复合工质新型动力系统——湿空气透平循环动态仿真的研究

摘要

本文是在国家重点基础研究发展规划项目(973项目)“高效洁净能源动力系统及其热动转换过程内部流动的研究”课题“复合工质新型动力系统及动态仿真(NO.G1999022303)”的资助下完成的，本文的侧重点是对复合工质新型热力系统—湿空气透平循环(HAT)的动态仿真研究。湿空气透平循环(HAT)，以其高效、高比功、污染小、变工况性能好等优点而被广泛关注。本文的主要研究内容是基于EASY5仿真平台对整个HAT循环系统进行动态仿真，其中详尽地对湿工质热物性、系统中的关键部件如饱和器、透平、换热器等进行了研究；以期此基础上建立的HAT循环的动态仿真模型具有更高的精确度。 由于气体工质加湿后热物性会发生很大的变化，复合工质热物性的计算方法就显得尤为重要。本文分析了三种热物性的计算方法(理想混合气体的计算方法、基于维里方程的余函数修正计算方法以及基于R-K方程的余函数计算方法)，并对湿空气几个重要的参数：比容、定压比热、比焓和熵在HAT循环工质工作的范围内(温度＜1500K，压力＜2MPa进行了计算；并对湿空气的饱和含湿量进行了计算；此外还利用第一种方法和第三种方法分别对饱和器和整个HAT循环系统进行了性能计算，比较结果显示两种方法的差异非常小。通过分析验证，本文认为计算HAT循环时，可以选择较为简捷的理想混合气体的计算方法来完成系统中的热物性计算；但是如果压力很高(如压力＞2MPa)，就不宜继续采用此方法进行工质热物性的计算，而应该采用适用范围更广的基于R-K方程的余函数计算方法。 饱和器动态模型是一维的，分别列出了空气侧和水侧所应遵循的质量、动量和能量守恒方程，并计及空气和水之间的传热传质及摩擦。利用此模型，首先进行了稳态性能的计算验证。分析了在进口参数发生变化后饱和器内部传热传质、出口参数等的变化规律。发现增大水气比、提高进口水温或者进口空气温度可以增强饱和器的湿化效果，但同时要注意到，通过增加进口空气温度来提高饱和器的湿化效果比起增加水气比或者进口水温要差的多。随后还重点分析了在进口参数变化后出口参数的动态响应，发现如果进水量出现扰动，饱和器内空气侧能够很快地响应水回路的变化，而在进口水温和进口空气温度出现扰动时，饱和器的各个状态参量也可以很快达到新的稳定值。 与此同时，对该饱和器进行了动态实验验证工作，实验使用了上海交通大学涡轮机实验室的大尺度饱和器模型实验台。在该实验台上完成了饱和器的热态实验，观察和测量了进口水流量发生变化后饱和器出口含湿量和出口空气温度的变化情况；实验数据同理论计算进行比较的结果，显示两者最大相差20％，说明理论模型还有待进一步完善和改进，实验精度也有待进一步提高，而动态过程中变化趋势上的基本一致，一定程度上又说明了所建立的理论模型的正确性。 由于水蒸汽的引入，工质热物性的变化，会使得透平在给定的几何参数下，其特性有不同程度的变化。本文采用了常规的一元流动的分析方法，首先建立了透平基元级的性能模型，然后在基元级的基础上完成了对整个透平性能计算模型的建立；利用此模型对不同加湿情况下透平的性能进行比较分析，结果发现随着含湿量的增加，进出口比容均有不同程度的增加，透平整体的绝热焓降、容积流量、作功量会增加，通过透平的质量流量将减小，级组各级的反动度有不同程度的减小，而透平效率在不同含湿量下变化甚微；最后根据前面分析的结果，对HAT循环中燃气透平的改造提出了初步的方案。为解决压气机的匹配问题以及进一步研究HAT循环的整体性能提供了必要的前提条件。 对换热器模型而言，在质量、动量、能量平衡的基础上建立了沿冷热流体各自流动方向的一维动态分布式仿真模型。计算了气—气换热器和气—水换热器的稳态运行数据，然后对这两种换热器进行了动态仿真试验分析，发现气—水换热器在扰动产生后响应时间非常长，而气—气换热器的响应时间则非常快，可以很快达到新的稳态值。 在完成上述各项关键部分的研究后，在EASY5平台上建立了压气机模块、燃烧室模块、容积模块、转动惯量模块，以此构成了整个HAT循环动态仿真所需的模块库；搭建完成了HAT循环系统的动态仿真模型；分析了HAT循环的稳态和动态性能。稳态分析结果认为：简单地将常规燃气轮机循环改造为增加饱和器和带中冷器的HAT循环会使得压气机非常容易超越喘振线运行，因此是不允许的，所以必需对其进行改造，以适应工质加湿带来的对系统的影响。本文选择了对透平部件进行改造的方案，改造后的HAT循环系统效率可以达到49.3％，比简单燃气轮机循环提高了16％，其优势较为明显；动态响应的结果显示HAT循环变工况性能良好，而且变工况运行时不会出现超速、超温和喘振等现象。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号表

上海交通大学学位论文原创性声明及版权使用授权书

第一章绪论

第二章湿工质热物性的研究

第三章饱和器动态仿真模型的研究

第四章饱和器仿真模型的实验验证

第五章湿燃气透平特性线的研究

第六章中冷器、回热器动态仿真模型的研究

第七章HAT循环系统动态仿真的研究

第八章结论与展望

参考文献

致谢

博士就读期间发表论文一览