梁勝瑩，高建強，馬明皓

（華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，河北 保定 071003）

0 引言

燃氣輪機作為燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的頂層循環(huán)，對整個聯(lián)合循環(huán)機組的運行有著至關(guān)重要的作用。富氧燃燒技術(shù)是一種高效、清潔燃燒技術(shù)，可以通過結(jié)合以上兩種技術(shù)，設(shè)計出富氧燃燒型燃氣輪機，并進行變工況性能分析，對于機組的高效、清潔運行具有重要意義。

目前國內(nèi)外關(guān)于富氧燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的研究主要集中在燃燒室燃燒特性的研究，對機組整體系統(tǒng)的仿真研究以及系統(tǒng)中主要設(shè)備的數(shù)值模擬還沒有過多的涉足。

Liu CY 等人[1]主要研究了富氧燃料（CH4， O2，CO2和H2O的混合物）在無氮燃氣輪機中的基本燃燒特性，利用化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和熱力學(xué)計算對燃氣輪機富氧燃燒的基本燃燒特性進行了數(shù)值模擬計算；Kez V等人[2]根據(jù)各種非灰氣體輻射三維模型，計算了在富氧燃燒條件下燃氣輪機燃燒室的輻射傳熱；Krieger GC等人[3]采用數(shù)值模擬軟件對CAN型燃氣輪機燃燒室富氧燃燒進行數(shù)值模擬計算，采用非預(yù)混火焰的平衡燃燒模型來模擬化學(xué)反應(yīng)，選擇RSM（雷諾應(yīng)力模型）作為湍流模型，在驗證數(shù)值方法和湍流模型之后進行數(shù)值預(yù)測。

對于燃氣輪機富氧燃燒的研究，國內(nèi)主要是基于微型燃氣輪機的燃燒室進行研究，主要有對不同氛圍下燃氣輪機富氧燃燒中的NOX生成進行的數(shù)值模擬研究[4]，在確定基本幾何尺寸下，采用煙氣循環(huán)富氧燃燒的微型燃氣輪機燃燒室對燃燒室熱態(tài)流場、燃燒效率等進行數(shù)值模擬和實驗對比，提供燃燒室的設(shè)計依據(jù)[5]，還有對CH4，O2，H2O在典型燃氣輪機運行條件下的燃燒特性進行數(shù)值研究，并與傳統(tǒng)CH4/空氣燃燒特性進行對比，為富氧燃燒室的設(shè)計提供依據(jù)[6]。

以某FA型燃氣輪機為基礎(chǔ)，為了提高計算效率，方便對其運行特性進行研究，采用EBSILON計算仿真軟件，搭建熱力計算模型，并在此計算模型上進行調(diào)試，并對富氧燃燒燃氣輪機進行熱力設(shè)計和變工況計算及分析。

1 富氧燃燒燃氣輪機系統(tǒng)設(shè)計

1.1 富氧燃燒燃氣輪機模型搭建

基于EBSILON軟件建立的富氧燃燒燃氣輪機模型如圖1所示[7]，其中助燃劑為O2和CO2的混合物。O2和CO2分別從不同的管路進入集氣聯(lián)箱，在集氣聯(lián)箱中充分混合后進入壓氣機，助燃劑經(jīng)壓氣機壓縮后形成高壓氣體，進入燃燒室中與燃料混合燃燒，放出大量的熱，燃燒后的高溫高壓燃氣進入透平中膨脹做功，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能推動發(fā)電機發(fā)電。

1.2 富氧燃燒燃氣輪機設(shè)計參數(shù)的選取

參照GE公司的某FA型燃氣輪機的性能參數(shù)，富氧燃燒燃氣輪機設(shè)計參數(shù)見表1和表2。

表1 富氧燃燒燃氣輪機性能參數(shù)

表2 富氧燃燒燃氣輪機性能比例系數(shù)%

圖1 燃氣輪機模型

1.3 燃氣輪機壓比的設(shè)計計算

燃氣輪機熱力設(shè)計計算，需要先確定機組的最佳壓比，壓比的選取對燃氣輪機的有效效率和比功有著至關(guān)重要的影響。

首先選取一系列的壓比值，然后對燃氣輪機進行熱力循環(huán)計算，根據(jù)得到的循環(huán)效率ηe和比功we與壓比的關(guān)系數(shù)據(jù)繪制成圖2和圖3。

圖2 壓比與效率的關(guān)系

圖3 壓比與比功的關(guān)系

由圖2和圖3可以看出，燃氣輪機的循環(huán)效率隨著選取壓比的增大而不斷增大，但是趨勢逐漸趨于平緩；燃氣輪機的比功隨著壓比的增大而出現(xiàn)一個最大值點，因此，此處選取比功最大處的壓比為設(shè)計壓比，設(shè)計壓比π=11.18。

