一种重型燃气轮机关键部件效能参数软测量方法与流程

1.本发明属于热能动力工程领域，具体涉及一种重型燃气轮机关键部件效能参数软测量方法。


背景技术：

2.构建以新能源发电为主体的新型电力系统是实现“碳达峰与碳中和”双碳目标的必然选择。由于新能源发电具有间歇性强、波动性大的特点，为确保电网的安全及稳定运行需要配备大量的灵活性电源。燃气-蒸汽联合循环发电机组具有高效、低碳、灵活的特点和优势，在构建以新能源为主体的新型电力系统的过程中，在安全、稳定的大规模储能技术商业化之前，燃气-蒸汽联合循环发电将是支撑新能源在新型电力系统中成长为主体的重要伙伴，而将成为电网装机不可或缺的重要组成之一。
3.燃气-蒸汽联合循环发电机组的核心设备燃气轮机运行于高温、高压、高转速、高机械应力和热应力的恶劣工况条件下，其关键部件(如压气机、燃烧室、透平)随着运行时间的增加易产生各种机械损伤和效能劣化，并易引发严重故障而威胁到机组的安全运行，鉴于此，燃气轮机运行状态监测与故障诊断及预警技术近年来已逐渐成为燃气轮机服役维护领域的研究热点之一。
4.为实现燃气轮机故障的在线诊断及提前预警，其技术关键之一是如何利用可直接监测的运行参数，通过软测量方法得到燃气轮机压气机、透平等关键部件效率及燃烧室出口温度等不可直接测量的关键综合性效能指标或参数，以实现对上述关键部件的运行状态监测和分析。燃气轮机在实际运行过程中，当某些部件发生效能衰退或损伤时，其部件效率等效能指标或参数会发生改变，进而导致可测参数(如温度、压力、转速等)发生变化，因此，重型燃气轮机部件效能指标软测量的实质是利用可测得的热力参数(如大气温度、压力、相对湿度、燃气轮机进排气压损、燃料组分及热值等)通过热力学耦合方程求解得到各部件效率等综合性效能指标或参数。
5.此外，国内早期投运的诸多在役重型燃气轮机未单独配备色谱仪(测量燃料气组分和热值)或燃料流量计，即便有的机组配备了燃料流量计或色谱仪(测量燃料气组分和热值)也可能存在精度欠佳的情况，上述情况使得针对实际机组建立恰定的热力学耦合方程带来了困难。
6.目前尚没有一种公开的重型燃气轮机部件效能指标软测量方法，能够解决在没有色谱仪(测量燃料气组分和热值)、燃料流量计测量数据或测量数据不准确的情况下，实现对燃气轮机压气机、透平等关键部件效率及燃烧室出口温度等不可直接测量的关键综合性效能指标或参数的软测量。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供了一种重型燃气轮机关键部件效能参数软测量方法。
8.本发明采用技术方案来实现的：
9.一种重型燃气轮机关键部件效能参数软测量方法，包括以下步骤：
10.s1:建立压气机数学模型，其计算输出量作为步骤s2燃烧室数学模型的建立提供已知输入量；
11.s2:建立燃烧室数学模型，其计算输出量作为步骤s4透平数学模型的建立提供已知输入量；
12.s3:建立透平冷却空气量处理的数学模型；
13.s4:在s3透平冷却空气量处理数学模型的基础上，建立透平数学模型；
14.s5:将步骤s1、s2、s3、s4通过计算输入和输出量之间衔接后，建立重型燃气轮机关键部件效能参数软测量的整体数学模型。
15.本发明进一步的改进在于，步骤s1中，在建立压气机数学模型时，将进口总温t2、总压p2、流量g2、抽气流量和抽气焓值h
bleed1
、h
bleed2
、h
bleed3
、出口总压p3作为输入量，将压气机等熵效率ηc作为假定值，最终由迭代计算得到；计算输出量为压气机出口总温t3、出口流量g3、压气机耗功nc；
16.压气机数学模型的基本计算公式如下：
17.(1)根据公式(1)和公式(2)，由压气机进口总温t2，计算压气机进气相对压比π2和比焓h
a,t2
；
18.lgπ2＝f1(t2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0019][0020]
(2)根据公式(3)和公式(4)，计算压气机出口相对压比π3；
[0021][0022]
π3＝πc×
π2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0023]
(3)根据公式(5)，计算压气机出口等熵温度t
3s
；
[0024]
t
3s
＝f3[lg(π3)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0025]
(4)根据公式(6)，由t
3s
计算压气机出口的空气等熵比焓h
a,t3s
；
[0026][0027]
(5)根据公式(7)，计算压气机出口空气实际比焓h
a,t3
；
[0028][0029]
