CN117365740A - 基于燃气轮机级间流场参数测量的喷水量控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于燃气轮机级间流场参数测量的喷水量控制系统及方法，涉及燃气轮机控制技术领域。包括：级间流场测量模块，用于通过压气机级间流场参数测量装置，采集级间流场参数；各级液滴蒸发量计算模块，用于通过干压缩试验获取干压缩过程级间流场的参数，通过湿压缩试验获取湿压缩过程级间流场的参数，并计算液滴的蒸发量；加湿喷水控制模块，用于根据液滴蒸发量与给定喷水量的比较结果进行喷水量控制和调整。本发明能够定量的表示燃气轮机喷水后压气机内的压缩过程中有多少液态水蒸发转化为了气态水，并建立一套定量的湿压缩测量及评价体系，并以此来调控喷水量。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机控制技术领域，尤其涉及一种基于燃气轮机级间流场参数测量的喷水量控制系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
湿压缩作为一种可以提高燃气轮机输出功率的一种技术实现形式，目前已经开展了较为丰富的理论研究与计算仿真分析，但是受限于复杂的湿压缩过程及试验实际的困难，其中一个关键的问题，在压气机内部压缩过程中，喷水后有多少液态水蒸发转化为了气态水，鲜有研究给出明确结论。
这一问题之所以困难，一方面是计算不够准确，理论分析以及数值仿真难以定量、准确的燃气轮机内部高速、高压、高温等恶劣工况对液滴的影响；另一方面是测量困难，液滴的蒸发量难以直接测量，同时燃气轮机内部狭小的空间以及高温高压的工作环境限制了实验测量探头的布置。
这一问题之所以重要，一方面，喷水可以提高机组出力，例如在天气较热时，燃气轮机效率下降，出力减少，而此时电厂负荷较大，通过喷水可以提升燃气轮机做功能力以增加发电量；另一方面，过量的喷水也会对燃气轮机造成不利影响，过量喷水会导致压气机效率降低，燃烧室总压恢复系数下降，燃烧不充分，熄火边界缩小，涡轮通流压力增大，进气流量减少等。
因此，如何建立一套定量的湿压缩测量及评价体系，并以此来调控喷水量，从而提高燃气轮机运行效率成为亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基于燃气轮机级间流场参数测量的喷水量控制系统及方法，能够定量的表示燃气轮机喷水后压气机内的压缩过程中有多少液态水蒸发转化为了气态水，并建立一套定量的湿压缩测量及评价体系，并以此来调控喷水量。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
本发明第一方面提供了一种基于燃气轮机级间流场参数测量的喷水量控制系统，包括：
级间流场测量模块，用于通过压气机级间流场参数测量装置，采集级间流场参数；
各级液滴蒸发量计算模块，用于通过干压缩试验获取干压缩过程级间流场的参数，通过湿压缩试验获取湿压缩过程级间流场的参数，并计算液滴的蒸发量，进而汇总出湿压缩过程中液滴的压气机各级整体蒸发量；
加湿喷水控制模块，用于根据总体液滴蒸发量与给定喷水量的比较结果进行喷水量控制和调整。
进一步的，干压缩试验流场参数包括来流的总压、静压以及总温，每一级静叶的总压以及静温。
更进一步的，利用压气机级间流场参数测量装置对静叶的总压以及静温进行测量，压气机级间流场参数测量装置包括若干探针和测压管。
更进一步的，所述探针为叶形探针，探针与静叶一体焊接，探针测得的总压和静温数据通过测压管连接到外界，测压管外径为1mm。
更进一步的，所述探针包括四个总压探针和两个静压探针，总压探针迎着来流设置在静叶前部，静温探针背向来流设置在静叶后部。
进一步的，各级液滴蒸发量计算模块包括湿压缩试验模块，被配置为设定起始的喷水量，保持燃气轮机核心机转速不变进行湿压缩试验，得到湿压缩过程级间流场的参数。
进一步的，计算单级水蒸气蒸发量的公式为：
式中，α表示液滴温度和流体温度之比，β表示液滴速度与流体速度之比，Mw表示液滴的质量，Cw表示水的比热容，Vin、Vout分别表示进出口气体流速，L为水的气化潜热，ΔDn为第n个微元段的水蒸气蒸发量，Ma表示干空气的质量，Mv表示水蒸气的质量，Cpa为空气的定压比热，Cpv为水蒸气的定压比热；
