CN114462253A - 一种重型燃气轮机关键部件效能参数分析方法 - Google Patents

一种重型燃气轮机关键部件效能参数分析方法 Download PDF

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CN114462253A CN202210249923.5A CN202210249923A CN114462253A CN 114462253 A CN114462253 A CN 114462253A CN 202210249923 A CN202210249923 A CN 202210249923A CN 114462253 A CN114462253 A CN 114462253A
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肖俊峰
胡孟起
夏林
连小龙
王一丰
高松
王峰
王玮
李晓丰
王致程
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Abstract

本发明公开了一种基于热力学原理的重型燃气轮机关键部件效能参数分析计算方法，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: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分析的整体数学模型；S6:求解重型燃气轮机关键部件效能参数分析的整体数学模型，获得重型燃气轮机关键部件的效能参数。实现了压气机效率、燃烧室效率、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分析和计算，为准确分析重型燃气轮机运行健康状态、探索重型燃气轮机效能劣化主要致因提供了基础数据支撑。

Description

一种重型燃气轮机关键部件效能参数分析方法
技术领域
本发明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分析方法。
背景技术
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。
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，分析计算得到燃气轮机压气机、燃烧室、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分析计算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。
目前尚没有一种物理意义明确、便于分析重型燃气轮机关键部件效能参数的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供了基于热力学原理的重型燃气轮机关键部件效能参数分析计算方法。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种重型燃气轮机关键部件效能参数分析方法，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分析的整体数学模型；
S6:求解重型燃气轮机关键部件效能参数分析的整体数学模型，获得重型燃气轮机关键部件的效能参数。
本发明进一步的改进在于，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Gbleed1、Gbleed2、Gbleed3和抽气焓值hbleed1、hbleed2、hbleed3、出口总压p3等作为输入量；将压气机等熵效率ηc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Nc；
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ha,T2；
lgπ2＝f1(T2) (1)
Figure BDA0003546280070000031
(2)根据公式(3)和公式(4)，计算压气机出口相对压比π3；
Figure BDA0003546280070000032
π3＝πc×π2 (4)
(3)根据公式(5)，计算压气机出口等熵温度T3S；
T3S＝f3[lg(π3)] (5)
(4)根据公式(6)，由T3S计算压气机出口的空气等熵比焓ha,T3S；
Figure BDA0003546280070000033
(5)根据公式(7)，计算压气机出口空气实际比焓ha,T3；
Figure BDA0003546280070000034
(6)根据公式(8)，求得压气机出口空气温度
Figure BDA0003546280070000035
(7)根据公式(9)，计算压气机出口空气流量G3；
G3＝G2-Gbleed1-Gbleed2-Gbleed3 (9)
