变工况条件下微型燃气轮机运行仿真分析

杨 青

上海电气分布式能源科技有限公司 上海 201199

1 研究背景

近年来,微型燃气轮机得到了快速发展,目前已成为成熟且具有商业竞争力的分布式发电设备。微型燃气轮机由于具有体积小、质量轻、污染少、发电效率高、运行维护简单等优点,且建造和运行成本都相对较低,因此在分布式发电领域具有广泛应用[1-2]。与此同时,微型燃气轮机组还适用于备用发电、并网发电、削峰填谷等多种场景。

微型燃气轮机的性能与自身各个部件的运行特性、机组的运行工况等均有密切联系,笔者通过耦合微型燃气轮机不同部件的数学模型,建立有回热及无回热两种类型的微型燃气轮机仿真模型,基于变工况条件,分析不同功率等级微型燃气轮机电热能量输出的变化情况[3-5],并利用仿真结果分析微型燃气轮机不同工况下的能量输出情况。笔者所用方法是研究基于微型燃气轮机的冷热电三联供系统的一种可行方法[6]。

2 微型燃气轮机建模

2.1 参数

笔者建立不同功率等级的微型燃气轮机模型,包括100 kW、200 kW回热微型燃气轮机,以及500 kW、1 000 kW无回热微型燃气轮机,对应的市场主流厂家产品参数见表1。微型燃气轮机模型考虑烟气余热,可以在三联供系统中满足热能的匹配要求[7-8]。

表1 微型燃气轮机参数

2.2 压气机

压气机用于对进入燃气轮机的空气进行加压,其进气道出口压强P1为:

P1=P0(1-ec)

(1)

式中:P0为压气机进气道进口压强,取101.325 kPa;ec为压气机进气道压损率,取1%～5%。

压气机出口温度T2为:

(2)

式中:T1为压气机进口温度,取288.15 K;π为不同功率等级相应的压气机压比;K为压缩过程中定压比热容与定容比热容之比,与温度有关,在288.15 K温度下,值为1.4;ηc为压气机绝热效率,轴流式压气机一般取0.86～0.89,离心式压气机一般取0.70～0.84。

离心式压气机主要适用于气体流量小、功率小的设备,因此研究中选取离心式压气机的绝热效率。

压气机实际做功Wc为:

Wc=GaCpa(T2-T1)

(3)

式中:Ga为空气流量;Cpa为空气定压比热容。

压气机出口压强P2为:

P2=P1π

(4)

空气的定压比热容Cpa可由拟合式计算得到,拟合式为:

Cpa=1.05-0.365(T/1 000)+0.85(T/1 000)2-0.39(T/1 000)3

(5)

式中:T为空气温度。

2.3 透平

透平出口烟气温度T4为:

(6)

式中:πt为透平膨胀比;ηt为透平膨胀比效率;T3为透平进口烟气温度。

透平输出功Wt为:

Wt=GgCpg(T3-T4)

(7)

式中:Gg为烟气流量;Cpg为透平进出口烟气的平均定压比热容。

2.4 燃烧室

燃烧室在计算中假设甲烷能够完全燃烧。甲烷完全燃烧消耗一部分氧气,产生一部分水蒸气和二氧化碳,由甲烷燃烧的热量提高混合气的温度。

甲烷完全燃烧化学式为:

CH4+2O2=CO2+2H2O

燃烧室内温升ΔT为:

T=mηbLHVCH4/(Cpairf+1.125CpH2O+2.75CpCO2-2CpO2)

(8)

式中:m为完全燃烧程度,当m取1时,燃料完全燃烧;ηb为燃烧效率,一般取0.95～0.99;f为空燃比;LHVCH4为甲烷低位热值,取49 925 kJ/kg;Cpair为空气燃烧时平均定容比热容,取1.029 kJ/(mol·K);CpH2O为水蒸气燃烧时平均定容比热容,取2.246 4 kJ/(mol·K);CpCO2为二氧化碳燃烧时平均定容比热容,取1.169 5 kJ/(mol·K);CpO2为氧气燃烧时平均定容比热容,取1.054 1 kJ/(mol·K)。

燃烧室出口温度,即透平进口烟气温度T3为:

T3=ΔT+T2

(9)

燃烧室出口压力P3为:

P3=P2a(1-eb)

(10)

式中:P2a为燃烧室进口压力;eb为燃烧室压损率,取2%～8%。

2.5 回热器

回热器热交换方程如下:

T2a-T2=α(T4-T2)=T4-T4a

(11)

式中:T2a为回热器出口空气温度;T4a为回热器出口烟气温度;α为回热器回热度,即实际回热与极限回热的比值,管式回热器的回热度不大于0.8。

(T4-T4a)Cp4η=Cp3(T2a-T2)

(12)

式中:Cp3为回热器冷端工质比热容;Cp4为回热器热端工质比热容;η为微型燃气轮机中换热器效率较高值,取0.9。

T4a=T4-Cp3(T2a-T2)/(Cp4η)

(13)

