重型燃机联合循环机组实时动态仿真模型研究与应用

论文摘要

现阶段我国尚不具备大容量燃气-蒸汽联合循环发电机组（GSCC）自主研发的能力,计算机仿真在GSCC的设计、研制、调试和运行等各阶段发挥着重要的作用。本文研究开发了重型燃机联合循环机组性能分析算法与全工况实时动态仿真模型,并将研究成果应用于机组特性分析和实时仿真培训系统研制中。主要工作如下:研究GSCC系统主要部件的工作机理,建立了GSCC热力学理论模型,论述了在研发动态模型时应考虑的问题和应体现的特性。以理论模型为基础,提出了以线性小偏差法和运行数据相结合的方法研究GSCC性能,开发了GSCC性能分析算法,并以实际机组为例计算主要参数变化对机组性能的影响系数,定量分析了机组性能与热力参数的依变关系,为机组出力和热效率的提高提供了理论依据,为机组变工况特性研究提供了详实的计算数据。基于逐级叠加法的计算思路,提出了以改进的逐级叠加法与机组运行数据相结合的方法估算压气机特性;运用流体网络中压力节点的设计思想,提出了透平各级排气压力的计算方法,较好地解决了因压气机和透平基本资料缺乏导致难以精确建模的问题,并建立了重型燃气轮机实时动态仿真模型。模型中考虑了压气机入口导向静叶（IGV）安装角改变和各段级间放气与抽气量的变化对压气机性能影响,计算了各段冷却空气对燃气透平各级热力特性的影响,体现出燃烧室的容积惯性及燃烧室和过渡段的热惯性。以能量和质量守恒定律为基础,利用热力工程设计计算方法、经验公式,结合相关理论方程以及流体网络模型中的基本单元,研究了三压再热自然循环余热锅炉、蒸汽轮机、凝汽器、水泵等设备的动态仿真模型,结合汽水流网和烟气流网模型,建立了GSCC底循环系统实时动态仿真模型。基于STAR-90仿真支撑系统,以深圳广前电厂#1机组为对象,以本文研究开发的重型燃气轮机和GSCC底循环系统的实时动态仿真模型为基础,建立了M701F型GSCC热力系统全工况实时动态仿真模型,并利用机组启动运行数据和燃烧调整试验数据验证了模型动态特性的精确度与合理性。以模型为研究平台,预测了机组的运行特性,分析了控制系统调节规律,研究了压气机和透平各级的热力特性,建立了机组全工况运行特性图,为机组日常运行提供了理论指导。以本文所研发的GSCC各部件过程算法为核心,结合相关应用软件成功研制了我国首台V94.3A型GSCC实时仿真培训系统,该系统已通过测试验收,交付用户使用。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 燃气-蒸汽联合循环装置的发展历程
• 1.2 国外燃气轮机及其联合循环现状及发展趋势
• 1.3 国内燃气轮机及其联合循环现状及发展思路
• 1.4 燃气-蒸汽联合循环热力数学模型研究现状
• 1.4.1 建立联合循环动力学模型的意义
• 1.4.2 研究现状
• 1.5 研究背景和主要内容
• 1.5.1 研究背景
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 非补燃余热锅炉型联合循环机组性能分析算法研究
• 2.1 联合循环机组概述
• 2.2 顶循环系统热力学理论模型
• 2.2.1 轴流式压气机
• 2.2.2 燃烧室
• 2.2.3 燃气透平
• 2.3 底循环系统热力学理论模型
• 2.3.1 余热锅炉
• 2.3.2 蒸汽轮机
• 2.3.3 凝汽器
• 2.4 联合循环机组性能分析算法
• 2.4.1 顶循环系统小偏差方程组
• 2.4.2 底循环系统小偏差方程组
• 2.4.3 联合循环机组性能指标小偏差方程
• 2.4.4 计算实例
• 2.5 本章小结
• 第三章 联合循环机组动态仿真模型结构及其流体网络模型
• 3.1 STAR-90 仿真支撑系统技术特点
• 3.2 联合循环机组仿真模型基本结构
• 3.2.1 公用函数库
• 3.2.2 过程算法和算法库
• 3.2.3 仿真模块和仿真模型
• 3.3 模块化分解与集成方法
• 3.4 模块化流体网络模型
• 3.4.1 压力节点方程
• 3.4.2 支路流量方程
• 3.4.3 流体网络模型的建立
• 3.4.4 流体网络模型的计算方法
• 3.5 过程模型和流网模型的集成
• 3.6 本章小结
• 第四章 重型燃气轮机动态数学模型研究
• 4.1 压气机动态数学模型
• 4.1.1 性能预估模型
• 4.1.2 动态数学模型
• 4.2 燃烧室动态数学模型
• 4.2.1 燃烧室数学模型
• 4.2.2 反映燃烧室及过渡段热惯性的数学模型
• 4.3 燃气透平动态数学模型
• 4.4 转子动态数学模型
• 4.5 本章小结
• 第五章 底循环系统动态数学模型研究
• 5.1 非补燃型三压再热自然循环余热锅炉动态数学模型
• 5.1.1 模型的简化和假设
• 5.1.2 单项介质换热模型
• 5.1.3 蒸发系统模型
• 5.2 蒸汽透平动态数学模型
• 5.3 其他设备动态数学模型
• 5.3.1 凝汽器动态数学模型
• 5.3.2 变速离心泵动态数学模型
• 5.4 数值计算方法和通用化仿真模块
• 5.4.1 数值计算方法
• 5.4.2 通用化仿真模块
• 5.5 本章小结
• 第六章 联合循环机组实时动态仿真模型验证与应用
• 6.1 概述
• 6.2 模型验证
• 6.2.1 启动过程动态特性验证
• 6.2.2 连续大扰动过程动态特性验证
• 6.3 模型应用
• 6.3.1 机组运行特性预测
• 6.3.2 控制系统调节规律分析
• 6.3.3 部件特性研究
• 6.3.4 变工况特性分析
• 6.3.5 V94.3A 型联合循环机组仿真培训系统研制
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及参加的科研工作