CN116933422A - 一种燃气轮机排气温度控制策略设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃气轮机排气温度控制策略设计方法，涉及燃气轮机领域，尤其涉及排气温度控制策略的设计。包括IGV温控线的设计原则和IGV温控线的计算方法，可以主动调节燃气轮机排气温度，使燃气轮机在不同的工况下，都可以处于最佳的运行状态。同时还可以兼顾燃烧室对于燃空比的要求以及热部件的强度要求。尤其是引入了简单循环和联合循环下IGV温控线的不同计算原则，针对简单循环和联合循环可以设定不同的IGV温控值，并计算出对应的限制线来满足不同要求。

Description

一种燃气轮机排气温度控制策略设计方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机领域，尤其涉及燃气轮机排气温度控制策略的设计。

背景技术

传统或现有的燃气轮机排气温度控制策略，通常为：设定排气温度最大值，通过控制信号调节排气温度不超过最大限制值。其不足为：在启动过程及变工况运行时，对排气温度的变化速度和具体温度值不能精确控制，从而无法照顾到燃气轮机热部件的强度要求；也未考虑到联合循环时余热锅炉对于进口温度有一定的运行要求，在排气温度较低时不能保证最理想的联合循环效率。

发明内容

本发明针对现有技术中，启动过程及变工况运行时不能精确控制排气温度的变化速度和具体温度值，以及不能保证联合循环最理想效率的要求的问题，提供了一种通过设定不同的压气机进口可调导叶开度(IGV)来控制排气温度变化的控制策略设计方法，可以主动调节燃气轮机排气温度，使燃气轮机在不同的工况下，都可以处于最佳的运行状态。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种燃气轮机排气温度控制策略设计方法，包括：

选定排气温度限制值和透平初温限制值；

依次计算IGV＝0的运行线、排气温度限制线、透平初温限制线和IGV＝100的运行线；

基于计算得到的IGV＝0的运行线、排气温度限制线、透平初温限制线和IGV＝100的运行线获取燃气轮机IGV温控线，具体包括：

燃气轮机在运行过程中首先沿着IGV＝0的运行线运行，IGV开度保持不变，排气温度和燃机负荷上升，待排气温度达到限制值后，燃机沿着排气温度限制线运行，这个阶段排气温度不变，IGV逐渐打开，直至透平初温达到限制值，此时再沿着透平初温限制线运行，透平初温不变，排气温度开始下降，待IGV全开后，燃机继续沿着IGV＝100的运行线运行，此时IGV不变，排气温度和透平初温上升，直至满负荷点。

进一步的，计算IGV＝0的运行线具体包括：

计算燃气轮机循环过程中的比功：

W_n＝W_T-W_c＝c_p(T₄-T₅)-c_p(T₂-T₁) (1)

其中，W_n为燃机比功，W_T为透平比功，W_C为压力机比功，T₁为大气温度，T₂为压气机出口温度，T₄为透平初温，T₅为排气温度，π为压比，τ为温比，c_p为定压热容，k为热力学常数；

计算燃气轮机循环过程中的功率：

P＝Q_m*W_n＝f(Q_m，π，τ，T₁) (4)

π＝f(τ，T₁，p₁，Q_m) (7)

P＝f(Q_m，τ，T₁，p₁) (8)

其中P为燃机功率，Q_m为压气机流量，IGV为压气机IGV开度，p₁为大气压力，p₃为罩壳压力；

计算在大气压力不变的情况下燃机功率：

p₁＝const (9)

Q_m＝f(N，T₁，p₁，IGV) (11)

燃机在升负荷阶段转速均为定值，故在大气压力不变时，可得：

将(12)式代入(8)，得到：

T₅＝f(τ，T₁，Q_m)＝f(τ，T₁，IGV) (16)

根据(13)式，燃气轮机在升负荷过程中首先沿着IGV＝0的运行线运行，根据(16)式，随负荷增加，温比上升，排气温度上升，待排气温度达到限制值后，燃机沿着排气温度限制线运行。

进一步的，计算排气温度限制线具体包括：

在排气温度不变时，燃机负荷和透平初温的变化曲线计算式如下：

其中，为排气温度限制值；这个阶段排气温度不变，IGV逐渐打开，透平温度逐渐升高，直至透平初温达到限制值。

进一步的，计算透平初温限制线和IGV＝100的运行线具体包括：

P＝f(IGV，T₄，T₁) (21)

