一种分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法技术

本发明专利技术涉及一种分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法，该方适用于分轴式燃气轮机动力涡轮前放气阀开度调节规律优化，可避免压气机进喘及动力涡轮超温。该方法包括以下步骤：基于部件特性建立带放气功能的燃气轮机总体性能仿真模型、给定压气机最小允许喘振裕度、利用总体性能仿真模型获得压气机沿最小允许喘振裕度线工作的放气阀开度、满足最小喘振裕度下以燃机总体性能参数为优化目标，获得变工况条件下放气阀开度优化调节规律。本发明专利技术提出的分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法，结合总体性能仿真模型，实现带放气功能的燃机性能仿真，通过调节放气阀开度避免压气机进喘及动力涡轮超温，并获得放气阀开度优化调节规律。

【技术实现步骤摘要】
一种分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法
本专利技术涉及燃气轮机领域，涉及燃气轮机动力涡轮前放气调节技术，更具体地，涉及一种分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法。
技术介绍
燃气轮机工作时，为使机组安全运行，必须保证燃气轮机不出现喘振、超温、超转等现象。而由于压气机工作的特殊性，其特性曲线图中存在喘振边界与堵塞边界。当压气机设计性能不足或与涡轮匹配不当时，易在低流量、低转速的低工况区出现喘振裕度不足或喘振现象，继而导致机组涡轮超温，给机组安全造成严重危害。以某分轴式燃气轮机为例，其燃气发生器为某航机核心机，通过加装动力涡轮改型而成。动力涡轮设计点性能满足要求，而在非设计工况由于动力涡轮的堵塞特性，使得动力涡轮膨胀比增加，而对应的燃气发生器涡轮膨胀比降低，燃气涡轮输出功率下降，为保证燃气涡轮转速不变，此时需增加燃油流量，最终使得燃气发生器在非设计工况特别是起动过程中，压气机压比沿等转速线增加，逼近喘振边界，而动力涡轮进口温度增加，将出现超温现象。
技术实现思路
本专利技术为解决以上现有技术的缺陷和不足，提供了一种分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法，采用在燃气涡轮与动力涡轮间加装放气装置，通过调节不同工况下的放气阀开度，避免出现上述压气机进喘及动力涡轮超温现象，并结合总体性能仿真获得放气阀开度的优化调节规律，改善燃气轮机总体性能。该方法结合已有分轴式燃气轮机各部件特性，采用基于部件法的燃气轮机总体性能仿真建模方法，并在模型中加入放气模块，使仿真模型具备燃气轮机总体性能仿真与燃气轮机放气模拟功能。为避免该分轴式燃气轮机出现压气机进喘及动力涡轮超温现象，利用该仿真模型进行燃气轮机性能仿真，得到一种动力涡轮前放气的优化调节规律。为实现以上专利技术目的，本专利技术采用的技术方案是：一种分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法，所述分轴式燃气轮机包括燃气发生器和动力涡轮，所述燃气发生器包括压气机、燃烧室和燃气涡轮，所述压气机和燃气涡轮设置在同一根转轴上，并且在燃气涡轮与动力涡轮间加装放气装置，放气装置包括放气阀和放气管路，所述放气阀设置在放气管路上，其特征在于，所述放气调节规律优化方法包括以下步骤：SS1.建立基于部件特性的带放气功能的分轴式燃气轮机性能仿真模型针对分轴式燃气轮机结构，根据燃气轮机工作原理，结合压气机、燃烧室、燃气涡轮、动力涡轮等部件的特性曲线，同时基于放气阀开度、管道放气阻力损失、放气流量之间的特性关系，采用部件法建立带有放气功能模块的分轴式燃气轮机总体性能仿真模型；分轴式燃气轮机总体性能仿真模型中，放气模拟模块主要包括放气阀开度、放气阻力损失(放气压比)、放气流量之间的特性关系。模拟过程中，可根据给定的放气阀开度、放气压比唯一确定对应的放气流量。燃气轮机工作时，某一工作状态对应着唯一的各部件工作参数，需满足流量平衡、能量平衡、压比平衡及转速平衡。