摘要近年来，人类对于电力以及能源的需求越来越大。我国以燃煤发电为主的现状所带来的电力消耗与环境污染，迫使我国电力部门从国外引进了多种型号重型燃气轮机用于发电动力，以缓解压力。本文基于 Matlab-Simulink 平台，根据重型燃气轮机的物理模型以及热力学原理，建立了压气机、燃烧室、透平等的仿真模型，开发出 9F 级燃气轮机仿真软件，同时仿真研究环境温度、湿度变化时，燃机性能的变化特征。本文还建立了进气口堵塞、压气机叶片表面结垢等燃气轮机的故障模型，并对其性能进行仿真研究。最后，本文运用性能退化的叠加原理，划分出燃气轮机性能下降各影响因素（环境因素、设备退化）对热效率的影响占比，进行性能退化的诊断分析。31781
毕业论文关键词 重型燃气轮机 设备因素 环境因素 性能退化 诊断分析
Title Dynamic modeling and Operation monitoring fora heavy-duty gas turbine
Abstract In recent years, the demand of power and energy has been increasing sharply. Theheavy power consumption and environmental pollution caused by coal-fired powerin our country forced the electric power sector import several kinds of heavy-dutygas turbines from abroad for generating power and relieving the pressure.This paper established models of a compressor, a combustion chamber and a turbineon the Matlab-Simulink platform with the thermodynamic principles and physicalmodel and developed a simulation software of 9F heavy duty gas turbine. Meanwhile,it researched the performance characteristics of the gas turbine when the ambienttemperature and relative humidity changed.Moreover, this paper also established breakdown models of blocking in air inletsystem and scaling on the surface of compressor blade, and these models can simulatethe characteristics of breakdown condition.Finally, the contributions of the performance degradation factors (environmentalfactors / equipment factors) to the thermal efficiency of actual gas turbine havebeen investigated with superposition principle. With the theory in this paper,we also diagnosed and analysed the degradation successfully.
Keywords Heavy duty gas turbine Environmental factors Equipment factorsDegradation Diagnostic and analysis
目次
1引言（或绪论）1
1.1选题背景和意义1
1.2国内外研究现状1
1.3课题的主要研究内容3
2燃气轮机工作原理4
2.1燃气轮机结构及工作原理4
2.2燃气轮机热力循环5
2.3燃气轮机主要技术指标6
2.4本章小结7
3重型燃气轮机的建模9
3.1重型燃气轮机建模概述9
3.29F级重型燃气轮机建模原型10
3.3重型燃气轮机主要部件11
3.4外界环境31
3.5故障工况建模33
3.6本章小结37
4重型燃气轮机的运行监测38
4.1正常工况仿真试验38
4.2故障工况仿真试验45
4.3性能退化综合分析48
4.4本章小结51
结论53
致谢55
参考文献56
1 引言（或绪论）
1.1 选题背景和意义重型燃气蒸汽联合循环是目前所有化石燃料热力发电循环中效率最高、污染排放最低的热力循环，在欧、美等发达工业化国家已被普遍应用。然而目前，由于技术原因，我国仍以燃煤发电为主体，电力消耗随经济建设的快速发展承受着巨大的压力。此外，我国燃煤发电排放的污染气体、粉尘和温室气体跃升为全球第一，对环境产生了严重影响。近年来，由于火力机组发电产生的能源与环境污染等问题以及燃气轮机联合循环机组自身的优势条件等因素， 我国电力部门从国外引进了多种型号重型燃气轮机机组用于发电动力。尽管我国自主设计工业用 RO110 重型燃气轮机在沈阳顺利通过国家“863”计划能源技术领域办公室主持的阶段验收，但由于我国大部分燃气轮机机组由国外引进，一般制造商仅提供机组平均的、最低限度的效率与安全信息，仅仅依靠少量变工况性能指标和运行规范，无法对机组某种特定状态做出正确的监测与诊断。故目前我国在短时间内还未总结出燃气轮机机组详细可靠的运行规律，其监测与诊断的核心技术仍由国外掌握。由于燃气轮机一方面对环境温度和工况变化较为敏感，效率受环境影响较大；另一方面，燃机进气口的堵塞、压气机叶片表面的结垢(积尘)，燃烧器的烧蚀，燃气透平叶片烧损等部件故障也会使燃气轮机效率下降，故而要准确诊断其性能退化较为困难。为此，本课题将对重型燃气轮机建立动态数学模型，仿真研究不同的环境温度、湿度和不同故障状态下的性能与运行参数变化，由此研究重型燃气轮机状态监测与故障诊断方法，为运行优化和检修优化提供依据。1.2 国内外研究现状目前，对燃气轮机性能的影响一般考虑以下两大方面：环境条件变化（一般指大气压力和温度、湿度）和组成部件的性能退化。环境因素方面：Brooks（2000）研究单轴燃气轮机进口空气温度、空气湿度、进口空气的压力变化等情况，总结概括了燃机功率和热耗率的变化规律。Alamiri 等人（2006）通过相关试验发现环境温度、空气湿度、压力变化会导致重型架式燃气轮机的性能恶化，其中温度上升是性能恶化的主要原因。由此，相关人士研究出了一系列冷却空气的方法来优化燃机。Phillips and Levine（2004）运用 IAC 系统通过蒸发冷却、冷却机组、液化天然气蒸发混合成功实现了进口空气冷却商业化，提高推动功，减少热耗率。随后，Bianchi 等人（2010）详细介绍了运用IAC 技术来增加不同功率的技术对比[1]。设备部件性能退化方面：厄普顿(1974)最早提出了涡轮机中的结垢特性问题并简要阐述了侵蚀和腐蚀机理。Diakuncha(1991)预估非喷射式燃气轮机循环的机组由于设备结垢引起性能退化上的成本，并对结垢污染而引起的性能退化进行了修复。Baker(2002)对轴流压缩机进行结垢研究。vigueras (2007)进一步详细研究了压缩机部分结垢对燃气轮机的影响。库尔兹和布朗(2001，2007，2009 年) 详细研究并描述了燃气轮机的机械构件结垢、侵蚀、腐蚀等导致的机组性能恶化规律。 Asplund(1997) 在了解良好的过滤系统和定期的在线清洗可以减轻一些由于污染而导致的恶化原理后，提出了燃气轮机的清洁方式，并发表了相关压缩机结垢的文章。Saravanamuttoo 和 Lakshminarasimha（1985，1986） ，Seddigh 和 Saravanamuttoo（1990） ；Tarabrin 等（1996） ； Millsaps 等（2004） ； Meher-Homji 等（2009）均有提出燃机部件结垢的恢复方式和相关模型。此外， Tabakoff 和 Balan（1983） ； Tabakoff（1987，1996）等人先后进行与侵蚀相关的早期研究工作； Ghenaiet（2011）也在其基础上详细研究了侵蚀对机组退化的影响[1]。随着人们对于燃机性能退化研究逐步深入，国外出现了一系列建模与监测方法：最常见的仿真模型是 Rowen（1983）提供的简化模型[2]，后来 Rowen 考虑入口可变导叶（IGV）对动态特性的影响扩展简化的模型[3]。由于扩展模型更加准确，故被用于联合循环的研究[4] [5]。 Matlab重型燃气轮机的建模与运行监测研究:http://www.youerw.com/jixie/lunwen_28055.html