考慮環境溫度變化時燃氣輪機控制策略優化選擇

高建華，黃映云，余又紅，賀星

考慮環境溫度變化時燃氣輪機控制策略優化選擇

高建華，黃映云，余又紅，賀星

(海軍工程大學船舶與動力學院，湖北武漢430033)

針對某型簡單循環三軸燃氣輪機，基于面向對象的建模理念，運用模塊化建模方法，建立了三軸燃氣輪機的熱力學模型，開展了環境溫度變化時的穩態性能仿真。在1.00和0.35兩種工況下，分析了四種不同控制策略下，環境溫度對燃氣輪機重要監控參數及裝置的比功率、熱效率等的影響，并將計算結果與燃氣輪機臺架試車實際數據進行了對比分析。結果表明：不同控制策略及不同工況下，環境溫度對三軸燃氣輪機的影響程度不同，需要綜合考慮相關因素，以選擇相應的控制策略。

環境溫度；燃氣輪機；性能計算；GSP；建模與仿真

1 引言

燃氣輪機具有功率密度大、起動快、污染低等優點，是近幾十年來發展非常迅速的動力裝置，廣泛應用在航空、電廠發電、艦船驅動、天然氣增壓等領域。燃氣輪機在設計工況下工作時效率最高，一般可達30%以上，一些復雜循環燃氣輪機的效率甚至可以達到40%以上[1～3]。但是，燃氣輪機對外界環境的變化特別敏感，尤其是環境溫度的變化。環境溫度隨著季節和地域的不同而變化，其變化將引起壓氣機進口空氣狀態變化，進而使得燃氣輪機偏離設計工況。因此，研究環境溫度對燃氣輪機性能的影響，對促進燃氣輪機裝置高效、安全運轉甚有價值，而且也有其理論意義。

本文針對某型簡單循環三軸燃氣輪機，基于面向對象建模理念，運用模塊化建模方法，研究了四種不同控制策略下，環境溫度對燃氣輪機相關性能參數的影響；同時結合某型燃氣輪機臺架試車數據，對計算結果進行了對比分析。研究結果可為船用燃氣輪機和工業發電燃氣輪機的設計、運行及使用管理提供參考。

2 某型簡單循環三軸燃氣輪機

某型簡單循環燃氣輪機為帶雙軸燃氣發生器的三軸燃氣輪機[4]，主要由低壓壓氣機、高壓壓氣機、環管形燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪及動力渦輪組成，見圖1。其中，高壓壓氣機由高壓渦輪驅動，低壓壓氣機由低壓渦輪驅動，動力渦輪為自由渦輪，用來驅動負載。其通流部分各截面符號如圖1所示。

圖1 三軸燃氣輪機組成框圖Fig.1 Block diagram of three-shaft gas turbine

3 GSP熱力學模型的建立

建立高精度的熱力學模型，是研究燃氣輪機穩態及動態特性的基礎。本文引入燃氣輪機熱力學仿真平臺GSP 11[5～7]，基于面向對象的建模理念，運用模塊化建模方法，按照三軸燃氣輪機各部件工作機理搭建的仿真模型如圖2所示。

圖2 GSP下建立的三軸燃氣輪機模型Fig.2 Three-shaft gas turbine model created by GSP

所建模型中，模塊1“PWR”用來實現燃氣輪機的功率控制，模塊3“load ctrl”用于對負載進行控制。另外，由于低壓渦輪和動力渦輪之間有一過渡段，并且存在壓力損失，故模型中增加了模塊11“duct”；同時，該型燃氣輪機的引氣方式非常復雜，高、低壓壓氣機均有引氣用于高、低壓渦輪及動力渦輪冷卻，因而模型中專門設置了模塊2“bleed ctrl”。模型中部分參數的取值見表1。

表1 計算過程中部分參數的取值Table 1 Values of some parameters in calculation

為保證所建模型精度，GSP對燃氣輪機的壓氣機引氣和渦輪冷卻做了相應處理。表2為壓氣機模塊中引氣的相關參數，其中引氣標識號1和2對應低壓壓氣機，3～6對應高壓壓氣機。表3為動力渦輪中冷卻空氣的相關參數，NGV為渦輪進口導葉。

