CN108223139B - 一种分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法，该方适用于分轴式燃气轮机动力涡轮前放气阀开度调节规律优化，可避免压气机进喘及动力涡轮超温。该方法包括以下步骤：基于部件特性建立带放气功能的燃气轮机总体性能仿真模型、给定压气机最小允许喘振裕度、利用总体性能仿真模型获得压气机沿最小允许喘振裕度线工作的放气阀开度、满足最小喘振裕度下以燃机总体性能参数为优化目标，获得变工况条件下放气阀开度优化调节规律。本发明提出的分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法，结合总体性能仿真模型，实现带放气功能的燃机性能仿真，通过调节放气阀开度避免压气机进喘及动力涡轮超温，并获得放气阀开度优化调节规律。

Description

一种分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机领域，涉及燃气轮机动力涡轮前放气调节技术，更具体地，涉及一种分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法。

背景技术

燃气轮机工作时，为使机组安全运行，必须保证燃气轮机不出现喘振、超温、超转等现象。而由于压气机工作的特殊性，其特性曲线图中存在喘振边界与堵塞边界。当压气机设计性能不足或与涡轮匹配不当时，易在低流量、低转速的低工况区出现喘振裕度不足或喘振现象，继而导致机组涡轮超温，给机组安全造成严重危害。以某分轴式燃气轮机为例，其燃气发生器为某航机核心机，通过加装动力涡轮改型而成。动力涡轮设计点性能满足要求，而在非设计工况由于动力涡轮的堵塞特性，使得动力涡轮膨胀比增加，而对应的燃气发生器涡轮膨胀比降低，燃气涡轮输出功率下降，为保证燃气涡轮转速不变，此时需增加燃油流量，最终使得燃气发生器在非设计工况特别是起动过程中，压气机压比沿等转速线增加，逼近喘振边界，而动力涡轮进口温度增加，将出现超温现象。

发明内容

本发明为解决以上现有技术的缺陷和不足，提供了一种分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法，采用在燃气涡轮与动力涡轮间加装放气装置，通过调节不同工况下的放气阀开度，避免出现上述压气机进喘及动力涡轮超温现象，并结合总体性能仿真获得放气阀开度的优化调节规律，改善燃气轮机总体性能。该方法结合已有分轴式燃气轮机各部件特性，采用基于部件法的燃气轮机总体性能仿真建模方法，并在模型中加入放气模块，使仿真模型具备燃气轮机总体性能仿真与燃气轮机放气模拟功能。为避免该分轴式燃气轮机出现压气机进喘及动力涡轮超温现象，利用该仿真模型进行燃气轮机性能仿真，得到一种动力涡轮前放气的优化调节规律。

为实现以上发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法，所述分轴式燃气轮机包括燃气发生器和动力涡轮，所述燃气发生器包括压气机、燃烧室和燃气涡轮，所述压气机和燃气涡轮设置在同一根转轴上，并且在燃气涡轮与动力涡轮间加装放气装置，放气装置包括放气阀和放气管路，所述放气阀设置在放气管路上，其特征在于，所述放气调节规律优化方法包括以下步骤：

SS1.建立基于部件特性的带放气功能的分轴式燃气轮机性能仿真模型

针对分轴式燃气轮机结构，根据燃气轮机工作原理，结合压气机、燃烧室、燃气涡轮、动力涡轮等部件的特性曲线，同时基于放气阀开度、管道放气阻力损失、放气流量之间的特性关系，采用部件法建立带有放气功能模块的分轴式燃气轮机总体性能仿真模型；

分轴式燃气轮机总体性能仿真模型中，放气模拟模块主要包括放气阀开度、放气阻力损失(放气压比)、放气流量之间的特性关系。模拟过程中，可根据给定的放气阀开度、放气压比唯一确定对应的放气流量。

燃气轮机工作时，某一工作状态对应着唯一的各部件工作参数，需满足流量平衡、能量平衡、压比平衡及转速平衡。

对于分轴式燃气轮机，为了唯一确定其工作状态，压气机需确定转速、流量、压比三者中任意两个参数，燃气涡轮与动力涡轮分别需确定转速、流量、膨胀比三者中任意两个参数，燃烧室需确定燃油流量(或燃烧室出口温度)。在压气机特性中，可对特性进行处理，引入辅助变量β，利用β及转速、流量、压比中的任一参数，即可获得另外两个参数。因此，需要6个参数才能完全确定燃气轮机的工作状态。

根据燃气轮机工作时的守恒关系，组成如下的控制方程组：

I.质量守恒

质量守恒体现在工质气体沿流道的质量平衡，具体表现为压气机流量W_a,c、燃油流量W_f、燃气涡轮流量W_g,ht、放气流量W_blow-off、动力涡轮流量W_g,pt之间的关系。

W_a,c＝W_g,ht-W_f (1)

