微型燃气轮机循环的动态模拟与性能分析
发布时间：2021-04-05 15:29
随着分布式供能需求的增加,为回收系统余热,实现能量的梯级利用,提高循环效率,基于微燃机的先进热力循环在电力系统中发挥着越来越重要的作用。其中,基于微燃机的回热循环与湿空气透平循环（Humid Air Turbine Cycle,HAT循环）是重要研究方向。作为紧靠用户的发电系统,遇到的瞬态响应情况,例如启动、停机和负荷变化,比基本负荷发电系统要多,因此掌握微型燃气轮机循环系统的动态性能至关重要。本文对微燃机回热循环与微燃机湿空气透平循环（以下简称微型HAT循环）进行了动态模拟与性能分析,并利用试验数据对模型参数进行了校正。本文的主要工作与研究结果如下:1.微燃机回热循环动态模拟与验证首先,使用Bowman TG80的额定工况数据、变工况运行数据校正了关键部件设计参数与压气机效率曲线。然后,利用停机过程开环控制的特点,研究了容积惯性和热惯性的影响,并确定了转动惯量的取值。最后,基于模型参数校正结果,对微燃机启动与变负荷过程进行了模拟,通过与试验数据的对比,验证了模型的准确性。研究结果表明:1)经过部件参数校正之后,不同负荷下的发电效率模拟值与试验值的相对误差明显减小。2)微燃机中容积惯性...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
美国微燃机热电联产市场份额Figure1.1U.S.microturbineCHPmarketshare
微型燃气轮机循环的动态模拟与性能分析2荷下的性能[7]。HAT循环被认为是解决目前中国能源工业能源利用效率低，污染情况严重等问题的捷径。图1.2HAT循环系统示意图Figure1.2TheschematicdiagramofHATcycle微燃机作为紧靠用户的发电系统，遇到的瞬态响应情况，例如启动、停机和负荷变化，比基本负荷发电系统要多。动态过程性影响整个系统的运行可靠性，故针对微燃机开展动态模拟研究对机组动态性能分析预测、控制系统研制以及系统故障诊断等方面具有重要的意义。1.2国内外研究现状1.2.1微燃机数学模型研究现状数学模型作为系统动态模拟研究的基矗早在20世纪50年代就已经开始对燃气轮机的动态特性进行理论分析和实验研究。最初，Fawke等人[8]将燃气轮机动态模型简化为转子转速一阶延时系统。后来，Rowen等人[9]利用频域分析法开展对燃气轮机动态性能的研究，如图1.3所示。从已往研究看，一类动态建模方法是将微燃机本体视为一个对象模块，然后加入各种动态环节形成系统动态模型[10-12]，该方法在系统受到小扰动时的动态特性分析。另一类建模方法是以微燃机的各个单元部件为对象，基于质量、能量和能量守恒方程建立详细热力学模型[13-15]。该方法提高了全工况范围内性能预测的准确性，是目前微燃机动态性能建模方法的主流。
第1章绪论3图1.3单轴燃气轮机简化仿真框图Figure1.3Simplifiedsingle-shaftgasturbinesimulationblockdiagramforisolatedoperation1.2.2微燃机回热循环动态模拟研究现状微燃机最重要的设计特点是在排烟和压缩空气之间加装换热器，来最大限度地提高循环效率。鉴于回热器在微燃机循环中的重要性，大量文献对回热器动态模型做了研究。余又红等人[5]建立了简化的回热器模型，不考虑进出口的质量流量不平衡问题，将压力损失集中在入口段，并假设空气侧与烟气侧的传热系数为常数。Zhang等人[16]将控制体分为容积模块（进出口质量流量存在差异）与流阻模块（进出口压力存在差异），根据能量守恒定理，建立了回热器的非迭代动态模型，即得到了一组常微分方程，解决了由于压力与流量耦合带来的迭代计算问题。目前，大量文献针对回热循环微燃机动态特性展开了研究，但大多集中在变负荷过程[15;17-23]。Duan[15]等人为提高模拟精度建立了非线性模型并进行了阶跃升负荷的模拟研究。