整机 | 哈电&粤电：基于某型号的中小型燃气轮机总体性能分析

推荐理由

论文对高压压气机等熵效率、低压压气机等熵效率等6个关键参数进行了敏感性分析，并探讨了它们对燃气轮机功率、效率和排气温度的影响。该论文采用合理的方法对中小型燃气轮机的性能进行了全面研究，为进一步的设计提供了重要的参考价值。

关键词：中小型燃气轮机；总体性能；敏感性分析；燃机关键参数

下滑至文末获取论文全文

摘要

目前，国内市场对中小型燃气轮机的需求量迅速增长，各省、市、地区纷纷发布基于中小型燃气轮机的分布式能源项目建设扶持政策。通过对某型号国产中小型燃气轮机进行性能计算和关键参数敏感性分析，讨论影响中小型燃机性能的关键参数，为试验验证及项目运维提供数据支撑。结果表明，高压压气机等熵效率、低压压气机等熵效率、燃烧室总压恢复系数、高压透平等熵效率、低压透平等熵效率及动力透平等熵效率越高，燃机的功率、效率越大，排气温度越低。但是各个关键参数对燃机性能的影响略有不同。

——以下为正文——

随着全球气候变化和环境污染问题的日益严重，清洁能源的发展已成为各国共同关注的焦点。在国家“双碳”战略部署下，中小型燃气轮机作为高效、可靠的发电设备，正逐渐在能源领域发挥着重要作用。不同于重型燃气轮机，中小型燃气轮机的燃烧室出口温度、各主要部件性能、排气温度均相对较低，但是其灵活性、可靠性、成本及应用范围等优势是重型燃气轮机无法比拟的。与此同时，国家针对中小型燃气轮机的研发、应用出台了各种扶持政策，实现1MW以下级微小型燃气轮机及分布式功能系统、1～10MW级小型燃气轮机和10～50MW级工业驱动用中型燃气轮机的产业化[1]；开展航空发动机与燃气轮机压气机转子叶片等关键技术产业化应用[2]；支持航空发动机及燃气轮机等事关国家战略、国家安全等学科专业建设[3]；面向 2030年尽快启动航空发动机及燃气轮机重大项目，充分论证，把准方向，明确重点，再部署一批体现国家战略意图的重大科技项目和工程[4]。以上研究使得近年来中小型燃气轮机急速发展，据中商产业研究院调研，5～20MW燃气轮机市场规模预计在2031年将达到  934.17百万美元，年复合增长率（CAGR）为2.74%。

燃气轮机总体性能计算是前置于部件计算之前的宏观计算，需要根据设计者经验对各部件关键参数进行合理预测，从而计算出符合标准、精度的性能参数[5]。本文通过对某型号中小型燃气轮机进行建模及总体性能计算分析，分析计算结果与官方数据误差大小，验证模型计算方法及关键参数设定的准确性。基于此边界条件，进行关键参数的敏感性分析，分析关键参数对中小型燃气轮机性能的影响程度，最终对该型号中小型燃机试验验证及运行维护提供数据支撑。

1

某型号中小型燃气轮机建模计算与分析

1.1 某型号中小型燃气轮机简单循环建模

根据燃机总体结构，该型号中小型燃气轮机采用高压转子、低压转子、动力透平转子的“三转子”结构形式，其中1级高压燃气透平带动10级高压压气机转动，1级低压燃气透平带动9级低压压气机转动，低压透平排气进入动力透平中做功，带动动力透平转动，并输出功率。低压压气机出口的空气大多进入高压压气机压缩，部分空气进入动力透平第二级流道内做功；高压压缩机第5级抽取部分空气进入低压燃气透平静叶中冷却叶片；高压压缩机排气中抽取部分空气进入高压燃气透平动静叶中进行冷却。根据官方资料，该型号燃气轮机具有4级透平的简单循环结构，故按照图1建立简单循环模型。

图1 某型号中小型燃气轮机模型示意图

空气进入燃机后，先进入低压压气机压缩；主流空气继续进入高压压气机压缩，而后部分高压压气机出口空气进入燃烧室燃烧，高温燃气首先进入高压燃气透平膨胀做功，期间会有从高压压缩机出口抽取的空气进入高压燃气透平的动静叶叶片中进行冷却。燃气从高压燃气透平出来后直接进入低压燃气透平做功，同样会有部分来自高压压缩机第5级的空气参与到低压燃气透平的静叶片冷却中。最后燃气进入动力透平中做功，期间也会混合来自低压压缩机出口抽取的空气。二次空气系统主要是从压气机中抽取部分空气，用于冷却高压燃气透平第一级动静叶，冷却低压燃气透平静叶及密封。本方案中从低压压气机出口抽取空气通入动力透平，从高压压气机第5级出口抽气到低压燃气透平，从高压压气机出口抽气到高压燃气透平。

高压燃气透平只拖动高压压气机转动，低压燃气透平只拖动低压压气机转动，不对外产生发电功率。动力透平产生能量对外做功，拖动电机或驱动齿轮箱等装置产生动力。

1.2 计算结果分析比对

由于官方披露的数据不全，并不能完全包含全部关键参数，故需要进行多次调整，包括调整冷却空气流量、各关键部件效率等。通过笔者合理调整，现将计算结果与官方披露的数据进行比较，对比结果如表1所示。