第N个微元段后水蒸气(压气机各级总蒸发量)的含量
本发明第二方面提供了一种基于燃气轮机级间流场参数测量的喷水量控制方法，包括以下步骤：
通过压气机级间流场参数测量装置，采集级间流场参数；
通过干压缩试验获取干压缩过程级间流场的参数，通过湿压缩试验获取湿压缩过程级间流场的参数，并计算液滴的蒸发量，进而汇总出湿压缩过程中液滴的压气机各级整体蒸发量；
根据液滴总体蒸发量与给定喷水量的比较结果进行喷水量控制和调整。
进一步的，根据液滴蒸发量与给定喷水量的比较结果进行喷水量控制和调整的具体步骤为：
如果给定喷水量减去计算的蒸发量大于0.1kg/s，表明当前喷水量大于设定阈值，则将给水量调小0.05kg/s；
如果给定喷水量减去计算的蒸发量小于0.1kg/s，则比较两者计算的差值绝对值，如果绝对值也小于0.1，表明当前喷水量小于设定阈值，则将喷水量增大0.05kg/s。
更进一步的，为了避免循环一直进行，将喷水量的调大和调小过程进行计数，如果调大和调小过程都调节大于9次，则停止调节，保持喷水量不变。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本发明公开了一种基于燃气轮机级间流场参数测量的喷水量控制系统及方法，基于级间流场参数测量与计算，提出了加湿喷雾的喷水量控制系统，可以定量的描述喷水后压气机中的蒸发量，为喷水量的调节提供依据。
采用本湿压缩喷水量控制系统，可以给燃气轮机喷湿提供依据，使得喷水量满足压气机加湿需要，避免过量喷水，提高燃气轮机的运行效率。
基于该控制方法，可以进一步深入分析喷湿对燃气轮机的影响，保证燃气轮机长时间喷水加力时的运行状态，提高燃气轮机运行寿命。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例一中压气机级间流场参数测量装置结构图；
图2为本发明实施例一中压气机级间流场参数测量方案原理示意图；
图3为本发明实施例一中湿压缩过程T-S图；
图4为本发明实施例二中基于燃气轮机级间流场参数测量的喷水量控制方法流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
实施例一：
本发明实施例一提供了一种基于燃气轮机级间流场参数测量的喷水量控制系统，包括：
级间流场测量模块，用于通过压气机级间流场参数测量装置，采集级间流场参数。以干压缩试验为例，干压缩试验流场参数包括来流的总压、静压以及总温，每一级静叶的总压以及静温。
本实施例中，利用压气机级间流场参数测量装置对静叶的总压以及静温进行测量，如图1所示，压气机级间流场参数测量装置包括若干探针和测压管。所述探针为叶形探针，探针与静叶一体焊接。探针距离静叶叶片前缘或后缘2mm位置，与叶片的连接采用焊接的形式。
探针测得的总压和静温数据通过测压管连接到外界，测压管外径为1mm，大部分半埋于叶片压力面表面，剩余部分用于与外界连接。所述探针包括四个总压探针和两个静压探针，总压探针迎着来流设置在静叶前部，静温探针背向来流设置在静叶后部，一方面可以较为准确的测定静温，另一方面，可以减少来流液滴对温度探针的影响(水滴浸润在探针表面会使得测温不准确)。
本实施例中，压气机级间测量的方案如图2所示，首先将皮托管以及总温探针置于进气道，获得来流的总压、静压以及总温，由此可以推断出来流的空气流量。而后通过叶形探针获得每一级静叶的总压以及静温，将这些参数汇总，输入运算器，从而通过各级液滴蒸发量计算模块将每一级液滴蒸发量，进而确认供水量。
各级液滴蒸发量计算模块，用于通过干压缩试验获取干压缩过程级间流场的参数，通过湿压缩试验获取湿压缩过程级间流场的参数，并计算液滴的蒸发量，进而汇总出湿压缩过程中液滴的压气机各级整体蒸发量。
本实施例中，各级液滴蒸发量计算模块包括干压缩试验模块，用于计算压气机干压缩过程的多变指数。
首先进行干压缩试验，为便于叙述，干压缩试验中来流空气的相对湿度为0，根据级间流场测量模块测得的干压缩过程总压、静压和静温。
由总温以及总压的关系，与密度公式联立求解，可以求得来流流速以及密度，而后通过迭代方式求得来流流量，最后求得总温公式如下：