(6)根据公式(8)，求得压气机出口空气温度
[0030]
(7)根据公式(9)，计算压气机出口空气流量g3；
[0031]
g3＝g
2-g
bleed1-g
bleed2-g
bleed3
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0032]
(8)根据公式(10)，计算压气机耗功功率nc；
[0033]
nc＝g3h
3-g2h2+g
bleed1hbleed1
+g
bleed2hbleed2
+g
bleed3hbleed3
ꢀꢀꢀ
(10)
[0034]
上述公式(1)、(2)、(5)、(8)式中，f1、f2、f3、f4通过查相关的空气物性参数表得到；
[0035]
上述公式(1)～(10)中，温度的单位均为k，比焓的单位为kj/kg，压力的单位为kpa，流量的单位kg/s，功率的单位为kw。
[0036]
本发明进一步的改进在于，步骤s2中，在建立燃烧室数学模型时，将燃烧室入口空气流量g
31
、空气温度t
31
作为输入量；将燃烧室能量输入量qf作为假定值，最终由迭代计算得到；计算输出量为燃烧室出口烟气的流量g4、温度t4、组分和焓值h4；
[0037]
燃烧室模型的原则性计算公式为：
[0038][0039]
上式中：
[0040]
gf为燃料流量，kg/s；
[0041]
hf为燃料进入燃烧室温度对应的显焓kj/kg；燃料显焓采用标准《燃气轮机验收试验》gb/t 14100—2016推荐的多项式进行计算；
[0042]hf0
为燃料在15℃对应的显焓，kj/kg；
[0043]qlo
为温度为15℃、常压下的燃料低位热值，kj/kg；燃料低位热值由天然气组分，根据标准《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》计算得到；
[0044]g31
为燃烧室进口空气量，kg/s；若压气机出口至燃烧室入口之间无其它流量进出，则燃烧室进口空气量等于压气机出口空气流量g3；
[0045]h31
为燃烧室进口空气焓值，kj/kg；若压气机出口至燃烧室入口之间无其它流量和能量进出，则燃烧室进口空气焓值等于压气机出口空气焓值h3；
[0046]
p
31
为燃烧室进口空气压力，kpa，等于压气机出口空气压力p3；
[0047]h0air
为空气在参考温度下(取15℃)的焓值，kj/kg；
[0048]
qf为燃烧室能量输入量，kw；
[0049]
g4为燃烧室出口燃气流量，kg/s，计算公式为：
[0050]
g4＝g
31
+gfꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0051]
h4为燃烧室出口燃气焓值，kj/kg；燃气焓值等于燃气各组分焓值与燃气各组分质量分数的乘积之和，燃气各组分焓值可查相关物性参数表计算，本文采用公开文献中的张世铮公式计算，燃气的组分由燃烧化学反应方程式计算；
[0052]h0gas
为燃烧室出口燃气在参考温度下(取15℃)的焓值，kj/kg；
[0053]
p4为燃烧室出口燃气压力，kpa。
[0054]
本发明进一步的改进在于，h
0air
为空气在参考温度下的焓值，其中参考温度取15℃。
[0055]
本发明进一步的改进在于，步骤s3中，将各股冷却空气流量按质量守恒和在透平中做功相等的原理折算成总等效流量，总等效流量由两部分组成：一部分自透平静叶进口处流入后参与做功，其做功量与各股冷却空气从各处分别流入后的做功量相等；另一部分自透平出口处流入，不参与做功，仅使透平出口燃气温度降低，其基本方程如下：
[0056]
透平进口等效流量的计算公式为：
[0057]gtein
＝g
tin
+g
ein
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0058]
透平出口流量为：
[0059]gtout
＝g
tin
+g
ein
+g
eout
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0060]
式中，g
tin
为透平进口燃气流量，kg/s，若燃烧室出口至透平入口之间无其它流量
进出，则透平进口燃气流量等于燃烧室出口燃气流量g4；
[0061]gein
为参与做功的透平进口等效冷却空气流量，kg/s；
[0062]geout
为不参与做功的透平出口等效冷却空气流量，kg/s；
[0063]gtout
为透平出口燃气流量，kg/s；
[0064]
在上述公式计算的基础上，根据烟气掺混过程质量、能量守恒的基本原理，即可计算出烟气掺混后的组分、焓值、温度。
[0065]
