一种重型燃气轮机关键部件效能参数软测量方法技术

本发明专利技术公开了一种重型燃气轮机关键部件效能参数软测量方法，包括：S1:建立压气机数学模型；S2:建立燃烧室数学模型；S3:建立透平冷却空气量处理的数学模型；S4:在S3透平冷却空气量处理数学模型的基础上，建立透平数学模型；S5:将步骤S1、S2、S3、S4通过计算输入和输出量之间衔接后，建立重型燃气轮机关键部件效能参数软测量的整体数学模型。能够解决在没有色谱仪(测量燃料气组分和热值)、燃料流量计测量数据或测量数据不准确的条件下，基于燃气轮机热力学原理，通过建立及求解恰定的热力学耦合方程，实现对压气机效率、透平效率、燃烧室出口温度等实际运行中无法直接测量的重型燃气轮机关键部件综合性效能指标或参数的软测量。机关键部件综合性效能指标或参数的软测量。机关键部件综合性效能指标或参数的软测量。

【技术实现步骤摘要】
一种重型燃气轮机关键部件效能参数软测量方法


[0001]本专利技术属于热能动力工程领域，具体涉及一种重型燃气轮机关键部件效能参数软测量方法。

技术介绍

[0002]构建以新能源发电为主体的新型电力系统是实现“碳达峰与碳中和”双碳目标的必然选择。由于新能源发电具有间歇性强、波动性大的特点，为确保电网的安全及稳定运行需要配备大量的灵活性电源。燃气
‑
蒸汽联合循环发电机组具有高效、低碳、灵活的特点和优势，在构建以新能源为主体的新型电力系统的过程中，在安全、稳定的大规模储能技术商业化之前，燃气
‑
蒸汽联合循环发电将是支撑新能源在新型电力系统中成长为主体的重要伙伴，而将成为电网装机不可或缺的重要组成之一。
[0003]燃气
‑
蒸汽联合循环发电机组的核心设备燃气轮机运行于高温、高压、高转速、高机械应力和热应力的恶劣工况条件下，其关键部件(如压气机、燃烧室、透平)随着运行时间的增加易产生各种机械损伤和效能劣化，并易引发严重故障而威胁到机组的安全运行，鉴于此，燃气轮机运行状态监测与故障诊断及预警技术近年来已逐渐成为燃气轮机服役维护领域的研究热点之一。
[0004]为实现燃气轮机故障的在线诊断及提前预警，其技术关键之一是如何利用可直接监测的运行参数，通过软测量方法得到燃气轮机压气机、透平等关键部件效率及燃烧室出口温度等不可直接测量的关键综合性效能指标或参数，以实现对上述关键部件的运行状态监测和分析。燃气轮机在实际运行过程中，当某些部件发生效能衰退或损伤时，其部件效率等效能指标或参数会发生改变，进而导致可测参数(如温度、压力、转速等)发生变化，因此，重型燃气轮机部件效能指标软测量的实质是利用可测得的热力参数(如大气温度、压力、相对湿度、燃气轮机进排气压损、燃料组分及热值等)通过热力学耦合方程求解得到各部件效率等综合性效能指标或参数。
[0005]此外，国内早期投运的诸多在役重型燃气轮机未单独配备色谱仪(测量燃料气组分和热值)或燃料流量计，即便有的机组配备了燃料流量计或色谱仪(测量燃料气组分和热值)也可能存在精度欠佳的情况，上述情况使得针对实际机组建立恰定的热力学耦合方程带来了困难。
[0006]目前尚没有一种公开的重型燃气轮机部件效能指标软测量方法，能够解决在没有色谱仪(测量燃料气组分和热值)、燃料流量计测量数据或测量数据不准确的情况下，实现对燃气轮机压气机、透平等关键部件效率及燃烧室出口温度等不可直接测量的关键综合性效能指标或参数的软测量。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足，提供了一种重型燃气轮机关键部件效能参数软测量方法。
[0008]本专利技术采用技术方案来实现的：
[0009]一种重型燃气轮机关键部件效能参数软测量方法，包括以下步骤：
[0010]S1:建立压气机数学模型，其计算输出量作为步骤S2燃烧室数学模型的建立提供已知输入量；
[0011]S2:建立燃烧室数学模型，其计算输出量作为步骤S4透平数学模型的建立提供已知输入量；
