带中间冷却和回热的燃气轮机动态性能的研究

动　力　工　程

JournalofPowerEngineering

Vol.26No.3　June2006　

　　文章编号:100026761(2006)032326203

带中间冷却和回热的燃气轮机动态性能的研究

金晓航,　刘永文,　苏　明

(上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室,上海200030)

摘　要:对某舰用燃气轮机进行了中间冷却和回热(ICR)的改造设计,采用按比例缩小压气机的方法,使改造设计后的燃气轮机各部件性能达到了良好的匹配。依照模块化建模的原理,建立了换热

器等部件模块,在此基础上,在EASY5仿真平台上搭建了ICR燃气轮机的系统模型,并对其进行了稳态和动态的仿真试验计算。结论认为,舰用燃气轮机改造为ICR燃气轮机,需要重新设计压气机以平衡由于中间冷却器造成的高压压气机入口折合流量降低的影响;ICR燃气轮机具有较高的效率和良好的变工况性能。图5表1参5

关键词:动力机械工程;ICR燃气轮机;动态特性;模块化建模中图分类号:TK472　　　文献标识码:A

DynamicBehaviorofaInter2CooledGas

TurbineSetwithWasteHeatRecuperator

JINXiao2hang,　LIUYong2wen,　SUMing

(MOE’sKeyLab.ofPowerMachinery&Engineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200230,China)Abstract:Acertainmarinegasturbinesetisbeingupgrade2redesignedbyaddinganintercoolerandawasteheatrecuperator.Allcomponentsoftheinter2cooledsetwithrecuperatoraremadetomatcheachotherwell,afterthecapacityofthecompressorhasbeenreducedsomewhatindesignonthesimilaritybasis.Inaccordancewiththeideaofmodulardesignmethod,modulesforallthecomponentsoftheset,suchastheheatexchanger,weresetup.Withthemasabasis,amodelofthewholeinter2cooledgasturbinesetwithwasteheatrecuperatorwasestablishedontheEASY5simulationplatformandthestatic,aswellasthedynamic,behavioroftheset,obtainedbysimulationtestandcalculation.Conclusionshaveherewithbeendrawnthat,forreconstructingthesaidmarinegasturbinesetintoonewithaddedinter2coolerandwasteheatrecuperator,itisnecessarythatthecompressorberedesignedtocompensatefortheeffectofflowmodificationforareducedvolume,causedbytheintercoolerputatthehighpressurecompressor’sinlet.Intercooledgasturbinesetswithwasteheatrecuperationarefeaturedbyhigherefficiencyandimproveddynamicperformance.Figs5,table1andrefs5.

Keywords:powerandmechanicalengineering;gasturbinewithintercoolerandrecuperator,dynamiccharacteristics;modularmodeling

　　带中间冷却和回热(ICR)的燃气轮机是在简单

循环燃气轮机的基础上,增加压缩空气中间冷却器

收稿日期:2005210224

作者简介:金晓航(1981-),男,浙江东阳人,硕士研究生。研究方向为:动力系统的仿真等。

和尾气回热器组成的燃气轮机。该复杂循环燃气轮机在宽广的功率范围内具有平坦的耗油率曲线,显著地改善了机组在部分工况的经济性,同时又具有低的排气噪声和排气温度,在船舶和工业燃气轮机领域得到了人们的密切关注。采用了这一技术的

　第3期

金晓航,等:带中间冷却和回热的燃气轮机动态性能的研究

・327・

WR221燃气轮机,已经成为美国海军新一代舰船推

进系统的主动力装置。

本文对某舰用三轴燃气轮机进行了ICR的改造设计,根据模块化建模的原理,建立了ICR燃气轮机系统的仿真模型,进行了系统的稳态和动态性能的试验和计算。

[1]

　　考虑换热器冷、热流道上长度为Δx的微元体(图3),把它作为一个容性环节S和一个阻性环节R串接来处理(容性环节内工质压力均匀分布,进出口流量差引起压力随时间的变化;阻性环节内流量均匀分布,进出口压力差及壁面摩擦引起流量随时间的变化)。

　　热流体侧:

dPh,iRTh,i(Gh,i-Gh,i+1)=

dτAΔxdGh,i+1Ph,i-Ph,i+1=A-Uhσh

ΔxdτdTh,iGh,iTh,i+1-Th,i

=--ρΔxdτAh,i

Shαh,i(Th,i-Tw,i)ρLCh,iAh,i

1　ICR燃气轮机

ICR燃气轮机循环如图1所示

[2]

,空气经低压

压气机压缩后,通过中间冷却器进入高压压气机。中间冷却器降低了进入高压压气机的空气温度,高

压压气机的压缩耗功因此而减少;同时也相应地降低了高压压气机的出口温度,这样便增加了回热器两侧流体的温差,回热器的效率因此也得到了提高。从高压压气机出来的压缩空气先通过回热器,再进入燃烧室。在回热器中,压缩空气吸收了尾气中的热量,这样可相应地减少需要加入燃烧室的热量,降低了燃油的消耗。