(8)根据公式(10)，计算压气机耗功功率NC；
NC＝G3h3-G2h2+Gbleed1hbleed1+Gbleed2hbleed2+Gbleed3hbleed3 (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，按公开文献查询的张世铮公式计算空气物性；
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。
本发明进一步的改进在于，步骤S2中，在建立燃烧室数学模型时，将燃料流量Gf、燃料温度Tf与焓值hf、燃料组分与热值Qlo、燃烧室入口空气流量G31、入口空气温度T31、入口空气压力p3作为输入量；将燃烧室效率ηtc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：
Figure BDA0003546280070000041
上式中：
Gf为燃料流量，kg/s；
hf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
Figure BDA0003546280070000042
多项式进行计算；
hf0为燃料在15℃对应的显焓，kJ/kg；
Qlo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；
ηtc为燃烧室效率；
G31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；
h31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；
p31为燃烧室进口空气压力，kPa，等于压气机出口空气压力p3；
h0air为空气在参考温度下(取15℃)的焓值，kJ/kg；
G4为燃烧室出口燃气流量，kg/s，计算公式为：
G4＝G31+Gf (12)
h4为燃烧室出口燃气焓值，kJ/kg；燃气焓值等于燃气各组分焓值与燃气各组分质量分数的乘积之和，燃气各组分焓值可查相关物性参数表计算，本文采用公开文献中的张世铮公式计算，燃气的组分由燃烧化学反应方程式计算；
h0gas为燃烧室出口燃气在参考温度下的焓值，kJ/kg；
p4为燃烧室出口燃气压力，kPa。
本发明进一步的改进在于，h0air为空气在参考温度下的焓值，其中参考温度取15℃。
本发明进一步的改进在于，步骤S3中，将各股冷却空气流量按质量守恒和在透平中做功相等的原理折算成总等效流量，总等效流量由两部分组成：一部分自透平静叶进口处流入后参与做功，其做功量与各股冷却空气从各处分别流入后的做功量相等；另一部分自透平出口处流入，不参与做功，仅使透平出口燃气温度降低，其基本方程如下：
透平进口等效流量的计算公式为：
GTein＝GTin+Gein (13)
透平出口流量为：
GTout＝GTin+Gein+Geout (14)
式中，GTin为透平进口燃气流量，kg/s，若燃烧室出口至透平入口之间无其它流量进出，则透平进口燃气流量等于燃烧室出口燃气流量G4；
Gein为参与做功的透平进口等效冷却空气流量，kg/s；
Geout为不参与做功的透平出口等效冷却空气流量，kg/s；
GTout为透平出口燃气流量，kg/s；
在上述公式计算的基础上，根据烟气掺混过程质量、能量守恒的基本原理，即可计算出烟气掺混后的组分、焓值、温度。
本发明进一步的改进在于，步骤S4中，在透平冷却空气量等效处理模型的基础上建立透平模型，将透平进口烟气流量G41、温度T41、焓值h41、压力p41，透平出口的烟气压力p5作为输入量；将透平效率ηt作为假定值，最终由迭代计算得到；计算出透平出口烟气的流量G6、温度T6、焓值h6，透平做功量NT；
透平模型的原则性计算公式如下：
(1)计算透平入口各燃气成分相对压比：
Figure BDA0003546280070000061
式中，下角标i表示各烟气组分，f5按公开文献中查询的张世铮公式计算；
(2)计算透平入口的燃气相对压比；
Figure BDA0003546280070000062
式中：πg,T41为烟气的相对压比，
Figure BDA0003546280070000063
为摩尔分数；
(3)计算透平的膨胀比εt和透平出口等熵相对压比πg,T5S；
Figure BDA0003546280070000064
Figure BDA0003546280070000065
(4)计算透平出口等熵温度T5S和焓值hg,T5S；
Figure BDA0003546280070000066
Figure BDA0003546280070000067
(5)计算透平出口的燃气实际比焓hg,T5；
Figure BDA0003546280070000068
(6)计算透平出口实际温度T5
Figure BDA0003546280070000071
(7)计算透平做功功率NT
Figure BDA0003546280070000072
