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《中国科学院研究生院(工程热物理研究所)》 2012年
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微型湿空气透平循环动态模拟研究

欧阳艳艳  
【摘要】:湿空气透平(Humid Air Turbine,简称HAT)循环是新型燃气轮机循环的重要研究发展方向之一。自二十多年前被提出以来,HAT循环的研究经历了循环分析、关键技术研发等过程,目前正在向微、小型系统的原型实验、示范验证迈进。作为机组特性研究的一种手段,动态性能研究在机组运行分析、故障诊断、控制系统的设计调试以及人员培训等工作中都起着重要作用。随着HAT循环的研究发展,从微、小型规模起步进行HAT循环系统动态性能研究,掌握其动态特性及其运行规律成为亟待开展的工作。 针对这一问题,本文建立了微型HAT循环的动态及其控制系统模型;分析了微燃机简单、回热和HAT循环在启动、变负荷和停机各个典型动态过程的动态性能,比较了控制系统模式、参数以及系统转动惯性、容积惯性和热惯性等因素对系统动态性能的影响。在此基础上,结合本实验室的百千瓦级微型HAT循环原型试验台试验数据,验证了本文动态模拟的准确性。 本文的主要工作及结果如下: ①构建了微型HAT循环各单元部件动态模型,包括压气机、燃烧室、透平、换热器(气/气换热器—回热器和气/水换热器—后冷器、省煤器)、湿化器、转轴转动惯性、容积惯性、气道热惯性、燃料供给系统以及控制系统模型。 ②建立了微型HAT循环的核心单元—微燃机简单循环的动态模型,进行了启动、变负荷和停机过程等各个典型动态过程的模拟,分析了控制系统模式、参数以及系统转动惯性、容积惯性和热惯性等因素对系统动态性能的影响。结果表明,各种惯性越小,简单循环各个动态过程的响应越快;启动和变负荷动态模拟中可以忽略容积惯性的影响,而在停机过程中,应考虑高温区容积惯性的影响;各个典型过程中均必须考虑热惯性的影响,尤其是高温气道热惯性的影响;在负荷扰动幅度最大的甩负荷过程中,简单循环的转速超调量仍维持在合理的范围内。 ③建立了微燃机回热循环的动态模型,分析了微燃机简单和回热循环在各个典型动态过程中的差异。结果表明,回热器的热惯性是影响系统平衡稳定性的重要因素,在动态模拟中不能忽略;甩负荷过程中,回热循环必须采取燃料阀门控制措施,以防止较高的转速超调量。 ④建立了微型HAT循环的动态模型,分析了湿式(启动开始即集成湿化过程)和干式(先以回热状态启动,再切换至湿化状态)两种启动模式的动态特性,对启动、变负荷等各个典型动态过程进行了模拟,并与微燃机简单、回热循环进行了对比。结果表明,干式和湿式两种启动模式均可快速启动;相对于简单、回热循环,新设计HAT循环的启动过程中的压气机运行点远离喘振线;HAT循环中较大的热惯性使得其在各个动态过程中的转速超调量较大;在甩负荷过程中,HAT循环除应采取阀门控制措施外,还需要采取压气机后放气措施,才能有效防止较高的转速超调量。 ⑤基于极大似然估计法,利用微燃机试验数据反推了厂商保密的压气机特性方程参数、微燃机部件设计参数等特性信息,进而建立了百千瓦级HAT循环原型试验台的动态模型。对各个动态过程的模拟数据和试验数据进行对比,验证了本文动态模拟的准确性。 上述结果可为微型HAT循环的发展和应用以及控制系统设计提供一定的参考。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(工程热物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TK471

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