入压气机的空气，S2为燃料，S5为透平排气，S6为透平导向器冷却气流，S7为工作轮冷却气流。

PG6561B型燃气轮机，在ISO工况（压气机进口空气温度15℃，相对湿度60%，大气压力101.3X10⁵kPa），条件下的主要性能参数GateCycle模拟结果对比见表。整机效率及热耗计算结果有一定偏差，这主要是由于透平工作效率及抽气冷却透平气量未知，导致透平抽气量与透平进口温度的耦合计算过程中，有多个组合可以实现燃气轮机整机匹配的要求。因此，即使在透平出口温度及整机输入功率计算均收敛情况下，得到的人汽轮机热耗及整机效率结果仍然不准确，但是这并不影响其他部件关键参数的计算，整机的计算结果可以保证误差在允许范围内。

2.2PG6561B改烧低热值煤气后的性能

袁绍天然气的PG6561B型燃气轮机可以改烧中热值煤气，改烧低热值合成气后，必须重新设计燃烧室喷嘴，同时降低透平进口燃气温度。改烧中热值燃气的燃气轮机设计工况的计算，实际上就是计算原烧天然气的燃气轮机变工况的重新平衡状态。

2.3结果比较

将已知燃气轮数据与模拟计算结果列入表2，比较表中的数据可以看出，模拟计算的结果与参考数据较为吻合，但是计算在透平冷却、压气机特性线以及压气机放气等关键数据缺失的情况下，采用部件上下游热力参数反复计算校核直至收敛的方式被动获得，因此，参数计算即使计算收敛，也会不可避免的出现偏差，无法准确对燃气轮机性能进行准确的预测，并为知道现场运行提供可靠的数据。

表2模拟结果与某研究所提供的参考数据比较

2.4向燃烧室内喷水或注入蒸汽，不仅可以减少NO的生成，而且对燃气轮机的性能也会产生影响。

本
文主要考虑喷水对燃气轮机性能的影响。向燃烧室内喷水，将引起燃气组份和定压比热的变化。经推导，定压比热为：

所以得出：

1. 燃料量随喷水量的增加而增加。主要是因为要将喷入的水加热到转子进口温度。

2. 压气机压比随喷水量的增加而增加，透平进口处的压力和压气机压比必然要增加。

3. 烟气的定压比热随喷水量的增加而增加。

4. 循环净功率和透平膨胀功率都增加而增加。一是由于烟气的流量和定压比热增加了，二是由于膨胀比增加了。

3结语

随着计算机技术的飞速发展、数值计算方法的不断完善以及统计学经验参数的加入，数值模拟技术由于所需投入少、研究周期相对较短、功能强大而被广泛地应用于燃气轮机的研究中。虽然数值模拟方法不能从根本上取代实验，但由于不受诸多主客观因素的限制，它已经在燃气轮机流场分析、性能预测以及优化设计中占据了越来越重要的地位。

参考文献

[1]陈洪溪，薛沐瑞.大型空冷汽轮机低压排汽缸几何尺寸对气动性能的影响[J].动力工程学报，2003,23（06）：2740-2743