燃气轮机注空气循环性能仿真研究

摘要

燃气轮机注空气循环是指将经过额外压缩机压缩的空气,直接或者经过加湿后通过回热器吸收燃气轮机排气余热注入燃烧室的一种循环方式,回收了排气余热的同时,增加了流体工质的质量流量,提高了燃气轮机的功率和效率。燃气轮机注空气循环专利由ESPC(EnergyStoragePowerCorporation)的MichaelNakhamkin教授持有。ESPC已经将注空气循环推广到工程实用阶段,安装于美国多家电厂,而国内尚无注空气循环的理论研究报道。本文应用MatLab和Simulink仿真平台对注气参数和注入位置对燃机性能的影响进行探索。本文的主要研究内容如下:
　　将注空气循环燃气轮机的工作模式分为两种:原燃油量不变模式和最大功率模式。通过计算不同注气量下两种模式压气机运行点、燃气发生器转速以及燃机排气温度的变化,得出两种模式在不同大气温度下能够注入的最大注气量。在最大注气量范围内,分别探索两种模式下燃机的功率和效率随注气量的变化。结果表明,最大功率模式由于额外燃料的加入使燃机功率增加幅度大于燃油量不变模式。增加注气湿度不仅能够增加注空气循环燃气轮机的功率和效率,而且能够改善压气机运行点喘振裕度。随着注气湿度的增加,最大功率模式下燃气轮机功率增加的速率、幅度大于燃油量不变模式;燃气轮机效率在最大功率模式下提升幅度与燃油量不变模式基本相同。根据燃气轮机负载的功率要求,按照燃机在发出相同功率时具有更高效率的选取原则,对注空气循环燃气轮机如何选取工作方式进行了详细的说明。
　　采取双注入位置的注气方式有效地改善单注气位置注气量增大造成的燃气发生器转速升高的现象。保持燃烧室注入气体流量不变,随着高压涡轮和动力涡轮之间注气量的增大,双注气位置方式燃气轮机的功率和效率高于单注气方式;当总注气量不变,随着两涡轮之间注气量的增大,燃机功率和效率收益降低。保持燃烧室注入气体流量不变两涡轮之间最大注气量受到燃机排气温度的限制;总注气量不变,两涡轮之间最大注气量受到燃气初温的限制。
　　对288K大气温度条件下燃气轮机无注气、注蒸汽、注空气(干空气和湿空气)三种情况燃机的稳态性能进行仿真计算,通过对比可知额定条件下注入湿度为0.5湿空气时燃机功率与注入相同质量蒸汽的燃机功率相比降低约1.5％,效率降低3.3%。

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第一章 绪 论

1.1 论文选题的背景和意义

1.2 注空气循环的分类

1.3 注空气循环的国内外发展状况

1.4 本文的主要工作

第二章 注空气燃气轮机系统的组成形式及特点分析

2.1 压缩空气存储注空气循环系统的组成形式

2.2 空气直接来源于压气机的注空气循环系统的组成形式

2.3 本章小结

第三章 分轴燃气轮机部件的建模与仿真

3.1 等熵绝热过程的计算方法

3.2 燃气和水蒸气计算依据

3.3 部件特性处理

3.4 压气机变比热数学与仿真模型

3.5 燃烧室的数学与仿真模型

3.6 掺混模块数学与仿真模型

3.7 涡轮模块的数学与仿真模型

3.8 容积模块的数学与仿真模型

3.9 转子模块的数学与仿真模型

3.10 本章小结

第四章 分轴燃机注空气循环仿真结果与分析

4.1 仿真假设条件及精度验证

4.2 单注气位置注空气燃气轮机最大注气量的选定

4.3 单注气位置注空气燃气轮机性能曲线

4.4 单注气位置注空气量对燃机性能的影响

4.5 注气湿度对燃气轮机性能的影响

4.6 两种模式下最佳方案的选取

4.7 双注气位置注空气循环仿真

4.8 不同循环形式燃机稳态仿真结果及对比

4.9 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录（一） 攻读硕士期间发表论文