高建華，黃映云，余又紅，賀星

考慮環(huán)境溫度變化時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)控制策略優(yōu)化選擇

高建華，黃映云，余又紅，賀星

(海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院，湖北武漢430033)

針對(duì)某型簡(jiǎn)單循環(huán)三軸燃?xì)廨啓C(jī)，基于面向?qū)ο蟮慕＠砟?，運(yùn)用模塊化建模方法，建立了三軸燃?xì)廨啓C(jī)的熱力學(xué)模型，開展了環(huán)境溫度變化時(shí)的穩(wěn)態(tài)性能仿真。在1.00和0.35兩種工況下，分析了四種不同控制策略下，環(huán)境溫度對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)重要監(jiān)控參數(shù)及裝置的比功率、熱效率等的影響，并將計(jì)算結(jié)果與燃?xì)廨啓C(jī)臺(tái)架試車實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：不同控制策略及不同工況下，環(huán)境溫度對(duì)三軸燃?xì)廨啓C(jī)的影響程度不同，需要綜合考慮相關(guān)因素，以選擇相應(yīng)的控制策略。

環(huán)境溫度；燃?xì)廨啓C(jī)；性能計(jì)算；GSP；建模與仿真

1 引言

燃?xì)廨啓C(jī)具有功率密度大、起動(dòng)快、污染低等優(yōu)點(diǎn)，是近幾十年來發(fā)展非常迅速的動(dòng)力裝置，廣泛應(yīng)用在航空、電廠發(fā)電、艦船驅(qū)動(dòng)、天然氣增壓等領(lǐng)域。燃?xì)廨啓C(jī)在設(shè)計(jì)工況下工作時(shí)效率最高，一般可達(dá)30%以上，一些復(fù)雜循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的效率甚至可以達(dá)到40%以上[1～3]。但是，燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)外界環(huán)境的變化特別敏感，尤其是環(huán)境溫度的變化。環(huán)境溫度隨著季節(jié)和地域的不同而變化，其變化將引起壓氣機(jī)進(jìn)口空氣狀態(tài)變化，進(jìn)而使得燃?xì)廨啓C(jī)偏離設(shè)計(jì)工況。因此，研究環(huán)境溫度對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響，對(duì)促進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)裝置高效、安全運(yùn)轉(zhuǎn)甚有價(jià)值，而且也有其理論意義。

本文針對(duì)某型簡(jiǎn)單循環(huán)三軸燃?xì)廨啓C(jī)，基于面向?qū)ο蠼＠砟?，運(yùn)用模塊化建模方法，研究了四種不同控制策略下，環(huán)境溫度對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)相關(guān)性能參數(shù)的影響；同時(shí)結(jié)合某型燃?xì)廨啓C(jī)臺(tái)架試車數(shù)據(jù)，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果可為船用燃?xì)廨啓C(jī)和工業(yè)發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行及使用管理提供參考。

2 某型簡(jiǎn)單循環(huán)三軸燃?xì)廨啓C(jī)

某型簡(jiǎn)單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)為帶雙軸燃?xì)獍l(fā)生器的三軸燃?xì)廨啓C(jī)[4]，主要由低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)、環(huán)管形燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪及動(dòng)力渦輪組成，見圖1。其中，高壓壓氣機(jī)由高壓渦輪驅(qū)動(dòng)，低壓壓氣機(jī)由低壓渦輪驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力渦輪為自由渦輪，用來驅(qū)動(dòng)負(fù)載。其通流部分各截面符號(hào)如圖1所示。

圖1 三軸燃?xì)廨啓C(jī)組成框圖Fig.1 Block diagram of three-shaft gas turbine

3 GSP熱力學(xué)模型的建立

建立高精度的熱力學(xué)模型，是研究燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)。本文引入燃?xì)廨啓C(jī)熱力學(xué)仿真平臺(tái)GSP 11[5～7]，基于面向?qū)ο蟮慕＠砟?，運(yùn)用模塊化建模方法，按照三軸燃?xì)廨啓C(jī)各部件工作機(jī)理搭建的仿真模型如圖2所示。

