變工況條件下微型燃氣輪機運行仿真分析

楊 青

上海電氣分布式能源科技有限公司 上海 201199

1 研究背景

近年來,微型燃氣輪機得到了快速發展,目前已成為成熟且具有商業競爭力的分布式發電設備。微型燃氣輪機由于具有體積小、質量輕、污染少、發電效率高、運行維護簡單等優點,且建造和運行成本都相對較低,因此在分布式發電領域具有廣泛應用[1-2]。與此同時,微型燃氣輪機組還適用于備用發電、并網發電、削峰填谷等多種場景。

微型燃氣輪機的性能與自身各個部件的運行特性、機組的運行工況等均有密切聯系,筆者通過耦合微型燃氣輪機不同部件的數學模型,建立有回熱及無回熱兩種類型的微型燃氣輪機仿真模型,基于變工況條件,分析不同功率等級微型燃氣輪機電熱能量輸出的變化情況[3-5],并利用仿真結果分析微型燃氣輪機不同工況下的能量輸出情況。筆者所用方法是研究基于微型燃氣輪機的冷熱電三聯供系統的一種可行方法[6]。

2 微型燃氣輪機建模

2.1 參數

筆者建立不同功率等級的微型燃氣輪機模型,包括100 kW、200 kW回熱微型燃氣輪機,以及500 kW、1 000 kW無回熱微型燃氣輪機,對應的市場主流廠家產品參數見表1。微型燃氣輪機模型考慮煙氣余熱,可以在三聯供系統中滿足熱能的匹配要求[7-8]。

表1 微型燃氣輪機參數

2.2 壓氣機

壓氣機用于對進入燃氣輪機的空氣進行加壓,其進氣道出口壓強P1為:

P1=P0(1-ec)

(1)

式中:P0為壓氣機進氣道進口壓強,取101.325 kPa;ec為壓氣機進氣道壓損率,取1%～5%。

壓氣機出口溫度T2為:

(2)

式中:T1為壓氣機進口溫度,取288.15 K;π為不同功率等級相應的壓氣機壓比;K為壓縮過程中定壓比熱容與定容比熱容之比,與溫度有關,在288.15 K溫度下,值為1.4;ηc為壓氣機絕熱效率,軸流式壓氣機一般取0.86～0.89,離心式壓氣機一般取0.70～0.84。

離心式壓氣機主要適用于氣體流量小、功率小的設備,因此研究中選取離心式壓氣機的絕熱效率。

壓氣機實際做功Wc為:

Wc=GaCpa(T2-T1)

(3)

式中:Ga為空氣流量;Cpa為空氣定壓比熱容。

壓氣機出口壓強P2為:

P2=P1π

(4)

空氣的定壓比熱容Cpa可由擬合式計算得到,擬合式為:

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

(5)

式中:T為空氣溫度。

2.3 透平

透平出口煙氣溫度T4為:

(6)

式中:πt為透平膨脹比;ηt為透平膨脹比效率;T3為透平進口煙氣溫度。

透平輸出功Wt為:

Wt=GgCpg(T3-T4)

(7)

式中:Gg為煙氣流量;Cpg為透平進出口煙氣的平均定壓比熱容。

2.4 燃燒室

燃燒室在計算中假設甲烷能夠完全燃燒。甲烷完全燃燒消耗一部分氧氣,產生一部分水蒸氣和二氧化碳,由甲烷燃燒的熱量提高混合氣的溫度。

甲烷完全燃燒化學式為:

CH4+2O2=CO2+2H2O

燃燒室內溫升ΔT為:

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

(8)

式中:m為完全燃燒程度,當m取1時,燃料完全燃燒;ηb為燃燒效率,一般取0.95～0.99;f為空燃比;LHVCH4為甲烷低位熱值,取49 925 kJ/kg;Cpair為空氣燃燒時平均定容比熱容,取1.029 kJ/(mol·K);CpH2O為水蒸氣燃燒時平均定容比熱容,取2.246 4 kJ/(mol·K);CpCO2為二氧化碳燃燒時平均定容比熱容,取1.169 5 kJ/(mol·K);CpO2為氧氣燃燒時平均定容比熱容,取1.054 1 kJ/(mol·K)。

燃燒室出口溫度,即透平進口煙氣溫度T3為:

T3=ΔT+T2

(9)

燃燒室出口壓力P3為:

P3=P2a(1-eb)

(10)

式中:P2a為燃燒室進口壓力;eb為燃燒室壓損率,取2%～8%。

2.5 回熱器

回熱器熱交換方程如下:

T2a-T2=α(T4-T2)=T4-T4a

(11)

式中:T2a為回熱器出口空氣溫度;T4a為回熱器出口煙氣溫度;α為回熱器回熱度,即實際回熱與極限回熱的比值,管式回熱器的回熱度不大于0.8。

(T4-T4a)Cp4η=Cp3(T2a-T2)

(12)

式中:Cp3為回熱器冷端工質比熱容;Cp4為回熱器熱端工質比熱容;η為微型燃氣輪機中換熱器效率較高值,取0.9。

T4a=T4-Cp3(T2a-T2)/(Cp4η)

(13)

P2a=P′2(1-er1)

(14)