1.4 設(shè)計計算結(jié)果

運用整體富氧燃燒燃氣輪機仿真模型進行設(shè)計計算，使各模塊的輸入和輸出進行多次迭代計算，并通過調(diào)節(jié)，達到整個系統(tǒng)的平衡，計算結(jié)果基本達到設(shè)計要求，富氧燃燒燃氣輪機的熱力設(shè)計參數(shù)如表3所示。

2 富氧燃氣輪機變工況性能分析

2.1 壓氣機變工況特性

壓氣機的熱力性能對燃氣輪機組的整體性能有至關(guān)重要的影響，壓氣機的變工況計算基于無量綱參數(shù)表示的通用特性曲線（如圖4所示），其可計算壓氣機的整體性能，對于壓氣機的變工況計算較為方便[8]。壓氣機的特性曲線以折合流量和折合效率的方式來表示。

2.2 燃氣透平變工況特性

與壓氣機變工況計算類似，燃氣透平的變工況計算同樣采用無量綱參數(shù)表示的通用特性曲線，燃氣透平的特性曲線同樣以折合流量和折合效率的方式來表示，如圖5所示。

圖5 燃氣透平特性曲線

此處主要分析燃氣輪機負荷變化、助燃劑O2濃度變化、壓比改變對富氧燃燒燃氣輪機熱力性能的影響[12]。

2.3 負荷變化對燃氣輪機性能的影響

2.3.1 變負荷運行控制方案

引入α（助燃劑當(dāng)量比）的概念[13]，為實際助燃劑量（mk）與理論助燃劑量（m0）之比， 即：

采用等T3（燃氣透平進口溫度）控制方式-調(diào)節(jié)IGV（進口可調(diào)靜葉）開度的方式進行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)過程分兩個階段：第一階段，在機組負荷降低時，保持透平初溫基本不變，通過關(guān)小IGV角度、降低壓氣機進口流量的方式來降負荷，但是IGV的調(diào)節(jié)是有限的，隨著IGV開度減小，燃氣透平出口煙溫T4會不斷增大，當(dāng)T4達到限制值時，不再關(guān)小IGV；然后進入第二階段，保持IGV角度不變，通過調(diào)節(jié)T3來降負荷。采用等T3控制方式調(diào)節(jié)時，可以通過2種方案來實現(xiàn)[14-16]，現(xiàn)將2種控制方案如表4所示。

方案1：80%負荷以上時，通過調(diào)節(jié)助燃劑質(zhì)量流量和燃料質(zhì)量流量來控制機組負荷變化，變化期間維持燃氣透平入口煙溫保持基本恒定；80%負荷以下時，保持助燃劑質(zhì)量流量基本不變，通過調(diào)節(jié)燃料質(zhì)量流量來改變負荷。

表4 變負荷控制方案

方案2：80%負荷以上時，保持助燃劑當(dāng)量比和燃氣透平入口煙溫基本恒定，或通過改變助燃劑質(zhì)量流量或通過改變?nèi)剂腺|(zhì)量流量來控制負荷變化；80%負荷以下時，保持助燃劑質(zhì)量流量基本不變，通過調(diào)節(jié)燃料質(zhì)量流量來改變負荷。

分別通過方案1和方案2來改變?nèi)細廨啓C負荷（110%~20%），分析2種控制方案對燃氣輪機變負荷的影響。

2.3.2 燃氣輪機變負荷性能分析

圖6—8分別表示了比功、機組效率和燃料消耗率與機組負荷變化的對應(yīng)關(guān)系，與文獻[17-18]中不同負荷的變工況分析結(jié)論基本一致。從圖6可以看出，以80%負荷為分界點，機組在80%負荷以上和80%負荷以下時比功均隨著機組負荷的增加而近似線性地增大，且方案1與方案2兩種控制方案對機組的比功與負荷的對應(yīng)關(guān)系影響近似相同。從圖7可以看出機組的效率隨著負荷的增加而增大，且80%負荷以上時近似線性增長，方案1與方案2的曲線基本重合。從圖8可以看出，機組在80%負荷時燃料消耗率達到最大值，數(shù)值為0.15 kg/kWh。在80%負荷以下時，機組的燃料消耗率隨著負荷的增大而增大，且方案2的控制方式比方案1的控制方式略高0.42%；在80%負荷以上時，機組的燃料消耗率隨著負荷的增大而減小，且方案1與方案2的變化曲線近似重合。綜上所述，機組變負荷運行時，方案1與方案2對機組的整體熱力性能影響差別不大，可近似視為一致。

