考慮可調靜葉壓氣機的船舶燃氣輪機仿真優化

王志濤，白冰，李鐵磊,2，范闊，李淑英

(1.哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.哈爾濱工程大學 工程訓練中心，黑龍江 哈爾濱 150001)

考慮可調靜葉壓氣機的船舶燃氣輪機仿真優化

王志濤1，白冰1，李鐵磊1,2，范闊1，李淑英1

(1.哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.哈爾濱工程大學 工程訓練中心，黑龍江 哈爾濱 150001)

作為燃氣輪機防喘措施之一，壓氣機可調靜葉在變工況下的調節方案對燃機的運行性能具有重要影響。以某型三軸船舶燃氣輪機為研究對象，建立了考慮變幾何壓氣機的燃機系統仿真縮放(0維-1維)模型。以提高燃機運行效率為目標，通過系統仿真，得到了各個工況下低壓壓氣機前三級可調靜葉的最佳開度及整機穩態性能。仿真結果表明，與原始的可調靜葉調節方案相比，采用優化方案可以提高燃機在各個工況下的經濟性和穩定性，對燃機總體性能有更加積極的影響。

燃氣輪機； 壓氣機； 可調靜葉； 控制； 系統仿真； 優化分析

采用可調靜葉(variable stator vane，VSV)變幾何壓氣機是當下主流的燃氣輪機防喘措施之一[1]。在燃機非設計工況下，各級可調靜葉的開度對壓氣機與整機的工作匹配以及燃機的運行效率有重要影響。采用系統仿真技術，全面掌握可調靜葉調節方案對燃機總體性能的影響，不僅可以有效地減少物理樣機試驗量、降低試驗風險，還可以為燃機總體性能優化指明方向。

可調靜葉技術在燃氣輪機的各類應用領域均有涉及。20世紀40年代，德國研制的第一臺渦噴發動機中就已運用了該項技術，而在其后的發展中，可調靜葉技術更加廣泛地應用在德國的新一代工業燃氣輪機中[2]。在地面發電和船用燃機方面，可調靜葉技術也有廣泛的應用[3-5]。美國GE公司生產的9FA型燃機和PG6541型單軸燃機均采用了可調進口導葉。而瑞士蘇爾壽公司則將可調靜葉技術應用在其AV系列軸流壓氣機中。船用燃機中，較為典型的LM2500燃機的進口導葉加16級靜葉中前7級為可調靜葉，其升級版LM2500+的可調靜葉級數則由于加零級變為了8級。由于可調靜葉對于壓氣機性能的重要影響，近年來越來越多的研究人員開始對可調導葉與可調靜葉的調節方案進行研究。一方面，通過實驗分析的方法來確定可調靜葉的調節規律需要耗費較大的時間和成本；另一方面，近年來隨著優化方法的豐富和發展，利用恰當的優化算法結合壓氣機特性計算程序對可調靜葉調節方案進行優化的方法逐步成為了研究的熱點。目前對于可調靜葉的研究主要集中在可調靜葉對壓氣機性能的影響方面。對于可調靜葉對燃氣輪機整機性能的影響的研究相對匱乏[7]。

本文以某型發電用三軸燃氣輪機為物理模型，其九級低壓壓氣機的前三級靜葉開度能夠獨立調節。為了分析各級靜葉調節方案對燃機總體性能的影響并對調節方案進行優化，將一維變結構低壓壓氣機特性計算程序嵌入到零維系統仿真模型中，以多軟件協同的方式實現了系統仿真縮放。

1 可調靜葉壓氣機特性計算方法

變幾何壓氣機特性模塊作為建立考慮變幾何壓氣機的可變維度燃氣輪機總體模型的基礎，需要區別于常規的壓氣機特性模塊。需要滿足當壓氣機靜葉變化時，能夠快速計算得到當前靜葉開度下的壓氣機特性的要求。在已知壓氣機結構參數(包括可調靜葉開度)的前提下，可以利用求解三維N-S方程、一維級疊加法、一維HARIKA算法[14]等方法來計算壓氣機特性線數據。為此，本文利用HARIKA壓氣機特性算法在每一個仿真步長內，對壓氣機特性進行計算。

在HARIKA特性計算算法的計算流程主要包含三個循環：級特性循環、壓氣機整機特性點循環、壓氣機整機特性線循環(如圖1所示)。

圖1 HARIKA算法的三個循環Fig.1 The three cycles of HARIKA

從圖1可以看出，整機特性線循環作為最外層循環，可以對不同轉速下的壓氣機特性線進行循環計算，而其循環次數是由所需計算的特性線條數決定的；對于整機特性點循環，則是在某一轉速下，通過改變該轉速對應特性線上的流量，計算求得不同流量對應的壓氣機壓比及效率；最里層循環為級特性循環，該循環根據整機特性線循環提供的轉速和整機特性點提供的流量，對壓氣機逐級計算效率并最終得到整臺壓氣機的特性。