P2a=P′2(1-er1)

(14)

式中:P′2为空气侧进口压强;er1为空气侧压损率,取1%～5%。

2.6 变工况条件拟合

采用拟合方法计算变工况条件下微型燃气轮机的工作参数[9-11]。拟合出口烟气温度指微型燃气轮机出口烟气温度与设计工况之比,拟合烟气流量指微型燃气轮机烟气流量与设计工况之比,拟合发电效率指微型燃气轮机发电效率与设计工况之比,拟合发电功率指微型燃气轮机发电功率与设计工况之比。

(15)

(16)

(17)

在变工况过程中,将额定功率分为四段进行拟合,以2%的跨度变化对微型燃气轮机的变工况性能进行研究分析。

3 仿真分析

3.1 仿真模型验证

参考典型C200微型燃气轮机组参数,发电效率为33%,回热器烟气出口温度为553 K,排气流量为1.3 kg/s。采用仿真模型获得燃气轮机的发电效率为32.34%,回热器烟气出口温度为552 K,烟气流量为1.31 kg/s。可见,笔者所建仿真模型计算结果与典型产品参数一致,建模准确合理。

3.2 200 kW回热微型燃气轮机

200 kW回热微型燃气轮机变工况运行时出口烟气温度与余热量变化如图1所示。随着输出功率降低,出口烟气温度与余热量均降低。当微型燃气轮机输出功率高于120 kW时,出口烟气温度与余热量均能保持在较高的范围内。而当微型燃气轮机输出功率低于120 kW时,出口烟气温度与余热量均快速降低,说明微型燃气轮机在低功率工况运行时性能下降较明显。

图1 200 kW回热微型燃气轮机出口烟气温度与余热量变化

200 kW回热微型燃气轮机变工况运行时效率与燃料流量变化如图2所示。随着输出功率降低,效率与燃料流量均降低。当微型燃气轮机输出功率高于120 kW时,效率与燃料流量均能保持在较高的范围内。而当微型燃气轮机输出功率低于120 kW时,效率与燃料流量快速降低,同样说明微型燃气轮机在低功率工况运行时性能下降较明显。

图2 200 kW回热微型燃气轮机效率与燃料流量变化

3.3 500 kW无回热微型燃气轮机

500 kW无回热微型燃气轮机变工况运行时出口烟气温度与余热量变化如图3所示。随着输出功率降低,出口烟气温度与余热量均降低。当微型燃气轮机输出功率高于300 kW时,出口烟气温度与余热量均能保持在较高的范围内。而当微型燃气轮机输出功率低于300 kW时,出口烟气温度与余热量均快速降低,说明微型燃气轮机在低功率工况运行时性能下降较明显。

500 kW无回热微型燃气轮机变工况运行时效率与燃料流量变化如图4所示。随着输出功率降低,效率与燃料流量均降低。当微型燃气轮机输出功率高于300 kW时,效率与燃料流量均能保持在较高的范围内。而当微型燃气轮机输出功率低于300 kW时,效率与燃料流量快速降低,同样说明微型燃气轮机在低功率工况运行时性能下降较明显。

图3 500 kW无回热微型燃气轮机出口烟气温度与余热量变化

图4 500 kW无回热微型燃气轮机效率与燃料流量变化

3.4 1 000 kW无回热微型燃气轮机

1 000 kW无回热微型燃气轮机变工况运行时出口烟气温度与余热量变化如图5所示。随着输出功率降低,出口烟气温度与余热量均降低。当微型燃气轮机输出功率高于600 kW时,烟气出口温度与余热量均能保持在较高的范围内。而当微型燃气轮机输出功率低于600 kW时,出口烟气温度与余热量均快速降低,说明微型燃气轮机在低功率工况运行时性能下降较明显。

1 000 kW无回热微型燃气轮机变工况运行时效率与燃料流量变化如图6所示。随着输出功率降低,效率与燃料流量均降低。当微型燃气轮机输出功率高于600 kW时,效率与燃料流量均能保持在较高的范围内。而当微型燃气轮机输出功率低于600 kW时,效率与燃料流量快速降低,同样说明微型燃气轮机在低功率工况运行时性能下降较明显。

图5 1 000 kW无回热微型燃气轮机出口烟气温度与余热量变化

图6 1 000 kW无回热微型燃气轮机效率与燃料流量变化

4 结束语

对三种不同功率等级的微型燃气轮机进行运行仿真分析,确认当功率低于约60%额定功率运行时,微型燃气轮机效率会出现大幅度下降。微型燃气轮机在越低功率工况下运行,效率下降速率就越快。另一方面,微型燃气轮机在低功率工况运行时,由于效率很低,因此会使余热量在能量输出中所占的比例提高,但总体余热总量相较于额定运行时仍下降很多。

通过分析可知,在规划应用基于微型燃气轮机的冷热电三联供系统时,需要综合考虑用户的冷热需求、燃气轮机的运行工况、燃气轮机的效率变化对电热输出的影响,进而制订合理的设计方案和运行策略。