学习微型燃气轮机的模型与仿真——(i)模型

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1、微型燃气轮机的模型与仿真——（I）模型郝小礼1,2*郝小礼（1973，12—），男，安徽安庆人，讲师，在读博士，湖南省自然科学基金项目资助（05JJ40071）张国强21湖南科技大学能源与安全工程学院，湘潭，湖南，4112012湖南大学土木工程学院，长沙，湖南，410082摘要：在详细分析微型燃气轮机的热力过程的基础上，建立单轴微型燃气轮机各部件的数学模型，并耦合各部件模型对微型燃气轮机进行仿真。为表明模型的准确性，用一商业可用的微型燃气轮的运行数据对模型进行验证。验证结果表明，模型能较好地反映微型燃气轮机的运行特性，可用于微型燃气轮机的性能仿真。在本文的第二部分，将利用该

2、模型对微型燃气轮机的各种性能影响因素进行分析。关键词：微型燃气轮机；数学模型；数值仿真；性能分析1.引言微型燃气轮机是一种新发展起来的小型热力发动机，其单机功率范围为25~400kW，通常具有高转速、低压比、透平进口温度适中的特点。与其它的小型发电设备相比，微型燃气轮机具有体积小、重量轻、启动快、噪声小、成本低、寿命长、维修简单、污染排放低等诸多优点[1]。随着微型燃气轮机技术的不断进步和高性能回热器的出现,它在分布式发电（DistributedGeneration,DG）[2]和建筑冷热电联产（BuildingCooling,HeatingandPower,BCHP）[3

3、~4]领域中起到了越来越重要的作用[5]，近年来，它已成为全球范围内研究和开发的一个热点问题[6~7]。微型燃气轮机的总体性能与微型燃气轮机各部件的性能参数、机组的运行工况等多种因素有关。通过实验的方法来分析各种影响因素之间的关系，需要耗费大量的时间和资金，而利用现代计算机技术，仿真微型燃气轮机在不同条件下的运行状况，分析各种影响因素对微型燃气轮机性能影响的大小，寻找提高微型燃气轮机性能的有效途径，是研究微型燃气轮机的一种可行的研究方法。本文在详细分析微型燃气轮机的热力过程的基础上，建立单轴微型燃气轮机各部件的数学模型，并耦合各部件模型对微型燃气轮机进行仿真，利用仿真结果，

4、分析各种影响因素对微型燃气轮机性能的影响大小。2.单轴定速微型燃气轮机的结构、工作流程及热力循环图1(a)是单轴微型燃气轮机的结构示意图。微型燃气轮机主要由压气机、透平、发电机、燃烧室、回热器、燃料压缩机和控制器等部件组成。压气机、透平和发电机安装在同一根轴上，一起转动。高温烟气在透平内膨胀做功，其输出功除克服压气机的压缩功外，其余膨胀功用于推动发电机的转子转动，产生高频交流电对外输出，经过控制器转换成50/60Hz的交流电后，供给用户使用。机组采用带回热的布雷顿循环，其简化的工作流程和热力循环过程见图1(b)。温度为T0压力为P0的环境空气对发电机进行冷却之后，温度升高到

5、T1，压力降低到P1，之后被压气机压缩到压力P2，同时温度升高至T2。为减少燃料消耗，提高热效率，经压气机压缩之后的空气首先经过回热器，在回热器与来自透平的高温排气进行热交换，吸收排气中的热量而使自身温度升高，同时，由于流动阻力，压力略微有所下降。经预热后的空气进入燃烧室，同经燃料压缩机压缩过的燃料相混合、燃烧，燃料燃烧所放出的热量被烟气吸收，温度显著升高。温度为T4压力为P4的高温烟气进入透平，在透平内膨胀做功，带动压气机和发电机一起转动，燃气压力下降至P5，温度降低到T5。之后，透平排气进入回热器，释放部分余热，温度降低到T6，压力减少到P6，最后排入大气，完成整个热力

6、循环。在图1(b)中，有两个空心点：点和点，这两个点并不是循环中的状态点，而是两个辅助点。图中点与2点具有同样的压力，但具有不同的温度。其中2点是状态为P1、T1的空气经多变压缩到压力为P2时的状态点，而点则是状态为P1、T1的空气经等熵压缩到压力为P2时的状态点。同样，5点是经多变膨胀后的状态点，而点则是经等熵膨胀后的状态点，点与5点也具有同样的压力。图1微型燃气轮机的工作原理(a)工作流程(b)热力循环3.微型燃气轮机的分析模型微型燃气轮机的数学模型实际上是代表微型燃气轮机各种热力过程的一组数学方程，下面分别给出代表微型燃气轮机各部件热力过程的数学方程。为便于问题分析，

7、在进行热力过程分析时做如下假设：(1)空气和烟气均假设为理想气体，微型燃气轮机的燃料为天然气，在计算中用纯甲烷的热物性参数代替天然气的热物性参数。空气、烟气和燃气的各种热物性参数与温度之间的变化关系及计算方法参照文献[8]。(2)系统在正常状态下运行，只考虑系统的准静态过程，不考虑系统的启、停及其它各种快速动态过程。(3)采用稳态方程进行热力过程分析，忽略微型燃气轮机各部件的能量储存和能量传递滞后。(4)流体在机组内的流动看成是一维流动，忽略机组进出口处流体的流动动能和位能。3.1进气管（过程0—1）进气管是指从燃