2.1 叶轮机械运行特性
在以40 g/mol的氦氙混合气体工质为设计基准的系统中,当所运行的工质组分发生变化时(摩尔质量30、40、50、60 g/mol分别对应混合气体中的氦气体积分数为80%、72%、64%、56%),系统的启动加载特性线同样发生变化。图 3为不同气体组分下的系统启动加载曲线,由于采用了零功率升速的方法,因此升速过程曲线为共同工作线。从计算结果可知,随着气体组分的变化,共同工作线将发生偏移。当气体摩尔质量变小时(氦气过充),共同工作线向着靠近压气机喘振线的方向移动; 当气体摩尔质量变大时(氦气泄漏),共同工作线向远离压气机喘振线的方向移动。
图3 不同气体组分下的系统启动加载曲线
Fig.3 System startup-loading curves under different gas compositions
由此可知,当系统启动前如果氦气多于设计比例,则容易减小压气机的喘振裕度,可能影响系统的正常启动。在这种情况下,一种方法是采用补入氙气的方式使得氦氙组分达到设计值; 另一种方法是在启动时控制电机升速时间,使得电机处于小功率电动状态,将启动线往右侧移动,这种方法将消耗更多的启动功率。
图4为系统在不同组分的氦氙气体下从0加载到满功率输出的工作曲线对比。可以看到,随着混合气体摩尔质量的增加,整个加载过程的流量变化范围更大且都运行在同一条转速特性线上。原因在于对于一个完成设计的压气机,修正转速只和入口温度有关,因此在不同气体组分下的加载过程都是沿着额定转速线变化。另外,除了设计工况,无论气体摩尔质量增加还是减少,在达到100%输出时,压气机的喘振裕度都会减小,具体数据见表 1。从表1中数据还可以发现,当气体组分与设计点发生偏离,且氦气组分降低(混合气体摩尔质量升高)时,要达到满功率输出,必须提高涡轮入口温度。因此,无论是从压气机运行裕度还是涡轮材料考虑,气体组分发生偏离都是不利的因素。另外,从图4中还可以看到,在不同气体组分下,系统从0~100%加载过程中,流量变化在5%~15%之间。因此,流量的准确测量是进行组分精确分析的关键。
图4 不同工质加载过程对比
Fig.4 Comparison of loading processes with different working fluid
表1 不同工质加载始末的压气机喘振裕度及满载时涡轮温度
Tab.1 Compressor surge margin and turbine temperature during loading process with different working fluids
2.2 回热器运行特性
由于组分变化,在固定负荷率下所需的涡轮入口温度不同,因此会导致回热器热侧入口温度发生变化。图5为不同组分氦氙气体在系统不同负荷率下的回热器热侧入口温度变化。
图5 不同组分气体在不同负荷率下的回热器热侧入口温度
Fig.5 The inlet temperature of the hot side of the regenerator with different gas components under different load rates
从图5中可以看到,当混合气体中氦气组分减小(即摩尔质量增加)时,在100%输出功率条件下,热侧入口温度相比设计工况需要提高80 K左右; 在0~100%范围内功率变化时,摩尔质量高的气体在回热器热侧入口的温度变化相对更大(30 g/mol和60 g/mol气体的温度变化分别为62 K和100 K)。由此可见,当混合气体中氦气组分减少时,对回热器的运行也是不利的。