非设计工况下超临界二氧化碳燃气轮机底循环的轴配置分析比较

非设计工况下超临界二氧化碳燃气轮机底循环的轴配置分析比较

来源：SoftInWay

发表于2020 CITC 第四届中国国际透平机械学术会

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摘要：在资源日益匮乏且电厂的规模日益受到控制的当今世界中，联合循环的底循环正引起人们的真正兴趣。在不燃烧更多燃料的情况下降低烟气温度和提高发电量无疑是非常有吸引力的。从大量论文中可以看出，在利用GTU（燃气轮机装置）废气增加发电方面，底循环工质使用sCO₂（超临界二氧化碳）是极有意义的，但是由于废气的残留温度相当高，因此所考虑的这种循环仍有一定的额外发电潜力。为了达到这种潜能，sCO₂循环循环结束后的废气残留温度应尽可能低，而这些循环的热效率应尽可能高。考虑到这一点，作者在2015年对各种不同的sCO₂底循环结构配置进行了研究，甚至提出了复合循环的概念，其中将诸如sCO₂回热循环与sCO₂再压缩或再热循环以及其它组合结合在一起。在该研究中，发现了复合循环的最佳配置。该循环配置具有两个压缩机和透平，其中一个组合是与发电机共用同一根轴但尚未研究该轴配置的最佳性。

本次研究的重点是基于数字孪生概念，考虑不同轴配置的热力循环以及叶轮机械部件在非设计工况时的联合优化。所考虑的底循环发电装置（PGU）的热源是GE LM6000-PH DLE型号燃气轮机。 该PGU是一种具有高热回收率的复合sCO₂循环。本文详细介绍了其设计和总体方案， 讨论了在循环级别和组件级别使用的计算方法，考虑了预测准确的损失模型，分析时涵盖了涉及的叶轮机械的初始设计，自动化非设计工况模拟以及不同轴配置比较，指出其特殊性和优势。

关键词：超临界二氧化碳；数字孪生；燃气轮机底循环；热力循环模拟；叶轮机械部件初始设计；变工况分析；轴配置分析比较

0 引言

许多作者[1]，[2]，[3]，[4]和[5]进行了模拟瞬态和稳态sCO₂循环非设计工况性能的尝试。 他们中的一些人研究了调节器的动态表现，一些人研究了不同情况下的不同控制策略或非设计工况表现，这无疑在开发可靠的sCO₂循环模拟技术中具有一定的实用性。 然而，他们使用了相当简化的部件模型，尤其是叶轮机械和热交换器，这对于正确模拟循环性能至关重要。尽管已经进行了许多关于sCO₂循环的研究，并且许多组件的技术准备水平已经很高，但仍未充分开发出用于整个循环的非设计工况模拟的方法，同时整个底循环的布置方案也有待研究。本文的作者试图将数字孪生概念应用于sCO₂底循环的非设计工况和部分载荷运行的仿真基础上，来分析比较不同轴配置方案。

在2015年IGTC日本大会上，SoftInWay Inc.发表了一篇论文“利用复合sCO₂循环对燃气轮机排热回收进行评估”。本文考虑了特定中功率燃气轮机的不同底部sCO₂循环的组合。它主要研究了不同类型的sCO2循环在利用GTU余热增加发电量方面的优势。

本文是在此基础上进行的进一步研究，因此，从前一篇论文中选择热力循环方案2[6]作为本论文的sCO2底部PGU布局，以进行后续分析。该循环是再压缩循环和回热循环的组合，可提供16.13 MW的输出功率。本研究中同一台GTU GE LM6000-PH DLE燃气轮机被继续用作底部PGU的热源。根据GE官方手册[7]，GE LM6000以灵活、紧凑的设计为公用事业、工业以及石油和天然气应用提供40 MW至50 MW以上的功率，效率高达42％，可靠性高达99％。 GE LM6000-PH DLE可提供53.26 MW的输出功率，排气温度为471℃，排气流量为138.8 kg/s。本文采取这些参数来分析底部PGU，并在下表1中列出。

表1  GE LM6000-PH DLE选取的参数

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

数字孪生（DT）概念是一种发展中的技术，例如，由于环境条件的变化，它可以在对象的生命周期或指定时间内模拟对象行为。数字孪生适用于性能调整、数字机器制造、医疗保健、智慧城市等[8]，从而可以减少开发时间和成本，并在开发阶段优化对象。在本文中，数字孪生是一个仿真模拟系统，该仿真系统由以特殊算法结构组织的物理模型组成，该算法可以模拟在交替复杂的环境条件和电网功率需求下PGU的性能及工况。GE也提出了电厂的DT概念，以不断提高其对电厂状态进行建模和跟踪的能力[9]。 

本研究中的数字孪生是使用AxSTREAM® 平台创建的，该平台包括多个软件工具。本次研究使用到以下软件工具：

AxCYCLE™ 用于执行循环热力学计算；在设计点对压缩机和透平进行初始设计时，AxSTREAM® 中的解决方案生成器有助于在给定的边界条件下找到可能的机器设计；在AxSTREAM® 中，Meanline(1D） / Streamline(2D)求解器针对设计和非设计工况计算了叶轮机械的参数和性能，包括质量流量、压力、功率和效率等。AxSTREAM ION™ 用于将上述所有模块和工具集成到一个仿真系统中，实现数字孪生，并执行自动化过程。本次研究还利用NIST RefProp[10]工具来确定CO₂的热力学和传输物理性质。

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