CN116976036A - 一种分布式能源用燃气轮机总体性能计算方法 - Google Patents

一种分布式能源用燃气轮机总体性能计算方法 Download PDF

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CN116976036A CN202311014675.7A CN202311014675A CN116976036A CN 116976036 A CN116976036 A CN 116976036A CN 202311014675 A CN202311014675 A CN 202311014675A CN 116976036 A CN116976036 A CN 116976036A
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Abstract

本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种分布式能源用燃气轮机总体性能计算方法；包括以下步骤：包括以下步骤：S1、根据国际标准热物性库调用工质物性试验数据计算工质物性参数；S2、计算压气机热力过程参数；S3、以压气机出口参数为边界条件，计算燃烧室出口参数；S4、对透平参数进行计算；通过物性参数调用试验数据表格查询来进行计算，直接利用进出口焓值进行计算，对化学反应过程考虑化学反应产物比例进行迭代计算，对二次冷却空气进行迭代计算等，提高了总体循环计算精度，尤其是在分布能源用燃气轮机上，存在含有多种组分的情况，提高计算准确度。

Description

一种分布式能源用燃气轮机总体性能计算方法
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种分布式能源用燃气轮机总体性能计算方法。
背景技术
燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，燃气轮机在空气和燃气的主要流程中，只有压气机、燃烧室和燃气涡轮这三大部件组成的燃气轮机循环，通称为简单循环。大多数燃气轮机均采用简单循环方案。压气机从外界大气环境吸入空气，并经过轴流式压气机逐级压缩使之增压，同时空气温度也相应提高；压缩空气被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的气体；然后再进入到涡轮中膨胀做功，推动涡轮带动压气机和外负荷转子一起高速旋转，实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功，并输出电功。由于燃气轮机具有环保、高效、灵活等优点，所以被广泛适用于发电、船舶、石油化工等多个领域中，在不同领域中燃气轮机的性能也不同，所以燃气轮机的总体性能设计也成为燃气轮机应用于不同领域的重点区别。
燃气轮机设计的第一步就是进行燃气轮机总体气动设计，而燃气轮机总体气动设计需要根据设计指标来计算各部件的性能参数指标，这决定了燃气轮机的整体性能。目前，传统的燃气轮机总体性能计算方法，大多将工质的物性参数认为是常数，在各部件热力过程计算中，采用平均温度对应的比热容进行进出口迭代的方式进行计算，计算各压损段的热力过程时认为温度不变等，上述传统的处理方法均在计算过程中导入了大量误差，使得计算精度较低。
因此，亟需提供一种分布式能源用燃气轮机总体性能计算方法，相对于现有技术，提高燃气轮机总体性能计算精度。
发明内容
本发明解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种分布式能源用燃气轮机总体性能计算方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种分布式能源用燃气轮机总体性能计算方法，包括以下步骤：