[0012]S3:建立透平冷却空气量处理的数学模型；
[0013]S4:在S3透平冷却空气量处理数学模型的基础上，建立透平数学模型；
[0014]S5:将步骤S1、S2、S3、S4通过计算输入和输出量之间衔接后，建立重型燃气轮机关键部件效能参数软测量的整体数学模型。
[0015]本专利技术进一步的改进在于，步骤S1中，在建立压气机数学模型时，将进口总温T2、总压p2、流量G2、抽气流量和抽气焓值h
bleed1
、h
bleed2
、h
bleed3
、出口总压p3作为输入量，将压气机等熵效率η
c
作为假定值，最终由迭代计算得到；计算输出量为压气机出口总温T3、出口流量G3、压气机耗功N
c
；
[0016]压气机数学模型的基本计算公式如下：
[0017](1)根据公式(1)和公式(2)，由压气机进口总温T2，计算压气机进气相对压比π2和比焓h
a,T2
；
[0018]lgπ2＝f1(T2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0019][0020](2)根据公式(3)和公式(4)，计算压气机出口相对压比π3；
[0021][0022]π3＝π
c
×
π2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0023](3)根据公式(5)，计算压气机出口等熵温度T
3S
；
[0024]T
3S
＝f3[lg(π3)]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0025](4)根据公式(6)，由T
3S
计算压气机出口的空气等熵比焓h
a,T3S
；
[0026][0027](5)根据公式(7)，计算压气机出口空气实际比焓h
a,T3
；
[0028][0029](6)根据公式(8)，求得压气机出口空气温度
[0030](7)根据公式(9)，计算压气机出口空气流量G3；
[0031]G3＝G2‑
G
bleed1
‑
G
bleed2
‑
G
bleed3
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0032](8)根据公式(10)，计算压气机耗功功率N
C
；
[0033]N
C
＝G3h3‑
G2h2+G
bleed1
h
bleed1
+G
bleed2
h
bleed2
+G
bleed3
h
bleed3
ꢀꢀꢀ
(10)
[0034]上述公式(1)、(2)、(5)、(8)式中，f1、f2、f3、f4通过查相关的空气物性参数表得到；
[0035]上述公式(1)～(10)中，温度的单位均为K，比焓的单位为kJ/kg，压力的单位为kPa，流量的单位kg/s，功率的单位为kW。
[0036]本专利技术进一步的改进在于，步骤S2中，在建立燃烧室数学模型时，将燃烧室入口空气流量G
31
、空气温度T
31
作为输入量；将燃烧室能量输入量Q
f
作为假定值，最终由迭代计算得到；计算输出量为燃烧室出口烟气的流量G4、温度T4、组分和焓值h4；
[0037]燃烧室模型的原则性计算公式为：
[0038][0039]上式中：
[0040]G
f
为燃料流量，kg/s；
[0041]h
f
为燃料进入燃烧室温度对应的显焓kJ/kg；燃料显焓采用标准《燃气轮机验收试验》GB/T 14100—2016推荐的多项式进行计算；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种重型燃气轮机关键部件效能参数软测量方法，其特征在于，包括以下步骤：S1:建立压气机数学模型，其计算输出量作为步骤S2燃烧室数学模型的建立提供已知输入量；S2:建立燃烧室数学模型，其计算输出量作为步骤S4透平数学模型的建立提供已知输入量；S3:建立透平冷却空气量处理的数学模型；S4:在S3透平冷却空气量处理数学模型的基础上，建立透平数学模型；S5:将步骤S1、S2、S3、S4通过计算输入和输出量之间衔接后，建立重型燃气轮机关键部件效能参数软测量的整体数学模型。2.根据权利要求1所述的一种重型燃气轮机关键部件效能参数软测量方法，其特征在于，步骤S1中，在建立压气机数学模型时，将进口总温T2、总压p2、流量G2、抽气流量和抽气焓值h
