重型燃气轮机控制回路时延稳定性分析

在实际工业生产过程中,时延会对控制系统的性能产生不利影响,甚至导致控制系统不稳定。从切换系统角度研究了重型燃气轮机转速/功率控制回路的时延稳定性问题,以某电厂GEMS109FA275MW重型燃气轮机在100%负荷下的模型为研究对象,通过增广状态变量,选择时延变化作为切换信号,将含有时变时延的转速/功率控制回路转换为一类切换系统。运用范数相关引理,推导出确保含有时变时延的转速/功率控制回路稳定的充分且必要条件,并给出稳定性验证算法,同时基于国产重型燃气轮机Nu CON控制系统进行了硬件在环仿真实验,验证了所提理论结果的正确性。该研究结果可为国产重型燃气轮机控制系统设计和参数调整提供理论参考。

重型燃气轮机压气机技术发展趋势

重型燃气轮机联合循环效率可超过60%,是一种高效率的热功转换设备。燃气轮机具有的优异调峰能力使其在以新能源为主体的新型电力系统中发挥越来越重要的作用。概述了重型燃气轮机压气机的工作特点、结构特征和主要技术指标,重点介绍了国际主流燃机厂商典型型号压气机研制及技术进展。总结了重型燃气轮机压气机设计体系的研究进展,并基于我国重型燃气轮机研制现状,对标先进重型燃气轮机技术发展趋势,提出了通流气动布局优化技术、高性能叶型技术、跨音级叶片全三维设计技术、高度集成设计系统等重点技术发展方向。

我国自主研制的300 MW级F级重型燃气轮机在上海点火成功

10月7日,我国自主研制的300 MW级F级重型燃气轮机在上海临港首次点火成功。工业和信息化部党组书记、部长金壮龙,上海市副市长陈杰出席点火试验活动并讲话,中国科学院副院长丁赤飚,工业和信息化部总经济师高东升,国家电投集团董事长刘明胜,专家咨询委主任张彦仲、副主任孙昌基出席活动。金壮龙向参研参试单位和全线干部职工致以热烈祝贺和崇高敬意!他表示,自主研制300 MW级F级重型燃气轮机是以习近平同志为核心的党中央作出的重大战略部署。项目实施8年来,研制全线攻坚克难、顽强拼搏,克服诸多困难挑战,攻克多项关键技术,贯通设计制造全流程,取得系列重大进展。

我国自主研制的300兆瓦级F级重型燃气轮机首台样机在上海总装下线

300兆瓦级F级重型燃气轮机是我国首次自主研制的最大功率、最高技术等级重型燃气轮机,对我国燃气轮机基础学科进步、产业技术发展具有显著的带动辐射作用,对保障我国能源安全和绿色发展具有重要意义。国家电投集团作为项目实施责任主体,联合哈电集团、东方电气集团、上海电气集团组建了联合重燃公司,负责具体实施。首台样机由上海电气集团总装制造,北京、辽宁、上海、江苏等19个省市200余家企业、科研院所、高校等参与研制。

机器学习算法在重型燃气轮机健康监测的应用现状

重型燃气轮机是提供电力和调节电力波动的重要设备,其组成复杂、精密程度高,发生故障后会产生严重的安全隐患,进而影响经济效益。采用机器学习算法是实现重型燃气轮机健康监测的有效方法。机器学习算法的优化及融合对重型燃气轮机系统的健康运行具有重大意义。介绍了重型燃气轮机健康监测的发展过程;综述了采用不同机器学习算法对燃气轮机大部件及其子部件健康诊断的预测结果;重点分析对比了气路故障和整体状态健康监测、寿命预测的不同方法;总结燃气轮机健康监测的主要技术问题及展望未来的发展方向,为机器学习算法在重型燃气轮机的应用提供了参考。

