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摘要：IGV是压气机进口导叶控制系统，主要通过IGV叶片转角变化，实现对压气机空气流量有效控制。本分析了IGV控制系统在燃气轮机中实践应用，通过构建联合循环模型对控制原理进行解析，并对控制系统设计条件和产生具体结果进行说明，着重论述了燃气轮机参数，旨在说明余热和联合循环运行之间关系，并研究了联合循环运行优化策略，以期达到防喘振、提高联合循环效率目标。
关键词：IGV控制；运行优化；联合循环；先进燃气轮机
前言：研究表明，为保证燃气轮机稳定连续运行，达到理想的工作效率，需要将燃机的排气温度控制在较高的温度值，并保证温度值恒定不变。在实践应用环节，使用IGV控制系统满足相关控制条件是必然选择，即：当汽轮机在部分负荷运行状态下，通过关小IGV的方式减少空气流量，进而保持较高的温度值。文章结合联合循环模型，对这一控制理论进行了解释。
1建立联合循环模型
本文所研究联合循环的顶循环为燃气轮机，底循环为有机朗肯循环，有机工质对蒸发器所提供排气余热进行吸收，达到联合循环的目的。笔者出于对联合循环特性加以模拟的考虑，遂决定借助模块建模法，对子系统模型进行建立，具体如下：
1.1联合循环
1.1.1ORC透平
ORC透平对应输出功计算公式为：
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其中，qm,orc代表有机工质的质量流量，ηorc,t代表ORC透平的效率，ηe,orc代表发电机效率，h5o,s代表ORC透平处于等熵过程的出口焓，h4o代表入口焓。
1.1.2换热器
该循环所用换热设备以回热器、冷凝器和蒸发器为主，根据换热器传热系数，估计其运行特性。
单相换热区域可利用j因子对传热系数h进行计算，公式如下：
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其中，j代表传热系数，Pr代表普朗特数，Aflow代表自由流动面积，cp代表比定压热容，qm代表流体的质量流量。
两相换热区域可利用hlq及hv对h进行计算，公式如下：
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其中，hlq代表饱和液的传热系数，hv代表饱和汽的传热系数，h代表传热系数，ρlq代表饱和液密度，ρv代表饱和汽密度，χq代表蒸汽干度[1]。
1.1.3工质泵
底循环所用工质泵耗功的计算公式为：
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其中，Porc,p代表耗功，ηorc,p代表工质泵效率，h2o,s代表压气机处于等熵过程的出口焓，hlo代表工质泵的入口焓。
对有机工质的扬程及质量流量进行计算的原理与泵相似，即：
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其中，npump代表工质泵转速，Hpump代表工质泵扬程。
1.2燃气轮机
对燃气轮机功率起决定作用的要素为透平及压气机，本文将对二者工况进行建模。
1.2.1透平
计算透平输出功的公式如下：
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其中，Pt代表透平输出功，qm,g代表燃气质量流量，ηt代表透平效率，h5g,s代表透平处于等熵过程的出口焓，h4g代表透平的入口焓。
不同条件下，对透平效率及质量流量进行估计，可得到运行特性，公式为：
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其中，qm,t代表质量流量，ηt代表透平效率，T4g,des代表入口设计温度，T4g代表入口温度，Δn代表轮机转速偏差，n代表轮机转速，p4g,des代表入口设计压力，p4g代表入口压力，p5g,des代表出口设计压力，p5g代表出口压力。
计算透平效率所用显性解析式如下：
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1.2.2压气机
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其中，Pc代表压气机耗功，qm,air代表入口处空气的质量流量，h2g,s代表压气机处于等熵过程的出口焓，ηc代表压气机效率。
相较于透平，压气机运行所呈现出特性更加复杂，通常无法运用简单的显性解析式进行计算，笔者决定结合其通用特性曲线，对效率和质量流量加以估计。若主要考虑压力及环境温度给压气机特性所带来影响，可得出以下公式：
