含供气环节的重型燃气轮机仿真及性能退化预估

发布时间：2017-10-07 03:39

  本文关键词：含供气环节的重型燃气轮机仿真及性能退化预估

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【摘要】：随着全球节能环保意识和电网调峰需求的逐步提高,火力发电机组要求向高能源利用效率和良好环保性能并重的方向发展。重型燃气轮机及其联合循环机组以投资费用低、供电效率高、排放污染小和启停快速的优势,已在火力发电领域占据不可替代的地位。建立重型燃气轮机的动态仿真模型以掌握燃机各部件/环节的匹配关系并优化其运行策略,是燃气轮机全系统设计和性能预测的重要技术手段。燃气轮机长期运行后,其部件性能会出现不可避免的退化,引起总体性能的下降,从而对机组的经济、安全运行产生不利影响。因此有必要将基于仿真模型的燃气轮机性能预测推广至性能退化阶段,从而评估机组的健康状态。重型燃气轮机配套的天然气供应系统负责调节输送至燃烧室的天然气的参数,其动态调节能力影响燃烧稳定性从而影响整机性能,故研究天然气供应系统动态性能与燃气轮机整机性能的匹配关系对重型燃气轮机全系统设计具有积极意义。由于燃气轮机各部件所处位置和运行方式的不同,其部件性能表现形式也不尽相同。压气机、燃烧室和透平属于燃机气路部件,其性能可通过建模仿真从相关可测热参数的角度反映;而拉杆转子的性能则需要从动力学特性的角度研究。因此针对燃气轮机气路部件和转子的性能特点,采用多样化的研究手段,可以丰富燃气轮机性能预测的理论方法,为燃气轮机的健康状态预估提供可靠的参考。鉴于此,论文建立了包含天然气供应系统、燃烧室环节、涡轮部件、压气机部件等在内的重型燃气轮机仿真模型,模拟重型燃气轮机实际工况下的性能表现,并以该模型为基础进行气路部件性能退化预估;同时针对拉杆非连续性的结构特点建立了其动力学特性计算方法,以此进行拉杆转子性能退化预估。本文主要研究内容和研究成果如下:⑴建立重型燃气轮机部件特性自适应仿真模型。采用通用级特性曲线逐级叠加法预估重型燃气轮机的压气机特性;然后以部件特性法建立含压气机、燃烧室和透平等主要部件的重型燃气轮机通用仿真模型;最后根据实际燃气轮机的运行数据,采用自适应算法对各通用仿真模型中的各部件特性进行修正,形成较高精度的重型燃气轮机部件特性自适应仿真模型,可用于真实机组的性能预测。⑵建立重型燃气轮机天然气供应系统仿真模型。对天然气供应系统进行模块化划分,建立各部件模块;采用bp神经网络建立燃机进口预置压力设定和值班/预混流量分配模块,加入相应的温度、压力和流量控制器,组合形成天然气供应系统仿真模型。该模型的稳态和动态仿真结果符合电厂实际系统的运行情况,证明了模型的正确性。天然气供应系统仿真模型的建立为分析重型燃气轮机与供气环节的联合运行效果提供了前提。⑶含天然气供应环节的重型燃气轮机性能仿真。将重型燃气轮机本体模型和天然气供应系统模型综合,形成包含供气环节的重型燃气轮机仿真模型。对该模型进行了稳态性能验证和变工况仿真试验,在验证模型正确性的同时,得出了燃机主要性能参数在不同天然气物性参数和空气压力、温度条件下的修正曲线,分析了天然气供应系统动态调节能力对燃气轮机关键热参数和总体性能的影响,同时也针对重型燃机的启停、升降负荷等主要运行策略进行仿真研究。含供气环节的重型燃气轮机仿真模型可作为获取机组实际运行条件下标准工况数据的仿真平台。⑷重型燃气轮机气路部件性能退化预估在重型燃气轮机部件特性自适应模型中引入性能退化因子,采用自适应算法自动调整性能退化因子,仿真复现燃气轮机指定时刻的性能状态,从退化因子的变动判断部件是否出现性能退化;同时模拟重型燃气轮机发生典型气路部件性能退化时可测热参数与性能参数的变化情况,设计了基于隶属度的层次分类方法将退化仿真结果转换为退化预测知识,根据具体部件性能退化类型的可信度值进一步确认发生该类气路部件退化的可能性并评估退化程度。该方法在真实机组的应用效果证明其具有一定的准确性,可用于燃气轮机健康状态的初步预测。⑸重型燃气轮机拉杆转子性能退化预估针对重型燃气轮机拉杆转子轮盘端面齿啮合的非连续性结构特点,在传统的Riccati传递矩阵中引入以一表征端面齿啮合对转子弯曲刚度弱化程度的因子。采用ANASYS接触问题分析方法获取具体的刚度弱化因子数值,从而完成了Ricaati传递矩阵法对燃气轮机拉杆转子动力特力学特性计算的适用性改造。利用ANASYS有限元蠕变分析方式研究端面齿啮合处发生高温蠕变引发应力松弛对转子弯曲刚度的影响,并计算蠕变下的转子动力学特性。发现端面齿接触刚度随蠕变时间逐步降低,此时临界转速呈先快速降低后直至稳定的变化趋势,相关振型振幅不断提高。进而以临界转速相对变化量作为转子性能退化参数,设计了以临界转速为评估标准的转子性能退化预估方式。从热参数仿真和转子动力学特性两个角度分析重型燃气轮机的性能退化问题,对重型燃气轮机的健康状态预测、性能退化研究和故障仿真具有重大的实用价值,在一定程度上完善和发展了重型燃机性能退化研究的基本理论和方法,为重型燃气轮机全系统部件的健康状态评估提供了一种新的思路。
【关键词】：燃气轮机 天然气供应系统 性能仿真 转子动力学计算 性能退化预估
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK471
【目录】：