S1、根据国际标准热物性库调用工质物性试验数据计算工质物性参数；
S2、根据所调用的工质物性参数，计算压气机热力过程参数，压气机热力过程参数包括压气机出口压力、压气机出口温度、压气机耗功、压气机进口熵值、压气机进口焓值、压气机出口焓值和压气机出口等熵焓值；
S3、以压气机出口参数为边界条件，计算燃烧室出口参数，压气机出口参数包括出口压力、出口温度、压气机耗功，燃烧室出口参数包括燃烧室出口温度、燃烧室出口焓值、燃烧室出口压力；
S4、对透平参数进行计算，透平参数包括出口温度和出口燃气质量流量。
进一步地，压气机热力过程参数具体通过下述公式计算得出：
P2＝P1×πC
h1＝h(P1,T1)
s1＝s(P1,T1)
T2＝T(P2,h2)
PC＝Qmc×(h2-h1)
上式中，P1表示压气机进口压力，πC表示压气机进口压力和出口压力的压比，T1表示压气机的进口温度，ηis,表示等熵效率，Qmc表示空气质量流量，P2表示压气机出口压力；h1表示压气机进口焓值，s1表示压气机进口熵值，表示压气机出口的等熵焓值，T2表示压气机的出口温度，PC表示压气机的耗功，h2表示压气机出口焓值。
更进一步地，燃烧室出口参数具体通过下式计算得出：
燃烧室出口压力通过下式计算得出：
P4＝P3×(1-φ)
上式中，P4为燃烧室出口压力，P3为空气进口压力，φ为燃烧室压损系数；
燃烧室出口焓值通过下式计算得出：
上式中，ηburn表示燃烧效率，f表示燃料空气比，h4表示燃烧室出口焓值，h3表示燃烧室入口焓值，hfuel表示燃料焓值，hu表示燃料热值；
燃烧室出口温度通过下式计算得出：
T4＝T(P4,h4)
上式中，T4表示燃烧室出口温度，P4表示燃烧室出口压力，h4表示燃烧室出口焓值。
更进一步地，S3步骤中还进行燃料流量和出口质量流量的计算，具体通过下式计算得出：
Qm_fuel＝Qmcb×f
Qmb＝Qmcb×(1+f)
上式中，Qm_fuel表示燃料流量，Qmcb表示进入燃烧室的空气质量流量，Qmb表示出口质量流量，f表示燃料空气比，λ表示二次空气流量系数，Qmc表示空气质量流量。
更进一步地，燃料空气比通过下述步骤进行修正：
S301、计算燃烧室入口焓值，具体通过下式计算得出：
h3＝hair(P3,T3)
上式中，h3表示燃烧室入口焓值，P3表示空气进口压力，T3表示为空气进口温度，hair表示通过空气的组分计算；
S302、计算燃料焓值，具体通过下式计算得出：
hfuel＝hfuel(Pfuel,Tfuel)
上式中，hfuel表示燃料焓值，Pfuel表示燃料进口压力，Tfuel表示燃料进口温度；
S303、计算燃烧室出口焓值，具体通过下式计算得出：
h4＝hair(P4,T4)
上式中，h4表示燃烧室出口焓值，P4表示燃烧室出口压力，T4表示燃烧室出口温度；
S304、计算燃空比，通过以下公式计算得出：
上式中，ηburn表示燃烧效率，f表示燃料空气比，h4表示燃烧室出口焓值，h3表示燃烧室入口焓值，hfuel表示燃料焓值，hu表示燃料热值；
S305、计算燃气出口组分：具体通过下式计算得出：
gas＝gas(f,air,fuel)
上式中，gas表示燃气出口组分，air表示空气组分，fuel表示燃料组分；
S306、重新计算燃烧室出口焓值，具体通过下式计算的得出：
上式中，表示新计算的燃烧室出口焓值，hgas表示通过燃气的组分计算；
S307、计算燃烧室出口焓值误差，具体通过下式计算得出：
上式中，Δh4表示燃烧室出口焓值误差，fabs表示算法代码、表示取的绝对值；
S308、将燃烧室出口焓值误差与设定值进行比较，如果燃烧室出口焓值误差小于设定值则输出所计算得出的燃空比，如果燃烧室出口焓值误差大于等于设定值则重复S304-S308步骤。
进一步地，S4具体包括以下步骤：
S401、计算二次空气流量；
S402、建立透平计算的效率模型，具体如下式所示：