对于分轴式燃气轮机，为了唯一确定其工作状态，压气机需确定转速、流量、压比三者中任意两个参数，燃气涡轮与动力涡轮分别需确定转速、流量、膨胀比三者中任意两个参数，燃烧室需确定燃油流量(或燃烧室出口温度)。在压气机特性中，可对特性进行处理，引入辅助变量β，利用β及转速、流量、压比中的任一参数，即可获得另外两个参数。因此，需要6个参数才能完全确定燃气轮机的工作状态。根据燃气轮机工作时的守恒关系，组成如下的控制方程组：I.质量守恒质量守恒体现在工质气体沿流道的质量平衡，具体表现为压气机流量Wa,c、燃油流量Wf、燃气涡轮流量Wg,ht、放气流量Wblow-off、动力涡轮流量Wg,pt之间的关系。Wa,c＝Wg,ht-Wf(1)Wg,ht-Wblow-off＝Wg,pt(2)II.能量守恒能量守恒表示处于同一根转轴上的压气机耗功与涡轮做功平衡，具体表现为燃气发生器压气机耗功NC与燃气发生器涡轮做功NHT平衡。NC＝ηmNHT(3)式(3)中ηm表示转轴机械效率。III.压比守恒压比守恒表示压气机压比与涡轮膨胀比之间的关系，具体表现为燃气发生器压气机压比πc、燃气发生器涡轮膨胀比πht、动力涡轮膨胀比πpt之间的平衡关系。πc＝πht·πpt·ζtotal(4)式(4)中ζtotal表示流道总压恢复系数。综上，由于控制方程个数(4个)小于状态变量个数(6个)，需选取两个参数作为控制规律，使方程组封闭。为了减少迭代变量个数，可利用式(4)得到动力涡轮膨胀比，使迭代控制方程数减少为3个，对应地所需状态变量减少为5个，而迭代变量个数则减少为3个。因此，仿真计算中，选取燃气发生器压气机β值、燃烧室出口温度燃气发生器涡轮膨胀比πht为迭代变量，选取燃气发生器轴转速NH、动力涡轮转速为控制量NP，并给定两者的变化规律，最后求解方程组，确定燃气轮机的工作状态。性能仿真模型中，实现放气功能的模块给出了放气流量、放气阀开度、放气管路压力损失(放气压比)三者间的关系。计算时，通过给定放气阀开度及管道阻力损失，可确定对应的放气流量。SS2.确定燃气轮机工作时的最小允许喘振裕度分轴式燃气轮机在变工况特别是起动过程中，由于压气机性能不足或压气机与涡轮匹配不当时，易出现压气机喘振及喘振引起的动力涡轮超温。为了使得燃气轮机安全运行，压气机在运行时必须保证一定的喘振裕度，防止压气机喘振。参考已有燃气发生器中压气机的工作特性，给定压气机最小允许喘振裕度SMmin，获得压气机特性图上的最小允许喘振裕度线。SS3.总体仿真计算获得满足最小喘振裕度的放气阀开度结合SS2确定的最小喘振裕度SMmin及最小喘振裕度线，首先假设压气机沿该最小喘振裕度线工作，随后利用SS1中建立的总体性能仿真模型，并结合放气装置的放气阀开度-流量-阻力特性，最后迭代计算获得使压气机沿最小喘振裕度线工作所对应的放气阀开度。SS4.考虑燃气轮变工况性能的放气阀开度优化调节规律放气阀打开时，动力涡轮做功工质减少，浪费了这部分工质的做功能力，使燃气轮机做功能力下降及热效率降低。因此，从提高燃气轮机总体性能角度出发，在燃气轮机全工况开展放气阀开度调节规律优化十分必要。在满足SS3最小喘振裕度SMmin要求下，以燃气轮机总体性能参数为优化目标，通过总体性能仿真建立其与放气阀开度的变化关系，利用优化算法获得使燃气轮机总体性能最优的放气阀开度优化调节规律。当分轴式燃气轮机用于发电时，可选取热效率、比功为优化目标，得到使燃气轮机获得最优经济效益的放气阀开度优化调节规律；而当分轴式燃气轮机用于机车推进动力时，可选取燃气轮机加速性能为优化变量，得到使燃气轮机获得最优加速性能的放气阀优化调节规律。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提供了一种分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法。该方法针对分轴式燃气轮机变工况特别是起动过程中，易出现压气机进喘及动力涡轮超温等现象，提出一种动力涡轮前放气调节规律优化方法。