(8)由质量和能量平衡计算与冷却量掺混后的透平出口温度T5和焓值hg,T6；
上述公式(15)～(23)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。
本发明进一步的改进在于，步骤S5中，燃气轮机关键部件效能参数分析模型中的输入量常为实际运行可监测的参数，包括：压气机进口空气温度T2、压力p2、流量G2、出口压力p3、透平排气压力p5、燃料流量Gf、温度Tf、焓值hf、低位热值Qlo等，作为迭代参数的未知量共有三个，即：ηc、ηt、ηtc，三个未知量的最终迭代结果使得压气机出口温度、透平出口温度、燃气轮机发电机组输出功率三个输出结果与实测值的偏差小于设定的残差值。
本发明进一步的改进在于，步骤S6中，重型燃气轮机关键部件效能参数分析的整体数学模型由于未知数与方程个数均相等，故方程组具有唯一解，根据最小二乘原理，采用牛顿-拉夫逊数值迭代解法进行求解。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种基于热力学原理的重型燃气轮机关键部件效能参数分析计算方法，实现了压气机效率、燃烧室效率、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分析和计算，将为准确分析重型燃气轮机运行健康状态、探明重型燃气轮机效能劣化主要致因提供了重要数据支撑。
附图说明
图1为压气机模型示意图。
图2为燃烧室模型示意图。
图3为透平模型示意图。
图4为燃气轮机关键部件效能参数分析模型示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明提供的一种重型燃气轮机关键部件效能参数分析方法，包含以下步骤：
S1:建立压气机数学模型
压气机模型示意图见图1。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(以三股为例)Gbleed1、Gbleed2、Gbleed3和抽气焓值hbleed1、hbleed2、hbleed3、出口总压p3等作为输入量；将压气机等熵效率ηc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Nc。
压气机数学模型的基本计算公式如下(本实施例中压气机中间级抽气以三股为例)：
(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ha,T2；
lgπ2＝f1(T2) (1)
Figure BDA0003546280070000091
(2)根据公式(3)和公式(4)，计算压气机出口相对压比π3；
Figure BDA0003546280070000092
π3＝πc×π2 (4)
(3)根据公式(5)，计算压气机出口等熵温度T3S；
T3S＝f3[lg(π3)] (5)
(4)根据公式(6)，由T3S计算压气机出口的空气等熵比焓ha,T3S；
Figure BDA0003546280070000093
(5)根据公式(7)，计算压气机出口空气实际比焓ha,T3；
Figure BDA0003546280070000094
(6)根据公式(8)，求得压气机出口空气温度
Figure BDA0003546280070000095
(7)根据公式(9)，计算压气机出口空气流量G3；
G3＝G2-Gbleed1-Gbleed2-Gbleed3 (9)
(8)根据公式(10)，计算压气机耗功功率NC；
NC＝G3h3-G2h2+Gbleed1hbleed1+Gbleed2hbleed2+Gbleed3hbleed3 (10)
上述公式(1)、(2)、(5)、(8)式中，f1、f2、f3、f4可以查相关的空气物性参数表得到，本文按公开文献中可查询的张世铮公式计算空气物性。
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。
S2:建立燃烧室数学模型
燃烧室模型示意图见图2。
在建立燃烧室数学模型时，将燃料流量Gf、燃料温度Tf与焓值hf、燃料组分与热值Qlo、燃烧室入口空气流量G31、入口空气温度T31、入口空气压力p3作为输入量；将燃烧室效率ηtc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：
Figure BDA0003546280070000101
上式中：
Gf为燃料流量，kg/s；
hf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
Figure BDA0003546280070000102
多项式进行计算；
hf0为燃料在15℃对应的显焓，kJ/kg；
Qlo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。
ηtc为燃烧室效率；
G31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。