上式中，ηis,表示等熵效率，h4表示燃烧室出口焓值，h5表示涡轮出口焓值，表示涡轮出口等熵；
S403、进行出口温度和出口燃气质量流量的计算。
更进一步地，二次空气流量通过下式计算得出：
Qmcl＝Qmb×λ
且满足下式：
Qmc＝Qmcl+Qmcb
上式中，λ表示二次空气流量系数，Qmcl表示二次空气流量，Qmb表示出口质量流量，Qmc表示空气质量流量，Qmcb表示进入燃烧室的空气质量流量。
更进一步地，出口温度和出口燃气质量流量通过下式计算得出：
P5＝P4/πt
h4＝h(P4,T4)
s4＝s(P4,T4)
h5＝h4-h4-h5s)×ηis,
T5＝T(P5,h5)
Qmt＝Qmb+Qmcl
上式中，P5表示出口压力，P4表示燃烧室出口压力，πt表示膨胀比，h4表示燃烧室出口焓值，T4表示燃烧室出口温度，s4表示燃烧室出口熵值，表示涡轮出口等熵，h5表示涡轮出口焓值，ηis,表示等熵效率，Qmt表示出口燃气质量流量，T5表示出口温度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明在工质物性计算方面改进传统的利用多项式修正方法计算，改为物性参数调用试验数据表格查询来进行计算，部件热力过程改进利用比热容进行进出口迭代改为直接利用进出口焓值进行计算，对化学反应过程考虑化学反应产物比例进行迭代计算，对二次冷却空气进行迭代计算等，通过以上改进，提高了总体循环计算精度，尤其是在分布能源用燃气轮机上，存在含有多种组分的情况，提高计算准确度。
附图说明
图1是本发明燃烧空气比修正的步骤图。
图2是本发明实施例计算流程图。
具体实施方式
下面将结合附图说明对本发明的技术方案进行清楚的描述，显然，所描述的实施例并不是本发明的全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供一种分布式能源用燃气轮机总体性能计算方法，包括以下步骤：
S1、采用国际标准热物性库计算工质物性，通过热物性软件导出相应的热物性库文件，从文件中调用所需的工质物性，热物性软件包括Dortmund Data Bank ProPerty、HYSYS、AsPen、RefProP等，这些软件都内置了大量的实验数据，具有较高的精准度。
S2、根据工况环境条件，计算压气机热力过程参数，压气机热力过程参数包括压气机出口压力、压气机出口温度、压气机耗功、压气机进口熵值、压气机进口焓值、压气机出口的等熵焓值，压气机的输入参数包括进口压力、进口温度、进口压力和出口压力的压比、等熵效率、空气质量流量；压气机的输入参数通过工况环境条件和机组的机型决定的；具体计算表示为下式：
P2＝P1×πC
h1＝h(P1,T1)
s1＝s(P1,T1)
T2＝T(P2,h2)
PC＝Qmc×(h2-h1)
上式中，P1表示压气机进口压力，πC表示压气机进口压力和出口压力的压比，T1表示压气机的进口温度，ηis,表示等熵效率，Qmc表示空气质量流量，P2表示压气机出口压力；h1表示压气机进口焓值，s1表示压气机进口熵值，表示压气机出口的等熵焓值，T2表示压气机的出口温度，PC表示压气机的耗功。
采用焓熵图的方式进行压气机热力过程参数的计算，可以保证计算更加精准，同时还能充分考虑组分的影响问题，现有软件中可以直接导出多种组分的参数，能够使得计算结果更加精准。
S3、以压气机出口参数为边界条件，计算燃烧室出口参数；压气机出口参数包括出口压力、出口温度、压气机耗功；所需计算的燃烧室出口参数包括燃烧室出口温度、燃烧室出口焓值，燃烧室出口压力。
具体地说，通过压气机出口参数、机组的机型、当前工况使用的燃料等，得出空气进口压力、空气进口温度、燃料进口压力、燃料进口温度、燃烧室压损系数、燃烧效率、燃料热值，通过以上参数可得到燃烧室出口温度、燃烧室出口焓值、燃烧室出口压力，空气进口压力等于压气机出口压力，空气进口温度等于压气机出口温度，燃料进口压力、燃料进口温度、燃烧室压损系数、燃烧效率、燃料热值通过机组的机型和当前工况使用的燃料得出的。