W_g,ht-W_blow-off＝W_g,pt (2)

II.能量守恒

能量守恒表示处于同一根转轴上的压气机耗功与涡轮做功平衡，具体表现为燃气发生器压气机耗功N_C与燃气发生器涡轮做功N_HT平衡。

N_C＝η_mN_HT (3)

式(3)中η_m表示转轴机械效率。

III.压比守恒

压比守恒表示压气机压比与涡轮膨胀比之间的关系，具体表现为燃气发生器压气机压比π_c、燃气发生器涡轮膨胀比π_ht、动力涡轮膨胀比π_pt之间的平衡关系。

π_c＝π_ht·π_pt·ζ_total (4)

式(4)中ζ_total表示流道总压恢复系数。

综上，由于控制方程个数(4个)小于状态变量个数(6个)，需选取两个参数作为控制规律，使方程组封闭。为了减少迭代变量个数，可利用式(4)得到动力涡轮膨胀比，使迭代控制方程数减少为3个，对应地所需状态变量减少为5个，而迭代变量个数则减少为3个。因此，仿真计算中，选取燃气发生器压气机β值、燃烧室出口温度燃气发生器涡轮膨胀比π_ht为迭代变量，选取燃气发生器轴转速NH、动力涡轮转速为控制量NP，并给定两者的变化规律，最后求解方程组，确定燃气轮机的工作状态。

性能仿真模型中，实现放气功能的模块给出了放气流量、放气阀开度、放气管路压力损失(放气压比)三者间的关系。计算时，通过给定放气阀开度及管道阻力损失，可确定对应的放气流量。

SS2.确定燃气轮机工作时的最小允许喘振裕度

分轴式燃气轮机在变工况特别是起动过程中，由于压气机性能不足或压气机与涡轮匹配不当时，易出现压气机喘振及喘振引起的动力涡轮超温。为了使得燃气轮机安全运行，压气机在运行时必须保证一定的喘振裕度，防止压气机喘振。参考已有燃气发生器中压气机的工作特性，给定压气机最小允许喘振裕度SM_min，获得压气机特性图上的最小允许喘振裕度线。

SS3.总体仿真计算获得满足最小喘振裕度的放气阀开度

结合SS2确定的最小喘振裕度SM_min及最小喘振裕度线，首先假设压气机沿该最小喘振裕度线工作，随后利用SS1中建立的总体性能仿真模型，并结合放气装置的放气阀开度-流量-阻力特性，最后迭代计算获得使压气机沿最小喘振裕度线工作所对应的放气阀开度。

SS4.考虑燃气轮变工况性能的放气阀开度优化调节规律

放气阀打开时，动力涡轮做功工质减少，浪费了这部分工质的做功能力，使燃气轮机做功能力下降及热效率降低。因此，从提高燃气轮机总体性能角度出发，在燃气轮机全工况开展放气阀开度调节规律优化十分必要。

在满足SS3最小喘振裕度SM_min要求下，以燃气轮机总体性能参数为优化目标，通过总体性能仿真建立其与放气阀开度的变化关系，利用优化算法获得使燃气轮机总体性能最优的放气阀开度优化调节规律。当分轴式燃气轮机用于发电时，可选取热效率、比功为优化目标，得到使燃气轮机获得最优经济效益的放气阀开度优化调节规律；而当分轴式燃气轮机用于机车推进动力时，可选取燃气轮机加速性能为优化变量，得到使燃气轮机获得最优加速性能的放气阀优化调节规律。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法。该方法针对分轴式燃气轮机变工况特别是起动过程中，易出现压气机进喘及动力涡轮超温等现象，提出一种动力涡轮前放气调节规律优化方法。首先，建立带放气功能的分轴式燃气轮机总体性能仿真模型；随后，给定燃气轮机压气机工作最小允许喘振裕度；其次，利用总体性能仿真获得满足最小喘振裕度的放气阀开度，以保证不出现压气机喘振及动力涡轮超温；最后，针对分轴式燃气轮机的不同应用场合，选取燃气轮机总体性能参数为目标优化变量，建立其与放气阀开度的变化关系，利用优化算法，得到变工况条件下放气阀开度的优化调节规律，从而改善分轴式燃气轮机总体性能。

附图说明

图1为本发明提供的分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法的流程图；

图2为本发明提供的带放气装置的分轴式燃气轮机示意图；

图3为本发明建立的不同放气开度调节规律下的压气机工作线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。实际上，在未背离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化，这对本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用来产生又一个实施例。因此，意图是本发明将这样的修改和变化包括在所附的权利要求书和它们的等同物的范围内。

如图2所示，本发明的分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法，其中的分轴式燃气轮机由燃气发生器与动力涡轮4两部分组成，所述燃气发生器包括压气机1、燃烧室2和燃气涡轮3，所述压气机1和燃气涡轮3设置在同一根转轴上，在燃气涡轮3后、动力涡轮4前加装了放气装置5。