本发明进一步的改进在于，步骤s4中，在透平冷却空气量等效处理模型的基础上建立透平模型，将透平进口烟气流量g
41
、温度t
41
、焓值h
41
、压力p
41
，透平出口的烟气压力p5作为输入量；将透平效率η
t
作为假定值，最终由迭代计算得到；计算出透平出口烟气的流量g6、温度t6、焓值h6，透平做功量n
t
；
[0066]
透平模型的原则性计算公式如下：
[0067]
(1)计算透平入口各燃气成分相对压比：
[0068][0069]
式中，下角标i表示各烟气组分，f5按公开文献中查询的张世铮公式计算；
[0070]
(2)计算透平入口的燃气相对压比；
[0071][0072]
式中：π
g,t41
为烟气的相对压比，为摩尔分数；
[0073]
(3)计算透平的膨胀比ε
t
和透平出口等熵相对压比π
g,t5s
；
[0074][0075][0076]
(4)计算透平出口等熵温度t
5s
和焓值h
g,t5s
；
[0077][0078][0079]
(5)计算透平出口的燃气实际比焓h
g,t5
；
[0080][0081]
(6)计算透平出口实际温度t5[0082][0083]
(7)计算透平做功功率n
t
[0084][0085]
(8)由质量和能量平衡计算与冷却量掺混后的透平出口温度t5和焓值h
g,t6
；
[0086]
上述公式(15)～(23)中，温度的单位均为k，比焓的单位为kj/kg，压力的单位为kpa，流量的单位kg/s，功率的单位为kw。
[0087]
本发明进一步的改进在于，步骤s5中，燃气轮机关键部件效能参数分析模型中的
输入量包括：压气机进口空气温度t2、压力p2、流量g2、出口压力p3，透平排气压力p5；作为迭代参数的未知量共有三个，即：ηc、qf、η
tc
三个未知量的最终迭代结果使得压气机出口温度、透平出口温度、燃气轮机发电机组输出功率三个输出结果与实测值的偏差小于设定的残差值。
[0088]
本发明进一步的改进在于，步骤s6中，重型燃气轮机关键部件效能参数分析的整体数学模型由于未知数与方程个数均相等，故方程组具有唯一解，根据最小二乘原理，采用牛顿-拉夫逊数值迭代解法进行求解。
[0089]
本发明至少具有如下有益的技术效果：
[0090]
本发明提供的重型燃气轮机关键部件效能参数软测量方法，能够解决在没有色谱仪(测量燃料气组分和热值)、燃料流量计测量数据或测量数据不准确的条件下，基于燃气轮机热力学原理，通过建立及求解恰定的热力学耦合方程，实现对压气机效率、透平效率、燃烧室出口温度等实际运行中无法直接测量的重型燃气轮机关键部件综合性效能指标或参数的软测量。
附图说明
[0091]
图1为压气机模型示意图
[0092]
图2为燃烧室模型示意图
[0093]
图3为透平模型示意图
[0094]
图4为燃气轮机关键部件效能参数软测量整体模型示意图
[0095]
图5为压气机效率计算结果示意图。
[0096]
图6为透平效率计算结果示意图。
[0097]
图7为燃烧室出口温度计算结果示意图。
具体实施方式
[0098]
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0099]
本发明提供的一种重型燃气轮机关键部件效能参数软测量方法，包含以下步骤：
[0100]
s1:建立压气机数学模型
[0101]
压气机模型示意图见图1。在建立压气机数学模型时，将进口总温t2、总压p2、流量g2、抽气流量(以三股为例)g
bleed1
、g
bleed2
、g
bleed3
和抽气焓值h
bleed1
、h
bleed2
、h
bleed3
、出口总压p3等作为输入量；将压气机等熵效率ηc作为假定值，最终由迭代计算得到；计算输出量为压气机出口总温t3、出口流量g3、压气机耗功nc。
[0102]
压气机数学模型的基本计算公式如下(本实施例中压气机中间级抽气以三股为例)：
[0103]
(1)根据公式(1)和公式(2)，由压气机进口总温t2，计算压气机进气相对压比π2和比焓h
a,t2
；
[0104]
lgπ2＝f1(t2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0105][0106]
(2)根据公式(3)和公式(4)，计算压气机出口相对压比π3；
[0107][0108]
π3＝πc×
π2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0109]
(3)根据公式(5)，计算压气机出口等熵温度t
3s
；
[0110]
t
3s
＝f3[lg(π3)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0111]