圖2 GSP下建立的三軸燃?xì)廨啓C(jī)模型Fig.2 Three-shaft gas turbine model created by GSP

所建模型中，模塊1“PWR”用來實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)的功率控制，模塊3“l(fā)oad ctrl”用于對(duì)負(fù)載進(jìn)行控制。另外，由于低壓渦輪和動(dòng)力渦輪之間有一過渡段，并且存在壓力損失，故模型中增加了模塊11“duct”；同時(shí)，該型燃?xì)廨啓C(jī)的引氣方式非常復(fù)雜，高、低壓壓氣機(jī)均有引氣用于高、低壓渦輪及動(dòng)力渦輪冷卻，因而模型中專門設(shè)置了模塊2“bleed ctrl”。模型中部分參數(shù)的取值見表1。

表1 計(jì)算過程中部分參數(shù)的取值Table 1 Values of some parameters in calculation

為保證所建模型精度，GSP對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)引氣和渦輪冷卻做了相應(yīng)處理。表2為壓氣機(jī)模塊中引氣的相關(guān)參數(shù)，其中引氣標(biāo)識(shí)號(hào)1和2對(duì)應(yīng)低壓壓氣機(jī)，3～6對(duì)應(yīng)高壓壓氣機(jī)。表3為動(dòng)力渦輪中冷卻空氣的相關(guān)參數(shù)，NGV為渦輪進(jìn)口導(dǎo)葉。

表2 壓氣機(jī)引氣的參數(shù)設(shè)置Table 2 Values of compressor bleed parameters

表3 動(dòng)力渦輪的參數(shù)設(shè)置Table 3 Values of power turbine parameters

此外，建立高精度熱力學(xué)模型還需要燃?xì)廨啓C(jī)各部件的精確特性。對(duì)于壓氣機(jī)，在流量較高時(shí)，其通用特性線圖上的特性曲線非常陡峭，折合流量的很小變化也可能帶來壓比的巨大變化，因而傳統(tǒng)的對(duì)壓氣機(jī)特性線的處理方法在這里容易帶來很大誤差。為此，采用引入β輔助線的方法來處理這一問題，即把相對(duì)折合轉(zhuǎn)速和β輔助線作為獨(dú)立變量，來確定壓氣機(jī)特性線上某一運(yùn)行點(diǎn)，進(jìn)而確定壓比、折合流量和等熵效率：

式中：下標(biāo)LC代表低壓壓氣機(jī)。

上述方法對(duì)于渦輪同樣適用。

4 計(jì)算結(jié)果與討論

4.1 幾種不同的控制策略

仿真過程中，設(shè)置GSP中的環(huán)境溫度模塊，使得環(huán)境溫度T從270 K逐漸增加到310 K。同時(shí)，改變?nèi)紵夷K、燃料控制模塊及輸出功率控制模塊配置，通過燃?xì)廨啓C(jī)非設(shè)計(jì)工況性能仿真，實(shí)現(xiàn)以下四種不同的控制策略。

(1)燃油空氣比為常數(shù)：f=const；

(2)燃油流量為常數(shù)：Gf=const；

(3)燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率為常數(shù)：W=const；

(4)燃燒室出口溫度為常數(shù)：Tt3=const。

在上述四種控制策略下，分別計(jì)算海軍標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)，某型燃?xì)廨啓C(jī)在1.00和0.35兩種工況下，相關(guān)性能參數(shù)隨環(huán)境溫度的變化。

4.2 1.00工況下的計(jì)算結(jié)果

在四種不同控制策略下，分別代入燃?xì)廨啓C(jī)在海軍標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下1.00工況時(shí)的相應(yīng)數(shù)值，計(jì)算得到其性能參數(shù)(Tt3、動(dòng)力渦輪進(jìn)口溫度Tt4.5、燃?xì)廨啓C(jī)比功率We和燃?xì)廨啓C(jī)耗油率B)隨環(huán)境溫度的變化，見圖3。