重型燃气轮机高雷诺数CDA叶型转捩特性数值计算

为研究重型燃气轮机的压气机叶片在高雷诺数工况下的气动性能,基于Gamma-Theta转捩模型的雷诺时均方程对某可控扩散叶型进行了数值计算。通过对比不控制马赫数与控制马赫数,分析高雷诺数对可控扩散叶型气动性能及转捩特性的影响。结果表明:在不控制马赫数条件下,在零攻角时,雷诺数从7×105增大为9×105,总压损失增加了约391.95%;在高雷诺数工况下随着雷诺数的增大,叶片流动损失不断增大,叶片可用攻角范围减小,同时在叶片吸力面出现激波,干扰转捩的产生。在控制马赫数条件下,当Ma=0.6时,在零攻角工况下,雷诺数从8.2×105增大为1×107,总压损失减小了约38.98%,吸力面转捩起始点从4.78%弦长处前移至1.11%弦长处;在高雷诺数工况下,叶片流动损失随着雷诺数的增大不断减小,吸力面转捩位置前移。

考虑透平逐级冷却的重型燃气轮机热力学建模及关键参数影响分析

透平冷却系统是现代重型燃气轮机的核心之一,如何考虑冷气掺混影响,是燃气轮机热力学建模和关键参数影响分析中需要解决的首要问题之一。随着燃气轮机总体设计的不断深化,需要更细化的热力性能计算模型,以进行关键部件和总体的协调匹配和保障设计性能的最终实现。为此,提出了基于透平一维气动分析的燃气轮机透平逐级掺混及总体热力性能计算方法,建立了重型燃气轮机热力性能模型,并对关键参数的影响和G/H级燃气轮机热力性能方案进行了研究。分析表明:透平初温、压比和冷却空气量是影响燃气轮机总体热力性能的关键参数,在总体设计中应做到三者统一协调,提高透平初温的同时需研究达到该温度水平需要的最少冷却空气量,分析最佳压比,并结合部件设计进行迭代计算和深入研究后最终确认。该研究结果可为自主化重型燃气轮机总体性能设计提供参考。

基于两种燃烧模型的重型燃气轮机燃烧室污染物排放预估研究

为有效预估重型燃气轮机NO_(x)的排放量,以某重型燃气轮机的燃烧室为研究对象,基于预混燃烧和柔和燃烧两种燃烧模型,应用数值模拟的方法研究燃烧室内温度分布的情况;采用响应面优化方法研究进口压力、燃烧区平均温度、一次风温对NO_(x)排放的影响;通过公式拟合方法,拟合出针对该重型燃气轮机燃烧室的污染物排放预估公式。结果表明:在操作压力及燃料相同的情况下,使用柔和燃烧模型对减少NO_(x)排放的效果更好;对比两种燃烧模型数值的优化结果及污染物排放预估公式,可发现燃烧区平均温度对污染物排放的影响最大,在基于预混燃烧模型的NO_(x)排放预估公式中,燃烧区的平均温度指数为-9.7;在基于柔和燃烧模型的NO_(x)排放预估公式中,燃烧区的平均温度指数为-76.69。

首台国产F级50 MW重型燃气轮机首次点火成功

据报道,历时13年自主研发,被誉为“争气机”的首台国产F级50 MW重型燃气轮机,于2022年12月31日在华电清远华侨工业园天然气分布式能源站,实现首次点火成功。这标志着东方电气集团自主研制的F级50 MW重型燃气轮机向商业化运行又迈出一步,中国将开启自主燃气轮机高质量发展的新篇章。重型燃气轮机是发电和驱动领域的核心设备,体现了一个国家的重工业整体能力。2022年5月国家能源局正式公告,东方电气集团研发的G50重型燃气轮机(50 MW)进入2021年度能源领域首台(套)重大技术装备项目名单。

啃下“硬骨头” 制出“争气机”——首台自主研制F级50兆瓦重型燃气轮机攻关之路

2023年1月3日2时48分,被誉为“争气机”的首台全国产化F级50兆瓦重型燃气轮机发电机组,在广东华电清远华侨园燃气分布式能源站并网发电,填补了我国自主燃气轮机应用领域空白。回忆13年来的研制历程,东方电气集团东方汽轮机有限公司(以下简称东方汽轮机)副总经理、G50发展中心主任方宇感概万千——历经4000多个日日夜夜,工程师们从“0”到“1”不断突破,终于啃下了重型燃气轮机自主化这块“硬骨头”。