如图1所示，本发明提供的分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法包括以下步骤：

SS1.建立基于部件特性的带放气功能的分轴式燃气轮机性能仿真模型

本发明采用基于部件特性的燃气轮机总体性能仿真建模方法，根据燃气轮机工作原理，建立表征燃气轮机工作时各部件的热力学关系的非线性方程组，通过求解非线性方程组确定燃气轮机工作参数。

对于分轴式燃气轮机，为了唯一确定其工作状态，需确定燃气发生器压气机转速、流量、压比三者中任意两个参数，而燃气发生器涡轮与动力涡轮分别需确定转速、流量、膨胀比三者中任意两个参数，燃烧室需确定燃油流量(或燃烧室出口温度)。根据燃气轮机工作时的平衡关系，可建立如下方程组：

I.质量守恒

质量守恒表现为压气机流量W_a,c、燃油流量W_f、燃气涡轮流量W_g,ht、放气流量W_blow-off、动力涡轮流量W_g,pt间的平衡关系。

W_a,c＝W_g,ht-W_f (1)

W_g,ht-W_blow-off＝W_g,pt (2)

II.能量守恒

能量守恒表现为燃气发生器压气机耗功N_C与燃气发生器涡轮做功N_HT平衡。

N_C＝η_mN_HT (3)

式(3)中η_m表示转轴机械效率。

III.压比守恒

压比守恒表现为燃气发生器压气机压比π_c、燃气发生器涡轮膨胀比π_ht、动力涡轮膨胀比π_pt之间的平衡关系。

π_c＝π_ht·π_pt·ζ_total (4)

式(4)中ζ_total表示流道总总压恢复系数。

仿真计算前，首先对压气机特性进行处理，引入辅助变量β，利用β值，及转速、流量、效率三者中任一参数，表示其他两个特性参数。

性能仿真模型中，实现放气功能的模块给出了放气流量、放气阀开度、放气管路压力损失(放气压比)三者间的关系。计算时，通过给定放气阀开度及管道阻力损失，可确定对应的放气流量。

计算时，选取燃气发生器转速NH、动力涡轮转速NP为控制量，并给定其变化规律。选取压气机β值、燃烧室出口温度燃气涡轮膨胀比π_ht为迭代变量，动力涡轮膨胀比π_pt则由式(4)得到，建立如式(1)～(3)的控制方程组。该方程组具有强非线性，采用Newton-Raphson法进行求解，最终确定燃气轮机的工作状态。

SS2.确定燃气轮机工作时的最小允许喘振裕度

如图3所示，为了保证燃气轮机不出现喘振现象，需给定燃气轮机安全工作的最小允许喘振裕度SM_min。一般来说，压气机喘振裕度在10％～30％之间，具体数值可依据需求选取。本分轴式燃气轮案例中选取最小允许喘振裕度SM_min为15％。

SS3.总体仿真计算获得满足最小喘振裕度的放气阀开度

结合SS1建立的仿真模型与SS2给定的最小允许喘振裕度SM_min，假定分轴式燃气轮机压气机沿着最小允许喘振裕度线工作，具体求解如下。

首先，在SS1中三个迭代变量的基础上，给定放气阀开度初值；随后，结合仿真模型中放气流量W_blow-off、阻力损失与放气阀开度的特性关系，经过热力循环计算，得到如SS1中式(1)～(3)所示的非线性方程组；其次，利用Newton-Raphson法进行求解，并改变放气阀开度初值，迭代计算；最后得到满足燃气轮机平衡关系的放气阀开度。

SS4.考虑燃气轮变工况性能的放气阀开度优化调节规律

放气阀打开时，动力涡轮做功工质减少，浪费了这部分工质的做功能力，使燃气轮机做功能力下降及热效率降低。由于燃气轮机喘振及超温现象易发生在起动阶段，而起动后的高负荷工况喘振裕度较高且不易超温，在不放气下可安全运行。因此，从提高燃气轮机总体性能角度出发，在燃气轮机全工况开展放气阀开度调节规律优化十分必要。

在满足SS3最小喘振裕度SM_min要求下，以燃气轮机总体性能参数为优化目标，通过总体性能仿真建立其与放气阀开度的变化关系，利用优化算法获得使燃气轮机总体性能最优的放气阀开度优化调节规律。本案例分轴式燃气轮机主要用于发电领域，工作过程中追求更高的输出功与循环热效率，也就是更好的经济型。因此，选取热效率、比功为优化目标，利用多目标优化方法，建立热效率、比功随放气阀开度的变化关系，最终得到使燃气轮机获得最优经济效益的放气阀开度优化调节规律。

