第３４卷第４期 ２０１２年４月 舰船科学技术 Ｖｏ１．３４，Ｎｏ．４ Ａｐｒ．，２０１２ ＳＨＩＰ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ 发电用燃气轮机动态性能仿真 栾永军，孙 鹏，李东明，俞世康，董 斌 （中国船舶重工集团公司第七。三研究所，黑龙江哈尔滨１５００７８） 摘 要：针对发电用燃气轮机，基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真平台构建其仿真模型。使用仿真模型，计算在电网 负荷波动以及机组甩负荷的情况下燃气轮机的动态特性。参照电网指标，通过优化控制策略，给出电网负荷变化时 燃气轮机的响应特性。 关键词： 燃气轮机；发电；仿真 中图分类号：Ｕ６６４．１３１ 文献标识码： Ａ 文章编号： １６７２－７６４９（２０１２）０４—００５１－０６ ｄｏｉ：１０．３４０４／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—７６４９．２０１２．０４．０１ １ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｓｅｔ ＬＵＡＮ Ｙｏｎｇ—ｊ．ｎ，ＳＵＮ Ｐｅｎｇ，ＬＩ Ｄｏｎｇ－ｍｉｎｇ，ＹＵ Ｓｈｉ—ｋａｎｇ，ＤＯＮＧ Ｂｉｎ （Ｔｈｅ ７０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＳＩＣ，Ｈａｒｂｉｎ １ ５００７８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｎ ｗｉｔｈ Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｏｒ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｓｅｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｉｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｌｏａｄ ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ ａｎｄ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｉｓ ｍｏｄｅ１．Ｂａｓｅ ｏｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔａｎｄａｒｄ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ，ａｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｃａｎ ｂｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ；ｇｅｎｅｒａｔｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ■ Ｏ 引 言 燃气轮机作为供能设备已广泛应用于诸多领域， 尤其用作发电动力设备，无论是军用还是民用，装机 数量逐渐增多。当燃气轮机用于发电时，其输出转速 式中：ｎ为输出转速；Ｎ。 为输出功率；Ｎ 为电网功 率；Ｊ为转动惯量。 参照式（１）可分析得出： 当Ⅳ】 减少或为０时，ｄｎ／ｄＴ＞０，输出转速上 升，为使ｎ快速稳定到恒定值，需迅速降低输出功率 Ⅳ。 。迅速降低Ⅳ。 可通过快速降低工质燃气的总焓 实现。降低燃气总焓，有２种方法：一是减少用于燃 烧的空气量；二是减少喷入燃烧室内的燃油量。为实 为恒定值。当电网负荷波动或机组甩负荷时，燃气轮 机输出转速需快速稳定回恒定值，以防电力系统输出 频率长时间内不稳定而造成用电设备损坏。 本文建立某型燃气轮机用作发电时的仿真模型， 现快速降低总焓的目标，需２种方法综合作用。实现 手段为在压气机后设有放气阀用于放空气，在燃料系 统需装备调速器用于根据转速变化快速切油并且保 障燃烧室内不会发生贫油熄火。 通过模型仿真计算结合我国电网指标，给出电网负荷 变化时燃气轮机的响应特性。 １ 发电控制策略 为确保电网负荷波动或机组甩负荷时，燃气轮机 输出转速能快速稳定回恒定值。