圖3(a)和圖3(b)中，采用f=const、Gf=const和W=const三種控制策略，Tt3和Tt4.5都隨環(huán)境溫度的升高而不斷升高。采用Gf=const或W=const控制策略，Tt3和Tt4.5隨環(huán)境溫度的升高速率明顯比采用f=const控制策略時(shí)的快；另外，當(dāng)環(huán)境溫度超過某一數(shù)值后，采用Gf=const或W=const控制策略時(shí)的Tt3和Tt4.5，比采用f=const控制策略時(shí)的高很多。

圖3 1.00工況時(shí)環(huán)境溫度對(duì)三軸燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響Fig.3 Effect of ambient temperature on three-shaft gas turbine performance under 1.00 operation condition

圖3(c)中，采用f=const或Tt3=const控制策略，環(huán)境溫度越高，We越低；而采用Gf=const或W=const控制策略，結(jié)果恰好相反。另外，當(dāng)環(huán)境溫度超過某一數(shù)值后，采用Gf=const或W=const控制策略時(shí)的We，比采用f=const或Tt3=const控制策略時(shí)的高很多。

圖3(d)中，四種控制策略下，B均隨環(huán)境溫度的升高而升高，但升高速率有差異。其中，Tt3=const控制策略下，B隨環(huán)境溫度升高得最快；而采用W=const控制策略時(shí)，B變化得最慢。

對(duì)于該型三軸燃?xì)廨啓C(jī)，由于用戶更為關(guān)心其輸出功率，環(huán)境溫度升高時(shí)采用的控制規(guī)律是增加燃油噴入量保持輸出功率不變，即圖3中W=const所對(duì)應(yīng)的控制策略。但是從圖3(a)、圖3(b)中可以看到，隨著環(huán)境溫度的不斷升高，如果一直采用輸出功率不變的控制策略，必然會(huì)造成高壓渦輪和動(dòng)力渦輪進(jìn)口超溫。因而在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)環(huán)境溫度低于300 K時(shí)，該型燃?xì)廨啓C(jī)采用的是輸出功率不變的控制策略；當(dāng)環(huán)境溫度高于300 K時(shí)，其采用高壓渦輪進(jìn)口溫度低于某一限制值的控制策略。這樣，動(dòng)力渦輪輸出功率必然會(huì)有所下降。圖4給出了該型燃?xì)廨啓C(jī)功率隨環(huán)境溫度的變化情況[4]。

圖4 某型燃?xì)廨啓C(jī)功率與環(huán)境溫度的關(guān)系曲線Fig.4 Gas turbine power versus ambient temperature

4.3 0.35工況下的計(jì)算結(jié)果

在四種不同控制策略下，分別代入燃?xì)廨啓C(jī)在海軍標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下0.35工況時(shí)的相應(yīng)數(shù)值，計(jì)算得到的其性能參數(shù)隨環(huán)境溫度的變化見圖5。

圖5(a)、圖5(b)中，四種控制策略下，燃?xì)廨啓C(jī)的相關(guān)性能參數(shù)與環(huán)境溫度的變化趨勢(shì)，與圖3(a)、圖3(b)中的非常類似，分別比較圖3和圖5中環(huán)境溫度為270 K、310 K所對(duì)應(yīng)的Tt3和Tt4.5，發(fā)現(xiàn)兩種狀態(tài)下其變化率相差不超過1.74%。

比較圖5(c)、圖5(d)中環(huán)境溫度為270 K、310 K所對(duì)應(yīng)We和B。當(dāng)采用Gf=const或W=const控制策略時(shí)，兩種狀態(tài)下We和B的變化率相差最大不超過1.85%；而采用f=const或Tt3=const控制策略時(shí)，兩種狀態(tài)下其變化率最大相差超過20.85%。