• 摘要5-9
• Abstract9-18
• 第一章 绪论18-33
• 1.1 课题研究背景和意义18-21
• 1.2 燃气轮机建模仿真技术的研究现状21-27
• 1.2.1 燃气轮机模块化建模的研究现状21-24
• 1.2.2 燃气轮机仿真模型的发展趋势24-26
• 1.2.3 燃气轮机燃料供应系统建模仿真的研究现状26-27
• 1.3 燃气轮机性能退化预估的研究现状27-31
• 1.3.1 气路部件性能退化的研究现状27-30
• 1.3.2 转子性能退化的研究现状30-31
• 1.4 本文的主要工作及结构安排31-33
• 第二章 重型燃气轮机部件特性自适应仿真模型研究33-57
• 2.1 前言33
• 2.2 压气机特性预估33-43
• 2.2.2 非设计工况参考系数相似外推33-37
• 2.2.3 压气机特性逐级叠加计算37-39
• 2.2.4 变几何和级间抽气的简化处理39-40
• 2.2.5 压气机特性预估结果40-43
• 2.3 重型燃气轮机通用仿真模型建立43-47
• 2.3.1 压气机模块43-44
• 2.3.2 燃烧室模块44-45
• 2.3.3 透平模块45-47
• 2.3.4 转子模块47
• 2.4 重型燃气轮机部件特性自适应模型建立47-52
• 2.4.1 部件性能修正因子的引入48-49
• 2.4.2 燃机实测运行数据的选择和处理49-50
• 2.4.3 性能修正因子的自适应计算50-52
• 2.5 重型燃气轮机部件特性自适应模型实例52-56
• 2.5.1 性能修正因子函数52-54
• 2.5.2 模型精度试验验证54-56
• 2.6 本章小结56-57
• 第三章 重型燃气轮机天然气供应系统仿真模型研究57-79
• 3.1 前言57-58
• 3.2 天然气供应系统部件建模58-64
• 3.2.1 容积惯性模块58-59
• 3.2.2 压力输出型模块59-61
• 3.2.3 流量输出型模块61-63
• 3.2.4 天然气物性模块63-64
• 3.3 关键控制参数设定模块建立64-71
• 3.3.1 天然气参数对燃机进口预置压力影响的数据分析65-68
• 3.3.2 燃机进口预置压力设定网络模块68-70
• 3.3.3 值班/预混气流量分配网络模块70-71
• 3.4 天然气供应系统控制模型设计71-73
• 3.4.1 控制模型结构71-72
• 3.4.2 包含控制器的仿真模型整合72-73
• 3.5 天然气供应系统仿真试验73-78
• 3.5.1 不同气种下的稳态仿真结果分析73-74
• 3.5.2 燃机不同负荷情况下的稳态仿真结果分析74-75
• 3.5.3 气种切换情况下的动态仿真结果分析75-77
• 3.5.4 燃机负荷突变情况下的动态仿真结果分析77-78
• 3.6 本章小结78-79
• 第四章 含供气环节的重型燃气轮机性能仿真79-95
• 4.1 前言79
• 4.2 含供气环节的重型燃气轮机模型实现与验证79-85
• 4.2.1 控制系统设计79-81
• 4.2.2 仿真模型的对接81-82
