考虑环境温度变化时燃气轮机控制策略优化选择

高建华，黄映云，余又红，贺星

考虑环境温度变化时燃气轮机控制策略优化选择

高建华，黄映云，余又红，贺星

(海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉430033)

针对某型简单循环三轴燃气轮机，基于面向对象的建模理念，运用模块化建模方法，建立了三轴燃气轮机的热力学模型，开展了环境温度变化时的稳态性能仿真。在1.00和0.35两种工况下，分析了四种不同控制策略下，环境温度对燃气轮机重要监控参数及装置的比功率、热效率等的影响，并将计算结果与燃气轮机台架试车实际数据进行了对比分析。结果表明：不同控制策略及不同工况下，环境温度对三轴燃气轮机的影响程度不同，需要综合考虑相关因素，以选择相应的控制策略。

环境温度；燃气轮机；性能计算；GSP；建模与仿真

1 引言

燃气轮机具有功率密度大、起动快、污染低等优点，是近几十年来发展非常迅速的动力装置，广泛应用在航空、电厂发电、舰船驱动、天然气增压等领域。燃气轮机在设计工况下工作时效率最高，一般可达30%以上，一些复杂循环燃气轮机的效率甚至可以达到40%以上[1～3]。但是，燃气轮机对外界环境的变化特别敏感，尤其是环境温度的变化。环境温度随着季节和地域的不同而变化，其变化将引起压气机进口空气状态变化，进而使得燃气轮机偏离设计工况。因此，研究环境温度对燃气轮机性能的影响，对促进燃气轮机装置高效、安全运转甚有价值，而且也有其理论意义。

本文针对某型简单循环三轴燃气轮机，基于面向对象建模理念，运用模块化建模方法，研究了四种不同控制策略下，环境温度对燃气轮机相关性能参数的影响；同时结合某型燃气轮机台架试车数据，对计算结果进行了对比分析。研究结果可为船用燃气轮机和工业发电燃气轮机的设计、运行及使用管理提供参考。

2 某型简单循环三轴燃气轮机

某型简单循环燃气轮机为带双轴燃气发生器的三轴燃气轮机[4]，主要由低压压气机、高压压气机、环管形燃烧室、高压涡轮、低压涡轮及动力涡轮组成，见图1。其中，高压压气机由高压涡轮驱动，低压压气机由低压涡轮驱动，动力涡轮为自由涡轮，用来驱动负载。其通流部分各截面符号如图1所示。

图1 三轴燃气轮机组成框图Fig.1 Block diagram of three-shaft gas turbine

3 GSP热力学模型的建立

建立高精度的热力学模型，是研究燃气轮机稳态及动态特性的基础。本文引入燃气轮机热力学仿真平台GSP 11[5～7]，基于面向对象的建模理念，运用模块化建模方法，按照三轴燃气轮机各部件工作机理搭建的仿真模型如图2所示。

图2 GSP下建立的三轴燃气轮机模型Fig.2 Three-shaft gas turbine model created by GSP

所建模型中，模块1“PWR”用来实现燃气轮机的功率控制，模块3“load ctrl”用于对负载进行控制。另外，由于低压涡轮和动力涡轮之间有一过渡段，并且存在压力损失，故模型中增加了模块11“duct”；同时，该型燃气轮机的引气方式非常复杂，高、低压压气机均有引气用于高、低压涡轮及动力涡轮冷却，因而模型中专门设置了模块2“bleed ctrl”。模型中部分参数的取值见表1。

表1 计算过程中部分参数的取值Table 1 Values of some parameters in calculation

为保证所建模型精度，GSP对燃气轮机的压气机引气和涡轮冷却做了相应处理。表2为压气机模块中引气的相关参数，其中引气标识号1和2对应低压压气机，3～6对应高压压气机。表3为动力涡轮中冷却空气的相关参数，NGV为涡轮进口导叶。

表2 压气机引气的参数设置Table 2 Values of compressor bleed parameters

表3 动力涡轮的参数设置Table 3 Values of power turbine parameters

此外，建立高精度热力学模型还需要燃气轮机各部件的精确特性。对于压气机，在流量较高时，其通用特性线图上的特性曲线非常陡峭，折合流量的很小变化也可能带来压比的巨大变化，因而传统的对压气机特性线的处理方法在这里容易带来很大误差。为此，采用引入β辅助线的方法来处理这一问题，即把相对折合转速和β辅助线作为独立变量，来确定压气机特性线上某一运行点，进而确定压比、折合流量和等熵效率：

式中：下标LC代表低压压气机。

上述方法对于涡轮同样适用。

4 计算结果与讨论

4.1 几种不同的控制策略

仿真过程中，设置GSP中的环境温度模块，使得环境温度T从270 K逐渐增加到310 K。同时，改变燃烧室模块、燃料控制模块及输出功率控制模块配置，通过燃气轮机非设计工况性能仿真，实现以下四种不同的控制策略。

(1)燃油空气比为常数：f=const；

(2)燃油流量为常数：Gf=const；

(3)燃气轮机输出功率为常数：W=const；

(4)燃烧室出口温度为常数：Tt3=const。

在上述四种控制策略下，分别计算海军标准状态时，某型燃气轮机在1.00和0.35两种工况下，相关性能参数随环境温度的变化。

4.2 1.00工况下的计算结果

在四种不同控制策略下，分别代入燃气轮机在海军标准状态下1.00工况时的相应数值，计算得到其性能参数(Tt3、动力涡轮进口温度Tt4.5、燃气轮机比功率We和燃气轮机耗油率B)随环境温度的变化，见图3。