P*＝P+0.5ρv2，
qm＝ρinvAin，
T*＝T+0.5ρv2/Cp。
式中，P*表示流体总压，P表示流体静压，ρ表示流体密度，v表示流体速度，qm表示来流流量，T*表示流体总温，T表示流体静温，Cp表示等压比热容，Ain表示进口的面积，Rga为气体常数，Rga＝287J/(Kg·K)。
获得出口的总压、静温，出口的面积可测量得到，进而求得出口的流速，由上述计算进口总温的方法求得出口的总温。定义Tr为出口与进口的总温比，Pr为出口与进口的总压比，那么压气机干压缩过程的多变指数na可以表示为：
本实施例中，各级液滴蒸发量计算模块还包括湿压缩试验模块，被配置为设定起始的喷水量，保持燃气轮机核心机转速不变进行湿压缩试验，得到湿压缩过程级间流场的参数。
图3给出了湿压缩过程的T-S图，将湿压缩过程分为两个部分，一个是干空气和水蒸气的压缩过程，一个是液滴的等压蒸发吸热过程。
对于湿压缩过程，由压气机级间流场参数测量装置可以得到每一个微元段内部的经过湿压缩后的总压以及静温，而对于每一个微元段内部的干压缩过程后的总温Tn_a，可以由下列方程得到：
式中，na为压气机干压缩过程的多变指数，Cpa为空气的定压比热，Cpv为水蒸气的定压比热，Ma表示干空气的质量，Mv表示水蒸气的质量，Prn为单级总压比，表示本级总压与上一级总压之比，对于水蒸气的实际压缩因子，根据经验取k′v＝1.4，因为水蒸气的含量相较于空气量较少，该数值的误差对整体计算的影响不大，Tv_n-1表示上一级湿压缩后的静温，由实验测量得到。本实施例中，微元段由每一级的动叶和静叶组成。
对于单级湿压缩的液滴的等压蒸发吸热过程，可以由下列公式，计算水蒸气的蒸发量：
式中，ΔHzf_n表示蒸发焓，表示干压缩温度，/>表示等压吸热后的温度，α表示液滴温度和流体温度之比，β表示液滴速度与流体速度之比，本实施例中，假定α＝0.1，β＝0.9，Mw表示液滴的质量，Cw表示水的比热容，Vin、Vout分别表示进出口气体流速，L为水的气化潜热，L为定值：2.3X10^6，ΔDn为第n个微元段的水蒸气蒸发量，Ma表示干空气的质量，Mv表示水蒸气的质量，Cpa为空气的定压比热，Cpv为水蒸气的定压比热，Tv_n-1表示上一级湿压缩后的静温。
第N个微元段后水蒸气(即压气机各级总蒸发量)的含量
加湿喷水控制模块，用于根据总体液滴蒸发量与给定喷水量的比较结果进行喷水量控制和调整。
本实施例中，如果给定喷水量减去计算的蒸发量大于0.1kg/s，表明当前喷水量大于设定阈值，则将给水量调小0.05kg/s；
如果给定喷水量减去计算的蒸发量小于0.1kg/s，则比较两者计算的差值绝对值，如果绝对值也小于0.1，表明当前喷水量小于设定阈值，则将喷水量增大0.05kg/s。
为了避免循环一直进行，将喷水量的调大和调小过程进行计数，如果调大和调小过程都调节大于9次，则停止调节，保持喷水量不变。如果计算的绝对值大于0.1，表明计算的模型输入有误，也可能燃气轮机出现一些未知的状态，则应停止试验，检查控制系统是否输入是否正确，燃气轮机是否有异样。
实施例二：
本发明实施例二提供了一种基于燃气轮机级间流场参数测量的喷水量控制方法，如图4所示，包括以下步骤：
步骤1，通过压气机级间流场参数测量装置，采集级间流场参数。
步骤2，通过干压缩试验获取干压缩过程级间流场的参数，通过湿压缩试验获取湿压缩过程级间流场的参数，并计算液滴的蒸发量，进而汇总出湿压缩过程中液滴的压气机各级整体蒸发量。
本实施例中，对于某个特定转速，首先进行不喷水试验即干压缩试验。启动燃气轮机，加速至指定转速，获取干压缩试验级间流场参数，从而通过计算得到干压缩的多变指数。其次，进行湿压缩试验。设定起始喷水量：bi＝1，j＝1，保持转速不变，获取湿压缩试验级间流场参数。
根据干压缩试验级间流场参和湿压缩试验级间流场参数计算水蒸发量。
步骤3，根据总体液滴蒸发量与给定喷水量的比较结果进行喷水量控制和调整。具体步骤为：
如果给定喷水量减去计算的蒸发量大于0.1kg/s，表明当前喷水量大于设定阈值，则将给水量调小0.05kg/s；