燃烧室出口压力通过下式计算得出：
P4＝P3×(1-φ)
上式中，P4为燃烧室出口压力，P3为空气进口压力，φ为燃烧室压损系数。
燃烧室出口焓值通过下式计算得出：
上式中，ηburn表示燃烧效率，f表示燃料空气比，h4表示燃烧室出口焓值，h3表示燃烧室入口焓值，hfuel表示燃料焓值，hu表示燃料热值。
具体地说，燃烧室入口焓值通过下式计算得出：
h3＝h(P3,T3)
上式中，h3表示燃烧室入口焓值，P3表示空气进口压力，T3表示空气进口温度。
燃料焓值通过下式计算得出：
hfuel＝h(Pfuel,Tfuel)
上式中，hfuel表示燃料焓值，Pfuel表示燃料进口压力，Tfuel表示燃料进口温度。
燃烧室出口温度通过下式计算得出：
T4＝T(P4,h4)
上式中，T4表示燃烧室出口温度，P4表示燃烧室出口压力，h4表示燃烧室出口焓值。
燃烧室出口熵值通过下式计算得出：
s4＝s(P4,T4)
上式中，s4表示燃烧室出口熵值。
具体地说，通过S2步骤得出的空气质量流量Qmc还能得知进入燃烧室的空气质量流量，通过进入燃烧室的空气质量流量可求得燃料流量和出口质量流量，具体通过下式计算得出：
Qm_fuel＝Qmcb×f
Qmb＝Qmcb×(1+f)
上式中，Qm_fuel表示燃料流量，Qmcb表示进入燃烧室的空气质量流量，Qmb表示出口质量流量，f表示燃料空气比，λ表示二次空气流量系数。
为了进一步提高计算精度，考虑了组分变化的影响，并根据燃料空气比的变化，对燃烧室出口的焓值进行迭代计算，具体方法包括以下步骤(如图1所示)：
S301、计算燃烧室入口焓值，具体通过下式计算得出：
h3＝hair(P3,T3)
上式中，h3表示燃烧室入口焓值，P3表示空气进口压力，T3表示为空气进口温度，hair表示通过空气的组分计算。
S302、计算燃料焓值，具体通过下式计算得出：
hfuel＝hfuel(Pfuel,Tfuel)
上式中，hfuel表示燃料焓值，Pfuel表示燃料进口压力，Tfuel表示燃料进口温度。
S303、计算燃烧室出口焓值，具体通过下式计算得出：
h4＝hair(P4,T4)
上式中，h4表示燃烧室出口焓值，P4表示燃烧室出口压力，T4表示燃烧室出口温度。
S304、计算燃空比，通过以下公式计算得出：
上式中，ηburn表示燃烧效率，f表示燃料空气比，h4表示燃烧室出口焓值，h3表示燃烧室入口焓值，hfuel表示燃料焓值，hu表示燃料热值。
S305、计算燃气出口组分：具体通过下式计算得出：
gas＝gas(f,air,fuel)
上式中，gas表示燃气出口组分，air表示空气组分，fuel表示燃料组分；上述公式表示已知空气和燃料的组分，f是燃空比，也就是燃料和空气混合比例，计算两种工质混合后的组分。
S306、重新计算燃烧室出口焓值，具体通过下式计算的得出：
上式中，表示新计算的燃烧室出口焓值，hgas表示通过燃气的组分计算。
S307、计算燃烧室出口焓值误差，具体通过下式计算得出：
上式中，Δh4表示燃烧室出口焓值误差，fabs表示算法代码、表示取的绝对值。
S308、将燃烧室出口焓值误差与设定值(error)进行比较，如果燃烧室出口焓值小于设定值则输出所计算得出的燃空比，如果燃烧室出口焓值大于等于设定值则重复S304-S308步骤。
燃气出口组分计算模块的每一步迭代步都根据燃空比重新计算出口产物的组分比例，实现了气体的组分比例的准确计算，通过以上迭代，消除了组分变化的误差，直接利用焓值计算，也消除了利用比热容带来的计算误差。
S4、对透平参数进行计算，对于透平的冷却空气计算可以根据同一等级的燃机进行计算，即：在透平初温、冷却结构、冷却空气来源均一致的情况下，可以认为冷却空气与主流燃气的比例是不变的，即满足下式：
Qmcl＝Qmb×λ