Badami[23]为提高模拟范围建立了简约模型并进行了斜坡降负荷的模拟。Traverso[24]利用欧拉方程与集总参数法建立了部件模型，并利用BowmanTG45微燃机的停机试验数据对模拟结果进行了验证。文献[25]利用厂商提供的压气机与透平的性能曲线图以及准一维回热器模型研究了回热器金属热容对负荷受到阶跃扰动与周期性扰动时系统关键变量的影响。Kim等[18]建立了一维线性化回热器模型，使用试验数据校正过的透平通用特性曲线，研究了变转速微燃机在连续升降负荷时的系统特性。针对启动过程的模拟，多是面向航空和舰船等重型燃气轮机，对微燃机启动、停机过程的研究[26;27]比较缺乏。Henke等人[26]考虑了系统部件与管道的质量蓄积效应，对微燃机的启动过程以及停
【参考文献】：
期刊论文
[1]湿空气透平循环饱和器水温控制建模分析[J]. 黄地,韦婷婷,周登极,张会生,苏明. 南京航空航天大学学报. 2018(04)
[2]基于航改三轴燃气轮机的湿空气透平循环建模与分析（英文）[J]. 黄地,陈金伟,周登极,张会生,苏明. Journal of Central South University. 2018(03)
[3]航改燃气轮机的湿空气透平循环改型方案研究[J]. 陈金伟,梁茂宗,黄地,张会生. 热能动力工程. 2017(06)
[4]小型燃气轮机湿空气透平循环变工况性能[J]. 卫琛喻,臧述升,葛冰,蒲强. 上海交通大学学报. 2013(03)
[5]微型湿空气透平循环性能实验研究[J]. 徐震,路源,肖云汉. 中国电机工程学报. 2012(35)
[6]微型HAT循环过渡过程动态模拟[J]. 欧阳艳艳,张士杰,徐震,王波,肖云汉. 燃气轮机技术. 2012(03)
[7]微型燃气轮机动态模拟与分析[J]. 欧阳艳艳,张士杰,赵丽凤,王波,肖云汉. 工程热物理学报. 2012(03)
[8]燃气轮机的湿空气循环性能分析与试验[J]. 翁史烈,蒲强,卫琛喻,葛冰,臧述升,惠宇,王玉璋. 电力与能源. 2011(06)
[9]微型燃气轮机发电系统仿真模型研究[J]. 黄伟,凡广宽,牛铭. 电网与清洁能源. 2011(04)
[10]有无后冷器的微燃气轮机HAT循环性能比较[J]. 王波,张士杰,肖云汉,徐震. 热能动力工程. 2010(01)
博士论文
[1]微型湿空气透平循环动态模拟研究[D]. 欧阳艳艳.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2012
本文编号：3119880
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
美国微燃机热电联产市场份额Figure1.1U.S.microturbineCHPmarketshare
微型燃气轮机循环的动态模拟与性能分析2荷下的性能[7]。HAT循环被认为是解决目前中国能源工业能源利用效率低，污染情况严重等问题的捷径。图1.2HAT循环系统示意图Figure1.2TheschematicdiagramofHATcycle微燃机作为紧靠用户的发电系统，遇到的瞬态响应情况，例如启动、停机和负荷变化，比基本负荷发电系统要多。动态过程性影响整个系统的运行可靠性，故针对微燃机开展动态模拟研究对机组动态性能分析预测、控制系统研制以及系统故障诊断等方面具有重要的意义。1.2国内外研究现状1.2.1微燃机数学模型研究现状数学模型作为系统动态模拟研究的基矗早在20世纪50年代就已经开始对燃气轮机的动态特性进行理论分析和实验研究。最初，Fawke等人[8]将燃气轮机动态模型简化为转子转速一阶延时系统。后来，Rowen等人[9]利用频域分析法开展对燃气轮机动态性能的研究，如图1.3所示。从已往研究看，一类动态建模方法是将微燃机本体视为一个对象模块，然后加入各种动态环节形成系统动态模型[10-12]，该方法在系统受到小扰动时的动态特性分析。另一类建模方法是以微燃机的各个单元部件为对象，基于质量、能量和能量守恒方程建立详细热力学模型[13-15]。该方法提高了全工况范围内性能预测的准确性，是目前微燃机动态性能建模方法的主流。
