环境温度变化生物质气微型机组变工况运行及调节何特点?

文 | 威猛贝塔

编辑 | 威猛贝塔

●○前言○●

我们利用MATLAB/Simulink软件建立回热型微型燃气轮机联合循环模型，来研究不同燃料、环境温度对微型燃气轮机联合循环运行性能的影响，以天然气为燃料，验证模型的合理性，选取天然气、沼气和松木气等作为燃料。

在环境温度为15℃，机组的输出功率为100kW时，与天然气系统相比，电效率分别下降了0.19%和0.67%，联合循环热效率分别下降了0.22%和0.62%。

环境温度升高时，3种燃料系统的压气机入口空气流量减少，燃烧室出口温度和透平排烟温度升高，机组输出功率和电效率降低，而余热利用热效率和联合循环热效率升高，环境温度由5℃升高到20℃时，天然气、沼气和松木气系统的联合循环热效率分别由58.16%、57.99%和57.60%升高至62.62%、62.24%和61.46%，生物质气可作为优先替代燃料应用于燃气轮机。

当环境温度扰动时，控制系统进行保护动作，机组转速迅速恢复至1000rad/s，其他参数也重新恢复到稳定状态，增设控制系统可提高机组的运行性能。

●○机组变工况运行及调节理论基础○●

微型燃气轮机具有发电效率高、燃料可变性、环保等特点，微型燃气轮机的设计燃料主要有天然气和柴油等，我国生物质资源丰富，生物质能将对实现“碳达峰、碳中和”发挥重要作用，生物质经过热解、气化等方法。

可以得到含有可燃成分的生物质气，研究以生物质气为燃料的微型燃气轮机运行性能，对提高能源利用效率以及降低PM2.5、NO及SO2等污染物的排放具有重要意义。

等研究了生物质气作为燃料时微型燃气轮机运行的可行性，结果表明微型燃气轮机燃用沼气和木片气时，能够安全、有效地运行，认为微型燃气轮机改用生物质气为燃料是可行的。

但微型燃气轮机的性能有较大变化，研究了燃料成分变化对燃气轮机设计性能的影响，发现燃料成分影响火焰特性，包括热值和绝热火焰温度，同时，这些特性也引起燃气轮机的主要参数发生改变。

为此研究了不同生物质气初温变化，对微型燃气轮机联合发电系统运行特性的影响，结果表明，增设回热器和提高燃料初温均有利于减少联合发电系统中SO2、SO3的排放，环境温度变化会导致燃气轮机运行性能发生改变，环境温度的升高会导致微燃机的排烟温度与透平出口温度均增大，机组输出功率和发电效率减小。

研究了30kW回热式微型燃气轮机的变工况实验性能，结果表明在不同环境温度下，燃气轮机的电效率随输出功率的减少而下降，在燃气轮机的变工况研究方面，同时还建立了微型燃气轮机的全工况的动态数学模型，研究了微型燃气轮机从100%到0%范围内的全工况运行的动态特性及甩负荷动态特性，指出回热器对微型燃气轮机动态特性的影响较大。

并且还建立了微型燃气轮机动态模型及速度控制系统，并对动态模型进行了阶跃升负荷和甩负荷的仿真研究，仿真结果表明速度控制系统能够满足转速调节的要求，并具有较好的稳定性。

微型燃气轮机在偏离设计工况时能够稳定安全地运行需要依靠控制系统，在MATLAB/Simulink中建立了微型燃气轮机发电系统完整的数学模型，并分析微型燃气轮机系统孤网带负荷时的动态特性，模拟了机组变负荷过程。

结果表明模糊PID控制的微型燃气轮机发电系统具有良好的控制性能，满足微型燃气轮机发电机组灵活控制的需求，在传统PID控制的基础上，提出用遗传和粒子群算法来对PID参数进行寻优，验证了改进PID控制的微型燃气轮机转速控制系统具有很好的控制效果，结果表明速度控制系统能够满足转速调节的要求，并具有较好的稳定性。