上式中，λ表示二次空气流量系数，Qmcl表示二次空气流量，Qmb表示出口质量流量。
且满足下式：
Qmc＝Qmcl+Qmcb
上式中，Qmc表示空气质量流量，Qmcl表示二次空气流量，Qmcb表示进入燃烧室的空气质量流量。
进一步说，建立透平计算的简化效率模型，如下式所示：
上式中，ηis,表示等熵效率，h4表示燃烧室出口焓值，h5表示涡轮出口焓值，表示涡轮出口等熵。
更进一步说，对透平计算输入的参数包括，进口压力、进口温度、膨胀比、等熵效率、出口燃气质量流量、二次空气流量和出口压力，透平计算输入的参数通过所调用的工质物性和上述步骤计算中得到，通过上述参数可以求得出口温度和出口燃气质量流量，具体通过下式计算得出：
P5＝P4/πt
h4＝h(P4,T4)
s4＝s(P4,T4)
h5s＝h(s4,P5)
T5＝T(P5,h5)
Qmt＝Qmb+Qmcl
上式中，P5表示出口压力，P4表示燃烧室出口压力，πt表示膨胀比，h4表示燃烧室出口焓值，T4表示燃烧室出口温度，s4表示燃烧室出口熵值，表示涡轮出口等熵，P5表示出口压力，h5表示涡轮出口焓值，ηis,表示等熵效率，Qmt表示出口燃气质量流量，T5表示出口温度。
下面以某个型号的燃机为例，燃机总体循环计算的步骤如图2所示，总体循环需要对二次空气流量即抽气流量，和压气机流量进行迭代计算，根据下表中的给定参数，对燃机性能进行了计算，获得了压气机流量及燃料流量，具体如下表所示：
表1某个型号燃机的总体循环计算给定参数
表2某个型号燃机的总体循环计算燃料组分
CH4 97.2％ H2 0.2％
C2H6 0.7％ CO2 1％
C3H8 0.2％ N2 0.7％
表3某个型号燃机的总体循环计算结果
参数 数值 参数 数值
空气流量 160.12kg/s 燃料流量 2.63kg/s
压气机耗功 52792kw 透平出功 90851kg/s
燃机效率 28.49％ 耗油率 0.263kg/kW.h
排气温度 516.67℃
最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种分布式能源用燃气轮机总体性能计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据国际标准热物性库调用工质物性试验数据计算工质物性参数；
S2、根据所调用的工质物性参数，计算压气机热力过程参数，压气机热力过程参数包括压气机出口压力、压气机出口温度、压气机耗功、压气机进口熵值、压气机进口焓值、压气机出口焓值和压气机出口等熵焓值；
S3、以压气机出口参数为边界条件，计算燃烧室出口参数，压气机出口参数包括出口压力、出口温度、压气机耗功，燃烧室出口参数包括燃烧室出口温度、燃烧室出口焓值、燃烧室出口压力；
S4、对透平参数进行计算，透平参数包括出口温度和出口燃气质量流量。
2.根据权利要求l所述的一种分布式能源用燃气轮机总体性能计算方法，其特征在于，压气机热力过程参数具体通过下述公式计算得出：
P2＝P1×πC
h1＝h(P1，T1)
s1＝s(P1，T1)
T2＝T(P2，h2)
PC＝Qmc×(h2-h1)
上式中，P1表示压气机进口压力，πC表示压气机进口压力和出口压力的压比，T1表示压气机的进口温度，ηis，c表示等熵效率，Qmc表示空气质量流量，P2表示压气机出口压力；h1表示压气机进口焓值，s1表示压气机进口熵值，表示压气机出口的等熵焓值，T2表示压气机的出口温度，PC表示压气机的耗功，h2表示压气机出口焓值。
3.根据权利要求2所述的一种分布式能源用燃气轮机总体性能计算方法，其特征在于，
燃烧室出口参数具体通过下式计算得出：
燃烧室出口压力通过下式计算得出：
P4＝P3×(1-φ)
上式中，P4为燃烧室出口压力，P3为空气进口压力，φ为燃烧室压损系数；
燃烧室出口焓值通过下式计算得出：