h31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；
p31为燃烧室进口空气压力，kPa，等于压气机出口空气压力p3；
h0air为空气在参考温度下(取15℃)的焓值，kJ/kg；
G4为燃烧室出口燃气流量，kg/s，计算公式为：
G4＝G31+Gf (12)
h4为燃烧室出口燃气焓值，kJ/kg；燃气焓值等于燃气各组分焓值与燃气各组分质量分数的乘积之和，燃气各组分焓值可查相关物性参数表计算，本文采用公开文献中的张世铮公式计算，燃气的组分由燃烧化学反应方程式计算；
h0gas为燃烧室出口燃气在参考温度下(取15℃)的焓值，kJ/kg；
p4为燃烧室出口燃气压力，kPa；
S3:建立透平冷却空气量处理的数学模型
透平冷却空气做功情况的基本假设为：在透平静叶前和静叶中(包含从内部冷却静叶叶片)返回的气体部分参与该级做功；在静叶后、动叶前和动叶中(包含从内部冷却动叶叶片)返回的气体不计及在该级做功量。
根据上述假设，将各股冷却空气流量按质量守恒和在透平中做功相等的原理折算成总等效流量，总等效流量由两部分组成：一部分自透平静叶进口处流入后参与做功，其做功量与各股冷却空气从各处分别流入后的做功量相等；另一部分自透平出口处流入，不参与做功，仅使透平出口燃气温度降低，其基本方程如下：
透平进口等效流量的计算公式为：
GTein＝GTin+Gein (13)
透平出口流量为：
GTout＝GTin+Gein+Geout (14)
式中，GTin为透平进口燃气流量，kg/s，若燃烧室出口至透平入口之间无其它流量进出，则透平进口燃气流量等于燃烧室出口燃气流量G4；
Gein为参与做功的透平进口等效冷却空气流量，kg/s；
Geout为不参与做功的透平出口等效冷却空气流量，kg/s。
GTout为透平出口燃气流量，kg/s；
在上述公式计算的基础上，根据烟气掺混过程质量、能量守恒的基本原理，即可计算出烟气掺混后的组分、焓值、温度。
S4:建立透平数学模型
在上述透平冷却空气量等效处理模型的基础上建立透平模型，如图3所示，将透平进口烟气流量G41、温度T41、焓值h41、压力p41，透平出口的烟气压力p5作为输入量；将透平效率ηt作为假定值，最终由迭代计算得到；计算出透平出口烟气的流量G6、温度T6、焓值h6，透平做功量NT。
透平模型的原则性计算公式如下：
(1)计算透平入口各燃气成分相对压比：
Figure BDA0003546280070000121
式中，下角标i表示各烟气组分。f5按公开文献中查询的张世铮公式计算；
(2)计算透平入口的燃气相对压比；
Figure BDA0003546280070000122
式中：πg,T41为烟气的相对压比，
Figure BDA0003546280070000123
为摩尔分数；
(3)计算透平的膨胀比εt和透平出口等熵相对压比πg,T5S；
Figure BDA0003546280070000124
Figure BDA0003546280070000125
(4)计算透平出口等熵温度T5S和焓值hg,T5S；
Figure BDA0003546280070000131
Figure BDA0003546280070000132
(5)计算透平出口的燃气实际比焓hg,T5；
Figure BDA0003546280070000133
(6)计算透平出口实际温度T5
Figure BDA0003546280070000134
(7)计算透平做功功率NT
Figure BDA0003546280070000135
(8)由质量和能量平衡计算与冷却量掺混后的透平出口温度T5和焓值hg,T6。
上述公式(15)～(23)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。
S5:建立重型燃气轮机关键部件效能参数分析的整体数学模型
燃气轮机关键部件效能参数分析模型的示意图如图4所示，模型中的输入量常为实际运行可监测的参数，包括：压气机进口空气温度T2、压力p2、流量G2、出口压力p3、透平排气压力p5、燃料流量Gf、温度Tf、焓值hf、低位热值Qlo等，作为迭代参数的未知量共有三个，即：ηc、ηt、ηtc，三个未知量的最终迭代结果使得压气机出口温度、透平出口温度、燃气轮机发电机组输出功率三个输出结果与实测值的偏差小于设定的残差值。
S6:求解重型燃气轮机关键部件效能参数分析的整体数学模型
上述重型燃气轮机关键部件效能参数分析的整体数学模型由于未知数与方程个数均相等，故方程组具有唯一解，本实施例根据最小二乘原理，采用牛顿-拉夫逊数值迭代解法进行求解。
为验证本实施例的重型燃气轮机关键部件效能参数分析方法的准确性，将表1中某重型燃气轮机效能数据分别代入本文建立的燃气轮机关键部件运行效能软测量模型(模型1)以及Gasturb软件(Gasturb软件是是当前全世界范围内最为知名的燃气轮机性能分析商业软件之一)，通过计算辨识得到了3个不同工况下的压气机效率、燃烧室效率、透平效率。将本实施例的计算结果与Gasturb软件计算结果进行了相对偏差量的比较，数据见表2所示，结果表明：