式中:P′2為空氣側進口壓強;er1為空氣側壓損率,取1%～5%。

2.6 變工況條件擬合

采用擬合方法計算變工況條件下微型燃氣輪機的工作參數[9-11]。擬合出口煙氣溫度指微型燃氣輪機出口煙氣溫度與設計工況之比,擬合煙氣流量指微型燃氣輪機煙氣流量與設計工況之比,擬合發電效率指微型燃氣輪機發電效率與設計工況之比,擬合發電功率指微型燃氣輪機發電功率與設計工況之比。

(15)

(16)

(17)

在變工況過程中,將額定功率分為四段進行擬合,以2%的跨度變化對微型燃氣輪機的變工況性能進行研究分析。

3 仿真分析

3.1 仿真模型驗證

參考典型C200微型燃氣輪機組參數,發電效率為33%,回熱器煙氣出口溫度為553 K,排氣流量為1.3 kg/s。采用仿真模型獲得燃氣輪機的發電效率為32.34%,回熱器煙氣出口溫度為552 K,煙氣流量為1.31 kg/s。可見,筆者所建仿真模型計算結果與典型產品參數一致,建模準確合理。

3.2 200 kW回熱微型燃氣輪機

200 kW回熱微型燃氣輪機變工況運行時出口煙氣溫度與余熱量變化如圖1所示。隨著輸出功率降低,出口煙氣溫度與余熱量均降低。當微型燃氣輪機輸出功率高于120 kW時,出口煙氣溫度與余熱量均能保持在較高的范圍內。而當微型燃氣輪機輸出功率低于120 kW時,出口煙氣溫度與余熱量均快速降低,說明微型燃氣輪機在低功率工況運行時性能下降較明顯。

圖1 200 kW回熱微型燃氣輪機出口煙氣溫度與余熱量變化

200 kW回熱微型燃氣輪機變工況運行時效率與燃料流量變化如圖2所示。隨著輸出功率降低,效率與燃料流量均降低。當微型燃氣輪機輸出功率高于120 kW時,效率與燃料流量均能保持在較高的范圍內。而當微型燃氣輪機輸出功率低于120 kW時,效率與燃料流量快速降低,同樣說明微型燃氣輪機在低功率工況運行時性能下降較明顯。

圖2 200 kW回熱微型燃氣輪機效率與燃料流量變化

3.3 500 kW無回熱微型燃氣輪機

500 kW無回熱微型燃氣輪機變工況運行時出口煙氣溫度與余熱量變化如圖3所示。隨著輸出功率降低,出口煙氣溫度與余熱量均降低。當微型燃氣輪機輸出功率高于300 kW時,出口煙氣溫度與余熱量均能保持在較高的范圍內。而當微型燃氣輪機輸出功率低于300 kW時,出口煙氣溫度與余熱量均快速降低,說明微型燃氣輪機在低功率工況運行時性能下降較明顯。

500 kW無回熱微型燃氣輪機變工況運行時效率與燃料流量變化如圖4所示。隨著輸出功率降低,效率與燃料流量均降低。當微型燃氣輪機輸出功率高于300 kW時,效率與燃料流量均能保持在較高的范圍內。而當微型燃氣輪機輸出功率低于300 kW時,效率與燃料流量快速降低,同樣說明微型燃氣輪機在低功率工況運行時性能下降較明顯。

圖3 500 kW無回熱微型燃氣輪機出口煙氣溫度與余熱量變化

圖4 500 kW無回熱微型燃氣輪機效率與燃料流量變化

3.4 1 000 kW無回熱微型燃氣輪機

1 000 kW無回熱微型燃氣輪機變工況運行時出口煙氣溫度與余熱量變化如圖5所示。隨著輸出功率降低,出口煙氣溫度與余熱量均降低。當微型燃氣輪機輸出功率高于600 kW時,煙氣出口溫度與余熱量均能保持在較高的范圍內。而當微型燃氣輪機輸出功率低于600 kW時,出口煙氣溫度與余熱量均快速降低,說明微型燃氣輪機在低功率工況運行時性能下降較明顯。

1 000 kW無回熱微型燃氣輪機變工況運行時效率與燃料流量變化如圖6所示。隨著輸出功率降低,效率與燃料流量均降低。當微型燃氣輪機輸出功率高于600 kW時,效率與燃料流量均能保持在較高的范圍內。而當微型燃氣輪機輸出功率低于600 kW時,效率與燃料流量快速降低,同樣說明微型燃氣輪機在低功率工況運行時性能下降較明顯。

圖5 1 000 kW無回熱微型燃氣輪機出口煙氣溫度與余熱量變化

圖6 1 000 kW無回熱微型燃氣輪機效率與燃料流量變化

4 結束語

對三種不同功率等級的微型燃氣輪機進行運行仿真分析,確認當功率低于約60%額定功率運行時,微型燃氣輪機效率會出現大幅度下降。微型燃氣輪機在越低功率工況下運行,效率下降速率就越快。另一方面,微型燃氣輪機在低功率工況運行時,由于效率很低,因此會使余熱量在能量輸出中所占的比例提高,但總體余熱總量相較于額定運行時仍下降很多。

通過分析可知,在規劃應用基于微型燃氣輪機的冷熱電三聯供系統時,需要綜合考慮用戶的冷熱需求、燃氣輪機的運行工況、燃氣輪機的效率變化對電熱輸出的影響,進而制訂合理的設計方案和運行策略。