表1 计算结果对比情况

由表1中的数据可知，本次计算结果基本符合官方资料公布的数据，计算结果的偏差都不大于2%，说明关键参数的选取较为准确，符合先进中小型燃气轮机设计方向的同时，还考虑到国内中小型燃气轮机的制造水平。下面将部分参数列举在表2中，供读者参考。

表2 其他关键参数选取情况

2

基于计算结果的敏感性分析

2.1 关键参数敏感性分析

在燃气轮机设计过程中存在数量繁多的参数，本文主要就高压压气机等熵效率、低压压气机等熵效率、燃烧室总压恢复系数、高压燃气透平等熵效率、低压燃气透平等熵效率、动力透平等熵效率这6个关键参数进行分析，找到其影响燃机性能的剧烈程度。

本次敏感性分析采用控制变量法，在合理范围内少量改变其数值，分析关键参数对燃机性能的影响幅度，具体计算过程不予以赘述，下面对计算结果进行表述及说明。

2.1.1 低压压气机等熵效率对燃机性能的影响

低压压气机等熵效率对燃机性能影响的计算结果如图2—图5所示。

图2 低压压气机等熵效率对燃机功率的影响曲线

图3 低压压气机等熵效率对燃机效率的影响曲线

图4 低压压气机等熵效率对燃机排气温度的影响曲线

图5 低压压气机等熵效率对燃机性能的影响

2.1.2 高压压气机等熵效率对燃机性能的影响

高压压气机等熵效率对燃机性能影响的计算结果如图6—图9所示。

图6 高压压气机等熵效率对燃机功率的影响曲线

图8 高压压气机等熵效率对燃机排气温度的影响曲线

图9 高压压气机等熵效率对燃机性能的影响

2.1.3 燃烧室总压恢复系数对燃机性能的影响

燃烧室总压恢复系数对燃机性能影响的计算结果如图10—图13所示。

图10 燃烧室总压恢复系数对燃机功率的影响曲线

图11 燃烧室总压恢复系数对燃机效率的影响曲线

图12 燃烧室总压恢复系数对燃机排气温度的影响曲线

图13 燃烧室总压恢复系数对燃机性能的影响

2.1.4 高压透平等熵效率对燃机性能的影响

高压透平等熵效率对燃机性能影响的计算结果如图14—图17所示。

图14 高压透平等熵效率对燃机功率的影响曲线

图15 高压透平等熵效率对燃机效率的影响曲线

图16 高压透平等熵效率对燃机排气温度的影响曲线

图17 高压透平等熵效率对燃机性能的影响

2.1.5 低压透平等熵效率对燃机性能的影响

低压透平等熵效率对燃机性能影响的计算结果如图18—图21所示。

图18 低压透平等熵效率对燃机功率的影响曲线

图19 低压透平等熵效率对燃机效率的影响曲线

图20 低压透平等熵效率对燃机排气温度的影响曲线

图21 低压透平等熵效率对燃机性能的影响

2.1.6 动力透平等熵效率对燃机性能的影响

动力透平等熵效率对燃机性能影响的计算结果如图22—图25所示。

图22 动力透平等熵效率对燃机功率的影响曲线

图23 动力透平等熵效率对燃机效率的影响曲线

图24 动力透平等熵效率对燃机排气温度的影响曲线

图25 动力透平等熵效率对燃机性能的影响

2.2 小结

图2—图25清楚地表示了在改变关键参数时相关燃机性能参数的变化情况，高压压气机等熵效率、低压压气机等熵效率、燃烧室总压恢复系数、高压透平等熵效率、低压透平等熵效率、动力透平等熵效率越高，燃机的功率、效率越大，排气温度越低。但上述各个关键参数对燃机性能的影响略有不同，如高压和低压压气机等熵效率对于燃机排气温度的影响没有其他参数对燃机排气温度影响剧烈，而动力透平等熵效率对于机组功率的影响比其他参数都剧烈。

3

结论

本文以中小型燃气轮机为研究对象，通过计算该燃机总体性能参数，探索中小型燃气轮机总体性能关键参数对燃机性能的影响。并通过计算分析关键参数对燃机性能的影响程度，得出计算关键参数敏感性分析的方法，以该型号燃气轮机为例，计算得到敏感性分析的结果，通过总结后得到的结论如图26—图28所示。

图26 关键参数对燃机功率的影响程度比较

图27 关键参数对燃机效率的影响程度比较

图28 关键参数对排气温度的影响程度比较

本文的研究与分析可为今后中小型燃气轮机的设计与性能计算提供参考依据，通过对关键参数敏感性分析的计算，为中小型燃气轮机的关键参数选取权重提供思路及理论依据，为试验验证及项目运维提供数据支撑。

点击下方蓝字下载论文全文：

整机 哈电&粤电：基于某型号的中小型燃气轮机总体性能分析.pdf

来源：《科技与创新》，作者郑智文、胡盼、王晓雷

大会介绍