三个工况下压气机效率相对偏差分别为-1.925×10-5、-2.335×10-5、-1.858×10-5；燃烧室效率相对偏差分别为2.757×10-5、2.503×10-5、2.103×10-5；透平效率相对偏差分别为1.118×10-3、1.007×10-3、1.551×10-3。
上述相当小的偏差验证了本实施例的重型燃气轮机关键部件效能参数分析方法的正确性和计算准确性。
表1某重型燃气轮机效能数据
Figure BDA0003546280070000141
Figure BDA0003546280070000151
表2本文模型与GASTURB软件计算结果的相对偏差
Figure BDA0003546280070000152
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种重型燃气轮机关键部件效能参数分析方法，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分析的整体数学模型；
S6:求解重型燃气轮机关键部件效能参数分析的整体数学模型，获得重型燃气轮机关键部件的效能参数。
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分析方法，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Gbleed1、Gbleed2、Gbleed3和抽气焓值hbleed1、hbleed2、hbleed3、出口总压p3等作为输入量；将压气机等熵效率ηc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Nc；
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ha,T2；
lgπ2＝f1(T2) (1)
Figure FDA0003546280060000011
(2)根据公式(3)和公式(4)，计算压气机出口相对压比π3；
Figure FDA0003546280060000021
π3＝πc×π2 (4)
(3)根据公式(5)，计算压气机出口等熵温度T3S；
T3S＝f3[lg(π3)] (5)
(4)根据公式(6)，由T3S计算压气机出口的空气等熵比焓ha,T3S；
Figure FDA0003546280060000022
(5)根据公式(7)，计算压气机出口空气实际比焓ha,T3；
Figure FDA0003546280060000023
(6)根据公式(8)，求得压气机出口空气温度
Figure FDA0003546280060000024
(7)根据公式(9)，计算压气机出口空气流量G3；
G3＝G2-Gbleed1-Gbleed2-Gbleed3 (9)
(8)根据公式(10)，计算压气机耗功功率NC；
NC＝G3h3-G2h2+Gbleed1hbleed1+Gbleed2hbleed2+Gbleed3hbleed3 (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，按公开文献查询的张世铮公式计算空气物性；
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分析方法，其特征在于，步骤S2中，在建立燃烧室数学模型时，将燃料流量Gf、燃料温度Tf与焓值hf、燃料组分与热值Qlo、燃烧室入口空气流量G31、入口空气温度T31、入口空气压力p3作为输入量；将燃烧室效率ηtc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：
Figure FDA0003546280060000031
上式中：
Gf为燃料流量，kg/s；
hf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-
Figure FDA0003546280060000032
多项式进行计算；
hf0为燃料在15℃对应的显焓，kJ/kg；
Qlo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；
ηtc为燃烧室效率；
G31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；
h31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；
p31为燃烧室进口空气压力，kPa，等于压气机出口空气压力p3；
h0air为空气在参考温度下(取15℃)的焓值，kJ/kg；
G4为燃烧室出口燃气流量，kg/s，计算公式为：
G4＝G31+Gf (12)