T₅＝f(τ，T₁，Q_m)＝f(T₄，T₁，IGV)＝f(T₁，IGV) (23)

其中，为透平初温限制值；通过公式(20)-(23)可计算透平初温限制线，透平初温不变，IGV上升，排气温度开始下降，负荷继续上升，待IGV全开后，通过式(21)可计算燃机在IGV＝100的运行线，此时IGV不变，排气温度和透平初温上升，直至满负荷点。

作为优选，所述设计方法根据不同的机型和热部件材料调整透平初温和排气温度限制值，从而对于保证燃机热部件的性能和强度更有利。对于简单循环和联合循环的燃气轮机，也可分别设定最合理的IGV温控线，保证高效率。

作为优选，所述设计方法基于联合循环IGV温控线接近于极限温控线的设计原则进行设计，从而可以尽快提高燃机的排气温度，提高联合循环的效率，另一方面也可延后IGV打开时间，控制空气流量，满足燃烧室对于燃空比的要求。

作为优选，所述设计方法基于简单循环IGV温控线较低的设计原则进行设计，从而可以控制燃机在升负荷过程中，排气温度的变化梯度较小，燃机在升负荷过程中大部分时间处于较低的工作温度。这对于保证燃机热部件的性能和强度可能更加有利。

综上所述，本发明提供了一种通过设定不同的压气机进口可调导叶开度来控制排气温度变化的控制策略设计方法，可以主动调节燃气轮机排气温度，使燃气轮机在不同的工况下，都可以处于最佳的运行状态。同时还可以兼顾燃烧室对于燃空比的要求以及热部件的强度要求。尤其是引入了简单循环和联合循环下IGV温控线的不同计算原则，针对简单循环和联合循环可以设定不同的IGV温控曲线来满足不同要求。

附图说明

图1为本发明实施例的设计方法示意图。

图2为本发明实施例的计算结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明实施例提供了一种燃气轮机排气温度控制策略设计方法，包括：

选定排气温度限制值和透平初温限制值；

依次计算IGV＝0的运行线、排气温度限制线、透平初温限制线和IGV＝100的运行线；

基于计算得到的IGV＝0的运行线、排气温度限制线、透平初温限制线和IGV＝100的运行线获取燃气轮机IGV温控线，具体包括：

燃气轮机在运行过程中首先沿着IGV＝0的运行线运行，IGV开度保持不变，排气温度和燃机负荷上升，待排气温度达到限制值后，燃机沿着排气温度限制线运行，这个阶段排气温度不变，IGV逐渐打开，直至透平初温达到限制值，此时再沿着透平初温限制线运行，透平初温不变，排气温度开始下降，待IGV全开后，燃机继续沿着IGV＝100的运行线运行，此时IGV不变，排气温度和透平初温上升，直至满负荷点。

下面结合实施例对本发明的方法及其涉及的原理进行进一步详细说明。本示出实施例中，该设计方法包括：

1)IGV温控线的设计原则。IGV温控的含义是通过对IGV角度的控制，实现对燃气轮机排气温度的控制。在启动过程中，IGV温控线影响下的升负荷过程可以控制排气温度的变化梯度，以满足燃机热部件的性能和强度要求。对于采用联合循环的燃气轮机，燃气轮机排出的烟气需进入热量回收设备，为保证余热锅炉的正常工作和最理想的效率，往往要求燃气轮机排气温度处于接近锅炉最佳设计温度工作点。由于电网的需要，有时燃气轮机不得不连续处于部分负荷下运行，这时燃气轮机的排烟温度必然低于满负荷的排烟温度。因此燃气轮机在部分负荷运行时需要适当关小IGV，以此较少空气流量而维持较高的排气温度。简单循环的IGV温控线远低于联合循环的IGV温控线，排气温度的变化梯度较小，燃机在升负荷过程中大部分时间处于较低的工作温度。在联合循环下，IGV温控线较接近极限温控线，IGV打开时间较晚，启动过程中燃机排气温度可快速达到一个较高的水平。

2)IGV温控线的计算方法。IGV温控线由几条曲线共同构成，需要给定排气温度限制线，透平初温限制线，以及IGV＝0(最小全速角)和IGV＝100(全开)的两条运行线。

燃气轮机循环过程中的比功计算式如下：

W_n＝W_T-W_c＝c_p(T₄-T₅)-c_p(T₂-T₁) (1)

