含供氣環(huán)節(jié)的重型燃氣輪機仿真及性能退化預(yù)估.pdf

1、隨著全球節(jié)能環(huán)保意識和電網(wǎng)調(diào)峰需求的逐步提高，火力發(fā)電機組要求向高能源利用效率和良好環(huán)保性能并重的方向發(fā)展。重型燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)機組以投資費用低、供電效率高、排放污染小和啟?？焖俚膬?yōu)勢，已在火力發(fā)電領(lǐng)域占據(jù)不可替代的地位。建立重型燃氣輪機的動態(tài)仿真模型以掌握燃機各部件/環(huán)節(jié)的匹配關(guān)系并優(yōu)化其運行策略，是燃氣輪機全系統(tǒng)設(shè)計和性能預(yù)測的重要技術(shù)手段。燃氣輪機長期運行后，其部件性能會出現(xiàn)不可避免的退化，引起總體性能的下降，從而對機組的經(jīng)濟

2、、安全運行產(chǎn)生不利影響。因此有必要將基于仿真模型的燃氣輪機性能預(yù)測推廣至性能退化階段，從而評估機組的健康狀態(tài)。
　　重型燃氣輪機配套的天然氣供應(yīng)系統(tǒng)負責(zé)調(diào)節(jié)輸送至燃燒室的天然氣的參數(shù)，其動態(tài)調(diào)節(jié)能力影響燃燒穩(wěn)定性從而影響整機性能，故研究天然氣供應(yīng)系統(tǒng)動態(tài)性能與燃氣輪機整機性能的匹配關(guān)系對重型燃氣輪機全系統(tǒng)設(shè)計具有積極意義。由于燃氣輪機各部件所處位置和運行方式的不同，其部件性能表現(xiàn)形式也不盡相同。壓氣機、燃燒室和透平屬于燃機氣路部件

3、，其性能可通過建模仿真從相關(guān)可測熱參數(shù)的角度反映；而拉桿轉(zhuǎn)子的性能則需要從動力學(xué)特性的角度研究。因此針對燃氣輪機氣路部件和轉(zhuǎn)子的性能特點，采用多樣化的研究手段，可以豐富燃氣輪機性能預(yù)測的理論方法，為燃氣輪機的健康狀態(tài)預(yù)估提供可靠的參考。
　　鑒于此，論文建立了包含天然氣供應(yīng)系統(tǒng)、燃燒室環(huán)節(jié)、渦輪部件、壓氣機部件等在內(nèi)的重型燃氣輪機仿真模型，模擬重型燃氣輪機實際工況下的性能表現(xiàn)，并以該模型為基礎(chǔ)進行氣路部件性能退化預(yù)估；同時針對拉桿

4、非連續(xù)性的結(jié)構(gòu)特點建立了其動力學(xué)特性計算方法，以此進行拉桿轉(zhuǎn)子性能退化預(yù)估。本文主要研究內(nèi)容和研究成果如下：
　?、沤⒅匦腿細廨啓C部件特性自適應(yīng)仿真模型。
　　采用通用級特性曲線逐級疊加法預(yù)估重型燃氣輪機的壓氣機特性；然后以部件特性法建立含壓氣機、燃燒室和透平等主要部件的重型燃氣輪機通用仿真模型；最后根據(jù)實際燃氣輪機的運行數(shù)據(jù)，采用自適應(yīng)算法對各通用仿真模型中的各部件特性進行修正，形成較高精度的重型燃氣輪機部件特性自適應(yīng)仿

5、真模型，可用于真實機組的性能預(yù)測。
　　⑵建立重型燃氣輪機天然氣供應(yīng)系統(tǒng)仿真模型。
　　對天然氣供應(yīng)系統(tǒng)進行模塊化劃分，建立各部件模塊；采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立燃機進口預(yù)置壓力設(shè)定和值班/預(yù)混流量分配模塊，加入相應(yīng)的溫度、壓力和流量控制器，組合形成天然氣供應(yīng)系統(tǒng)仿真模型。該模型的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)仿真結(jié)果符合電廠實際系統(tǒng)的運行情況，證明了模型的正確性。天然氣供應(yīng)系統(tǒng)仿真模型的建立為分析重型燃氣輪機與供氣環(huán)節(jié)的聯(lián)合運行效果提供了前提。

6、r>　?、呛烊粴夤?yīng)環(huán)節(jié)的重型燃氣輪機性能仿真。
　　將重型燃氣輪機本體模型和天然氣供應(yīng)系統(tǒng)模型綜合，形成包含供氣環(huán)節(jié)的重型燃氣輪機仿真模型。對該模型進行了穩(wěn)態(tài)性能驗證和變工況仿真試驗，在驗證模型正確性的同時，得出了燃機主要性能參數(shù)在不同天然氣物性參數(shù)和空氣壓力、溫度條件下的修正曲線，分析了天然氣供應(yīng)系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)能力對燃氣輪機關(guān)鍵熱參數(shù)和總體性能的影響，同時也針對重型燃機的啟停、升降負荷等主要運行策略進行仿真研究。含供氣環(huán)節(jié)的重

7、型燃氣輪機仿真模型可作為獲取機組實際運行條件下標準工況數(shù)據(jù)的仿真平臺。
　　⑷重型燃氣輪機氣路部件性能退化預(yù)估
　　在重型燃氣輪機部件特性自適應(yīng)模型中引入性能退化因子，采用自適應(yīng)算法自動調(diào)整性能退化因子，仿真復(fù)現(xiàn)燃氣輪機指定時刻的性能狀態(tài)，從退化因子的變動判斷部件是否出現(xiàn)性能退化；同時模擬重型燃氣輪機發(fā)生典型氣路部件性能退化時可測熱參數(shù)與性能參數(shù)的變化情況，設(shè)計了基于隸屬度的層次分類方法將退化仿真結(jié)果轉(zhuǎn)換為退化預(yù)測知識，根據(jù)

8、具體部件性能退化類型的可信度值進一步確認發(fā)生該類氣路部件退化的可能性并評估退化程度。該方法在真實機組的應(yīng)用效果證明其具有一定的準確性，可用于燃氣輪機健康狀態(tài)的初步預(yù)測。
　?、芍匦腿細廨啓C拉桿轉(zhuǎn)子性能退化預(yù)估
　　針對重型燃氣輪機拉桿轉(zhuǎn)子輪盤端面齒嚙合的非連續(xù)性結(jié)構(gòu)特點，在傳統(tǒng)的Riccati傳遞矩陣中引入以一表征端面齒嚙合對轉(zhuǎn)子彎曲剛度弱化程度的因子。采用ANASYS接觸問題分析方法獲取具體的剛度弱化因子數(shù)值，從而完成了R

9、icaati傳遞矩陣法對燃氣輪機拉桿轉(zhuǎn)子動力特力學(xué)特性計算的適用性改造。利用ANASYS有限元蠕變分析方式研究端面齒嚙合處發(fā)生高溫蠕變引發(fā)應(yīng)力松弛對轉(zhuǎn)子彎曲剛度的影響，并計算蠕變下的轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性。發(fā)現(xiàn)端面齒接觸剛度隨蠕變時間逐步降低，此時臨界轉(zhuǎn)速呈先快速降低后直至穩(wěn)定的變化趨勢，相關(guān)振型振幅不斷提高。進而以臨界轉(zhuǎn)速相對變化量作為轉(zhuǎn)子性能退化參數(shù)，設(shè)計了以臨界轉(zhuǎn)速為評估標準的轉(zhuǎn)子性能退化預(yù)估方式。
　　從熱參數(shù)仿真和轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性