復(fù)合工質(zhì)新型動力系統(tǒng)——濕空氣透平循環(huán)動態(tài)仿真的研究.pdf

1、本文是在國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項目(973項目)“高效潔凈能源動力系統(tǒng)及其熱動轉(zhuǎn)換過程內(nèi)部流動的研究”課題“復(fù)合工質(zhì)新型動力系統(tǒng)及動態(tài)仿真(NO.G1999022303)”的資助下完成的，本文的側(cè)重點是對復(fù)合工質(zhì)新型熱力系統(tǒng)—濕空氣透平循環(huán)(HAT)的動態(tài)仿真研究。濕空氣透平循環(huán)(HAT)，以其高效、高比功、污染小、變工況性能好等優(yōu)點而被廣泛關(guān)注。本文的主要研究內(nèi)容是基于EASY5仿真平臺對整個HAT循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)仿真，其中詳盡地對

2、濕工質(zhì)熱物性、系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件如飽和器、透平、換熱器等進(jìn)行了研究；以期此基礎(chǔ)上建立的HAT循環(huán)的動態(tài)仿真模型具有更高的精確度。 由于氣體工質(zhì)加濕后熱物性會發(fā)生很大的變化，復(fù)合工質(zhì)熱物性的計算方法就顯得尤為重要。本文分析了三種熱物性的計算方法(理想混合氣體的計算方法、基于維里方程的余函數(shù)修正計算方法以及基于R-K方程的余函數(shù)計算方法)，并對濕空氣幾個重要的參數(shù)：比容、定壓比熱、比焓和熵在HAT循環(huán)工質(zhì)工作的范圍內(nèi)(溫度＜1500K

3、，壓力＜2MPa進(jìn)行了計算；并對濕空氣的飽和含濕量進(jìn)行了計算；此外還利用第一種方法和第三種方法分別對飽和器和整個HAT循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了性能計算，比較結(jié)果顯示兩種方法的差異非常小。通過分析驗證，本文認(rèn)為計算HAT循環(huán)時，可以選擇較為簡捷的理想混合氣體的計算方法來完成系統(tǒng)中的熱物性計算；但是如果壓力很高(如壓力＞2MPa)，就不宜繼續(xù)采用此方法進(jìn)行工質(zhì)熱物性的計算，而應(yīng)該采用適用范圍更廣的基于R-K方程的余函數(shù)計算方法。 飽和器動態(tài)模

4、型是一維的，分別列出了空氣側(cè)和水側(cè)所應(yīng)遵循的質(zhì)量、動量和能量守恒方程，并計及空氣和水之間的傳熱傳質(zhì)及摩擦。利用此模型，首先進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)性能的計算驗證。分析了在進(jìn)口參數(shù)發(fā)生變化后飽和器內(nèi)部傳熱傳質(zhì)、出口參數(shù)等的變化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)增大水氣比、提高進(jìn)口水溫或者進(jìn)口空氣溫度可以增強飽和器的濕化效果，但同時要注意到，通過增加進(jìn)口空氣溫度來提高飽和器的濕化效果比起增加水氣比或者進(jìn)口水溫要差的多。隨后還重點分析了在進(jìn)口參數(shù)變化后出口參數(shù)的動態(tài)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)如果

5、進(jìn)水量出現(xiàn)擾動，飽和器內(nèi)空氣側(cè)能夠很快地響應(yīng)水回路的變化，而在進(jìn)口水溫和進(jìn)口空氣溫度出現(xiàn)擾動時，飽和器的各個狀態(tài)參量也可以很快達(dá)到新的穩(wěn)定值。 與此同時，對該飽和器進(jìn)行了動態(tài)實驗驗證工作，實驗使用了上海交通大學(xué)渦輪機(jī)實驗室的大尺度飽和器模型實驗臺。在該實驗臺上完成了飽和器的熱態(tài)實驗，觀察和測量了進(jìn)口水流量發(fā)生變化后飽和器出口含濕量和出口空氣溫度的變化情況；實驗數(shù)據(jù)同理論計算進(jìn)行比較的結(jié)果，顯示兩者最大相差20％，說明理論模型還有

6、待進(jìn)一步完善和改進(jìn)，實驗精度也有待進(jìn)一步提高，而動態(tài)過程中變化趨勢上的基本一致，一定程度上又說明了所建立的理論模型的正確性。 由于水蒸汽的引入，工質(zhì)熱物性的變化，會使得透平在給定的幾何參數(shù)下，其特性有不同程度的變化。本文采用了常規(guī)的一元流動的分析方法，首先建立了透平基元級的性能模型，然后在基元級的基礎(chǔ)上完成了對整個透平性能計算模型的建立；利用此模型對不同加濕情況下透平的性能進(jìn)行比較分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著含濕量的增加，進(jìn)出口比容均有不

7、同程度的增加，透平整體的絕熱焓降、容積流量、作功量會增加，通過透平的質(zhì)量流量將減小，級組各級的反動度有不同程度的減小，而透平效率在不同含濕量下變化甚微；最后根據(jù)前面分析的結(jié)果，對HAT循環(huán)中燃?xì)馔钙降母脑焯岢隽顺醪降姆桨?。為解決壓氣機(jī)的匹配問題以及進(jìn)一步研究HAT循環(huán)的整體性能提供了必要的前提條件。 對換熱器模型而言，在質(zhì)量、動量、能量平衡的基礎(chǔ)上建立了沿冷熱流體各自流動方向的一維動態(tài)分布式仿真模型。計算了氣—氣換熱器和氣—水換

8、熱器的穩(wěn)態(tài)運行數(shù)據(jù)，然后對這兩種換熱器進(jìn)行了動態(tài)仿真試驗分析，發(fā)現(xiàn)氣—水換熱器在擾動產(chǎn)生后響應(yīng)時間非常長，而氣—氣換熱器的響應(yīng)時間則非?？欤梢院芸爝_(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值。 在完成上述各項關(guān)鍵部分的研究后，在EASY5平臺上建立了壓氣機(jī)模塊、燃燒室模塊、容積模塊、轉(zhuǎn)動慣量模塊，以此構(gòu)成了整個HAT循環(huán)動態(tài)仿真所需的模塊庫；搭建完成了HAT循環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型；分析了HAT循環(huán)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果認(rèn)為：簡單地將常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)