首先，建立带放气功能的分轴式燃气轮机总体性能仿真模型；随后，给定燃气轮机压气机工作最小允许喘振裕度；其次，利用总体性能仿真获得满足最小喘振裕度的放气阀开度，以保证不出现压气机喘振及动力涡轮超温；最后，针对分轴式燃气轮机的不同应用场合，选取燃气轮机总体性能参数为目标优化变量，建立其与放气阀开度的变化关系，利用优化算法，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法，所述分轴式燃气轮机包括燃气发生器和动力涡轮，所述燃气发生器包括压气机、燃烧室和燃气涡轮，所述压气机和燃气涡轮设置在同一根转轴上，所述燃气涡轮和动力涡轮之间布置有放气装置，所述放气装置包括放气阀、放气管路，所述放气阀设置在放气管路上，，其特征在于：所述放气调节规律优化方法包括以下步骤：SS1.建立基于部件特性的带放气功能的分轴式燃气轮机性能仿真模型针对分轴式燃气轮机结构，根据燃气轮机工作原理，结合压气机、燃烧室、燃气涡轮、动力涡轮等部件的特性曲线，同时基于放气阀开度、管道放气阻力损失、放气流量之间的特性关系，采用部件法建立带有放气功能模块的分轴式燃气轮机总体性能仿真模型；SS2.确定燃气轮机工作时的最小允许喘振裕度参考已有燃气发生器中压气机的特性曲线，给定压气机最小允许喘振裕度SMmin，获得压气机特性曲线上的最小允许喘振裕度线；SS3.总体仿真计算获得满足最小喘振裕度的放气阀开度结合步骤SS2确定的最小喘振裕度SMmin及最小允许喘振裕度线，首先假设压气机沿该最小允许喘振裕度线工作，随后利用步骤SS1中建立的所述分轴式燃气轮机的总体性能仿真模型，并结合放气装置中放气阀开度‑放气阻力损失‑放气流量之间的特性关系，迭代计算获得使压气机沿最小允许喘振裕度线工作所对应的放气阀开度；SS4.考虑燃气轮机变工况性能的放气阀开度优化调节规律在满足步骤SS2最小喘振裕度SMmin要求下，以燃气轮机总体性能参数为优化目标，通过总体性能仿真建立其与放气阀开度的变化关系，利用优化算法获得使燃气轮机总体性能最优的放气阀开度优化调节规律。...

【技术特征摘要】
1.一种分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法，所述分轴式燃气轮机包括燃气发生器和动力涡轮，所述燃气发生器包括压气机、燃烧室和燃气涡轮，所述压气机和燃气涡轮设置在同一根转轴上，所述燃气涡轮和动力涡轮之间布置有放气装置，所述放气装置包括放气阀、放气管路，所述放气阀设置在放气管路上，，其特征在于：所述放气调节规律优化方法包括以下步骤：SS1.建立基于部件特性的带放气功能的分轴式燃气轮机性能仿真模型针对分轴式燃气轮机结构，根据燃气轮机工作原理，结合压气机、燃烧室、燃气涡轮、动力涡轮等部件的特性曲线，同时基于放气阀开度、管道放气阻力损失、放气流量之间的特性关系，采用部件法建立带有放气功能模块的分轴式燃气轮机总体性能仿真模型；SS2.确定燃气轮机工作时的最小允许喘振裕度参考已有燃气发生器中压气机的特性曲线，给定压气机最小允许喘振裕度SMmin，获得压气机特性曲线上的最小允许喘振裕度线；SS3.总体仿真计算获得满足最小喘振裕度的放气阀开度结合步骤SS2确定的最小喘振裕度SMmin及最小允许喘振裕度线，首先假设压气机沿该最小允许喘振裕度线工作，随后利用步骤SS1中建立的所述分轴式燃气轮机的总体性能仿真模型，并结合放气装置中放气阀开度-放气阻力损失-放气流量之间的特性关系，迭代计算获得使压气机沿最小允许喘振裕度线工作所对应的放气阀开度；SS4.考虑燃气轮机变工况性能的放气阀开度优化调节规律在满足步骤SS2最小喘振裕度SMmin要求下，以燃气轮机总体性能参数为优化目标，通过总体性能仿真建立其与放气阀开度的变化关系，利用优化算法获得使燃气轮机总体性能最优的放气阀开度优化调节规律。2.根据权利要求1所述的分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法，其特征在于：考虑分轴式燃气轮机在运行阶段可能出现的压气机喘振及动力涡轮超温，结合带有放气功能的分轴式燃气轮机总体性能仿真模型，计算获得满足压气机最小喘振裕度的放气阀开度。3.根据上述权利要求所述的分轴式燃气轮机动力涡轮前放气调节规律优化方法，其特征在于：在满足压气机最小喘振裕度要求下，以燃气轮机总体性能参数为优化目标，针对燃气轮机不同应用...

【专利技术属性】
技术研发人员：高庆，谭春青，周桥，尹钊，曾德堂，田拥胜，董学智，王涛，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11