上式中，ηburn表示燃烧效率，f表示燃料空气比，h4表示燃烧室出口焓值，h3表示燃烧室入口焓值，hfuel表示燃料焓值，hu表示燃料热值；
燃烧室出口温度通过下式计算得出：
T4＝T(P4，h4)
上式中，T4表示燃烧室出口温度，P4表示燃烧室出口压力，h4表示燃烧室出口焓值。
4.根据权利要求3所述的一种分布式能源用燃气轮机总体性能计算方法，其特征在于，S3步骤中还进行燃料流量和出口质量流量的计算，具体通过下式计算得出：
Qm_fuel＝Qmcb×f
Qmb＝Qmcb×(1+f)
上式中，Qm_fuel表示燃料流量，Qmcb表示进入燃烧室的空气质量流量，Qmb表示出口质量流量，f表示燃料空气比，λ表示二次空气流量系数，Qmc表示空气质量流量。
5.根据权利要求4所述的一种分布式能源用燃气轮机总体性能计算方法，其特征在于，燃料空气比通过下述步骤进行修正：
S301、计算燃烧室入口焓值，具体通过下式计算得出：
h3＝hair(P3，T3)
上式中，h3表示燃烧室入口焓值，P3表示空气进口压力，T3表示为空气进口温度，hair表示通过空气的组分计算；
S302、计算燃料焓值，具体通过下式计算得出：
hfuel＝hfuel(Pfuel，Tfuel)
上式中，hfuel表示燃料焓值，Pfuel表示燃料进口压力，Tfuel表示燃料进口温度；
S303、计算燃烧室出口焓值，具体通过下式计算得出：
h4＝hair(P4，T4)
上式中，h4表示燃烧室出口焓值，P4表示燃烧室出口压力，T4表示燃烧室出口温度；
S304、计算燃空比，通过以下公式计算得出：
上式中，ηburn表示燃烧效率，f表示燃料空气比，h4表示燃烧室出口焓值，h3表示燃烧室入口焓值，hfuel表示燃料焓值，hu表示燃料热值；
S305、计算燃气出口组分：具体通过下式计算得出：
gas＝gas(fair,fuel)
上式中，gas表示燃气出口组分，air表示空气组分，fuel表示燃料组分；
S306、重新计算燃烧室出口焓值，具体通过下式计算的得出：
上式中，表示新计算的燃烧室出口焓值，hgas表示通过燃气的组分计算；
S307、计算燃烧室出口焓值误差，具体通过下式计算得出：
上式中，Δh4表示燃烧室出口焓值误差，fabs表示算法代码、表示取的绝对值；
S308、将燃烧室出口焓值误差与设定值进行比较，如果燃烧室出口焓值误差小于设定值则输出所计算得出的燃空比，如果燃烧室出口焓值误差大于等于设定值则重复S304-S308步骤。
6.根据权利要求1所述的一种分布式能源用燃气轮机总体性能计算方法，其特征在于，S4具体包括以下步骤：
S401、计算二次空气流量；
S402、建立透平计算的效率模型，具体如下式所示：
上式中，ηis,t表示等熵效率，h4表示燃烧室出口焓值，h5表示涡轮出口焓值，表示涡轮出口等熵；
S403、进行出口温度和出口燃气质量流量的计算。
7.根据权利要求6所述的一种分布式能源用燃气轮机总体性能计算方法，其特征在于，二次空气流量通过下式计算得出：
Qmcl＝Qmb×λ
且满足下式：
Qmc＝Qmcl+Qmcb
上式中，λ表示二次空气流量系数，Qmcl表示二次空气流量，Qmb表示出口质量流量，Qmc表示空气质量流量，Qmcb表示进入燃烧室的空气质量流量。
8.根据权利要求7所述的一种分布式能源用燃气轮机总体性能计算方法，其特征在于，出口温度和出口燃气质量流量通过下式计算得出：
P5＝P4/πt
h4＝h(P4，T4)
s4＝s(P4，T4)
T5＝T(P5，h5)
Qmt＝Qmb+Qmcl
上式中，P5表示出口压力，P4表示燃烧室出口压力，πt表示膨胀比，h4表示燃烧室出口焓值，T4表示燃烧室出口温度，s4表示燃烧室出口熵值，表示涡轮出口等熵，h5表示涡轮出口焓值，ηis，t表示等熵效率，Qmt表示出口燃气质量流量，T5表示出口温度。
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