CN110296000A - 一种间冷循环燃气轮机稳态工作线规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种间冷循环燃气轮机稳态工作线规划方法，根据舰船在不同任务阶段对动力的需求，划分间冷循环燃气轮机的工作状态，并确定燃气轮机在各工作状态下的约束条件；使用变工况模型计算出间冷循环燃气轮机的全部平衡工作点；根据约束条件作出空间凸多边形区域，在空间区域中作出优化参数的等值面，应用曲线提取、曲面平移、曲面交叉等方法作图，求解最佳稳态工作线。本发明对于间冷循环燃气轮机，在考虑船舶任务需求的情况下，可以在燃气轮机所有能够工作的平衡点范围内规划出一条最优的稳态工作线，有助于间冷循环燃气轮机控制策略的制定。该方法具有通用型，对于其他循环方式的燃气轮机稳态工作线的规划也具有参考意义。

Description

一种间冷循环燃气轮机稳态工作线规划方法

技术领域

本发明涉及的是一种燃气轮机控制方法。

背景技术

船用燃气轮机作为动力装置要为船舶的全速、经济航速、最低航速、倒车 等任务阶段提供连续而可靠的动力支持，从而确保船舶获得良好的机动性和续 航力。为此，要求动力装置有足够的最大功率、良好的经济性、较高的寿命和 可靠性、方便的操纵性和维修性等性能。上述性能指标之间或相互关联或相互 矛盾，譬如，燃气轮机为追求最大输出功率，往往要承受最大的机械载荷和热 负荷，必然影响其寿命，而当燃气轮机工作在小状态时，热效率往往较低，经 济性变差。针对为船舶提供动力的间冷燃气轮机，考虑船舶的任务需求，有必 要在所有能够工作的平衡点范围内规划出一条最优的稳态工作线。

发明内容

本发明的目的在于提供考虑船舶的不同任务阶段的动力需求、操纵灵活性 以及来自于间冷燃机的机械负荷和热负荷限制等因素的一种间冷循环燃气轮机 稳态工作线规划方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种间冷循环燃气轮机稳态工作线规划方法，其特征是：

(1)根据舰船在不同任务阶段对动力的需求，划分间冷循环燃气轮机的工 作状态为：

1)最大功率状态A：设计间冷燃气轮机在保证安全的前提下能够获得的最 大功率状态，用于使船舶在短时间内获得最大航速和最强机动性能；

2)最大连续状态B：设计间冷燃机允许长时间持续工作的最大工作状态， 用于使船舶在巡航过程中长时间获得较大航速；

3)A与B之间的状态；

4)B以下的状态，包括C点：间冷燃气轮机81％工况、D点：间冷燃气轮 机60％工况、E点：间冷燃气轮机30％工况；

(2)确定间冷燃气轮机在各工作状态下的约束条件：

1)最大功率状态A：约束条件为燃气初温和高压转子转速不超过原有简单 循环燃气轮机设计点的值，即1540K和9750r/min；设定低压转子转速不超过 原有简单循环燃气轮机设计点值的103.5％，即7700r/min；设定间冷器总的泵 功率不超过最大允许值30kW；

2)最大连续状态B：约束条件为燃气初温度不超过原有简单循环燃机90％ 工况时的燃气初温，即1482K；

3)A与B之间的状态：约束条件等同于最大功率状态A；

4)B以下的状态：约束条件等同于最大连续状态B；

(3)建立间冷循环燃气轮机变工况计算模型：

采用变比热方法建立间冷循环燃气轮机变工况计算模型，包括低压压气机、 高压压气机、机上换热器、海水换热器、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、动力 涡轮，求解低压压气机与低压涡轮之间、高压压气机与高压涡轮之间、动力涡 轮与负载之间、机上换热器与机外换热器之间、间冷器与燃机之间的稳态匹配 过程，计算出间冷循环燃机稳态工作点的性能参数，包括压力、温度、流量、 转速、功率和效率；