(4)根据公式(6)，由t
3s
计算压气机出口的空气等熵比焓h
a,t3s
；
[0112][0113]
(5)根据公式(7)，计算压气机出口空气实际比焓h
a,t3
；
[0114][0115]
(6)根据公式(8)，求得压气机出口空气温度
[0116]
(7)根据公式(9)，计算压气机出口空气流量g3；
[0117]
g3＝g
2-g
bleed1-g
bleed2-g
bleed3
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0118]
(8)根据公式(10)，计算压气机耗功功率nc；
[0119]
nc＝g3h
3-g2h2+g
bleed1hbleed1
+g
bleed2hbleed2
+g
bleed3hbleed3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0120]
上述公式(1)、(2)、(5)、(8)式中，f1、f2、f3、f4可以查相关的空气物性参数表得到，本文按公开文献中可查询的张世铮公式计算空气物性。
[0121]
上述公式(1)～(10)中，温度的单位均为k，比焓的单位为kj/kg，压力的单位为kpa，流量的单位kg/s，功率的单位为kw。
[0122]
s2:建立燃烧室数学模型
[0123]
燃烧室模型示意图见图2。
[0124]
在建立燃烧室数学模型时，将燃烧室入口空气流量g
31
、空气温度t
31
作为输入量；将燃烧室能量输入量qf作为假定值，最终由迭代计算得到；计算输出量为燃烧室出口烟气的流量g4、温度t4、组分和焓值h4等，
[0125]
燃烧室模型的原则性计算公式为：
[0126][0127]
上式中：
[0128]
gf为燃料流量，kg/s；
[0129]
hf为燃料进入燃烧室温度对应的显焓kj/kg；燃料显焓采用标准《燃气轮机验收试验》gb/t 14100—2016推荐的多项式进行计算；
[0130]hf0
为燃料在15℃对应的显焓，kj/kg；
[0131]qlo
为温度为15℃、常压下的燃料低位热值，kj/kg；燃料低位热值由天然气组分，根据标准《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》计算得到。
[0132]g31
为燃烧室进口空气量，kg/s；若压气机出口至燃烧室入口之间无其它流量进出，则燃烧室进口空气量等于压气机出口空气流量g3。
[0133]h31
为燃烧室进口空气焓值，kj/kg；若压气机出口至燃烧室入口之间无其它流量和能量进出，则燃烧室进口空气焓值等于压气机出口空气焓值h3；
[0134]
p
31
为燃烧室进口空气压力，kpa，等于压气机出口空气压力p3；
[0135]h0air
为空气在参考温度下(取15℃)的焓值，kj/kg；
[0136]
qf为燃烧室能量输入量，kw。
[0137]
g4为燃烧室出口燃气流量，kg/s，计算公式为：
[0138]
g4＝g
31
+gfꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0139]
h4为燃烧室出口燃气焓值，kj/kg；燃气焓值等于燃气各组分焓值与燃气各组分质量分数的乘积之和，燃气各组分焓值可查相关物性参数表计算，本文采用公开文献中的张世铮公式计算，燃气的组分由燃烧化学反应方程式计算；
[0140]h0gas
为燃烧室出口燃气在参考温度下(取15℃)的焓值，kj/kg；
[0141]
p4为燃烧室出口燃气压力，kpa；
[0142]
s3:建立透平冷却空气量处理的数学模型
[0143]
透平冷却空气做功情况的基本假设为：在透平静叶前和静叶中(包含从内部冷却静叶叶片)返回的气体部分参与该级做功；在静叶后、动叶前和动叶中(包含从内部冷却动叶叶片)返回的气体不计及在该级做功量。
[0144]
根据上述假设，将各股冷却空气流量按质量守恒和在透平中做功相等的原理折算成总等效流量，总等效流量由两部分组成：一部分自透平静叶进口处流入后参与做功，其做功量与各股冷却空气从各处分别流入后的做功量相等；另一部分自透平出口处流入，不参与做功，仅使透平出口燃气温度降低，其基本方程如下：
[0145]
透平进口等效流量的计算公式为：
[0146]gtein
＝g
tin
+g
ein
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0147]
透平出口流量为：
[0148]gtout
＝g
tin
+g
ein
+g
eout
