基于流體網絡模型的燃氣輪機動態性能仿真研究

張海燕，安英會

（廣西電力職業技術學院，廣西南寧530007）

基于流體網絡模型的燃氣輪機動態性能仿真研究

張海燕，安英會

（廣西電力職業技術學院，廣西南寧530007）

為了進一步分析驗證燃氣輪機模型的動態性能，采用流體網絡模型構建了M701F型燃氣-蒸汽聯合循環機組的仿真模型，并進行了增減負荷的動態過程模擬。仿真結果表明模型能正確反應燃氣輪機增加負荷的動態特性，該模型能用于燃氣輪機系統仿真。

燃氣輪機；流體網絡；動態性能；系統仿真

燃氣輪機的運行技術與控制技術直接關系到燃氣輪機運行的安全可靠性。我國燃氣輪機技術發展相對于發達國家起步較晚，運行技術較為薄弱，由于技術原因和經驗不足，我國一些已投產的大型燃氣輪機機組在運行中出現了不少問題，如啟動脫扣后出現熱懸掛、燃氣輪機運行中熄火等等。這些問題大大降低了燃氣輪機組運行的安全性和可靠性，并造成非計劃停機和停機時間增加等，影響機組的經濟運行。隨著計算機技術的迅速發展，應用仿真技術建立燃氣輪機仿真模型[1]，并借助模型分析機組在各種工況下的運行特性和控制系統性能，這對于研究燃氣輪機的運行規律、培訓運行人員運行及事故處理能力、指導機組的經濟運行具有重要的工程價值。本文探討采用流體網絡模型對M701F型燃氣蒸汽聯合循環機組進行動態性能仿真的實現方法。

流體網絡模型是基于流體網絡理論，從流體力學方程出發，導出流體網絡中每個部件和管路與電氣網絡中相對應的等值數學模型，從而建立網絡的等值線路和等值方程，最終獲得網絡上每個節點的壓力和流量的動態特性，從而分析出工業動力裝置、測量控制裝置和生物醫學工程等各類流體管道系統中功率和信息的傳輸過程，以及擾動引起的各種流量、參數的動態變化[2]。本文正是基于該理論的建模思路，對M701F型燃氣蒸汽聯合循環機組按照網絡節點和網絡流向建立其數學模型，并借助SIMULINK仿真平臺，搭建機組的仿真模型，進行了甩負荷及增減負荷的動態特性模擬試驗，以驗證模型的正確性。

1 流體網絡數學模型

流體網絡主要用于燃氣、空氣、煙氣、蒸汽等介質的流通與能量交換建模。流體網絡方程最基本的有質量守恒方程和動量守恒方程。

1.1 流體網絡的質量守恒方程：

1.2 流體網絡的支路流體動量守恒方程：

其中：ρ為流體網絡介質密度；P為當前流體網絡節點壓力，角碼1、2分別標記為支路前、后壓力；W為流體網絡支路流量，其中1、0角碼表示進入和流出當前節點的質量流量；R為流體網絡的支路阻力因子；B為與管長有關的運動慣性系數，可為非零常數，由于大型燃氣輪機系統的容積慣性相對較大，如果在仿真時忽略高頻變化項，可以取B為零。

因此（2）式可化為

2 燃氣輪機燃燒室和壓縮機模型

燃氣輪機的工作過程是，壓氣機（即壓縮機）連續地從大氣中吸入空氣并將其壓縮；壓縮后的空氣進入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫燃氣，隨即流入燃氣透平中膨脹作功，推動透平葉輪帶著壓氣機葉輪一起旋轉；加熱后的高溫燃氣的作功能力顯著提高，因而燃氣透平在帶動壓氣機的同時，尚有余功作為燃氣輪機的輸出機械功[3]。燃氣初溫和壓氣機的壓縮比，是影響燃氣輪機效率的兩個主要因素。提高燃氣初溫，并相應提高壓縮比，可使燃氣輪機效率顯著提高。

根據透平機械的工作原理，可得到壓氣機的實際壓縮功為：

透平的實際膨脹功為：

式中T*4s為等熵膨脹的出口溫度。在燃氣輪機中，壓氣機的進口空氣流量G與透平的進口燃氣流量GT是不一樣的，首先是要從壓氣機中抽出一部分空氣去冷卻透平，對于燃氣初溫高，透平采用冷卻葉片時，這部分冷卻空氣可達到壓氣機進口空氣流量的10%以上，因為：

式中：Gf為燃料流量；Gcl為冷卻空氣和漏氣等流量之和。由于循環的輸出比功為：wT和wc是各自相應于單位質量燃氣和空氣的數值，不能直接加減，通過換算成單位質量的空氣后可計算出單位質量的空氣產生的循環比功為：

式中：μcl＝Gcl/G；ηm為燃機中的機械效率系數，一般取0.98～0.99；ηe為循環效率。

空氣和燃氣的成分是不一樣的，它們的熱力性質不同，即在同樣的溫度下的焓值不同。為了使循環計算得到準確的we和ηe，除需要考慮焓值隨溫度變化外，還應考慮工質不同的影響，因此采用文獻[3]提出的數學公式表示法。