表2 壓氣機引氣的參數設置Table 2 Values of compressor bleed parameters

表3 動力渦輪的參數設置Table 3 Values of power turbine parameters

此外，建立高精度熱力學模型還需要燃氣輪機各部件的精確特性。對于壓氣機，在流量較高時，其通用特性線圖上的特性曲線非常陡峭，折合流量的很小變化也可能帶來壓比的巨大變化，因而傳統的對壓氣機特性線的處理方法在這里容易帶來很大誤差。為此，采用引入β輔助線的方法來處理這一問題，即把相對折合轉速和β輔助線作為獨立變量，來確定壓氣機特性線上某一運行點，進而確定壓比、折合流量和等熵效率：

式中：下標LC代表低壓壓氣機。

上述方法對于渦輪同樣適用。

4 計算結果與討論

4.1 幾種不同的控制策略

仿真過程中，設置GSP中的環境溫度模塊，使得環境溫度T從270 K逐漸增加到310 K。同時，改變燃燒室模塊、燃料控制模塊及輸出功率控制模塊配置，通過燃氣輪機非設計工況性能仿真，實現以下四種不同的控制策略。

(1)燃油空氣比為常數：f=const；

(2)燃油流量為常數：Gf=const；

(3)燃氣輪機輸出功率為常數：W=const；

(4)燃燒室出口溫度為常數：Tt3=const。

在上述四種控制策略下，分別計算海軍標準狀態時，某型燃氣輪機在1.00和0.35兩種工況下，相關性能參數隨環境溫度的變化。

4.2 1.00工況下的計算結果

在四種不同控制策略下，分別代入燃氣輪機在海軍標準狀態下1.00工況時的相應數值，計算得到其性能參數(Tt3、動力渦輪進口溫度Tt4.5、燃氣輪機比功率We和燃氣輪機耗油率B)隨環境溫度的變化，見圖3。

圖3(a)和圖3(b)中，采用f=const、Gf=const和W=const三種控制策略，Tt3和Tt4.5都隨環境溫度的升高而不斷升高。采用Gf=const或W=const控制策略，Tt3和Tt4.5隨環境溫度的升高速率明顯比采用f=const控制策略時的快；另外，當環境溫度超過某一數值后，采用Gf=const或W=const控制策略時的Tt3和Tt4.5，比采用f=const控制策略時的高很多。

圖3 1.00工況時環境溫度對三軸燃氣輪機性能的影響Fig.3 Effect of ambient temperature on three-shaft gas turbine performance under 1.00 operation condition

圖3(c)中，采用f=const或Tt3=const控制策略，環境溫度越高，We越低；而采用Gf=const或W=const控制策略，結果恰好相反。另外，當環境溫度超過某一數值后，采用Gf=const或W=const控制策略時的We，比采用f=const或Tt3=const控制策略時的高很多。

圖3(d)中，四種控制策略下，B均隨環境溫度的升高而升高，但升高速率有差異。其中，Tt3=const控制策略下，B隨環境溫度升高得最快；而采用W=const控制策略時，B變化得最慢。

對于該型三軸燃氣輪機，由于用戶更為關心其輸出功率，環境溫度升高時采用的控制規律是增加燃油噴入量保持輸出功率不變，即圖3中W=const所對應的控制策略。但是從圖3(a)、圖3(b)中可以看到，隨著環境溫度的不斷升高，如果一直采用輸出功率不變的控制策略，必然會造成高壓渦輪和動力渦輪進口超溫。因而在實際運行中，當環境溫度低于300 K時，該型燃氣輪機采用的是輸出功率不變的控制策略；當環境溫度高于300 K時，其采用高壓渦輪進口溫度低于某一限制值的控制策略。這樣，動力渦輪輸出功率必然會有所下降。圖4給出了該型燃氣輪機功率隨環境溫度的變化情況[4]。

圖4 某型燃氣輪機功率與環境溫度的關系曲線Fig.4 Gas turbine power versus ambient temperature

4.3 0.35工況下的計算結果

在四種不同控制策略下，分別代入燃氣輪機在海軍標準狀態下0.35工況時的相應數值，計算得到的其性能參數隨環境溫度的變化見圖5。

圖5(a)、圖5(b)中，四種控制策略下，燃氣輪機的相關性能參數與環境溫度的變化趨勢，與圖3(a)、圖3(b)中的非常類似，分別比較圖3和圖5中環境溫度為270 K、310 K所對應的Tt3和Tt4.5，發現兩種狀態下其變化率相差不超過1.74%。

比較圖5(c)、圖5(d)中環境溫度為270 K、310 K所對應We和B。當采用Gf=const或W=const控制策略時，兩種狀態下We和B的變化率相差最大不超過1.85%；而采用f=const或Tt3=const控制策略時，兩種狀態下其變化率最大相差超過20.85%。