　　冷流体侧:

dPc,i+1RTc,i

(Gc,i+1-Gc,i)=

dτAΔxdGc,iPc,i+1-Pc,i=A-Ucσc

Δxdτ

dTc,iGc,iTc,i+1-Tc,i=-ρΔxdτAc,i

Scαc,i

(Tc,i-Tw,i)ρLCc,iAc,i

图1　ICR燃气轮机循环示意图

Fig1　Cycle’sschemaoftheintercooledgasturbinewithwasteheat

recuperator

　　换热器管壁的能量守恒方程:

dTw,iTw,i+1-2Tw,i+Tw,i-1

=K-dτ(Δx)2

ααh,iShc,iSc(Th,i-Tw,i)+(Tw,i-Tc,i)

MwCw

MwCw

2　换热器模块

WR221燃气轮机的中间冷却器和回热器都采用

　　再加上分别适用于冷、热流体的状态方程P=f

(ρ,T),建立了换热器模块。

了逆流板翅式的紧凑式换热器。本文在ICR燃气轮机系统设计中也采用了逆流板翅式的换热器,对逆流板翅式的气气换热器和气液换热器建立了各自的分布参数模型,该模型考虑了换热器的容积效应。气气换热器模块如图2所示,图中G、T、P分别表示流量、温度和压力,下标in表示为输入,out表示为输出。

[3]

图3　微元体分析图

Fig3　Micro2elementforanalyzing

　　除换热器模块外,ICR燃气轮机的其它部件模

块,如压气机模块、涡轮模块、燃烧室模块等参见文献[4,5]。

3　稳态和动态仿真计算

为了使ICR改造后的燃气轮机各部件在合理范围内能够达到良好的匹配,本文采取了如下的方案:除了增加中间冷却器和回热器,对原舰用三轴燃气轮机的高压压气机以0.92的比例进行了模化缩小,

图2　换热器模块

Fig2　Theheatexchangermodule

・328・

　　　　　动　力　工　程　

ICR燃气轮机系统的仿真模型。3.1　稳态性能

第26卷　

平衡由中间冷却器造成的高压压气机入口折合流量

降低的影响;为了让低压压气机在喘振边界右侧更合理的范围内运行,对低压压气机以0.95的比例进行了模化缩小。

根据模块化建模的原理,应用换热器模块和燃

舰用简单循环燃气轮机ICR改造设计完成后,机组的效率从37.29%提高到了43.66%,输出功率从29296.9kW提高到了31293.7kW。改造后的

气轮机的各部件模块,在EASY5仿真平台上搭建了ICR燃气轮机在额定工况点的性能参数见表1。

表1　ICR燃气轮机设计点工况性能数据一览

Tab.1　Performancedataunderdesignconditionsoftheintercooledgasturbinesetwithwasteheatrecuperation

项　　目压比耗功ΠkW效率Π%质量流量Πkg・s-1膨胀比压力ΠkPa温度ΠK燃料量Πkg・s-1输出功率ΠkW整机效率Π%

1797.5691477.11.8

31293.743.66

低压压气机

2.97759444.685.2772.81

高压压气机

6.102218758.984.5472.81燃烧室高压涡轮低压涡轮动力涡轮

86.9274.602.1269

87.3774.601.5236

92.7874.604.9894

3.2　动态仿真

在系统稳态运行的基础上,对间冷回热燃气轮机在额定工况与30%工况间的加速和减速过程进行了动态的仿真实验计算。低压压气机和高压压气机的响应过程在特性图上的表示,如图5,图6所示;从图中可以看出:低压压气机和高压压气机在喘振边界的右侧运行良好。

燃气初温和回热器有较高的回热效率,可在原动力涡轮前增加一级可变导叶。

图5　高压压气机特性图上的加减速过程

Fig5　Accelerationanddecelerationprocessonthecharacteristic

chartofthelow2pressurecompressor

图4　低压压气机特性图上的加减速过程

Fig4　Simulationmodeloftheintercooledgasturbineset

withwasteheatrecuperation

　　(2)原舰用三轴燃气轮机在进行ICR改造设计

后,机组的效率和输出功率都有了较大的提高。

(3)改造设计后的ICR燃气轮机的变工况性能良好,当机组在额定工况与30%工况之间加速、减速时,高压压气机有足够大的喘振裕度,低压压气机的喘振裕度大于8%,可以采取放气等防喘措施,充分保证低压压气机安全工作。符号说明

　　T———温度

τ———时间

4　结　论

(1)由于中间冷却器的作用,造成了高压压气机

入口折合流量的降低,所以应当采取措施使系统重新平衡,如可对压气机以适当的比例进行缩小。同时,为了改善系统的变工况性能,保证机组有较高的

(下转第446页)

・446・

(102):82～96.

　　　　　动　力　工　程　

K.

第26卷　

Developmentof1kWclasspolymerelectrolyte

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(上接第328页)

ρ—　　——密度

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σ———单位面积摩擦阻力α———换热系数

L———流道长度C———比热容S———流道换热面积M———管壁金属质量

下标:

h———热流体c———冷流体w———管壁

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(上接第426页)

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