2 燃氣輪機系統縮放仿真設計

零維容積慣性法[8-13]是實現燃機系統仿真的主流方法，在部件特性數據完整且準確的基礎上，能夠以較高精度實現系統穩態、動態仿真，且仿真過程具有良好的實時性。在容積慣性法中，通過實驗、外推等方法獲得一套相對完整且固定的特性線數據，是壓氣機、渦輪等部件建模仿真的基礎。對于變幾何壓氣機而言，由于其通流部分結構發生了變化，其特性也隨之發生了改變，特別是對于多級可調靜葉壓氣機，如何根據各級靜葉開度的變化，隨時獲得相應結構下壓氣機的特性線數據，是實現零維系統仿真的關鍵。

綜合考慮仿真精度、工程計算量等因素，本文選擇商品化一維HARIKA計算程序(Fortran語言開發)計算三軸燃機低壓壓氣機特性線數據，并將其嵌入到如圖2所示的基于容積慣性法開發的零維系統仿真模型(Simulink環境開發)中，其中LC_Cp_V、HC_Cp_V、Combustor_Cp_V、HT_Cp_V、LT_Cp_V、PT_Cp_V、GT_controller、V_LC_HC、Rotor_HC_HT分別為低壓壓氣機模塊、高壓壓氣機模塊、燃燒室模塊、高壓渦輪模塊、低壓渦輪模塊、動力渦輪模塊、調速器模塊、低壓/高壓壓氣機容積模塊、高壓轉子模塊，燃機負載為理想化電力負載。

需要說明的是，LC_Cp_V模塊中低壓壓氣機特性線計算部分并不是真正的仿真模型，而是利用M語言S-Function模板開發的Simulink/HARIKA計算程序協同運行接口。如圖3所示，接口首先讀取系統仿真模型中其他模塊傳遞過來的仿真參數，包括進/出口壓力、轉子轉速，以及用戶通過參數界面輸入的三級可調靜葉調節角度，并利用上述參數修改、重寫Input文本文件，該文件預先存放了包括壓氣機結構化參數在內的全部仿真條件，用于HARIKA計算程序的迭代計算；在此基礎上，接口利用DOS命令啟動HARIKA計算程序，并阻止自身進程，直至HARIKA計算程序完成迭代且輸出計算結果至Output文本文件；最后，接口對Output文本文件中壓比、流量、轉速、效率這四個特性參數進行重新排序、整理，去除掉計算過程中產生的不合理數據，并利用插值法得到與壓比、轉速對應的流量、效率，這些參數將用于低壓壓氣機熱力性能計算。

2 多級可調靜葉調節方案優化分析

多級可調靜葉調節方案的優劣將直接影響燃氣輪機在變工況運行過程中的經濟性和穩定性。傳統的調節方案通常以燃機運行工況或某一截面運行參數為判斷依據，采取單一固定的開度變化[15]。

圖2 燃氣輪機系統仿真模型Fig.2 The simulation model of gas turbine

圖3 Simulink/HARIKA協同運行接口的工作流程Fig.3 Workflow of collaborative running interface for Simulink/HARIKA

本文從燃機總體性能的角度，利用考慮變幾何壓氣機的燃氣輪機系統仿真縮放(0維-1維)模型，以燃機經濟性為目標，以各級可調靜葉開度為變量，對不同工況下可調靜葉的調節方案進行了優化。

2.1優化方案設計

燃機經濟性的具體衡量指標為燃油量和效率，燃機效率定義如下

(1)

式中：Gf為燃油量，Hu為燃料低熱值，WT為動力渦輪輸出功。

某型三軸燃機前三級靜葉開度的變化范圍分別為-18°～0°、-18°～0°、-12°～0°，考慮到執行機構的限制，各級可調靜葉開度最小變化量為2°。在此基礎上，本文采用遍歷的方法，尋找不同工況下前三級靜葉的最佳開度，使燃機效率最優，具體遍歷過程如下：當第零級可調靜葉在其限制范圍內取某一開度時，第一級可調靜葉將取遍其范圍內所有的開度值，同時在第一級可調靜葉開度確定的情況下，第二級可調靜葉也作遍歷選取。

2.2優化結果分析

設定不同的燃機工況，通過反復自動地執行以下過程：在圖1中LC_Cp_V模塊的參數界面上輸入三級可調靜葉開度的可能組合；運行燃氣輪機系統仿真縮放(0維-1維)模型；記錄并比較燃機效率值，得到如表1所示的各級可調靜葉最佳開度。

