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燃气轮机透平建模及其发电系统能耗时空分布研究

付旭晨  
【摘要】:在能源短缺、环境污染及温室效应等诸多挑战下,加快调整能源结构已成为我国经济社会可持续发展的必经之路。燃气-蒸汽联合循环机组参与电网的调峰,而作为机组核心设备的重型燃气轮机在能源结构改革中的地位举足轻重。重型燃气轮机及其发电系统在长期发展过程中,燃气透平特性计算方法有很多,但仍需不断改进。本文为了研究全工况燃气轮机透平内部参数及其特性规律,以PG9351FA燃气轮机为基准机组,建立了一种考虑冷气掺混的重型燃气轮机透平变工况精细模型。该建模方法采用半经验公式对透平具体冷却空气量进行估算,充分考虑了冷气掺混对透平性能的影响,以及马赫数、攻角对透平变工况模型气流参数及速度损失的修正。所建模型的计算结果与厂家提供的数据误差可控制在±0.4%以内,可用于预估燃气轮机透平部分负荷特性,在负荷变化至60%时,高中压级的效率仍维持较高水平,低压级下降幅度约为1.2%。应用模型分析透平背压变动对透平膨胀比分配、排气温度及出功的影响,得到了透平内部流动参数和性能参数以及分级特性规律,其结果更真实地反映了机组在特定运行策略时的全工况特性规律。在进一步工作中,本文立足于联合循环的节能降耗,将所建立的燃气轮机透平变工况精细模型应用于燃气轮机机组及其发电系统,应用变工况理论与能耗分析,从全工况角度研究机组能耗在整个燃气轮机及其发电系统中的分布特性,其中燃烧室的全工况能耗特性最低,变工况时透平末级能耗水平下降最快,下降幅度约23.2%;本文对过程、单元部件及整体系统不同层面能耗特性进行研究,分析(火用)效率提升空间,从设计工况及变工况角度把握机组能耗分布特性,从系统集成、技术革新及运行策略调节等角度分析系统的节能潜力,并分析了联合循环能耗水平提升空间,为能量的高效利用提出了方向。本文的研究结果,为实现我国重型燃气轮透平及发电系统的优化设计和高效运行奠定了基础,对指导重型燃气轮机发电系统的更深层次的节能降耗的研究具有重大意义。


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