bleed1
、h
bleed2
、h
bleed3
、出口总压p3作为输入量，将压气机等熵效率η
c
作为假定值，最终由迭代计算得到；计算输出量为压气机出口总温T3、出口流量G3、压气机耗功N
c
；压气机数学模型的基本计算公式如下：(1)根据公式(1)和公式(2)，由压气机进口总温T2，计算压气机进气相对压比π2和比焓h
a,T2
；lgπ2＝f1(T2)
ꢀꢀꢀ
(1)(2)根据公式(3)和公式(4)，计算压气机出口相对压比π3；π3＝π
c
×
π2ꢀꢀꢀ
(4)(3)根据公式(5)，计算压气机出口等熵温度T
3S
；T
3S
＝f3[lg(π3)]
ꢀꢀꢀ
(5)(4)根据公式(6)，由T
3S
计算压气机出口的空气等熵比焓h
a,T3S
；(5)根据公式(7)，计算压气机出口空气实际比焓h
a,T3
；(6)根据公式(8)，求得压气机出口空气温度(7)根据公式(9)，计算压气机出口空气流量G3；G3＝G2‑
G
bleed1
‑
G
bleed2
‑
G
bleed3
ꢀꢀꢀ
(9)(8)根据公式(10)，计算压气机耗功功率N
C
；N
C
＝G3h3‑
G2h2+G
bleed1
h
bleed1
+G
bleed2
h
bleed2
+G
bleed3
h
bleed3
ꢀꢀꢀ
(10)上述公式(1)、(2)、(5)、(8)式中，f1、f2、f3、f4通过查相关的空气物性参数表得到；上述公式(1)～(10)中，温度的单位均为K，比焓的单位为kJ/kg，压力的单位为kPa，流量的单位kg/s，功率的单位为kW。
3.根据权利要求2所述的一种重型燃气轮机关键部件效能参数软测量方法，其特征在于，步骤S2中，在建立燃烧室数学模型时，将燃烧室入口空气流量G
31
、空气温度T
31
作为输入量；将燃烧室能量输入量Q
f
作为假定值，最终由迭代计算得到；计算输出量为燃烧室出口烟气的流量G4、温度T4、组分和焓值h4；燃烧室模型的原则性计算公式为：上式中：G
f
为燃料流量，kg/s；h
f
为燃料进入燃烧室温度对应的显焓kJ/kg；燃料显焓采用标准《燃气轮机验收试验》GB/T 14100—2016推荐的Landolt
‑
多项式进行计算；h
f0
为燃料在15℃对应的显焓，kJ/kg；Q
lo
为温度为15℃、常压下的燃料低位热值，kJ/kg；燃料低位热值由天然气组分，根据标准《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》计算得到；G
31
为燃烧室进口空气量，kg/s；若压气机出口至燃烧室入口之间无其它流量进出，则燃烧室进口空气量等于压气机出口空气流量G3；h
31
为燃烧室进口空气焓值，kJ/kg；若压气机出口至燃烧室入口之间无其它流量和能量进出，则燃烧室进口空气焓值等于压气机出口空气焓值h3；p
31
为燃烧室进口空气压力，kPa，等于压气机出口空气压力p3；h
0air
为空气在参考温度下(取15℃)的焓值，kJ/kg...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡孟起，肖俊峰，夏林，连小龙，王一丰，高松，王峰，王玮，李晓丰，王致程，
申请(专利权)人：西安热工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：