转子平衡方程式为： １ ： 当Ⅳ 增大时，ｄｎ／ｄ￣＜０，输出转速降低，为使ｎ 快速稳定到恒定值，需迅速增加喷入燃烧室内燃油量 进而增加输出功率Ⅳ。 。迅速增加Ⅳ ，需防止快速 增加喷油量而导致的富油熄火，还要防止燃气温度过 高触发涡轮叶片的超温保护进而导致机组故障停机。 ， 、‘（Ⅳ ｏｕｔ 一Ｎｌ１ｏａ，ｄ），ｌ，， （１）＼‘， 收稿日期：２０１１－０３－２８；修回日期：２０１１－０４－２５ 作者简介：栾永军（１９８３一），男，工学硕士，工程师，研究方向为燃气轮机控制及仿真等。 ・５２・ 舰船科学技术 第３４卷 因此，为使燃气轮机输出转速能快速稳定回恒定 ＝值，需针对上述分析开展燃气轮机动态性能仿真研 究，并通过相应控制策略实现。 等ｃ Ｇ 。 式中：Ｐ，Ｔ，Ｇ Ｇ ，分别为纯容积连接段内压力，温 度，进、出口工质的质量流量；Ｒ 为工质的气体常数。 ２ 建模方法 基于容积惯性法建立燃气轮机非线性仿真模型， 该方法避免了微分方程右函数计算中的迭代，简化了 ３ 数学模型 基于容积惯性法，建立燃气轮机部件数学模型以 仿真计算流程，提高了模型的灵活性和通用性。 在建模过程中，将燃机看作由压气机、涡轮等转 动部件和包括燃烧室在内的流动连接段串联而成。 连接压气机和涡轮的转轴建立了机械联系，而流动连 接段则基于容积惯性建立了各转动部件间的气动关 系。容积惯性法示意图如图１所示。 厂 ＼ Ｐ Ｐ Ｐ，ｈ ＾ 吡 Ｇ Ｇ呲 ／ 图１ 容积惯性法示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｒａｗｉｎｇｓ ｏｆ ｖｏｌｕｍｅ ｉｎｅｒｔｉａ 假定容积内压力均匀，用１个集总压力Ｐ来表 示，做功流体为理想气体，忽略流体间的动量。质量 守衡如下式： －Ｇｉ 一Ｇ 。 （２） 式中：ｐ为容积中气体密度；Ｖ为容积体积；Ｇｉ 为流 经容积进口截面的气体的质量流量；Ｇ 为流经容积 出口截面的气体的质量流量。 将工质近似为理想气体处理，有 Ｐ ’ ｎ』 即Ｐ＝ Ｐ，Ｔ）。 因此，式（２）化为： ｐ ｄ ａ＋筹警＝ ｄ￡ 。 ㈩ 对于纯容积连接段，忽略容积内工质同外界的传 热及进出口的压差，有 Ｔ＝Ｔ ： ； ． 又因为 Ｏｐ１ ——ａｐ Ｒ Ｔ 式（３）可化简为： 及部件间匹配原则。 ３．１压气机模型 已知压气机输入端参数（入口压力Ｐ 出口压力 Ｐ。 ，人Ｅｌ温度 ，转速ｎ），计算输出端参数（入口空 气流量Ｇ 出口空气流量Ｇ ，出口温度 叭ｎ，消耗功 率Ⅳ ）的步骤如下： １）叮ｒ＝Ｐ。 。／Ｐ。 ，叮Ｔ为压气机压比； ２）ｎ；＝ｎ／√ ｉ ／２８８．１５Ｋ，ｎ：为折合转速； ３）（Ｇ ，叼）＝ 百，ｎ ），Ｇ 为入口空气折合流量，叼 为压气机绝热效率， 可通过压气机特性曲线求解； ４）Ｇｉ ＝Ｇ ・Ｐｉ ／１０１３２５ Ｐａ・￣／２８８．１５Ｋ／Ｔｉ ； ５）Ｇｉ 一Ｇ ：Ｇ ，Ｇ 为压气机抽出的空气流量； ６）由物性计算可得： 入口比焓Ｈ ＝ Ｔ ０），入口熵函数 ｉ ＝ Ｔ ０），理想熵函数 ：＝ ． ｉ ＋ｌｇ－ｒｒ，由二分法求出 ． ， Ｈ２． ＝，（Ｔｚ． ，０）； 比功Ｗｃ＝（日２一． 日ｉ ）／７／； 出口比焓Ｈｍ儿＝Ｈ ＋Ｗ。，出口温度由二分法求 出Ｔ。 ＝厂（Ｈ。 。，０）； ７）消耗功率 Ｎｃ＝Ｇｉ ・Ｗｃ—Ｇ ・Ｗ Ｇ ・Ｗ 为压气机因抽气 而少消耗的功率； 对于不同的压气机模型，只需进行更换特性曲线 及设置抽气情况等操作即可。 ３．２涡轮模型 已知涡轮输入端参数（入口压力Ｐ ，出口压力 Ｐ ，入口温度 转速／＇ｔ），计算输出端参数（入口空 气流量Ｇ 出口空气流量Ｇ。 ，出口温度 ，输出功 率Ⅳ ）的步骤如下： １）１Ｔ＝Ｐｉ ／Ｐ。 ，叮Ｔ为涡轮膨胀比。 ２）ｎ：＝ｎ／√ ／２８８．１５Ｋ，ｎ 为折合转速。 ３）（Ｇ ，叼）＝，（１Ｔ，ｎ ），Ｇ；为入口燃气折合流量， 为涡轮绝热效率，，可通过涡轮特性曲线求解。 第４期 栾永军，等：发电用燃气轮机动态性能仿真 ・５３・ ４）Ｇ ＝Ｇ：・Ｐｉ ／１０１３２５ Ｐａ・４２８８．１５Ｋ／Ｔｉ 。 ５）Ｇｉ ＋ｇ ¨＝Ｇ ，ｇ ２为非入１５导叶处引入的 冷却涡轮叶片空气量。 ６）由物性计算可得：． 入口比焓Ｈｉ ： Ｔ ，人Ｉ：Ｉ熵函数 ｉ ＝厂（Ｔｉ ， ，理想熵函数 ． ＝ ｉ 一ｌｇ叮Ｔ，由二分法求出 ；， ，Ｈ２＝ ． ． ， ； 比功加ｒ＝（日ｉ 一日２． ）。