其中，W_n为燃机比功，T₁为大气温度，T₂为压气机出口温度，T₄为透平初温，T₅为排气温度，π为压比，τ为温比，c_p为定压热容；

燃气轮机循环过程中的功率计算式如下：

P＝Q_m*W_n＝f(Q_m，π，τ，T₁) (4)

π＝f(τ，T₁，p₁，Q_m) (7)

P＝f(Q_m，τ，T₁，p₁) (8)

其中P为燃机功率，Q_m为压气机流量，IGV为压气机IGV开度，p₁为大气压力；

在大气压力不变的情况下，燃机功率的计算式如下：

p₁＝const (9)

Q_m＝f(N，T₁，p₁，IGV) (11)

燃机在升负荷阶段转速均为定值，故在大气压力不变时，可得：

将(12)式代入(8)，得到：

T₅＝f(τ，T₁，Q_m)＝f(τ，T₁，IGV) (16)

根据(13)式，燃气轮机在升负荷过程中首先沿着IGV＝0的运行线运行，根据(16)式，随负荷增加，温比上升，排气温度上升，待排气温度达到限制值后，燃机沿着排气温度限制线运行。

在排气温度不变时，燃机负荷和透平初温的变化曲线计算式如下：

这个阶段排气温度不变，IGV逐渐打开，透平温度逐渐升高，直至透平初温达到限制值：

P＝f(IGV，T₄，T₁) (21)

T₅＝f(τ，T₁，Q_m)＝f(T₄，T₁，IGV)＝f(T₁，IGV) (23)

通过公式(20)-(23)可计算透平初温限制线，透平初温不变，IGV上升，排气温度开始下降，负荷继续上升。待IGV全开后，通过式(21)可计算燃机在IGV＝100的运行线，此时IGV不变，排气温度和透平初温上升，直至满负荷点。

综上所述，燃气轮机在运行过程中首先沿着IGV＝0的运行线运行，IGV开度保持不变，排气温度和燃机负荷上升，待排气温度达到限制值后，燃机沿着排气温度限制线运行，这个阶段排气温度不变，IGV逐渐打开，直至透平初温达到限制值，此时再沿着透平初温限制线运行，透平初温不变，排气温度开始下降，待IGV全开后，燃机继续沿着IGV＝100的运行线运行，此时IGV不变，排气温度和透平初温上升，直至满负荷点。

参考附图1和2，本实施例以某型燃机为例，该型燃机在满负荷点的排气温度为495℃。基本温控线(燃机可允许的最高排气温度)为565℃。

首先根据热部件材料特性等，由强度相关人员可以得到一个较优的简单循环下排气温度。在此根据设计经验可暂定简单循环下IGV温控线与基本温控线的温差为170℃，即IGV温控线的等温部分排气温度值为395℃，也就是图1中B′点的排气温度。

其次，对该型燃机，IGV完全打开时，燃气轮机的透平初温约为905℃。由公式(14)可以绘制出透平初温＝905℃的等温线，这部分即为IGV温控线中的等T4线。

在以上两条等温线绘制完成后，再计算出IGV＝0和IGV＝100两条燃机运行线，即可得到简单循环下完整的IGV温控线。

如图2所示，燃机在启动过程中首先沿着IGV＝0的曲线运行，排气温度逐渐上升，到达排气温度＝395℃时，IGV开始打开，通过增大空气流量保持排气温度不变，始终维持在395℃，透平初温逐渐上升。透平初温上升至905℃，排气温度开始下降，透平初温保持不变，直到IGV全开。此后IGV失去调控作用，随着压比和负荷的升高，燃机的排气温度和透平初温逐渐上升直至满负荷点。

在联合循环下，需要排气温度尽快升到一个较高的水平，以保证较高的联合循环效率。故根据设计经验，取联合循环IGV温控线与基本温控线的差值为5℃。极为接近基本温控线，在图1的示意图中可以较为直观的看到本申请方法得到的联合循环运行线A-B-C-D。图2给出了传统等排温控制策略下的联合循环运行线。

