Page 103 - 电力与能源2024年第一期
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周宇凡，等：湿空气循环分轴燃气轮机的热电联供性能研究 97
H gas = g air h air + g fuel h prod （3）
式中 H gas——燃气的总焓值；g air、g fuel——空气流
量以和燃料流量，假设燃料充分燃烧，则燃烧产物
的质量流量等于燃料的质量流量。
由此可以较为准确地计算得到燃气轮机运行
过程中各个部件工质的焓值。
2.2 压气机模块
图 2 HAT 热电联供循环流程示意
压气机是燃气轮机循环系统中进行工质压缩
环系统分为压气机、燃烧室、高压涡轮、动力涡轮、
的装置，其工作特性主要反映在转速 n、压比 π、流
饱和器、回热器以及供热模块，通过 MATLAB 平
台进行模块化建模。 量 G 和效率 η4 个参数上，将这 4 个参数的相互关
2.1 湿化工质热物性模型 系绘制成曲线，即可获得压气机的特性线。在实
在燃气轮机的气路中，各个部件中的工质温 际应用中，由于压气机运行在不同的边界条件下，
度与成分呈现较为剧烈的变化。在湿空气燃气轮 往往将上述 4 个参数中的转速与流量折合到不同
机循环中，由于加湿水分的引入，工质的成分更为 工况下，采用折合流量和折合转速绘制特性线。
复杂，导致流程中工质成分及物性参数不断变化。 在本研究中，采用了离心压气机生产厂商提供的
［9］
为了计算燃气轮机运行过程中工质能量的变化， 特性曲线 ，其中横轴为折合流量，纵轴为压比，
需要对工质的热物性进行定量计算，以随时提供 特性曲线包括等转速线以及等效率线，而转速和
准确的物性参数。具体而言，即在湿空气燃气轮 流量的折合均采用了温度换算，将其折合至 300 K
机的运行范围内，能够计算得到给定含湿量、压力 下的标准工况，具体公式如下式所示：
以及温度下的焓值等状态参数。 300
为了简化建模方面，假设工质为半理想气体， m ̇ 300 = m ̇ 1 T 1 （4）
在进气—压气机—饱和器入口段为干空气，在燃烧 300
室排气段-涡轮-排气段为燃气；同时假设在过量空 n 300 = n 1 T 1 （5）
气的作用下，燃气轮机燃烧室中燃烧充分，产生的 式 中 m ̇ 300、n 300 ——300 K 下 的 折 合 流 量 、折 合
高温燃气由空气和燃烧产物构成。在上述简化下， 转 速 ； m ̇ 1 —— 压 气 机 实 际 流 量 ；n 1 —— 实 际 转
燃气轮机运行的工质焓值是组分和温度的函数。 速， T 1——压气机进口温度。
为了对工质的焓值进行计算，采用多项式的 考虑到研究中需要燃气轮机的变工况性能，
方法进行近似，空气焓值由式（1）计算，燃烧产物 对特性曲线进行了进一步处理，在曲线范围内绘
的焓值由式（2）计算得到，最终燃气焓值则由式 制了 7 条辅助线。根据辅助线与等转速线的交点
（3）计算得到。式（1）中系数如表 1 所示。 读取数据并编写压气机性能表，其中包括折合转
表 1 空气焓值系数表 速、折合流量、压比、效率以及辅助线编号 5 列数
T A B C D E 据。在计算变工况性能时，只需要确定前 4 个参
T≤523 K -5.4×10 -11 1.9×10 -7 -1.1×10 -4 1.03 0
数中的任意 2 个，就可以确定压气机的运行点。
-12 -8 -4
T>523 K 6.5×10 -6.0×10 2.35×10 0.83 41.69
压气机特性曲线插值流程如图 3 所示。在实
h air = AT + BT + CT + DT + E （1）
4
2
3
际计算中，以压气机压比和转速作为自变量，首先
式中 h air——空气焓值；T——当前空气温度。
对转速进行插值，得到等转速线与辅助线的交点，
3
-8
h prod =-3. 499 8 × 10 T - 2. 343 1 ×
-4
2
10 T + 0. 901 2T （2） 获得压比与折合流量以及压比与效率之间的关
式中 h prod——燃烧产物的平均焓值，T——对应 系 ；然 后 再 对 压 比 进 行 插 值 ，得 到 折 合 流 量 和
的燃气温度。 效率。