重型燃气轮机现状与发展趋势

重型燃气轮机是迄今为止效率最高的热-功转换类发电设备,它的研发制造水平代表了一个国家的重工业水平。文中综述了重型燃气轮机工业的发展历史、现状及趋势,给出了当代及未来燃气轮机的主要技术参数,指出燃气轮机最终将发展为以燃氢燃气轮机为核心动力装备的近零排放煤基能源系统。就我国重型燃气轮机发展之路而言,基础研究和应用基础研究是燃气轮机核心技术自主创新体系的内核,我国燃气轮机产业的发展应发挥社会主义市场经济条件下举国体制的制度优势,借鉴国外成功经验,加快形成产学研用结合的重型燃气轮机自主创新技术体系和具有竞争力的产业体系,以满足我国国民经济与能源电力工业日益增长的对重型燃气轮机的迫切需求。

R0110重型燃气轮机燃烧室污染排放性能研究

我国研发的R0110重型燃气轮机采用干式低污染燃烧室设计。燃烧室具有2种工作模式,为检验其排放性能,在低压模拟条件下针对模式I进行了单管试验。结果表明,在整个负荷范围内,NOx排放均远远超标;CO在负荷≥0.7后均满足设计要求;当参照GE公司DLN燃烧室的设计特点降低值班燃料比例后,NOx反而增加。分析认为,NOx超标的原因主要是预混燃料比例偏低,预混均匀性相对不足,燃烧区过量空气系数的设计不合理,致使燃烧温度偏高。值班燃料的负面影响是由于原始设计使局部形成了富燃料燃烧的状态。针对以上问题,提出了进一步改善燃烧室的污染排放特性的措施建议。

一种考虑变几何特性的重型燃气轮机建模方法

在传统燃气轮机仿真模型的基础上,对比分析模型计算结果与机组性能试验数据,定量地得到了可转导叶(IGV)开度变化对燃气轮机性能的影响,建立了考虑IGV开度变化对机组性能影响的重型燃气轮机性能仿真模型.结果表明:所建模型的稳态计算结果与试验数据相吻合,正确反映了燃气轮机参数随燃气轮机功率的变化关系,可以应用于系统动态特性分析以及控制系统的设计和验证.

重型燃气轮机定向结晶叶片的材料与制造工艺

重型燃气轮机是我国能源发展战略中的关键装备。在高温和热腐蚀环境下工作的透平叶片,是重型燃机的核心热端部件。与航空发动机叶片比较,先进重型燃气轮机透平叶片,在高温热腐蚀环境下长期工作,而且叶片的尺寸较大,因此,对叶片使用的高温合金材料及其制造工艺均提出了特殊的要求。用于燃气轮机叶片的抗热腐蚀高温合金材料,经历了从多晶到定向和单晶的发展历程,其合金在设计中具有高Cr,高Ti,Al比等几个显著区别于航空发动机叶片材料的特征。兼顾高强度、优异抗热腐蚀性能及长期组织和性能稳定性的燃气轮机用铸造高温合金的研发,因此更具挑战。定向凝固是重型燃气轮机用大型定向结晶叶片制造工艺中最为关键的技术之一。介绍了先进定向凝固技术——高温度梯度液态金属冷却定向凝固技术的发展,对比了不同定向凝固工艺对高温合金典型组织及力学性能的影响,并简单介绍了我国近期在大型定向结晶叶片研制方面的进展。

某重型燃气轮机NO_x排放性能反应动力学数值计算

借助耦合CH4反应动力学模型与计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)计算软件,对某重型燃气轮机燃烧室单个火焰筒的燃烧过程进行了研究,分析了导致NO_x排放超标的原因,调整了不同燃烧区的燃料分配,分析了燃料分配对NO_x排放的影响.结果表明,导致NO_x排放超标的原因为环形区、均匀区燃料/空气混合的不均匀性和值班区、均匀区燃料流量过大导致的局部温度过高;将值班区燃料和均匀区燃料的体积流量比例分别调整为4%和30%,会导致主燃烧区温度升高,NO_x排放由标准状态141.7mg/m^3升高至175.5mg/m^3;将值班区燃料和均匀区燃料比例分别调整为2%和26%,会降低主燃烧区温度,使NO_x排放降低至119.5mg/m^3,其中66.3mg/m^3来自于环形区.单纯地进行燃料调节,不能满足NO_x排放要求,还需要对环形区和均匀区结构进行调整,以增加混合的均匀性.