圖5 0.35工況時(shí)環(huán)境溫度對(duì)三軸燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響Fig.5 Effect of ambient temperature on three-shaft gas turbine performance under 0.35 operation condition

4.4 仿真結(jié)果與試車數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

該型燃?xì)廨啓C(jī)隨機(jī)履歷簿中，提供了不同工況下高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨環(huán)境溫度的變化曲線。圖6為采用W=const控制策略時(shí)，GSP仿真與實(shí)際臺(tái)架試車兩種情況下,高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nH隨環(huán)境溫度的變化。圖中，燃?xì)廨啓C(jī)處于1.00和0.35工況下，高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速均隨環(huán)境溫度的增加而快速增加。1.00工況下，GSP仿真結(jié)果對(duì)應(yīng)曲線和試車數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)曲線在不同環(huán)境溫度下均相差很小，最大誤差只有0.27%。0.35工況下，GSP仿真結(jié)果對(duì)應(yīng)曲線和試車數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)曲線在不同環(huán)境溫度下的最大誤差不超過3.25%。

圖6 高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在不同工況下隨環(huán)境溫度的變化Fig.6 High pressure rotor speed versus ambient temperature under different operation condition

5 結(jié)論

本文主要討論了Gf=const、W=const、f=const和Tt3=const四種不同控制策略下，環(huán)境溫度對(duì)三軸燃?xì)廨啓C(jī)性能參數(shù)Tt3、Tt4.5、We和B的影響，可得如下結(jié)論：

(1)同一工況時(shí)，上述四種控制策略下，三軸燃?xì)廨啓C(jī)的Tt3、Tt4.5和B均隨環(huán)境溫度的升高而升高。采用Gf=const或W=const控制策略，We隨環(huán)境溫度的升高而升高；而采用f=const和Tt3=const控制策略，We隨環(huán)境溫度的升高而減小。采用Gf=const和W=const控制策略，環(huán)境溫度對(duì)Tt3、Tt4.5、We和B的影響非常接近。

(2)當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)處于0.35工況時(shí)，采用f=const和Tt3=const控制策略將導(dǎo)致We、B隨環(huán)境溫度的變化更快。

(3)從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，三軸燃?xì)廨啓C(jī)宜采用Gf=const控制策略，此時(shí)環(huán)境溫度對(duì)B的影響較小。若從裝置發(fā)出功率角度考慮，則宜采用W=const或Tt3=const控制策略。但上述幾種控制策略，在環(huán)境溫度較高時(shí)，均需考慮燃燒室出口溫度超溫這一限制。

[1]焦樹建.探討21世紀(jì)上半葉我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的途徑[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2001，14(1)：10—13.

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Effect of Ambient Temperature on Three-Shaft Gas Turbine Performance under Difference Control Strategy

GAO Jian-hua，HUANG Ying-yun，YU You-hong，HE Xing
(College of Naval Architecture and Power，Naval Univ.of Engineering，Wuhan 430033，China)

For a simple cycle three-shaft gas turbine,a thermodynamic model of a three-shaft gas turbine was established with object-oriented modeling concept and modular modeling method,and steady state per?formance simulation under different ambient temperature was carried out.In the two operation conditions of 1.0 and 0.35,the effect of ambient temperature on thermodynamic parameters,specific power and thermal efficiency of gas turbine under four different control strategies were analyzed,and the calculated results were compared with the gas turbine rig test data.The results showed that effect of ambient temperature on three-shaft gas turbine is different under different control strategy and different operation conditions,and relevant factors must be considered to select the appropriate control strategy.

ambient temperature；gas turbine；performance calculation；GSP；modeling and simulation

TK05

A

1672-2620(2012)01-0035-05

2011-07-26；

2012-01-02

高建華(1982-)，男，江蘇鹽城人，講師，博士研究生，主要從事燃?xì)廨啓C(jī)性能分析與控制規(guī)律研究。