基于數據的燃氣輪機建模與控制技術概述

謝稼澍

（單洛陽萬眾吉利熱電有限公司，河南 洛陽 471000）

一、提升燃氣輪機效率的具體方法

燃氣輪機的運行原理主要是使用一種熱循環開式的模式，其動力源泉是大氣，同時大氣溫度還會隨著季節的改變而出現一定的變化，從而對燃氣輪機的運行效率產生極大的影響。夏季的氣溫較高，天氣炎熱，日常運行中的生產設備、生活設備等在運行中對于電量擁有較大的需求，需要保證設備在極端天氣狀態下依然能夠保持良好的運行能力。但因為設備固定運行模式等因素的影響，在天氣氣溫不斷上漲的條件下，燃氣輪機的運行效率也會相繼降低，同時在某種程度上還加重了燃氣輪機運行的熱損耗。為此導致其在夏季供電過程中容易發生各種效能下降的問題。

結合具體的實驗研究發現，燃氣輪機運行中的環境溫度從原本的十五攝氏度上升至二十五攝氏度時，其輸出功率便會降低百分之七左右，而在整個的氣溫狀態提高到三十六攝氏度時，其輸出功率便會出現較為明顯的下降趨勢，降低幅度大概能夠達到百分之十五左右，嚴重的情況下，還會降低更多。在對燃氣輪機運行中的各種影響元素和基礎原理進行深入的調查研究基礎上，相關技術人員最終發現了一種有效的解決方法，便是通過進氣冷卻裝置系統幫助燃氣輪機運行中降低溫度，能夠有效提升燃氣輪機的運行效率。燃氣輪機效率提升和燃氣輪機運行流程改進之間具有密切的聯系，包括先進的防腐技術、高溫部件冷卻技術、優質的高溫材料和有效的循環方式等，此外還有先進的機械裝備技術和機械加工技術也能夠對燃氣輪機的運行效率產生積極影響。

二、數據預處理方案

(1)通過原始信號的EMD分解獲得每個IMF組件。(2)為所有IMF組件選擇閾值確定標準，并執行單個組件閾值估計。(3)選擇在降噪后將單個IMF組件與每個組件的閾值估計值一起用于計算降噪的閾值函數。(4)將信號重建為IMF組件，即原始信號降噪后的信號。基于EMD分解方法和小波閾值探測方法的單個IMF組件的閾值處理是可選的，如表達式(1)所示：

式中：x（ji）—處理前的第j層小波分解分量中對應第i系數；x′j—降噪后的第j層小波分解分量中對應的第i系數；λj—第j層的閾值大小。

三、基于數據的人工智能技術

隨著人工智能系的發展，人類在許多行業中廣泛應用了使用計算機識別、建模和預測系統的數據方法。通過機器學習，人工智能是基于數據的對象建模和控制的基本概念，即通過學習數據中的系統特性來實現建模對象的輸出預測，并提供控制信號。這個想法避免了用顯式數學關系表示參數關系的傳統數學模型的限制，并使用隱式關系表示系統輸入和輸出屬性。由于模型和控制器是基于數據實現的，因此只需更新學習數據即可更新參數關系，從而避免在現有模型和控制器更新中重新計算數學關系的問題。

在燃氣輪機領域，目前研究中使用的機械學習工具人工神經網絡、支持向量機等已經存在。人工神經網絡是模仿人的腦神經結構和行為的技術，具有并行信息處理、模式分類、記憶等功能。使用神經元之間的連接和權重值分配來表示特定信息，不斷修改連接權重值，從而進行與理論上任何復雜的非線性系統完全接近的自學教育。人工神經網絡模型是非線性時變系統的有效識別工具。神經網絡根據結構和原理有所不同，燃氣輪機領域使用的主要類型來自逆向傳播神經網絡、徑向基礎神經網絡和非線性回歸神經網絡。

四、燃氣輪機建模與仿真研究

隨著人類社會對能源的需求越來越高，傳統能源逐漸枯竭，環境污染問題日益嚴重，社會經濟可持續發展目標受到了嚴峻挑戰。為了解決當前的能源危機，須要不斷發展新型、高效、清潔的能源技術，智能電網、分布式能源的概念應運而生。微型燃氣輪機作為新能源技術的核心設備，其技術的成熟對推動智能電網、分布式能源的發展起著至關重要的作用。除此之外，由于微型燃氣輪機具備高效、安全、靈活、環保等優點，在交通以及國防建設等方面均具有很好的發展前景和應用價值。微型燃氣輪機的工作條件具有地域性差異，建立環境溫度、海拔高度可變的總體仿真模型，對研制新型實用微型燃氣輪機具有重要意義。

通過將仿真結果與C30微型燃氣輪機標準性能參數進行對比得到：（1）在不同環境溫度下，該模型計算的發電量、效率與標準值的相對誤差低于0.7%；（2）不同海拔高度下，該模型計算的發電量比與標準值的相對誤差低于3%，驗證了模型的準確性。從換算值與標準值繪制成的轉速特性曲線中可以得到，在高轉速條件下換算值與標準值的相對誤差低于8%，在低轉速條件下換算值與標準值的相對誤差大于60%，說明試驗的微型燃氣輪機還需要進一步優化。在不同環境溫度與海拔高度下，使用該仿真模型計算得到的發電量、發電效率等參數，可以用來分析外界因素對微型燃氣輪機性能影響的程度。通過換算模塊計算得到的發電量、扭矩等與標準參數之間的比較，可以反映燃氣輪機性能的優劣，也可以為部件優化指明方向。

結束語

燃氣渦輪機是我們生活中常見的一種機械裝置，本質上屬于熱機器。燃氣渦輪機內容多種多樣，類型豐富，但不管種類如何變化，其工作原理幾乎沒有變化。燃氣輪機發動機主要是軍用船舶、大型車輛、發電機組等設備，是日常生活中常見的一種燃氣輪機。