重型燃气轮机转子-轴承系统综合试验平台

介绍了我国已建成的重型燃气轮机转子-轴承系统综合试验平台,并对某电厂的燃气轮机联合发电机组的轴系振动进行了现场测试.结果表明:在燃气轮机整个启停过程和在额定转速下运行时,转子轴承系统运行平稳,表明该转子轴承系统设计合理,转子动平衡良好.建成的燃气轮机转子轴承系统综合试验平台为我国重型燃气轮机转子-轴承系统的自主设计和发展提供了试验条件.

重型燃气轮机燃烧过程的反应动力学数值模拟

为了阐明重型燃气轮机燃烧过程的反应动力学特性,采用Gri_3.0,NUI_Galway与USC_2.0动力学模型对甲烷燃料在定容燃烧反应器中的燃烧特性进行了数值计算,并与实验结果进行了对比分析,确定了甲烷燃料的反应动力学模型;耦合该反应动力学模型与CFD计算软件,对燃用甲烷燃料的重型燃气轮机燃烧室单个火焰筒的燃烧过程进行了反应动力学分析,并与相应实验结果进行了对比分析。结果表明:与NUI_Galway及USC_2.0动力学模型相比,采用Gri_3.0动力学模型计算得到的甲烷燃料多工况下的燃烧特性与实验值吻合较好;在该重型燃气轮机燃烧室单个火焰筒中,在火焰筒头部与主燃区同时存在两个明显的呈对称状态的回流区;在该火焰筒中的高温区域,O,OH与H等活性组分以及CO2的摩尔分数达到最大,而在低温区域CO的摩尔分数达到最大;同时,与实验值相比,采用Gri_3.0动力学模型计算得到的单个火焰筒的出口平均温度略高约4K,热点温度高约197K。

重型燃气轮机DLN燃烧室环形区的优化

为了研究一种引进的燃气轮机干式低污染燃烧室性能并探索其设计方法,采用数值方法计算了该燃烧室环形区的流场和温度场,发现环形区存在燃烧效率低、污染物生成高等不足之处．对可能的设计思路进行了分析,并进一步提出两种结构改进方案,数值计算表明,改进方案可显著提高燃烧效率并降低污染物生成．

基于改进粒子滤波的重型燃气轮机跳机故障预测

重型燃气轮机是清洁发电的重要装备,其轴系的振动水平是机组运行状态的直观表征。跳机故障是由于振动加大而触发的非计划突然停机,会对燃气轮机的核心部件(如叶片、拉杆等)产生较大冲击,造成设备损伤。提出基于改进粒子滤波的重型燃气轮机振动趋势预测方法,通过对粒子滤波方法的分析,提出一种二次重采样策略,使得改进粒子滤波对粒子匮乏现象更具抵抗力,具有更好的适应性。所提方法在某300 MW重型燃气轮机的跳机故障中得到验证,能够准确预测跳机的故障时刻,为燃气轮机的控制策略调整提供指导。

重型燃气轮机叶片熔模铸造凝固过程数值模拟

建立了重型燃气轮机叶片真空熔模铸造凝固过程的数理模型,对不同工艺下凝固过程的温度场、糊状区演变及缩孔、缩松形成过程进行了仿真,研究了缺陷形成规律。结果显示,原有工艺下,两种浇注系统均在榫头部位出现缩孔或缩松,与实验结果吻合。采用定向凝固工艺可以避免重燃气轮机叶片产生铸造缺陷。