当外界环境温度或者机组负荷改变时，就会引起机组转速、排烟温度等参数一定幅度的波动，而燃料成分的变化也会引起机组运行性能的大幅改变，因此，有必要对环境温度变化后，针对不同种类的燃料气，对微型燃气轮机的动态性能进行仿真研究，并通过构建控制系统模型，确保机组可以安全稳定地运行。

以100kW微型燃气轮机联合循环系统为研究对象，基于MATLAB/Simulink仿真平台，建立了微型燃气轮机及余热利用系统的整体动态模型，以天然气、沼气和松木气为燃料，研究了环境温度变化时不同燃料系统的运行性能，并通过控制系统的调节，分析了环境温度升高或降低后燃气轮机的主要参数响应，更好地为环境温度变化时机组稳定运行提供理论支撑。

回热型微型燃气轮机及其联合循环机组主要包括微型燃气轮机以及余热锅炉，主要的部件有压气机、回热器、燃烧室、透平和发电机等部件以及余热锅炉，其组成及工作过程如图1所示。

从图1可看出，压气机从外界大气环境吸入空气，并逐级压缩，空气的温度与压力随之升高，压缩空气进入回热器，吸收透平排烟的热量，温度进一步升高，回热器出口空气与喷入的燃料在燃烧室混合燃烧，产生高温高压的燃气。

燃气进入透平膨胀做功，带动发电机发电，余热锅炉回收利用回热器出口烟气来加热给水，微型燃气轮机联合循环系统主要的输入变量包括压气机进口的空气温度及压力、燃料室进口的燃料气温度、压力。

基于Matlab搭建了回热型微型燃气轮机及余热利用系统的整体模型，在此基础上建立了微型燃气轮机控制系统模型，微型燃气轮机及控制系统主要由微型燃气轮机模块、转子模块和控制系统模块组成，其示意图如图2所示。

工作原理：环境温度变化，透平输出功率与压气机消耗功率随之改变，导致机组输出功率的变化，机组输出功率与功率给定值之间产生偏差，引起转速的变化，转速控制系统接收到转速变化信号，将转子实际转速与额定转速的差作为输入信号送入转速控制器，产生转速校正需求信号。

同时加速度控制系统限制转子的加速度，使其不超过给定值，温度控制系统将透平排烟温度与预设温度之间的差值送入温度控制器，产生温度校正需求信号，这3种控制系统将生成相应的燃料基准值，经最小值选择器输出最小值，再通过燃料控制器改变进入燃烧室的燃料流量，从而使机组的转速和功率重新达到给定值。

微型燃气轮机选取的燃料分别为天然气、沼气和松木气，在环境温度为15℃时，使机组输出功率为机组设计负荷100kW，得到不同的燃料气流量，然后改变环境温度，设环境温度为5、10、15和20℃，观测微型燃气轮机及余热利用系统的性能。

以天然气、沼气和松木气为燃料，环境温度为15℃，机组在设计负荷下运行，若环境温度从15℃阶跃下降10℃或由15℃阶跃上升至20℃，观测微型燃气轮机及余热利用系统主要输出的响应。

●○结果分析○●

以TurbecT100型微型燃气轮机的设计参数为基础，以天然气为燃料，利用所建立的回热型微型燃气轮机联合循环模型对机组性能进行仿真研究。仿真结果与T100微型燃气轮机设计参数比较结果如表2所示。

由表2可知，压气机的压比和效率、燃气流量、透平效率和机组输出功率与设计参数相同，燃烧室出口温度、透平排烟温度与机组电效率同设计参数相比，相对误差均在允许范围内，与设计参数吻合较好，仿真模型基本合适。