(4)应用图解法求解最佳稳态运行工作线：

在三维性能空间中由间冷燃气轮机运行的约束条件所作出的空间区域，作 出n_L.max＝7700r/min、n_H.max＝9750r/min、N_P.total.max＝30kW以 及σ_eq＝0、n_PT＝2400r/min和n_PT＝3500r/min等值面，其中，n_L.max表示低压 转子最大转速，n_H.max表示高压转子最大转速，表示高压涡轮进口最大温 度，N_P.total.max表示最大泵功，σ_eq表示等效间冷度，n_PT表示动力涡轮转速；

依据以下4条优化目标，划分间冷循环燃气轮机工作状态：

1)提高低压转子转速，即n_L≥7454r/min；

2)减小高压转子需要转速，即n_H≤9720r/min；

3)当等效间冷度大于0.65后，等效间冷度σ_eq≤0.65；

4)在涡轮不变的情况下，间冷燃气轮机的最高燃气初温不允许增加，即 T₃≤1540K；

规划出最大功率状态A、最大连续状态B以及C、D、E点；

根据规划出的间冷循环燃气轮机各工作状态的稳态点，选择BCDE作为间冷 燃机B状态以下的稳态工作线；

综上，三维空间曲线ABCDE即为优化后的间冷燃机稳态工作线。

本发明的优势在于：本发明对于间冷循环燃气轮机，在考虑船舶任务需求 的情况下，可以在燃气轮机所有能够工作的平衡点范围内规划出一条最优的稳 态工作线，有助于间冷循环燃气轮机控制策略的制定。该方法具有通用型，对 于其他循环方式的燃气轮机稳态工作线的规划也具有参考意义。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为三维性能空间中的最佳工作线规划示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-2，本发明包括如下步骤：

(1)根据舰船的任务，间冷燃气轮机工作状态划分为

根据舰船在不同任务阶段对动力的需求，划分间冷循环燃气轮机的工作状 态为：

1)最大功率状态A：设计间冷燃气轮机在保证安全的前提下能够获得的最 大功率状态，主要用于使船舶在短时间内获得最大航速和最强机动性能；

2)最大连续状态B：设计间冷燃机允许长时间持续工作的最大工作状态， 可用于使船舶在巡航过程中长时间获得较大航速，该状态的优化目标应兼顾功 率性能和经济性能；

3)A与B之间的状态；

4)B以下的状态，包括C点(间冷燃气轮机81％工况)、D点(间冷燃气轮 机60％工况)、E点(间冷燃气轮机30％工况)。

(2)间冷燃气轮机在各工作状态下的约束条件

1)最大功率状态A：约束条件为燃气初温和高压转子转速不超过原有简单 循环燃气轮机设计点的值，即1540K和9750r/min；设定低压转子转速不超过 原有简单循环燃气轮机设计点值的103.5％，即7700r/min；设定间冷器总的泵 功率不超过最大允许值30kW。

2)最大连续状态B：约束条件为燃气初温度不超过原有简单循环燃机90％ 工况时的燃气初温，即1482K。

3)A与B之间的状态：约束条件等同于最大功率状态A。

4)B以下的状态：约束条件等同于最大连续状态B。

(3)建立间冷循环燃气轮机变工况计算模型

采用变比热方法建立间冷循环燃气轮机变工况计算模型，包括低压压气机、 高压压气机、机上换热器、海水换热器、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、动力 涡轮8个部件。求解低压压气机与低压涡轮之间、高压压气机与高压涡轮之间、 动力涡轮与负载之间、机上换热器与机外换热器之间、间冷器与燃机之间的稳 态匹配过程。计算出间冷循环燃机稳态工作点的性能参数，包括压力、温度、 流量、转速、功率和效率。

(4)应用图解法求解最佳稳态运行工作线

结合图2，在三维性能空间中由间冷燃气轮机运行的约束条件所作出的空 间区域，作出n_L.max＝7700r/min、n_H.max＝9750r/min、 N_P.total.max＝30kW以及σ_eq＝0、n_PT＝2400r/min和n_PT＝3500r/min等值面。

其中，n_L.max表示低压转子最大转速，n_H.max表示高压转子最大转速，表示高压涡轮进口最大温度，N_P.total.max表示最大泵功，σ_eq表示等效间冷度，n_PT表示动力涡轮转速。