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其中，q*m,air代表折合质量流量，n*代表折合转速，T0代表环境温度，p0代表大气压力。对透平及压气机做同轴布置处理，则压气机转速和轮机转速运用相同计算公式。
1.2.3轮机运行
由于轮机透平、压气机与发电机所用设计方法为同轴设计，若对主轴摩擦损失加以考虑，对其输出功进行计算的公式为：
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其中，Pfr代表主轴摩擦损失，Pgt代表输出功，ηe,gt代表发电机效率。
2设计条件与结果分析
2.1设计条件
在额定工况下，本文所研究燃气轮机参数如下：.png)
相较于有机工质，甲苯具有更匹配燃气轮机的温度，此外，干工质特性的存在，确保甲苯即便经过透平膨胀，仍然不会出现进入两相区的情况[2]。对多方因素加以考虑后，笔者决定将甲苯作为有机工质，并借助滑压运行及相关方法，通过控制底循环的方式，确保其运行特性得到优化。
2.2结果分析
2.2.1策略优化
对IGV角度进行调节，可使进气质量流量发生变化，通过控制空燃比的方式，确保燃气轮机所提出运行要求得到满足。若外界负荷出现明显变化，仅需对IGV开度加以调节，便能够使轮机排气温度处于额定范围，能源的循环利用率自然可以得到提高。实验表明，IGV开度往往随着轮机负荷的降低而减小，其原理是通过对空气质量流量进行降低的方式，确保轮机排气始终具有理想温度。在负荷持续降低的情况下，其开度向最小全速角靠拢，达到最小全速角后，IGV开度将不会出现明显变化，此时，负荷继续降低，给空气质量流量所带来影响可以忽略不计。由此可见，在低负荷状态下，排气温度往往会呈现出快速下降的特点，而IGV开度固有调节功能的存在，使得排气质量流量变化趋势更接近于先下降再恒定，这点应当引起重视。
轮机温度最高处为透平入口，这也是轮机运行区间被限制的主要原因。上文提到控制策略均以运行区间为依托，通过将轮机排气温度维持在额定范围内的方式，确保透平入口无超温问题存在。如果外界负荷持续降低，透平效率降低的情况无法避免，此时，仍然利用上述策略对轮机排气温度加以控制，入口温度必然降低，而远离设计安全限值的入口温度，其运行区间往往更大，优化潜力不言而喻[3]。笔者结合仿真实验结果，决定采取对控制策略加以调节的方式，使联合循环特性得到优化。
全新控制策略如下：若外界负荷较高，重点是确保透平入口温度不变；若外界负荷降低，在将IGV调整到最小全速角的前提下，确保其角度不发生变化。实验证实，将IGV置于高负荷区间并将其调整为最小全速角后，轮机排气温度极高，这说明可供底循环利用的热量较多，具体情况如图1所示。综上，对原有策略进行优化，可使IGV的关闭速度得到显著提升。
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图 1 新旧策略对比
2.2.2温度影响
联合循环的底循环借助燃气轮机余热对循环效率进行提高，燃气轮机运行受环境温度影响较大，要想使联合循环运行得到优化，关键是以环境温度为切入点。结合可使透平入口温度处于合理范围的控制原则可知，若环境温度未达到15℃，有关人员可基于环境温度修正IGV开度，确保其关闭速度得到显著提升，在负荷达到70％时，燃气轮机已处于最小全速角状态。如果环境温度超过15℃，环境温度的作用则体现在修正关闭速度方面。对比优化前后的循环效率可知，强调环境温度的控制策略，可确保燃气轮机即便处于低温度、高负荷状况下，仍然能够表现出理想的循环效率。另外，若燃气轮机的负荷在70％至90％范围内，可使循环效率达到最优的温度往往是0℃，由此可见，将环境影响纳入考虑范畴，对优化循环特性目标的达成有积极作用。
结论：文章构建了联合循环模型，对IGV控制原理进行详细说明，并阐述了控制系统设计条件和产生的实际效果，明确汽轮机效率与IGV温控之间的具体联系。通过控制策略优化、研究温度影响和结果对比，促使联合循环运行效率达到理想值，全面提升汽轮机工作能力。
参考文献：
[1]孟凡刚,冯永志,刘占生,等.燃气轮机典型故障统计分析及运行维护[J].电气时代,2020(01):52-53+56.
[2]阎福华,武文杰.燃气轮机电厂氮氧化物排放与性能优化的研究[J].燃气轮机技术,2019,32(04):47-51.
[3]王庆韧,贺杰.燃气轮机尾筒密封件首轮国产化制造与挂机实验[J].广东电力,2019,32(11):54-62.