非設計工況下超臨界二氧化碳燃氣輪機底循環的軸配置分析比較

來源：SoftInWay

發表于2020 CITC 第四屆中國國際透平機械學術會

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摘要：在資源日益匱乏且電廠的規模日益受到控制的當今世界中，聯合循環的底循環正引起人們的真正興趣。在不燃燒更多燃料的情況下降低煙氣溫度和提高發電量無疑是非常有吸引力的。從大量論文中可以看出，在利用GTU（燃氣輪機裝置）廢氣增加發電方面，底循環工質使用sCO₂（超臨界二氧化碳）是極有意義的，但是由于廢氣的殘留溫度相當高，因此所考慮的這種循環仍有一定的額外發電潛力。為了達到這種潛能，sCO₂循環循環結束后的廢氣殘留溫度應盡可能低，而這些循環的熱效率應盡可能高。考慮到這一點，作者在2015年對各種不同的sCO₂底循環結構配置進行了研究，甚至提出了復合循環的概念，其中將諸如sCO₂回熱循環與sCO₂再壓縮或再熱循環以及其它組合結合在一起。在該研究中，發現了復合循環的最佳配置。該循環配置具有兩個壓縮機和透平，其中一個組合是與發電機共用同一根軸但尚未研究該軸配置的最佳性。

本次研究的重點是基于數字孿生概念，考慮不同軸配置的熱力循環以及葉輪機械部件在非設計工況時的聯合優化。所考慮的底循環發電裝置（PGU）的熱源是GE LM6000-PH DLE型號燃氣輪機。 該PGU是一種具有高熱回收率的復合sCO₂循環。本文詳細介紹了其設計和總體方案， 討論了在循環級別和組件級別使用的計算方法，考慮了預測準確的損失模型，分析時涵蓋了涉及的葉輪機械的初始設計，自動化非設計工況模擬以及不同軸配置比較，指出其特殊性和優勢。

關鍵詞：超臨界二氧化碳；數字孿生；燃氣輪機底循環；熱力循環模擬；葉輪機械部件初始設計；變工況分析；軸配置分析比較

0 引言

許多作者[1]，[2]，[3]，[4]和[5]進行了模擬瞬態和穩態sCO₂循環非設計工況性能的嘗試。 他們中的一些人研究了調節器的動態表現，一些人研究了不同情況下的不同控制策略或非設計工況表現，這無疑在開發可靠的sCO₂循環模擬技術中具有一定的實用性。 然而，他們使用了相當簡化的部件模型，尤其是葉輪機械和熱交換器，這對于正確模擬循環性能至關重要。盡管已經進行了許多關于sCO₂循環的研究，并且許多組件的技術準備水平已經很高，但仍未充分開發出用于整個循環的非設計工況模擬的方法，同時整個底循環的布置方案也有待研究。本文的作者試圖將數字孿生概念應用于sCO₂底循環的非設計工況和部分載荷運行的仿真基礎上，來分析比較不同軸配置方案。

在2015年IGTC日本大會上，SoftInWay Inc.發表了一篇論文“利用復合sCO₂循環對燃氣輪機排熱回收進行評估”。本文考慮了特定中功率燃氣輪機的不同底部sCO₂循環的組合。它主要研究了不同類型的sCO2循環在利用GTU余熱增加發電量方面的優勢。

本文是在此基礎上進行的進一步研究，因此，從前一篇論文中選擇熱力循環方案2[6]作為本論文的sCO2底部PGU布局，以進行后續分析。該循環是再壓縮循環和回熱循環的組合，可提供16.13 MW的輸出功率。本研究中同一臺GTU GE LM6000-PH DLE燃氣輪機被繼續用作底部PGU的熱源。根據GE官方手冊[7]，GE LM6000以靈活、緊湊的設計為公用事業、工業以及石油和天然氣應用提供40 MW至50 MW以上的功率，效率高達42％，可靠性高達99％。 GE LM6000-PH DLE可提供53.26 MW的輸出功率，排氣溫度為471℃，排氣流量為138.8 kg/s。本文采取這些參數來分析底部PGU，并在下表1中列出。

表1  GE LM6000-PH DLE選取的參數

Tab.1  SELECTED SET OF GE LM6000-PH DLE PARAMETERS

數字孿生（DT）概念是一種發展中的技術，例如，由于環境條件的變化，它可以在對象的生命周期或指定時間內模擬對象行為。數字孿生適用于性能調整、數字機器制造、醫療保健、智慧城市等[8]，從而可以減少開發時間和成本，并在開發階段優化對象。在本文中，數字孿生是一個仿真模擬系統，該仿真系統由以特殊算法結構組織的物理模型組成，該算法可以模擬在交替復雜的環境條件和電網功率需求下PGU的性能及工況。GE也提出了電廠的DT概念，以不斷提高其對電廠狀態進行建模和跟蹤的能力[9]。 

本研究中的數字孿生是使用AxSTREAM? 平臺創建的，該平臺包括多個軟件工具。本次研究使用到以下軟件工具：

AxCYCLE? 用于執行循環熱力學計算；在設計點對壓縮機和透平進行初始設計時，AxSTREAM? 中的解決方案生成器有助于在給定的邊界條件下找到可能的機器設計；在AxSTREAM? 中，Meanline(1D） / Streamline(2D)求解器針對設計和非設計工況計算了葉輪機械的參數和性能，包括質量流量、壓力、功率和效率等。AxSTREAM ION? 用于將上述所有模塊和工具集成到一個仿真系統中，實現數字孿生，并執行自動化過程。本次研究還利用NIST RefProp[10]工具來確定CO₂的熱力學和傳輸物理性質。

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