表1不同工況下低壓壓氣機可調靜葉開度優化結果

Table1TheoptimizedresultsforVSVoflow-pressurecompressoratvariousworkingconditions

燃機工況/%第零級開度/(°)第一級開度/(°)第二級開度/(°)100-8-12090-10-12-280-14-12-470-18-14-460-18-14-1050-18-16-1240-18-18-1230-18-18-1220-18-18-12

與表1中各級靜葉最佳開度對應的部分系統仿真結果如圖4～6所示。由圖4、5可知，與原始調節方案[15]相比，采用優化的可調靜葉調節方案，燃油量降低，使得整機效率明顯提高。由圖6可知，在高工況下，優化方案的喘振裕度低于原始方案，但依舊保持在相對安全的范圍內；而在低于70 %工況下，優化方案的喘振裕度則更有優勢。由于40 %工況以下優化方案與原始方案一致，因此在圖中不再顯示。為了對兩種方案做更加詳細的對比，將高工況下，兩種方案的系統仿真結果列于表2，可見除了低壓壓氣機喘振裕度以外，采用優化方案的燃機系統性能要優于原始方案。

圖7為低壓壓氣機穩態運行線(優化后和原始靜葉調節模式)。燃氣輪機在各個工況下能夠獲得更佳的運行狀態，燃機的經濟性和穩定性得到了提高。同時，通過合理的可調靜葉調節方案可以提高燃氣輪機在中低工況下的壓氣機喘振裕度，擴大壓氣機的運行范圍，使得燃氣輪機獲得更好的運行狀態，提高燃氣輪機各工況下的運行性能。

圖4 燃氣輪機效率Fig.4 The efficiency of gas turbine

圖5 燃氣輪機燃油量Fig.5 The fuel flow of gas turbine

圖6 低壓壓氣機喘振裕度Fig.6 The surge margin of low-pressure compressor

表2 高工況下采用兩種方案的系統仿真結果Table 2 The system simulation results of two kinds of schemes at high work conditions

圖7 低壓壓氣機穩態運行線Fig.7 Steady state line of low pressure compressor

4 結論

1) 利用考慮變幾何壓氣機的燃氣輪機系統仿真縮放(0維-1維)模型，以燃機經濟性為目標，通過系統仿真得到了不同工況下各級可調靜葉的最佳開度。

2) 當燃機運行于40 %工況以下(含40 %工況)時，優化的可調靜葉調節方案與原始方案一致；當燃機運行于40 %工況以上時，與原始方案相比，優化方案能夠減少燃油消耗，提高整機效率。

3) 當燃機運行于70 %工況以上時，與原始可調靜葉調節方案相比，采用優化方案會使低壓壓氣機喘振裕度略有降低，但仍在相對安全的范圍內；從系統仿真的整體結果來看，采用優化方案可以提高燃機在各個工況下的經濟性和穩定性，對燃機總體性能有著更加積極的影響。

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本文引用格式：

王志濤，白冰，李鐵磊，等. 考慮可調靜葉壓氣機的船舶燃氣輪機仿真優化[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2017， 38(11): 1721-1726.

WANG Zhitao, BAI Bing, LI Tielei, et al. Simulation optimization of marine gas turbine with VSV compressor[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(11): 1721-1726.

SimulationoptimizationofmarinegasturbinewithVSVcompressor

WANG Zhitao1, BAI Bing1, LI Tielei1, 2, FAN Kuo1, LI Shuying1

(1.College of Power and Energy Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2.Engineering Training Center, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

As an anti-surge technique, the adjustment scheme of the VSV compressor under off-design working conditions has a significant effect on the performance of a gas turbine. A variable-dimensions (0D-1D) system simulation model of a triaxial gas turbine was established, which considered the performance of variable-geometry compressor. To improve the operating efficiency of gas turbine, the optimized adjusting scheme of the first three rows of VSV and the steady-state performance of the gas turbine under different working conditions were obtained by using the system variable-dimensions simulation model. Simulation results show that compared with the original adjusting scheme for VSV, the optimized scheme can improve the economic benefit and stability of the gas turbine under various working conditions, which has a more positive effect on the overall performance of the gas turbine.

gas turbine; compressor; variable stator vane(VSV); control; system simulation; optimization analysis

10.11990/jheu.201608028

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170427.1321.006.html

TK479

A

1006-7043(2017)11-1721-06

2016-08-15.

網絡出版日期：2017-04-27.

國家自然科學基金項目(51679051)；中央高校基本科研業務費專項資金項目(HEUCFM170301).

王志濤(1981-), 男, 副教授, 博士；

李鐵磊(1981-), 男, 講師, 博士；

李淑英(1963-), 女, 教授, 博士生導師.

李鐵磊, E-mail：litielei@hrbeu.edu.cn.