第1章绪论3图1.3单轴燃气轮机简化仿真框图Figure1.3Simplifiedsingle-shaftgasturbinesimulationblockdiagramforisolatedoperation1.2.2微燃机回热循环动态模拟研究现状微燃机最重要的设计特点是在排烟和压缩空气之间加装换热器，来最大限度地提高循环效率。鉴于回热器在微燃机循环中的重要性，大量文献对回热器动态模型做了研究。余又红等人[5]建立了简化的回热器模型，不考虑进出口的质量流量不平衡问题，将压力损失集中在入口段，并假设空气侧与烟气侧的传热系数为常数。Zhang等人[16]将控制体分为容积模块（进出口质量流量存在差异）与流阻模块（进出口压力存在差异），根据能量守恒定理，建立了回热器的非迭代动态模型，即得到了一组常微分方程，解决了由于压力与流量耦合带来的迭代计算问题。目前，大量文献针对回热循环微燃机动态特性展开了研究，但大多集中在变负荷过程[15;17-23]。Duan[15]等人为提高模拟精度建立了非线性模型并进行了阶跃升负荷的模拟研究。Badami[23]为提高模拟范围建立了简约模型并进行了斜坡降负荷的模拟。Traverso[24]利用欧拉方程与集总参数法建立了部件模型，并利用BowmanTG45微燃机的停机试验数据对模拟结果进行了验证。文献[25]利用厂商提供的压气机与透平的性能曲线图以及准一维回热器模型研究了回热器金属热容对负荷受到阶跃扰动与周期性扰动时系统关键变量的影响。Kim等[18]建立了一维线性化回热器模型，使用试验数据校正过的透平通用特性曲线，研究了变转速微燃机在连续升降负荷时的系统特性。针对启动过程的模拟，多是面向航空和舰船等重型燃气轮机，对微燃机启动、停机过程的研究[26;27]比较缺乏。Henke等人[26]考虑了系统部件与管道的质量蓄积效应，对微燃机的启动过程以及停
【参考文献】：
期刊论文
[1]湿空气透平循环饱和器水温控制建模分析[J]. 黄地,韦婷婷,周登极,张会生,苏明. 南京航空航天大学学报. 2018(04)
[2]基于航改三轴燃气轮机的湿空气透平循环建模与分析（英文）[J]. 黄地,陈金伟,周登极,张会生,苏明. Journal of Central South University. 2018(03)
[3]航改燃气轮机的湿空气透平循环改型方案研究[J]. 陈金伟,梁茂宗,黄地,张会生. 热能动力工程. 2017(06)
[4]小型燃气轮机湿空气透平循环变工况性能[J]. 卫琛喻,臧述升,葛冰,蒲强. 上海交通大学学报. 2013(03)
[5]微型湿空气透平循环性能实验研究[J]. 徐震,路源,肖云汉. 中国电机工程学报. 2012(35)
[6]微型HAT循环过渡过程动态模拟[J]. 欧阳艳艳,张士杰,徐震,王波,肖云汉. 燃气轮机技术. 2012(03)
[7]微型燃气轮机动态模拟与分析[J]. 欧阳艳艳,张士杰,赵丽凤,王波,肖云汉. 工程热物理学报. 2012(03)
[8]燃气轮机的湿空气循环性能分析与试验[J]. 翁史烈,蒲强,卫琛喻,葛冰,臧述升,惠宇,王玉璋. 电力与能源. 2011(06)
[9]微型燃气轮机发电系统仿真模型研究[J]. 黄伟,凡广宽,牛铭. 电网与清洁能源. 2011(04)
[10]有无后冷器的微燃气轮机HAT循环性能比较[J]. 王波,张士杰,肖云汉,徐震. 热能动力工程. 2010(01)
博士论文
[1]微型湿空气透平循环动态模拟研究[D]. 欧阳艳艳.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2012
本文编号：3119880
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