依据以下4条优化目标，划分间冷循环燃气轮机工作状态：

1)为了提高间冷循环燃机的功率，在不对部件进行改造的前提下，需要提 高低压转子转速，即n_L≥7454r/min；

2)因为间冷器的介入，高压转子需要转速减小，即n_H≤9720r/min；

3)间冷燃机功率随着间冷度的增加而增加，但是间冷度的提高是靠提高泵 功率实现的，当等效间冷度大于0.65后，泵耗功率急剧上升，因此间冷度的提 高要受到泵功率的限制，即等效间冷度σ_eq≤0.65；

4)在涡轮不变的情况下，间冷燃气轮机的最高燃气初温不允许增加，即 T₃≤1540K。

规划出最大功率状态A、最大连续状态B以及B以下的状态(C、D、E点)。

根据规划出的间冷循环燃气轮机各工作状态的稳态点，在使BC段和DE段 保持较高的效率的前提下，克服动力涡轮转速的非单调问题，选择BCDE作为间 冷燃机B状态以下的稳态工作线。

综上，三维空间曲线ABCDE即为优化后的间冷燃机稳态工作线。

Claims (1)

1.一种间冷循环燃气轮机稳态工作线规划方法，其特征是：

(1)根据舰船在不同任务阶段对动力的需求，划分间冷循环燃气轮机的工作状态为：

1)最大功率状态A：设计间冷燃气轮机在保证安全的前提下能够获得的最大功率状态，用于使船舶在短时间内获得最大航速和最强机动性能；

2)最大连续状态B：设计间冷燃机允许长时间持续工作的最大工作状态，用于使船舶在巡航过程中长时间获得较大航速；

3)A与B之间的状态；

4)B以下的状态，包括C点：间冷燃气轮机81％工况、D点：间冷燃气轮机60％工况、E点：间冷燃气轮机30％工况；

(2)确定间冷燃气轮机在各工作状态下的约束条件：

1)最大功率状态A：约束条件为燃气初温和高压转子转速不超过原有简单循环燃气轮机设计点的值，即1540K和9750r/min；设定低压转子转速不超过原有简单循环燃气轮机设计点值的103.5％，即7700r/min；设定间冷器总的泵功率不超过最大允许值30kW；

2)最大连续状态B：约束条件为燃气初温度不超过原有简单循环燃机90％工况时的燃气初温，即1482K；

3)A与B之间的状态：约束条件等同于最大功率状态A；

4)B以下的状态：约束条件等同于最大连续状态B；

(3)建立间冷循环燃气轮机变工况计算模型：

采用变比热方法建立间冷循环燃气轮机变工况计算模型，包括低压压气机、高压压气机、机上换热器、海水换热器、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、动力涡轮，求解低压压气机与低压涡轮之间、高压压气机与高压涡轮之间、动力涡轮与负载之间、机上换热器与机外换热器之间、间冷器与燃机之间的稳态匹配过程，计算出间冷循环燃机稳态工作点的性能参数，包括压力、温度、流量、转速、功率和效率；

(4)应用图解法求解最佳稳态运行工作线：

在三维性能空间中由间冷燃气轮机运行的约束条件所作出的空间区域，作出n_L.max＝7700r/min、n_H.max＝9750r/min、N_P.total.max＝30kW以及σ_eq＝0、n_PT＝2400r/min和n_PT＝3500r/min等值面，其中，n_L，max表示低压转子最大转速，n_H，max表示高压转子最大转速，表示高压涡轮进口最大温度，N_{P，total，max}表示最大泵功，σ_eq表示等效间冷度，n_PT表示动力涡轮转速；

依据以下4条优化目标，划分间冷循环燃气轮机工作状态：

1)提高低压转子转速，即n_L≥7454r/min；

2)减小高压转子需要转速，即n_H≤9720r/min；

3)当等效间冷度大于0.65后，等效间冷度σ_eq≤0.65；

4)在涡轮不变的情况下，间冷燃气轮机的最高燃气初温不允许增加，即T₃≤1540K；

规划出最大功率状态A、最大连续状态B以及C、D、E点；

根据规划出的间冷循环燃气轮机各工作状态的稳态点，选择BCDE作为间冷燃机B状态以下的稳态工作线；

综上，三维空间曲线ABCDE即为优化后的间冷燃机稳态工作线。