带中间冷却和回热的燃气轮机动态性能的研究

第26卷第3期　2006年6月
动　力　工　程
Journal of P ower Engineering
V ol.26N o.3　June 2006　
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E ASY 5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:TK 472 文献标识码:A
Dynamic Behavior of a Inter 2Cooled Ga s
Turbine Set with Wa ste Heat Recuperator
JIN Xiao 2hang ,　LIU Yong 2wen ,　SU Ming
(M OE ’s K ey Lab.of P ower Machinery &Engineering ,Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200230,China )Abstract :A certain marine gas turbine set is being upgrade 2redesigned by adding an intercooler and a waste heat recuperator.All com ponents of the inter 2cooled set with recuperator are made to match each other well ,after the capacity of the com press or has been reduced s omewhat in design on the similarity basis.In accordance with the idea of m odular design method ,m odules for all the com ponents of the set ,such as the heat exchanger ,were set up.With them as a basis ,a m odel of the whole inter 2cooled gas turbine set with waste heat recuperator was established on the E ASY 5simulation platform and the static ,as well as the dynamic ,behavior of the set ,obtained by simulation test and calculation.C onclusions have herewith been drawn that ,for reconstructing the said marine gas turbine set into one with added inter 2cooler and waste heat recuperator ,it is necessary that the com press or be redesigned to com pensate for the effect of flow m odification for a reduced v olume ,caused by the intercooler put at the high pressure com press or ’s inlet.Intercooled gas turbine sets with waste heat recuperation are featured by higher efficiency and im proved dynamic performance.Figs 5,table 1and refs 5.
K eywords :power and mechanical engineering ;gas turbine with intercooler and recuperator ,dynamic characteristics ;m odular m odeling
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。

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
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
WR 221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[1]。

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　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。

图1　ICR 燃气轮机循环示意图
Fig 1　Cycle ’s schema of the intercooled gas turbine with waste heat
recuperator
图2　换热器模块
Fig 2　The heat exchanger m odule
2　换热器模块
WR 221燃气轮机的中间冷却器和回热器都采用
了逆流板翅式的紧凑式换热器[3]。

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。

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:
d P h ,i d τ=
RT h ,i
A Δx (G h ,i -G h ,i +1)d G h ,i +1d
τ
=A P h ,i -P h ,i +1
Δx -U h σh
d T h ,i d τ=-G h ,i A ρh ,i
T h ,i +1-T h ,i
Δx -S h αh ,i
L C h ,i A ρh ,i
(T h ,i -T w ,i ) 冷流体侧:
d P c ,i +1d τ=
RT c ,i
A Δx (G c ,i +1-G c ,i )d G c ,i d τ
=A P c ,i +1-P c ,i
Δx -U c σc
d T c ,i d τ=G c ,i A ρc ,i
T c ,i +1-T c ,i
Δx -S c αc ,i
L C c ,i A ρc ,i
(T c ,i -T w ,i ) 换热器管壁的能量守恒方程:
d T w ,i d τ=K T w ,i +1-2T w ,i +T w ,i -1
(Δx )2
-αh ,i S h M w C w
(T h ,i -T w ,i )+αc ,i S c
M w C w
(T w ,i -T c ,i )
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。

图3　微元体分析图
Fig 3　M icro 2element for analyzing
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,
・
723・　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
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气轮机的各部件模块,在E ASY5仿真平台上搭建了ICR燃气轮机系统的仿真模型。

3.1　稳态性能
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
T ab.1　Perform ance data under design conditions of the intercooled gas turbine set with w aste heat recuperation 项 目低压压气机高压压气机燃烧室高压涡轮低压涡轮动力涡轮
压比 2.9775 6.1022
耗功ΠkW9444.618758.9
效率Π%85.2784.5486.9287.3792.78
质量流量Πkg・s-172.8172.8174.
6074.6074.60
膨胀比 2.1269 1.5236 4.9894压力ΠkPa1797.569
温度ΠK1477.1
燃料量Πkg・s-1 1.8
输出功率ΠkW31293.7整机效率Π%43.66
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。

图4　低压压气机特性图上的加减速过程
Fig4　S imulation m odel of the intercooled gas turbine set
with waste heat recuperation
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　Acceleration and deceleration process on the characteristic chart of the low2pressure com press or
(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(下转第446页)
(102):82～96.
[3]　Djilali N,LU D M.In fluence of heat trans fer on gas and
water transport in fuel cells[J].I nt J Therm Sci,2002
(41):29～40.
[4]　Fuller T F,Nnewman J.Water and thermal management in
s olid polymer electrolyte fuel cells[J].J E lectrochem Soc,
1993(140):1218～1225.
[5]　C ostamagna P.T ransport phenomena on polymeric
membrane fuel cells[J].Chemical E ngineering Science,
2001(56):323～332.
[6]　Lee J H,Lalk T R,Appleby A J.M odeling
electrochemical performance in large scale proton exchange
membrane fuel cell stacks[J].J.Pow er Sources,1998
(70):258～268.
[7]　Lee J H,Lee C H,Oh T Y,Choi S G,Park I W,Baek K
K.Development of1kW class polymer electrolyte
membrane fuel cell power generation system[J].J.Pow er
Sources,2002(107):110～119.
[8]　Shao Qinglong,Wei D ong,Cao G uanyi,Zhu X injian.
Dynamic thermal m odel and temperature control of proton
exchange membrane fuel cell stack[J].Chinese J.Chem.
E ng.,2005,13(2):218～224.
[9]　Shao Qinglong.M odelling and robust control of proton
exchange membrane fuel cell[D].Shanghai Jiaotong
University Ph.d Thesis,2004.
[10]　Pukrushpan J T.M odelling and control of fuel cell systems
and fuel process ors[D].The University of Michigan,Ann
Arbor,Michigan,2003.
[11]　Lee J H,Lalk T R.M odeling fuel cell stack systems[J].
J.Pow er Sources,1998(73):229～241.
(上接第328页)
ρ———密度
A———流道截面积
U———流道湿周
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———管壁参考文献:
[1]　肖东明,闻雪友,曾　喜,等.简单循环船用燃气轮机间
冷回热改造方案探讨[J].热能动力工程,2004,19(1): 89～92.
[2]　张方伟,张会生,苏　明.中冷回热循环燃气轮机技术
[J].船舶工程,2004,26(2):7～9.
[3]　Michael Valenti,A turbine for tom orrow’s Navy[J].Me2
ch anical E ngineering,Sep.1995,117(9):70～73.
[4]　苏　明,陈德来,张园蔚,翁史烈.一种燃气轮机模块化
非线性仿真模型[J].热能动力工程,1998,13(6):435～437.
[5]　刘永文.基于通用平台的系统建模和半物理仿真及其
在舰船动力装置中的应用[D].上海交通大学,2002.
(上接第426页)
Report to the Ohio C oal Development O ffice,The C ons ortium of Olio Universities,Cincinnati:1989.
[16]　James K.Neathery.M odel for flue gas desulfurization in a
circulating dry scrubber[J].AICHE Jouranl,1996,42
(1):259～268.[17]　魏恩宗,程世庆,王乃华.半干法烟气脱硫性能实验及
其机理分析[J].电站系统工程,2003,19(1):49～52.
[18]　Sadriye,M odeling of the is othermal sulphation reaction of
natural s orbents[J].Thermochimica Acta,1998,(319):
163～170.。