叼； 出口比焓Ｈ。 ＝Ｈｉ 一 ，出口温度由二分法求 出Ｔｏ 。＝ Ｈ。 。， 。 ７）输出功率Ｎ，＝Ｇ。 。・Ｗ 。 ８）需要注意的是，计算中的 实际上并不等同 于前一部件出口的温度，而是涡轮入口导叶气流掺混 后的温度，即 —ｆ ， 前一部件工质的总焓＋掺 窒气 鳖——＼ ‘ Ｉ前一部件的工质流量＋涡轮人口导叶处掺混的空气量／。 式中：＿厂 代表二分法由比焓求温度。 ９）ｇ Ｉ＋ｇ ２＝Ｇ 一 ，其中：ｇ 川为涡轮人１：３ 导叶处掺混空气量；ｇ 为涡轮其他注气位置掺 昆； ｇ ｒ日为压气机中放气量；Ｇ 为压气机中抽气量。 １０）物性计算步骤６）中，变量 为油气比；当有 冷却空气掺混时，涡轮模型进出口油气比有差异。 １１）对于不同的涡轮模型，只需进行更换特性曲 线及设置注气掺混情况等操作即可。 ３．３纯流动连接段模型 ｄ￡ ： （Ｇ “ Ｇ ），ｕｕ¨ 式中：Ｒ 为工质的气体常数。 ： ———— — ，， ｋＪ／（ｋｇ．Ｋ）…。’＿）Ｌ． 。 当工质为空气时，油气比＿厂为０。 ３．４燃烧室模型 燃烧室模型可看成是纯流动连接段模型和燃烧 放热模型，燃烧放热模型基于下式： ＝［５２２．８３６堋 ‘舌 ５８５７ ㈤】＋ ， ，、［２］ （０．０１・Ｔ ５）。（ ５—１０００’寺）。 式中： ｉ 为燃烧室人Ｅ１空气温度；Ｔ叭儿为燃烧室出口 燃气温度；ｆ为油气比；０＝４１６１３／（叼・Ｈｕ）为修正系 数， 为燃料的完全燃烧系数，日“为燃料低热值。 ３．５ 转子模型 ＝ ３０（ Ｍｃ）＝ （ ， 式中：／７，为转子的转速，ｒ／ｍｉｎ；Ｊ为为转子的转动惯 量，ｋｇ・ｍ ；Ｎ，为涡轮输出功率，Ｗ；Ｎ。为压气机消 耗功率，ｗ。 ３．６放气模型 进行放气时，数学模型如下： ｉｆ ∈（ ０， １） ｋ＝１； ｅｌｓｅ ｋ＝０； ｅｎｄ Ｇｏｕｔ＝ｋ ｇ： 值域（ 。， ）代表某种放气机制，ｇ为放气量， Ｇｏｕｔ为实际放气效果。当参数 满足放气机制时， 输出ｋ＝１，实现放气；不满足时则输出 ＝０，不放气。 ３．７调速器模型 调速器主要由调速控制器与调速执行器２部分 组成，输入为给定转速与反馈转速，经比较后送控制 器（Ｐ，ＰＤ，ＰＩ或ＰＩＤ）运算后输出油门位置给定值， 再经执行器放大后输出油门位置信号至喷油泵。根 据其各元部件之间的相互关系可分解为如图２所示 的模块结构。 图２调速器模块化结构 Ｆｉｇ．２ Ｍｏｄｕｌａｒｉｚｅｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ３．８部件匹配原则 当燃气轮机发电模块稳定运行时，部件间的匹配 需满足如下原则： １）压气机与涡轮的功率平衡，即高、低压涡轮的 输出功率×机械效率一附件耗功＝高、低压压气机消耗 功率； ２）压气机与涡轮的转速平衡，即高、低压压气机 转速＝高、低压涡轮转速； ３）流经整个燃气轮机发电模块原动机的质量流 量平衡，即压气机入口空气流量＋燃油流量一放气量＝ 涡轮出口燃气流量； ・５４・ 舰船科学技术 第３４卷 ４）压气机增压比与涡轮膨胀比的平衡，即增压 比×压力恢复系数＝膨胀比； ●—＋ ｌ ＿◆ ５）动力涡轮与负荷的平衡，动力涡轮输出功率× 机械效率＝负荷消耗功率。 ■■Ｉ Ａｄｄ ４ 仿真模型 依据已建立的数学模型，构建某型发电用燃气轮 ＇ ｎ阳￣Ｌ——一ｊ 机仿真模型，部件模型如图３～图９所示。 图３压气机仿真模型 Ｆｉｇ．３ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ 图４涡轮仿真模型 Ｆｉｇ．４ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｕｒｂｉｎｅ 图５ 纯流动连接段仿真模型 Ｆｉｇ．５ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｐｉｐｅ 图６燃烧室仿真模型 Ｆｉｇ．６ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ ｌ ＩｎｔｅｇＴａｔ（ 图７转子仿真模型 Ｆｉｇ．７ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｒｏｔｏｒ 一 ．图８转速控制器模型… Ｆｉｇ．８ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