圖5 0.35工況時環境溫度對三軸燃氣輪機性能的影響Fig.5 Effect of ambient temperature on three-shaft gas turbine performance under 0.35 operation condition

4.4 仿真結果與試車數據的對比分析

該型燃氣輪機隨機履歷簿中，提供了不同工況下高壓轉子轉速隨環境溫度的變化曲線。圖6為采用W=const控制策略時，GSP仿真與實際臺架試車兩種情況下,高壓轉子轉速nH隨環境溫度的變化。圖中，燃氣輪機處于1.00和0.35工況下，高壓轉子轉速均隨環境溫度的增加而快速增加。1.00工況下，GSP仿真結果對應曲線和試車數據對應曲線在不同環境溫度下均相差很小，最大誤差只有0.27%。0.35工況下，GSP仿真結果對應曲線和試車數據對應曲線在不同環境溫度下的最大誤差不超過3.25%。

圖6 高壓轉子轉速在不同工況下隨環境溫度的變化Fig.6 High pressure rotor speed versus ambient temperature under different operation condition

5 結論

本文主要討論了Gf=const、W=const、f=const和Tt3=const四種不同控制策略下，環境溫度對三軸燃氣輪機性能參數Tt3、Tt4.5、We和B的影響，可得如下結論：

(1)同一工況時，上述四種控制策略下，三軸燃氣輪機的Tt3、Tt4.5和B均隨環境溫度的升高而升高。采用Gf=const或W=const控制策略，We隨環境溫度的升高而升高；而采用f=const和Tt3=const控制策略，We隨環境溫度的升高而減小。采用Gf=const和W=const控制策略，環境溫度對Tt3、Tt4.5、We和B的影響非常接近。

(2)當燃氣輪機處于0.35工況時，采用f=const和Tt3=const控制策略將導致We、B隨環境溫度的變化更快。

(3)從經濟性角度考慮，三軸燃氣輪機宜采用Gf=const控制策略，此時環境溫度對B的影響較小。若從裝置發出功率角度考慮，則宜采用W=const或Tt3=const控制策略。但上述幾種控制策略，在環境溫度較高時，均需考慮燃燒室出口溫度超溫這一限制。

[1]焦樹建.探討21世紀上半葉我國燃氣輪機發展的途徑[J].燃氣輪機技術，2001，14(1)：10—13.

[2]Brooks F J.GE燃氣輪機性能特點[J].東方汽輪機，2005，(2)：52—65.

[3]趙士杭.燃氣輪機循環與變工況性能[M].北京：清華大學出版社，1993.

[4]劉永葆，高建華.艦艇燃氣動力裝置及戰斗使用[M].北京：海潮出版社，2009：185—188.

[5]Visser W P J，Broomhead M J.GSP,A Generic Ob?ject-Oriented Gas Turbine Simulation Environment[R]. National Aerospace Laboratory NLR，2000.

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[7]Visser W P J，Kluiters S C A.Modeling the Effects of Op?erating Conditions and Alternative Fuels on Gas Turbine Performance and Emissions[R].National Aerospace Labo?ratory NLR，1999.

Effect of Ambient Temperature on Three-Shaft Gas Turbine Performance under Difference Control Strategy

GAO Jian-hua，HUANG Ying-yun，YU You-hong，HE Xing
(College of Naval Architecture and Power，Naval Univ.of Engineering，Wuhan 430033，China)

For a simple cycle three-shaft gas turbine,a thermodynamic model of a three-shaft gas turbine was established with object-oriented modeling concept and modular modeling method,and steady state per?formance simulation under different ambient temperature was carried out.In the two operation conditions of 1.0 and 0.35,the effect of ambient temperature on thermodynamic parameters,specific power and thermal efficiency of gas turbine under four different control strategies were analyzed,and the calculated results were compared with the gas turbine rig test data.The results showed that effect of ambient temperature on three-shaft gas turbine is different under different control strategy and different operation conditions,and relevant factors must be considered to select the appropriate control strategy.

ambient temperature；gas turbine；performance calculation；GSP；modeling and simulation

TK05

A

1672-2620(2012)01-0035-05

2011-07-26；

2012-01-02

高建華(1982-)，男，江蘇鹽城人，講師，博士研究生，主要從事燃氣輪機性能分析與控制規律研究。