[发明专利]一种燃气轮机运行状态的确定方法

摘要

本发明公开了一种燃气轮机运行状态的确定方法，步骤为：在燃料输送管道、压气机进气管道和燃气透平排烟管道上分别设置三测点，并安装常规的测量装置或取样装置；分别测量测点1的燃料成分和流量；测点2的空气成分；测点3的燃气成分；将三测点的测量数据输入计算单元；根据空气、燃料和燃气的成分以及燃料流量M_burn，计算空气流量M_air、燃气流量M_gas和燃烧完全度η是燃料流量，因其流量小，流通管径小，并有足够长的稳定流段，可用常规的流量测量方法测量。其它测量量为燃料成分、空气成分和燃气体成分，用常规测量方法和装置容易测量和分析，因此本发明解决了燃气轮机几个关键参数难测而无法确定其运行状态的难题。

主权项

1、一种燃气轮机运行状态的确定方法，其特征在于，方法的步骤为：1)在燃料输送管道、压气机进气管道和燃气透平排烟管道上分别设置测点1、测点2、测点3，在三测点处安装常规的在线测量装置或取样装置；2)在测点1处用常规的在线测量装置或取样装置在线或离线测量测量燃料的成分Gburn：C、H、O、N、H2O和燃料流量Mburn；在测点2处用常规的在线测量装置或取样装置在线或离线测量测量空气成分Gair：N2、O2、H2O、CO2；在测点3处用常规的在线测量装置或取样装置在线或离线测量燃气成分Ggas：N2、O2、H2O、CO2；3)将三测点的测量数据或将测点取样送入实验室进行成分分析后的各成分含量的分析结果输入计算单元；4)根据空气、燃料和燃气的成分以及燃料流量Mburn，计算确定空气流量Mair、燃气流量Mgas和燃烧完全度ηB，计算方法推导如下：A、质量守恒方程：燃烧前后，燃烧室的输入和输出质量守恒，满足方程： Mgas＝Mair+Mburn (1)根据燃烧前后每一种参与燃烧过程的化学元素在数量上也不会地发生变化，C、H、O、N是燃烧过程中物质的主要构成元素，其数量守恒方程如下：氮元素守恒方程：A1·Ggas(N2)·Mgas+A2·(1-ηB)·Mburn·Gburn(N) (2)＝A3·Mburn·Gburn(N)+A4·Gair(N2)·Mair 氧元素守恒：(B1·Ggas(O2)+B2·Ggas(CO2)+B3·Ggas(H2O))·Mgas +B4·(1-ηB)·Mburn·Gburn(O) (3)＝B5·Mburn·Gburn(O)+(B6·Gair(O2)+B7·Gair(CO2) +B8·Gair(H2O))·Mair+B9·Mburn·Gburn(H2O)碳元素守恒：C1·Ggas(CO2)·Mgas+C2·(1-ηB)·Mburn·Gburn(C) (4)＝C3·Mburn·Gburn(C)+C4·Gair(CO2)·Mair 氢元素守恒：D1·Ggas(H2O)·Mgas+D2·(1-ηB)·Mburn·Gburn(H)＝ (5)D3·Mburn·Gburn(H)+D4·Gair(H2O)·Mair+D5·Gburn(H2O)·Mburn 其中A1-4、B1-9、C1-4、D1-9为系数，取决于各组成成分的单位(质量百分比、体积百分比等)和流量单位(质量流量、体积流量等)，例如，当Ggas(N2)为体积百分比、Mgas为体积流量时A1＝2，当Ggas(N2)为体积百分比、Mgas为质量流量时A1＝2/μgas，当Ggas(N2)为质量百分比、Mgas为质量流量时A1＝1/28，其中μgas为烟气的平均分子量。在氮元素的守恒方程中用到的测量数据是燃料中氮的含量Gburn(N)、空气中氮气的含量Gair(N2)、燃气中氮气的含量Ggas(N2)；在氧元素的守恒方程中用到的测量数据是燃料中氧的含量Gburn(O)和水分的含量Gburn(H2O)，空气中氧气、二氧化碳和水的含量Gair(O2)、Gair(CO2)和Gair(H2O)，燃气中氧气、二氧化碳和水的含量Ggas(O2)、Ggas(CO2)和Ggas(H2O)；在碳元素的守恒方程中用到的测量数据是燃料中碳的含量Gburn(C)、空气中二氧化碳的含量Gair(CO2)、燃气中二氧化碳的含量Ggas(CO2)；在氢元素的守恒方程中用到的测量数据是燃料中氢的含量Gburn(H)和水分的含量Gburn(H2O)，空气水分的含量Gair(H2O)，燃气中的水分含量Ggas(H2O)。