23046

بهينه‌سازي يك توربين گاز دومحوره صنعتي به منظور بهبود انعطاف پذيري در عملكرد

دكتري

تبديل انرژي

1391

1399/10/01

دكتر سپهر صنايع

مكانيك

در اين تحقيق يك روش نوين جهت تعيين مقدار پارامترهاي طراحي در يك توربين گاز دومحوره صنعتي در دماهاي مختلف محيط ارائه شد. توان خروجي موتور به عنوان تابع هدف در بهينه‌سازي موتور با استفاده از الگوريتم ژنتيك انتخاب شد. پارامترهاي طراحي عبارتند از زاويه پره¬هاي راهنماي ورودي كمپرسور، دماي خروجي توربين و زاويه پره¬هاي نازل ورودي توربين توان. قيد‌هاي مورد استفاده در بهينه‌سازي عبارتند از حاشيه سرج كمپرسور و همچنين عمر پره‌هاي توربين (پره‌هاي متحرك طبقه اول توربين). تخمين عمر پره‌هاي توربين در حين بهينه‌سازي با استفاده از يك الگوريتم شبكه عصبي آموزش داده شده انجام گرفت. نتايج شبيه‌سازي موتور با استفاده از روش كنترلي بهينه TIN نشان مي¬دهد كه اين روش در بازه دماي محيطي 25 تا 45 درجه سلسيوس منجر به افزايش توان توليدي موتور از 3 تا 3/4 درصد و افزايش راندمان حرارتي موتور از 09/0 تا 34/0 درصد نسبت به مود كنترلي موجود موتور كه كنترل بر اساس دماي خروجي موتور است، خواهد شد. ضمن اينكه مود كنترلي بهينه TIN حاشيه سرج كمپرسور را حفظ كرده و همچنين قيد عمر پره توربين در محدوده 40000 ساعت را نيز حفظ مي‌كند. در بخش دوم اين تحقيق تاثير تغيير هندسه توربين توان بر شرايط گذراي سريع يك توربين گاز دو محوره صنعتي بررسي شد. ابتدا مدل ديناميكي موتور با استفاده از منحني¬هاي مشخصه تك تك اجزاء موتور ارتفاء داده شد و نتايج حاصل از مدل با اطلاعات ارائه شده توسط سازنده موتور در شرايط گذرا صحت آزمايي گرديد. سپس تاثير افزايش شيب تزريق سوخت بر پارامترهاي عملكردي موتور از قبيل سرج كمپرسور و خاموشي شعله در محفظه بررسي شد. نتايج نشان داد كه در شرايط افزايش بار، افزايش شيب تزريق سوخت موجب حركت نقطه عملكرد موتور به سمت خط سرج كمپرسور شده و در شرايط كاهش بار، افزايش شيب سوخت موجب كاهش نسبت سوخت به هوا و خاموشي شعله مي¬گردد. نهايتا با استفاده از تغيير هندسه توربين توان، چالش¬هاي سرج كمپرسور و خاموشي شعله در شرايط گذراي سريع تا حدودي رفع گرديد. به عنوان مثال در افزايش بار با شيب سوخت 0084/0 كيلوگرم بر مجذور ثانيه (سه برابر شيب سوخت نرمال موتور مورد مطالعه است) و دماي محيط 40 درجه سلسيوس حداقل مقدار حاشيه سرج كمپرسور، در اثر باز كردن NGV به اندازه 2 درجه، حدود 6/13 درصد افزايش يافت و در كاهش بار سريع بار با شيب سوخت 0.0084 كيلوگرم بر ثانيه از طريق بستن زاويه NGV به اندازه 3 درجه، متوسط حاشيه پايداري شعله در بازه دماي محيط 15 تا 40 درجه سلسيوس، به مقدار 6/4 درصد افزايش يافت كه اين به معني عملكرد ايمن‌تر توربين گاز به لحاظ سرج كمپرسور و پايداري احتراق است.

1399/10/30

Optimization of an Industrial Twin Shaft Gas Turbine for Improving the Operational Flexibility

12/22/2021 12:00:00 AM

This thesis is performed to develop novel procedures for improving industrial Gas Turbine (GT) operational flexibility. The engine peak loading while preserving hot section parts life) and engine fast load increase/decrease (considering compressor surge and combustion lean blow out limits) were considered as two main aspects of GT operational flexibility. For improving the GT peak loading capability the power output is selected as an objective function in optimization procedure with Genetic Algorithm. Design parameters are compressor Inlet Guide Vane (IGV) angle, Turbine Exit Temperature limiter (TET limiter) and power turbine Inlet Nozzle Guide Vane (NGV) angle. The novel constrains in optimization are compressor surge margin and turbine blade life cycle. A trained neural network is used for life cycle estimation of high pressure (gas generator) turbine blades. The gas turbine modeling is performed by applying compressor and turbine characteristic maps and using thermodynamic matching method. Results for optimum values for NGV/IGV (23º/27º to 27º/6º) in ambient temperature range of 25 to 45 ºC provided higher net power output (3 to 4.3%) and more secured compressor surge margin in comparison with that for GT by Turbine Exit Temperature (TET). GT thermal efficiency also increased from 0.09 to 0.34 % (while the GG turbine first rotor blade creep life cycle was kept almost constant about 40000 hours). Meanwhile the averaged values for (TET /TIT) changed from (831.2/1475 ºK) to (823/1471 ºK) respectively which shows about 1 % decrease in TET and 0.3% decrease in TIT. At second section of this reseach the effect of increasing fuel injection ramp on transient operation of an industrial twin shaft gas turbine (GT) is investigated using dynamic GT simulation and the combustion Lean Blow Out (LBO) margin. First, the engine dynamic model was developed using the transient form of mass and energy balance equations and characteristic curves for each engine component. The model is developed in MATLAB/SIMULINK software and results of the model are verified by comparing against the reference data of the GT manufacturer at transient condition. Also, the combustion Lean Blow Out (LBO) margin was extracted using the featured plan method by CFD simulation of the combustor. Then the effect of increasing fuel injection rate on the GT transient operation is investigated. The results demonstrate that, in load increase condition; increasing the GT fuel injection ramp caused the moving of the engine operating point toward compressor surge line. While, in load reduction condition, the fast decrease of fuel injection rate, reduced fuel/air ratio and in some cases led to combustion LBO. Finally, the modulation of the power turbine inlet Nozzle Guide Vane (NGV) angle was used to tackle these problems. For instance, at fast loading condition, the compressor minimum surge margin increased by about 13.6% by opening the NGV for fuel increase rate of 0.0084 kg/s2 (three times the normal GT fuel injection slop) and ambient temperature of 40 C. Also, at fast load decrease condition the NGV closing improved the averaged combustion LBO margin by 4.6% at ambient temperature range of 15 to 40 C and fuel injection rate of -0.0084 kg/s2 (three times the normal GT fuel injection ramp).

توربين گاز , بهينه سازي , توان توليدي , عمر پره توربين , ، شبكه عصبي , عملكرد ديناميكي

Power augmentation , Twin shaft gas turbine , Genetic Algorithm , Blade life cycle , Neural Network , Fast transient