h4为燃烧室出口燃气焓值，kJ/kg；燃气焓值等于燃气各组分焓值与燃气各组分质量分数的乘积之和，燃气各组分焓值可查相关物性参数表计算，本文采用公开文献中的张世铮公式计算，燃气的组分由燃烧化学反应方程式计算；
h0gas为燃烧室出口燃气在参考温度下的焓值，kJ/kg；
p4为燃烧室出口燃气压力，kPa。
4.根据权利要求3所述的一种重型燃气轮机关键部件效能参数分析方法，其特征在于，h0air为空气在参考温度下的焓值，其中参考温度取15℃。
5.根据权利要求3所述的一种重型燃气轮机关键部件效能参数分析方法，其特征在于，步骤S3中，将各股冷却空气流量按质量守恒和在透平中做功相等的原理折算成总等效流量，总等效流量由两部分组成：一部分自透平静叶进口处流入后参与做功，其做功量与各股冷却空气从各处分别流入后的做功量相等；另一部分自透平出口处流入，不参与做功，仅使透平出口燃气温度降低，其基本方程如下：
透平进口等效流量的计算公式为：
GTein＝GTin+Gein (13)
透平出口流量为：
GTout＝GTin+Gein+Geout (14)
式中，GTin为透平进口燃气流量，kg/s，若燃烧室出口至透平入口之间无其它流量进出，则透平进口燃气流量等于燃烧室出口燃气流量G4；
Gein为参与做功的透平进口等效冷却空气流量，kg/s；
Geout为不参与做功的透平出口等效冷却空气流量，kg/s；
GTout为透平出口燃气流量，kg/s；
在上述公式计算的基础上，根据烟气掺混过程质量、能量守恒的基本原理，即可计算出烟气掺混后的组分、焓值、温度。
6.根据权利要求5所述的一种重型燃气轮机关键部件效能参数分析方法，其特征在于，步骤S4中，在透平冷却空气量等效处理模型的基础上建立透平模型，将透平进口烟气流量G41、温度T41、焓值h41、压力p41，透平出口的烟气压力p5作为输入量；将透平效率ηt作为假定值，最终由迭代计算得到；计算出透平出口烟气的流量G6、温度T6、焓值h6，透平做功量NT；
透平模型的原则性计算公式如下：
(1)计算透平入口各燃气成分相对压比：
Figure FDA0003546280060000051
式中，下角标i表示各烟气组分，f5按公开文献中查询的张世铮公式计算；
(2)计算透平入口的燃气相对压比；
Figure FDA0003546280060000052
式中：πg,T41为烟气的相对压比，
Figure FDA0003546280060000053
为摩尔分数；
(3)计算透平的膨胀比εt和透平出口等熵相对压比πg,T5S；
Figure FDA0003546280060000054
Figure FDA0003546280060000055
(4)计算透平出口等熵温度T5S和焓值hg,T5S；
Figure FDA0003546280060000056
Figure FDA0003546280060000057
(5)计算透平出口的燃气实际比焓hg,T5；
Figure FDA0003546280060000058
(6)计算透平出口实际温度T5
Figure FDA0003546280060000059
(7)计算透平做功功率NT
Figure FDA0003546280060000061
(8)由质量和能量平衡计算与冷却量掺混后的透平出口温度T5和焓值hg,T6；
上述公式(15)～(23)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。
7.根据权利要求6所述的一种重型燃气轮机关键部件效能参数分析方法，其特征在于，步骤S5中，燃气轮机关键部件效能参数分析模型中的输入量常为实际运行可监测的参数，包括：压气机进口空气温度T2、压力p2、流量G2、出口压力p3、透平排气压力p5、燃料流量Gf、温度Tf、焓值hf、低位热值Qlo等，作为迭代参数的未知量共有三个，即：ηc、ηt、ηtc，三个未知量的最终迭代结果使得压气机出口温度、透平出口温度、燃气轮机发电机组输出功率三个输出结果与实测值的偏差小于设定的残差值。
8.根据权利要求7所述的一种重型燃气轮机关键部件效能参数分析方法，其特征在于，步骤S6中，重型燃气轮机关键部件效能参数分析的整体数学模型由于未知数与方程个数均相等，故方程组具有唯一解，根据最小二乘原理，采用牛顿-拉夫逊数值迭代解法进行求解。
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CN116933693A (zh) * 2023-09-12 2023-10-24 华能南京燃机发电有限公司 燃气轮机性能检测方法及装置

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023173624A1 (zh) * 2022-03-14 2023-09-21 西安热工研究院有限公司 一种重型燃气轮机关键部件效能参数软测量方法
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