图3(a)和图3(b)中，采用f=const、Gf=const和W=const三种控制策略，Tt3和Tt4.5都随环境温度的升高而不断升高。采用Gf=const或W=const控制策略，Tt3和Tt4.5随环境温度的升高速率明显比采用f=const控制策略时的快；另外，当环境温度超过某一数值后，采用Gf=const或W=const控制策略时的Tt3和Tt4.5，比采用f=const控制策略时的高很多。

图3 1.00工况时环境温度对三轴燃气轮机性能的影响Fig.3 Effect of ambient temperature on three-shaft gas turbine performance under 1.00 operation condition

图3(c)中，采用f=const或Tt3=const控制策略，环境温度越高，We越低；而采用Gf=const或W=const控制策略，结果恰好相反。另外，当环境温度超过某一数值后，采用Gf=const或W=const控制策略时的We，比采用f=const或Tt3=const控制策略时的高很多。

图3(d)中，四种控制策略下，B均随环境温度的升高而升高，但升高速率有差异。其中，Tt3=const控制策略下，B随环境温度升高得最快；而采用W=const控制策略时，B变化得最慢。

对于该型三轴燃气轮机，由于用户更为关心其输出功率，环境温度升高时采用的控制规律是增加燃油喷入量保持输出功率不变，即图3中W=const所对应的控制策略。但是从图3(a)、图3(b)中可以看到，随着环境温度的不断升高，如果一直采用输出功率不变的控制策略，必然会造成高压涡轮和动力涡轮进口超温。因而在实际运行中，当环境温度低于300 K时，该型燃气轮机采用的是输出功率不变的控制策略；当环境温度高于300 K时，其采用高压涡轮进口温度低于某一限制值的控制策略。这样，动力涡轮输出功率必然会有所下降。图4给出了该型燃气轮机功率随环境温度的变化情况[4]。

图4 某型燃气轮机功率与环境温度的关系曲线Fig.4 Gas turbine power versus ambient temperature

4.3 0.35工况下的计算结果

在四种不同控制策略下，分别代入燃气轮机在海军标准状态下0.35工况时的相应数值，计算得到的其性能参数随环境温度的变化见图5。

图5(a)、图5(b)中，四种控制策略下，燃气轮机的相关性能参数与环境温度的变化趋势，与图3(a)、图3(b)中的非常类似，分别比较图3和图5中环境温度为270 K、310 K所对应的Tt3和Tt4.5，发现两种状态下其变化率相差不超过1.74%。

比较图5(c)、图5(d)中环境温度为270 K、310 K所对应We和B。当采用Gf=const或W=const控制策略时，两种状态下We和B的变化率相差最大不超过1.85%；而采用f=const或Tt3=const控制策略时，两种状态下其变化率最大相差超过20.85%。

图5 0.35工况时环境温度对三轴燃气轮机性能的影响Fig.5 Effect of ambient temperature on three-shaft gas turbine performance under 0.35 operation condition

4.4 仿真结果与试车数据的对比分析

该型燃气轮机随机履历簿中，提供了不同工况下高压转子转速随环境温度的变化曲线。图6为采用W=const控制策略时，GSP仿真与实际台架试车两种情况下,高压转子转速nH随环境温度的变化。图中，燃气轮机处于1.00和0.35工况下，高压转子转速均随环境温度的增加而快速增加。1.00工况下，GSP仿真结果对应曲线和试车数据对应曲线在不同环境温度下均相差很小，最大误差只有0.27%。0.35工况下，GSP仿真结果对应曲线和试车数据对应曲线在不同环境温度下的最大误差不超过3.25%。

图6 高压转子转速在不同工况下随环境温度的变化Fig.6 High pressure rotor speed versus ambient temperature under different operation condition

5 结论

本文主要讨论了Gf=const、W=const、f=const和Tt3=const四种不同控制策略下，环境温度对三轴燃气轮机性能参数Tt3、Tt4.5、We和B的影响，可得如下结论：

(1)同一工况时，上述四种控制策略下，三轴燃气轮机的Tt3、Tt4.5和B均随环境温度的升高而升高。采用Gf=const或W=const控制策略，We随环境温度的升高而升高；而采用f=const和Tt3=const控制策略，We随环境温度的升高而减小。采用Gf=const和W=const控制策略，环境温度对Tt3、Tt4.5、We和B的影响非常接近。

(2)当燃气轮机处于0.35工况时，采用f=const和Tt3=const控制策略将导致We、B随环境温度的变化更快。

(3)从经济性角度考虑，三轴燃气轮机宜采用Gf=const控制策略，此时环境温度对B的影响较小。若从装置发出功率角度考虑，则宜采用W=const或Tt3=const控制策略。但上述几种控制策略，在环境温度较高时，均需考虑燃烧室出口温度超温这一限制。

[1]焦树建.探讨21世纪上半叶我国燃气轮机发展的途径[J].燃气轮机技术，2001，14(1)：10—13.

[2]Brooks F J.GE燃气轮机性能特点[J].东方汽轮机，2005，(2)：52—65.

[3]赵士杭.燃气轮机循环与变工况性能[M].北京：清华大学出版社，1993.

[4]刘永葆，高建华.舰艇燃气动力装置及战斗使用[M].北京：海潮出版社，2009：185—188.

[5]Visser W P J，Broomhead M J.GSP,A Generic Ob⁃ject-Oriented Gas Turbine Simulation Environment[R]. National Aerospace Laboratory NLR，2000.

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[7]Visser W P J，Kluiters S C A.Modeling the Effects of Op⁃erating Conditions and Alternative Fuels on Gas Turbine Performance and Emissions[R].National Aerospace Labo⁃ratory NLR，1999.

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

高建华(1982-)，男，江苏盐城人，讲师，博士研究生，主要从事燃气轮机性能分析与控制规律研究。