如果给定喷水量减去计算的蒸发量小于0.1kg/s，则比较两者计算的差值绝对值，如果绝对值也小于0.1，表明当前喷水量小于设定阈值，则将喷水量增大0.05kg/s。
为了避免循环一直进行，将喷水量的调大和调小过程进行计数，如果调大和调小过程都调节大于9次，则停止调节，保持喷水量不变。如果计算的绝对值大于0.1，表明计算的模型输入有误，也可能燃气轮机出现一些未知的状态，则应停止试验，检查控制系统是否输入是否正确，燃气轮机是否有异样。
以上实施例二中涉及的各步骤与实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于燃气轮机级间流场参数测量的喷水量控制系统，其特征在于，包括：
级间流场测量模块，用于通过压气机级间流场参数测量装置，采集级间流场参数；
各级液滴蒸发量计算模块，用于通过干压缩试验获取干压缩过程级间流场的参数，通过湿压缩试验获取湿压缩过程级间流场的参数，并计算液滴的蒸发量，进而汇总出湿压缩过程中液滴的压气机各级整体蒸发量；
加湿喷水控制模块，用于根据总体液滴蒸发量与给定喷水量的比较结果进行喷水量控制和调整。
2.如权利要求1所述的基于燃气轮机级间流场参数测量的喷水量控制系统，其特征在于，干压缩试验流场参数包括来流的总压、静压以及总温，每一级静叶的总压以及静温。
3.如权利要求1所述的基于燃气轮机级间流场参数测量的喷水量控制系统，其特征在于，利用压气机级间流场参数测量装置对静叶的总压以及静温进行测量，压气机级间流场参数测量装置包括若干探针和测压管。
4.如权利要求3所述的基于燃气轮机级间流场参数测量的喷水量控制系统，其特征在于，所述探针为叶形探针，探针与静叶一体焊接，探针测得的总压和静温数据通过测压管连接到外界，测压管外径为1mm。
5.如权利要求4所述的基于燃气轮机级间流场参数测量的喷水量控制系统，其特征在于，所述探针包括四个总压探针和两个静压探针，总压探针迎着来流设置在静叶前部，静温探针背向来流设置在静叶后部。
6.如权利要求1所述的基于燃气轮机级间流场参数测量的喷水量控制系统，其特征在于，各级液滴蒸发量计算模块包括湿压缩试验模块，被配置为设定起始的喷水量，保持燃气轮机核心机转速不变进行湿压缩试验，得到湿压缩过程级间流场的参数。
7.如权利要求1所述的基于燃气轮机级间流场参数测量的喷水量控制系统，其特征在于，计算单级水蒸气蒸发量的公式为：
式中，α表示液滴温度和流体温度之比，β表示液滴速度与流体速度之比，Mw表示液滴的质量，Cw表示水的比热容，Vin、Vout分别表示进出口气体流速，L为水的气化潜热，ΔDn为第n个微元段的水蒸气蒸发量，Ma表示干空气的质量，Mv表示水蒸气的质量，Cpa为空气的定压比热，Cpv为水蒸气的定压比热；
第N个微元段后水蒸气的含量
8.一种基于燃气轮机级间流场参数测量的喷水量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过压气机级间流场参数测量装置，采集级间流场参数；
通过干压缩试验获取干压缩过程级间流场的参数，通过湿压缩试验获取湿压缩过程级间流场的参数，并计算液滴的蒸发量，进而汇总出湿压缩过程中液滴的压气机各级整体蒸发量；
根据总体液滴蒸发量与给定喷水量的比较结果进行喷水量控制和调整。
9.如权利要求8所述的基于燃气轮机级间流场参数测量的喷水量控制方法，其特征在于，根据液滴蒸发量与给定喷水量的比较结果进行喷水量控制和调整的具体步骤为：
如果给定喷水量减去计算的蒸发量大于0.1kg/s，表明当前喷水量大于设定阈值，则将给水量调小0.05kg/s；
如果给定喷水量减去计算的蒸发量小于0.1kg/s，则比较两者计算的差值绝对值，如果绝对值也小于0.1，表明当前喷水量小于设定阈值，则将喷水量增大0.05kg/s。
10.如权利要求9所述的基于燃气轮机级间流场参数测量的喷水量控制方法，其特征在于，为了避免循环一直进行，将喷水量的调大和调小过程进行计数，如果调大和调小过程都调节大于9次，则停止调节，保持喷水量不变。
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2023
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