2.4 助燃劑O2濃度變化對機組性能的影響

2.4.1 控制方案

圖6 負荷變化對比功的影響

圖7 負荷變化對效率的影響

圖8 負荷變化對燃料消耗率的影響

額定負荷下，改變助燃劑中O2濃度，探討機組的熱力性能變化，其他參數(shù)數(shù)值與設(shè)計值相同。變工況過程中，通過改變助燃劑質(zhì)量流量、天然氣質(zhì)量流量和機組助燃劑當(dāng)量比來完成工況變化。O2濃度選取占助燃劑質(zhì)量百分比14%~24%之間的11組數(shù)據(jù)。

2.4.2 助燃劑O2濃度變化對機組熱力性能影響的分析

圖9—11分別表示了比功、機組效率和燃料消耗率與助燃劑O2濃度變化的對應(yīng)關(guān)系，從圖9可以看出，在助燃劑中O2質(zhì)量分數(shù)處于22%以下時，機組比功隨著助燃劑中O2質(zhì)量分數(shù)的提高而增大。

圖9 O2濃度變化對機組比功的影響

在助燃劑中O2質(zhì)量分數(shù)高于22%時，機組比功基本維持恒定，其數(shù)值為595 kJ/kg。從圖10可以看出，機組效率隨著助燃劑中O2質(zhì)量分數(shù)的提高而增大。從圖11可以看出，燃料消耗率隨著助燃劑中O2質(zhì)量分數(shù)的提高而減小，得到的結(jié)果與文獻[18-19]中不同O2濃度的變工況結(jié)論基本一致。

圖10 O2濃度變化對機組效率的影響

圖11 O2濃度變化對燃料消耗率的影響

2.5 壓比變化對機組性能的影響

2.5.1 控制方案

探討壓比變化對機組熱力性能的影響時采用的兩種控制方案如表5所示。

表5 變壓比控制方案

方案A：可描述為定T3控制，機組變壓比過程中，通過調(diào)節(jié)助燃劑質(zhì)量流量、燃料質(zhì)量流量和助燃劑當(dāng)量比來維持機組功率和燃氣透平入口溫度T3基本恒定。

方案B：可描述為定α控制，機組變壓比過程中，維持助燃劑當(dāng)量比保持基本恒定，這樣助燃劑流量和燃料流量將成恒定比例變化，變工況過程中只需輸入其中一個參數(shù)即可。通過調(diào)節(jié)助燃劑質(zhì)量流量或者燃料質(zhì)量流量來保持機組功率基本恒定。

2.5.2 壓比變化對機組熱力性能影響的分析

圖12—14分別表示了比功、機組效率和燃料消耗率與機組壓比變化的對應(yīng)關(guān)系。從圖12可以看出，采用方案A控制時，隨著壓比的變化，機組比功在π=11.18處取得最大值，其數(shù)值為wn=593.135 kJ/kg；采用方案B可控制時，機組比功隨著壓比的增大而增大。在額定負荷下，機組變壓比運行時，如果需要最優(yōu)比功，可在低于設(shè)計壓比π=11.18時采用方案A控制，在高于設(shè)計壓比π=11.18時采用方案B控制。從圖13可以看出，采用方案A或方案B控制時，機組效率均隨著壓比的增大而增大。在額定負荷下，機組變壓比運行時，如果需要最優(yōu)效率，可在低于設(shè)計壓比π=11.18時采用方案B控制，在高于設(shè)計壓比π=11.18時采用方案A控制。圖14可以看出，采用方案A或方案B控制時，機組燃料消耗率均隨著壓比的增大而減小，基本符合文獻[20-21]的相關(guān)結(jié)論。

圖12 壓比變化對比功的影響

圖13 壓比變化對效率的影響

圖14 壓比變化對燃料消耗率的影響

3 結(jié)論

通過EBSILON仿真軟件搭建富氧燃燒燃氣輪機系統(tǒng)，進行設(shè)計計算，并對富氧燃燒燃氣輪機進行了變負荷、變助燃劑O2濃度和變壓比分析，得到的主要結(jié)論：

（1）機組在變負荷運行時，方案1與方案2對機組的整體熱力性能影響差別不大，可近似視為一致。

（2）額定功率下，機組變助燃劑O2濃度運行時，在助燃劑中O2質(zhì)量分數(shù)低于22%時，機組比功隨著助燃劑中O2質(zhì)量分數(shù)的提高而增大；在助燃劑中O2質(zhì)量分數(shù)高于22%時，機組比功基本維持恒定，其數(shù)值為595 kJ/kg。機組效率隨著助燃劑中O2質(zhì)量分數(shù)的提高而增大，燃料消耗率隨著助燃劑中O2質(zhì)量分數(shù)的提高而減小。

（3）額定負荷下，機組變壓比運行時，如果需要最優(yōu)比功，可在低于設(shè)計壓比π=11.18時采用方案A控制，在高于設(shè)計壓比π=11.18時采用方案B控制；如果需要最優(yōu)效率，可在低于設(shè)計壓比π=11.18時采用方案B控制，在高于設(shè)計壓比π=11.18時采用方案A控制。