B、根据实际选择的成分测量方法和装置以及测量精度选取上述其中任何两种元素的守恒方程，与公式(1)联立求解，得出燃烧过程中输入的空气流量、输出的燃气流量和燃烧完全度；空气流量$M_{\mathrm{air}}=\frac{b_2·c_1-b_1·c_2}{a_1·b_2-a_2·b_1}---\left(6\right)$ 燃气流量$M_{\mathrm{gas}}=M_{\mathrm{air}}+M_{\mathrm{burn}}=\frac{b_2·c_1-b_1·c_2}{a_1·b_2-a_2·b_1}+M_{\mathrm{burn}}---\left(7\right)$ 燃烧完全度${\eta }_B=1-\frac{a_1·c_2-a_2{·c}_1}{a_1·b_2-a_2·b_1}---\left(8\right)$ 其中参数a1、a2、b1、b2、c1和c2根据选取的元素守恒方程而定，选取氮元素的守恒方程(2)和碳元素的守恒方程(4)与公式(1)联立求解，则可得：$a_1=\frac{2{·G}_{\mathrm{gas}}\left(N_2\right)}{{\mu }_{\mathrm{gas}}}-\frac{2{·G}_{\mathrm{air}}\left(N_2\right)}{{\mu }_{\mathrm{air}}},a_2=\frac{G_{\mathrm{gas}}\left({\mathrm{CO}}_2\right)}{{\mu }_{\mathrm{gas}}}-\frac{G_{\mathrm{air}}\left({\mathrm{CO}}_2\right)}{{\mu }_{\mathrm{air}}}$ $b_1=\frac{M_{\mathrm{burn}}{·G}_{\mathrm{burn}}\left(N\right)}{14},b_2=\frac{M_{\mathrm{burn}}{·G}_{\mathrm{burn}}\left(C\right)}{12}$ $c_1=(\frac{G_{\mathrm{burn}}\left(N\right)}{14}-\frac{2·G_{\mathrm{gas}}\left(N_2\right)}{{\mu }_{\mathrm{gas}}})·M_{\mathrm{burn}},c_2=(\frac{G_{\mathrm{burn}}\left(C\right)}{12}-\frac{G_{\mathrm{gas}}\left({\mathrm{CO}}_2\right)}{{\mu }_{\mathrm{gas}}}){·M}_{\mathrm{burn}};$ 5)根据燃烧室的能量平衡方程确定燃气轮机进口温度；燃气轮机燃烧室的能量平衡方程为：Mair·cair·(T2-Te)+Mburn·QL·ηB+Mburn·cburn·(Tb-Te)＝Mgas·cgas·(T3-Te)其中cair为空气的比热，cburn为燃料的比热，cgas为燃气的比热，T2为压气机的出口温度，QL为燃料的低位发热量，Te为环境温度，Tb为燃料进入燃烧室的温度。据此方程可得燃气轮机初温T3：$T_3=\frac{M_{\mathrm{air}}·c_{\mathrm{air}}·(T_2-T_e)+M_{\mathrm{burn}}·Q_L·{\eta }_B+M_{\mathrm{burn}}·c_{\mathrm{burn}}·(T_h-T_e)}{M_{\mathrm{gas}}·c_{\mathrm{gas}}}+T_e---\left(9\right).$