显然，本发明的上述实例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法，所述分轴式燃气轮机包括燃气发生器和动力涡轮，所述燃气发生器包括压气机、燃烧室和燃气涡轮，所述压气机和燃气涡轮设置在同一根转轴上，所述燃气涡轮和动力涡轮之间布置有放气装置，所述放气装置包括放气阀、放气管路，所述放气阀设置在所述放气管路上，其特征在于：所述放气调节规律优化方法包括以下步骤：

SS1.建立基于部件特性的带放气功能的分轴式燃气轮机性能仿真模型

针对分轴式燃气轮机结构，根据燃气轮机工作原理，结合压气机、燃烧室、燃气涡轮、动力涡轮的特性曲线，同时基于放气阀开度、管道放气阻力损失、放气流量之间的特性关系，采用部件法建立带有放气功能模块的分轴式燃气轮机总体性能仿真模型；

SS2.确定燃气轮机工作时的最小允许喘振裕度

参考已有燃气发生器中压气机的特性曲线，给定压气机最小允许喘振裕度SM_min，获得压气机特性曲线上的最小允许喘振裕度线；

SS3.总体仿真计算获得满足最小喘振裕度的放气阀开度

结合步骤SS2确定的最小喘振裕度SM_min及最小允许喘振裕度线，首先假设压气机沿该最小允许喘振裕度线工作，随后利用步骤SS1中建立的所述分轴式燃气轮机的总体性能仿真模型，并结合放气装置中放气阀开度-放气阻力损失-放气流量之间的特性关系，迭代计算获得使压气机沿最小允许喘振裕度线工作所对应的放气阀开度；

SS4.考虑燃气轮机变工况性能的放气阀开度优化调节规律

在满足步骤SS2最小喘振裕度SM_min要求下，以燃气轮机总体性能参数为优化目标，通过总体性能仿真建立其与放气阀开度的变化关系，利用优化算法获得使燃气轮机总体性能最优的放气阀开度优化调节规律。

2.根据权利要求1所述的分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法，其特征在于：考虑分轴式燃气轮机在运行阶段可能出现的压气机喘振及动力涡轮超温，结合带有放气功能的分轴式燃气轮机总体性能仿真模型，计算获得满足压气机最小喘振裕度的放气阀开度。

3.根据权利要求1所述的分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法，其特征在于：在满足压气机最小喘振裕度要求下，以燃气轮机总体性能参数为优化目标，针对燃气轮机不同应用场合，选取不同目标优化变量，利用优化算法获得使燃气轮机总体性能参数最优的放气阀开度优化调节规律，实现放气调节规律优化。

4.根据权利要求1所述的分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法，其特征在于：步骤SS1中，所述放气功能模块中设定放气阀开度、管道放气阻力损失、放气流量三者间的工作特性关系，通过给定放气阀开度及管道放气阻力损失，确定对应的放气流量。

5.根据权利要求1所述的分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法，其特征在于：

步骤SS3中，利用分轴式燃气轮机总体性能仿真模型进行仿真计算时，具体按照如下步骤进行：

首先，选取燃气涡轮转速NH及动力涡轮转速NP为控制量，并给定两者的变化规律，并选取压气机特性β值、燃气涡轮膨胀比π_ht及燃烧室出口温度为迭代变量并给定各参数的初始值；

随后，进行燃气轮机热力循环计算，获得关于质量守恒、能量守恒及压比守恒的平衡方程组并求解；

最后，获得确定燃气轮机工作状态的压气机、燃烧室、燃气涡轮、动力涡轮的工作参数。

6.根据权利要求1所述的分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法，其特征在于：

质量守恒体现在工质气体沿流道的质量平衡，具体表现为压气机流量W_a,c、燃油流量W_f、燃气涡轮流量W_g,ht、放气流量W_blow-off、动力涡轮流量W_g,pt之间的关系：

W_a,c＝W_g,ht-W_f (1)

W_g,ht-W_blow-off＝W_g,pt (2)

能量守恒表示处于同一根转轴上的压气机耗功N_C与燃气涡轮做功N_HT平衡，具体为：

N_C＝η_mN_HT (3)

式(3)中η_m表示转轴机械效率；

压比守恒具体表现为压气机压比π_c、燃气涡轮膨胀比π_ht、动力涡轮膨胀比π_pt之间的平衡关系：

π_c＝π_ht·π_pt·ζ_total (4)

式(4)中ζ_total表示流道总压恢复系数。

7.根据权利要求1所述的分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法，其特征在于：步骤SS4中，当分轴式燃气轮机用于发电时，选取热效率、比功为优化目标，得到使燃气轮机获得最优经济效益的放气阀开度优化调节规律；当分轴式燃气轮机用于机车推进动力时，选取燃气轮机加速性能为优化变量，得到使燃气轮机获得最优加速性能的放气阀优化调节规律。