对比两种不同的控制策略可以看到，使用本方法设计的控制策略，在部分负荷时，联合循环的排气温度最高可达到560℃，此时压气机IGV还没有完全打开，此后随着负荷进一步升高，压气机IGV逐渐打开来控制排气温度稳定至额定工况值。在这个负荷范围内，通过调整IGV角度的方法来控制压气机的进气流量，力求燃机透平前的透平初温恒定不变，这有利于提高联合循环的变工况效率。而传统的排气温度控制策略下，联合循环的启动过程中，透平初温并非恒定不变的，而是始终低于额定工况值。由此可见，在保证联合循环高效率这方面，本方法设计的控制策略较优。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围以权利要求所限定的范围为准，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内做出的若干改进和润饰，也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种燃气轮机排气温度控制策略设计方法，其特征在于，包括：

选定排气温度限制值和透平初温限制值；

依次计算IGV＝0的运行线、排气温度限制线、透平初温限制线和IGV＝100的运行线；

基于计算得到的IGV＝0的运行线、排气温度限制线、透平初温限制线和IGV＝100的运行线获取燃气轮机IGV温控线，具体包括：

燃气轮机在运行过程中首先沿着IGV＝0的运行线运行，IGV开度保持不变，排气温度和燃机负荷上升，待排气温度达到限制值后，燃机沿着排气温度限制线运行，这个阶段排气温度不变，IGV逐渐打开，直至透平初温达到限制值，此时再沿着透平初温限制线运行，透平初温不变，排气温度开始下降，待IGV全开后，燃机继续沿着IGV＝100的运行线运行，此时IGV不变，排气温度和透平初温上升，直至满负荷点。

2.如权利要求1所述的燃气轮机排气温度控制策略设计方法，其特征在于，计算IGV＝0的运行线具体包括：

计算燃气轮机循环过程中的比功：

W_n＝W_T-W_c＝c_p(T₄-T₅)-c_p(T₂-T₁) (1)

其中，W_n为燃机比功，W_T为透平比功，W_C为压力机比功，T₁为大气温度，T₂为压气机出口温度，T₄为透平初温，T₅为排气温度，π为压比，τ为温比，c_p为定压热容，k为热力学常数；

计算燃气轮机循环过程中的功率：

P＝Q_m*W_n＝f(Q_m,π,τ,T₁) (4)

π＝f(τ，T₁，p₁，Q_m) (7)

P＝f(Q_m,τ,T₁,p₁) (8)

其中P为燃机功率，Q_m为压气机流量，IGV为压气机IGV开度，p₁为大气压力，p₃为罩壳压力；

计算在大气压力不变的情况下燃机功率：

p₁＝const (9)

Q_m＝f(N，T₁，p₁，IGV) (11)

燃机在升负荷阶段转速均为定值，故在大气压力不变时，可得：

将(12)式代入(8)，得到：

T₅＝f(τ,T₁,Q_m)＝f(τ,T₁,IGV) (16)

根据(13)式，燃气轮机在升负荷过程中首先沿着IGV＝0的运行线运行，根据(16)式，随负荷增加，温比上升，排气温度上升，待排气温度达到限制值后，燃机沿着排气温度限制线运行。

3.如权利要求2所述的燃气轮机排气温度控制策略设计方法，其特征在于，计算排气温度限制线具体包括：

在排气温度不变时，燃机负荷和透平初温的变化曲线计算式如下：

其中，为排气温度限制值；这个阶段排气温度不变，IGV逐渐打开，透平温度逐渐升高，直至透平初温达到限制值。

4.如权利要求3所述的燃气轮机排气温度控制策略设计方法，其特征在于，计算透平初温限制线和IGV＝100的运行线具体包括：

P＝f(IGV，T₄，T₁) (21)

T₅＝f(τ，T₁，Q_m)＝f(T₄，T₁，IGV)＝f(T₁，IGV) (23)

其中，为透平初温限制值；通过公式(20)-(23)可计算透平初温限制线，透平初温不变，IGV上升，排气温度开始下降，负荷继续上升，待IGV全开后，通过式(21)可计算燃机在IGV＝100的运行线，此时IGV不变，排气温度和透平初温上升，直至满负荷点。

5.如权利要求1-4任一项所述的燃气轮机排气温度控制策略设计方法，其特征在于，根据不同的机型和热部件材料调整透平初温和排气温度限制值。

6.如权利要求1-4任一项所述的燃气轮机排气温度控制策略设计方法，其特征在于，基于联合循环IGV温控线接近于极限温控线的设计原则进行设计。

7.如权利要求1-4任一项所述的燃气轮机排气温度控制策略设计方法，其特征在于，基于简单循环IGV温控线较低的设计原则进行设计。