• 4.2.3 稳定工况仿真试验82-83
• 4.2.4 大气参数变化下的仿真试验83-85
• 4.3 天然气参数对燃气轮机性能影响的仿真分析85-89
• 4.3.1 非设计天然气参数下的稳态仿真86-87
• 4.3.2 天然气参数调节时的动态仿真87-89
• 4.4 燃气轮机运行策略仿真分析89-94
• 4.4.1 启动过程90-91
• 4.4.2 升/降负荷过程91-93
• 4.4.3 停机过程93-94
• 4.5 本章小结94-95
• 第五章 重型燃气轮机气路部件性能退化预估95-110
• 5.1 前言95
• 5.2 重型燃气轮机性能退化仿真预测95-100
• 5.2.1 重型燃气轮机性能退化模型建立96-97
• 5.2.2 部件性能退化因子的调整97-98
• 5.2.3 性能退化仿真预测应用实例98-100
• 5.3 典型气路部件性能退化仿真100-105
• 5.3.1 单类型部件性能退化仿真100-102
• 5.3.2 多类型部件性能退化组合仿真102-105
• 5.4 气路部件性能退化层次分类预测方法105-109
• 5.4.1 基于隶属度的层次分类方法105-106
• 5.4.2 隶属度计算及权重值设置106-108
• 5.4.3 性能退化层次分类诊断方法的实际应用108-109
• 5.5 本章小结109-110
• 第六章 重型燃气轮机拉杆转子性能退化预估110-130
• 6.1 前言110
• 6.2 拉杆转子动力学特性计算方法设计110-117
• 6.2.1 Riccati传递矩阵法的非连续性改进111-113
• 6.2.2 拉杆转子计算模型建立113-116
• 6.2.3 拉杆转子动力学特性计算程序实现116-117
• 6.3 端面齿接触刚度的有限元分析117-123
• 6.3.1 端面齿有限元接触模型建立117-119
• 6.3.2 端面齿接触效应分析119-121
• 6.3.3 高温蠕变下的端面齿接触刚度分析121-123
• 6.4 拉杆转子性能评估及退化预测123-128
• 6.4.1 拉杆转子临界转速及不平衡响应分析123-126
• 6.4.2 高温蠕变下的拉杆转子动力学特性表现126-127
• 6.4.3 拉杆转子性能退化评估方式127-128
• 6.5 本章小结128-130
• 第七章 结论与展望130-133
• 7.1 结论130-132
• 7.2 主要创新132
• 7.3 研究展望132-133
• 参考文献133-142
• 致谢142-143
• 攻读博士学位期间的学术成果143

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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3 徐纲;俞镔;雷宇;宋权斌;房爱兵;聂超群;黄伟光;;合成气燃气轮机燃烧室的试验研究[J];中国电机工程学报;2006年17期

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本文编号：986742