整体煤气化联合循环IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle)技术是我国燃煤动力产业提高效率和降低污染的主要出路之一,已受到能源利用领域的广泛关注。由于目前我国重型燃气轮机整体技术的发展还有一段相当长历程,而其所依托的重型燃气轮机主要是建立在国外大公司(GE、西门子、三菱)燃烧天然气机组改造的基础上进行的。因此,解决燃料气置换后必将面临对IGCC进行整体热力性能、通流能力估计和喘振边界重新设定等一系列研究工作。本文正是在此背景下,以国家973项目子课题研究内容为依托,开展工作并撰写论文的。主要研究内容:1、通过数值模拟方法建立了不同燃气轮机系统热力分析模型并进行了性能校核:首先建立了PG6561B的燃气轮机模型和某E级重型燃气轮机模型,并完成了设计点的性能校核;同时建立了某F级重型燃气轮机模型,并校核了使用该型燃气轮机的某联合循环电站的系统性能;最后为验证模型的适用性,建立了某航空辅助动力装置APU(AuxiliaryPower Unit)的小型燃气轮机模型,并进行了高原启动性能校核。2、针对PG6561B、E级燃气轮机和F级燃气轮机,在不同情况下,分别建立了改烧合成气的燃气轮机变工况模型,并对各机组改烧中低热值合成气的性能进行了分析和比较,同时提出了F级燃气轮机随环境温度变化的控制策略;针对小型燃气轮机APU模型,对其高空高速的变工况性能进行了分析诊断,并提出了相应的改型设计建议。通过对不同型号燃气轮机建模校核、合成气燃气轮机不同工况的数值模拟结果进行分析,可以得到如下主要结论:1) PG6561B型燃气轮机改烧合成气后在无特性线、无具体抽气冷却参数的条件下,在满足整机输出功率和效率的前提下,在计算收敛点可能存在多个不同工况,因此,燃气轮机在无特性线情况下,无法保证变工况模型的准确性。2)某E级重型燃气轮机燃烧合成气的不同改型方案的性能分析结果表明:燃气轮机改烧中低热值合成气后,通过采用增大透平第一级喷嘴喉部面积,同时降低燃烧室出口温度方法得到的机组效率最高;如果在保障燃气轮机机组安全的前提下,提高压气机压比可以进一步提高机组效率和输出功率;进口导流叶片IGV(inlet guide vane)调节必须配合放气或燃烧室温度降低等措施,否则,压气机压比及整机效率下降明显。3)建立了某F级重型燃气轮机完整性能预估模型,并进行系统控制策略的分析结果表明:随着环境温度的降低,需要对燃气轮机进行透平输出功率限制,调节压气机导叶,可降低透平输出功率,有效缓解轴功增加过多的问题。随着环境温度升高,采取小量放气方法明显增大了压气机稳定工作裕度,可以有效地保证压气机工作在稳定工作范围内,但燃气轮机工作效率及输出功率下降较多;调节导叶方法更适用于压气机喘振裕度较大的情况,可以更好地保证燃气轮机效率。4)在航空APU模型建立及性能分析计算中,对APU进行了海平面特性分析,高原性能分析及高空特性分析,结果表明:目前APU性能无法满足高原启动及高空特性要求,提出了为达到高原启动性能要求,需要重新设计引气压气机的建议,建议将压气机的压比提高14%,流量提高5%。综上所述,本文借助软件平台,通过对一系列不同型号、不同应用范围的燃气轮机建模研究,已经能够建立燃气轮机全工况性能预估模型,模型应用范围较广(包括发电用重型燃气轮机和航空用轻型燃气轮机),并可以在一定程度上准确地对燃气轮机的全工况性能进行预测,同时在燃气轮机改型设计和控制分析的数值模拟方面也积累了一定的经验。