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0149]
式中，g
tin
为透平进口燃气流量，kg/s，若燃烧室出口至透平入口之间无其它流量进出，则透平进口燃气流量等于燃烧室出口燃气流量g4；
[0150]gein
为参与做功的透平进口等效冷却空气流量，kg/s；
[0151]geout
为不参与做功的透平出口等效冷却空气流量，kg/s。
[0152]gtout
为透平出口燃气流量，kg/s；
[0153]
在上述公式计算的基础上，根据烟气掺混过程质量、能量守恒的基本原理，即可计算出烟气掺混后的组分、焓值、温度。
[0154]
s4:建立透平数学模型
[0155]
在上述透平冷却空气量等效处理模型的基础上建立透平模型，如图3所示，将透平进口烟气流量g
41
、温度t
41
、焓值h
41
、压力p
41
，透平出口的烟气压力p5作为输入量；将透平效率η
t
作为假定值，最终由迭代计算得到；计算出透平出口烟气的流量g6、温度t6、焓值h6，透平做功量n
t
。
[0156]
透平模型的原则性计算公式如下：
[0157]
(1)计算透平入口各燃气成分相对压比：
[0158][0159]
式中，下角标i表示各烟气组分。f5按公开文献中查询的张世铮公式计算；
[0160]
(2)计算透平入口的燃气相对压比；
[0161][0162]
式中：π
g,t41
为烟气的相对压比，为摩尔分数；
[0163]
(3)计算透平的膨胀比ε
t
和透平出口等熵相对压比π
g,t5s
；
[0164][0165][0166]
(4)计算透平出口等熵温度t
5s
和焓值h
g,t5s
；
[0167][0168][0169]
(5)计算透平出口的燃气实际比焓h
g,t5
；
[0170][0171]
(6)计算透平出口实际温度t5[0172][0173]
(7)计算透平做功功率n
t
[0174][0175]
(8)由质量和能量平衡计算与冷却量掺混后的透平出口温度t5和焓值h
g,t6
。
[0176]
上述公式(15)～(23)中，温度的单位均为k，比焓的单位为kj/kg，压力的单位为kpa，流量的单位kg/s，功率的单位为kw。
[0177]
s5:建立重型燃气轮机关键部件效能参数软测量的整体数学模型
[0178]
燃气轮机关键部件效能参数分析模型的示意图如图4所示，模型中的输入量包括：压气机进口空气温度t2、压力p2、流量g2、出口压力p3，透平排气压力p5。作为迭代参数的未知量共有三个，即：ηc、qf、η
tc
三个未知量的最终迭代结果使得压气机出口温度、透平出口温度、燃气轮机发电机组输出功率三个输出结果与实测值的偏差小于设定的残差值。
[0179]
s6:求解重型燃气轮机关键部件效能参数软测量的整体数学模型
[0180]
上述重型燃气轮机关键部件效能参数分析的整体数学模型由于未知数与方程个数均相等，故方程组具有唯一解，本实施例根据最小二乘原理，采用牛顿-拉夫逊数值迭代解法进行求解。
[0181]
利用本实施例的重型燃气轮机关键部件效能参数软测量模型，对某f级燃气轮机实际运行数据(通过稳定工况筛选，共1940组数据，燃气轮机负荷率范围为85％～100％)进行了部件效能的辨识和分析，获得了压气机效率、透平效率、燃烧室出口温度等燃气轮机部
件综合性效能指标或参数，如图5～图7中实线所示；同时，将该f级燃气轮机新机状态时的燃气轮机部件效能参数(燃气轮机负荷率为100％)标注在图5～图7中，如虚线所示。
[0182]
对图5～图7进行分析，可得主要结论如下：
[0183]
(1)相比新机状态，某f级燃气轮机的压气机、透平均出现不同程度的效能劣化。其中，透平效率下降的幅度大于压气机效率下降的幅度，这与该机组常年调峰运行、启停频繁的运行方式有关，频繁启停使得透平等高温部件效能劣化程度相比压气机等冷端部件更加严重；上述参数的变化趋势与机组的实际运行情况相符。
[0184]
(2)相比新机状态，某f级燃气轮机的燃烧室出口温度出现一定程度的降低，这与机组运行多年后，考虑了运行安全性而对运行控制参数进行了调整有关；
[0185]
(3)另外，图7中给出了燃气轮机控制系统中的燃烧参考温度数据(带三角δ标识)，该燃烧参考温度为控制系统导出的数据。本实施例中燃气轮机关键部件效能参数软测量模型计算得到的燃烧室出口温度与上述燃烧参考温度的变化规律具有较好的一致性，最大相对误差为2.2％。
[0186]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0187]
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。