在环境温度为15℃条件下，利用天然气、沼气和松木气，维持压气机在设计工况下运行，当机组输出功率达到100kW时，3种不同燃料对应的机组的主要性能指标如表3所示。

从表3可看出，随着燃料的热值降低，生物质气燃料流量和燃气流量增大，天然气燃料流量为0.007169kg/s，燃气流量为0.79kg/s，沼气和松木气流量分别增大了1.431、8.061倍，而燃气流量只增大了0.013、0.073倍。

天然气系统的燃烧室出口温度为1152K，透平排烟温度为881.4K，回热器排烟温度为520.5K，回热器出口空气温度为855.9K，与天然气系统相比，沼气和松木气系统的燃烧室出口温度分别下降了11、64K，透平排烟温度分别下降了7.2、49.2K，回热器排烟温度分别下降了0.7、5.3K，回热器出口空气温度分别下降了2.1、24.8K。

燃气流量增大导致透平偏离设计工况运行，透平效率下降，同时机组电效率降低，天然气系统的电效率为27.87%，沼气和松木气系统的电效率分别下降了0.19%、0.67%。随着生物质气热值的降低，余热锅炉中加热水量和水的吸热量增加，天然气系统的加热水量为0.5697kg/s，水的吸热量为119.628kJ/s。

与天然气系统相比，沼气和松木气系统的加热水量分别增加了0.0038、0.015kg/s，水的吸热量分别增加了0.812、3.163kJ/s。3种燃料系统的余热利用热效率接近，约为33%，天然气系统的联合循环热效率最高，为61.21%，生物质气系统的联合循环热效率略有降低，分别降低了0.22%、0.62%。

天然气、沼气和松木气系统的燃料流量分别保持为0.007169、0.017430和0.064960kg/s，当环境温度从5℃变化到20℃，微型燃气轮机联合循环系统的运行性能的变化过程如图3所示。

从图3可看出，当环境温度由5℃升高到20℃时，3种燃料系统的压气机入口空气流量由0.8110kg/s逐渐降低到0.7695kg/s，相对降低了5.12%，压气机效率由87.13%逐渐降低至74.74%，相对降低了14.22%。

环境温度升高时，天然气系统燃烧室出口温度由1117K逐渐升高至1213K，相对升高了8.59%，透平排烟温度由855.1K逐渐升高至944.4K，相对升高了10.44%，机组输出功率由110.23kW逐渐降低至91.67kW，相对降低了16.84%。

机组电效率由30.72%逐渐降低至25.55%，相对降低了16.83%，余热利用效率由27.44%逐渐升高至37.08%，相对升高了35.13%，联合循环热效率由58.16%逐渐升高至62.62%，相对升高了7.67%，沼气和松木气系统与天然气系统的性能参数变化趋势相同。

环境温度为5℃时，3种燃料系统的机组输出功率最大，分别为110.23、110.55和111.25kW，机组电效率最高，分别为30.72%、30.58%和30.25%，环境温度降低，使机组输出功率和电效率升高，环境温度为20℃时，3种燃料系统的燃烧室出口温度最高，分别为1213、1199和1135K。

透平排烟温度最高，分别为944.4、934.9和884.5K，余热利用效率最高，分别为37.08%、37.02%和37.05%，联合效率最高，分别为62.62%、62.24%和61.46%。

●○作者观点○●

维持机组的输出功率为100kW，压气机的运行性能不变，利用生物质气替代天然气，燃气轮机的电效率和联合循环热效率略有降低，但仍然能够达到60%以上，微型燃气轮机改用生物质气为燃料时机组的运行性能良好。

随着环境温度逐渐升高，3种燃料系统的机组输出功率和电效率逐渐降低，余热利用效率和联合循环热效率均逐渐升高，由此可见，低温环境有利于提高机组的输出功率和电效率，而高温环境有利于提高机组的余热利用热效率和联合循环热效率。

当存在环境温度扰动时，机组偏离设计工况运行，利用控制系统调节机组燃料流量，可以使机组各性能参数重新达到新工况下的稳定状态，以满足机组运行要求，使机组运行性能得到了提高。