在燃燒室的性能指標中，與燃氣輪機變工況性能密切相關的是燃燒室效率ηB，壓力損失和熄火極限，前兩者影響到燃氣輪機的性能參數，后者主要影響到燃氣輪機的運行范圍。在變工況下燃燒室的效率主要和進口空氣溫度、壓力和流量以及燃料流量有關系[4]。其中反應燃料和空氣的配合關系的過量空氣系數的變化對ηB有較大影響。燃燒室中的壓力損失，與燃燒室中的流動情況和燃燒溫升的變化有關。

燃機的流量性能可以通過Flugel公式近似來表達，即

當透平進口溫度不變時，從公式可以看出流量隨膨脹比的增加而增加，當膨脹比不變時，流量隨進口溫度的升高而減少。考慮轉速變化對流量的影響。

在用上述公式進行燃機變工況計算時還需要透平效率變化的計算公式，對于透平級來說，效率隨著速比的變化可近似認為是對稱的拋物線。

3 汽輪機數學模型

在實際系統中汽輪機和燃機為剛性連接，由于汽輪機透平通流部分的容積很小，蒸汽通過時速度很快，其容積蓄質效應對蒸汽的流動影響不大，因此在建立汽輪機的實時仿真數學模型時，忽略通流部分的容積蓄質蓄能影響[5]。

3.1 沖動式透平效率計算公式

沖動式透平效率計算可以采用式（10）計算。

其中，Cα=cosα，VB為葉片速度；VI為動葉進汽速度；α為動葉絕對進汽角。

對理想沖動級，速比為式（11）。

其中，hs為出口等熵焓。

3.2 反動式透平效率公式

反動式透平效率計算可以采用式（12）計算。

如果考慮到透平鼓風損失，由于透平鼓風損失與透平轉速、蒸汽流量及排汽壓力等有關，即

在實際計算中采用曲線模擬是比較適用的，具體曲線根據燃氣輪機廠家資料可以進行擬合。

3.3 汽輪機透平機組流體網絡支路特性計算

對于透平組的進出口蒸汽干度分別采用式（14）、（15）計算。

取平均干度

蒸汽干度對透平效率有直接影響，因此透平出口焓為

通過焓熵表可以查得出口蒸汽溫度、透平進口熵、出口等熵焓等，標記為：tsl=fph（psl，hsl），其中透平進口熵為sse=fps（pse，hse），出口等熵焓值為hs=fps（psl，sse）.

則透平輸出功率可以采用（17）式計算。

則透平支路特性參數可以表達為式（18）、（19）、（20）

4 余熱鍋爐模型

余熱鍋爐模型包括水側質量平衡方程、汽側質量平衡方程、能量方程、上升管壁溫動態方程、上升管內側沸騰換熱方程、上升管外側對流換熱方程、工質飽和參數狀態方程。

其中：DW、K、Cm、DS、M分別為飽和水密度、沸騰換熱系數、金屬比熱、飽和蒸汽密度及上升管金屬質量；Mi、Hi、Q1、Q2分別為環節內當量介質質量及其相應焓以及上升管外側、內側傳熱量；T、VW、VS、S分別為飽和溫度、環節內水容積、環節內蒸汽容積及飽和參數（如飽和壓力，飽和溫度等）；α、F、TG分別為煙氣與金屬之間的對流換熱系數、對流換熱面積、煙氣溫度等，WIHI、WOHO、WWIWWO、WSIWSO分別為流入環節流量及其相應的焓、流出環節流量及其相應的焓以及流入、流出環節水量、流入、流出環節蒸汽量等。

5 模擬試驗

為了驗證采用上述網絡流體模型制作的M701F型燃氣-蒸汽聯合循環機組的仿真模型能否正確反映機組真實的動態特性，對其進行了機組動態甩負荷和增負荷過程的模擬試驗。仿真模型平臺為SIMULINK，控制系統采用文獻[5]中所提供的控制系統方案。機組動態甩負荷和增負荷模擬試驗中，用于參比的參數為：負荷、燃料流量、燃燒室出口溫度，仿真計算結果采用標幺值形式用于比較，仿真時間步長取為0.1 s.如圖1所示為燃氣輪機甩負荷過程中的參數動態變化，時間軸的單位是秒，即設定第3 s機組從滿負荷突然甩負荷至空載運行，仿真過程持續10 s.甩負荷（LOAD）時燃料量（Fu）迅速下降，經過微小的波動后，重新穩定下來，抑制了燃汽輪機轉軸轉速的升高，此時出口燃料溫度緩慢變化，這是由燃氣輪機的熱慣性引起的。如圖2所示為燃氣輪機增負荷過程中的參數動態變化，即設定第3 s機組從60%負荷突然增至滿負荷運行。增負荷（LOAD）時，燃料量（Fu）迅速上升，經過微小的波動后，重新穩定下來，同時也抑制了增負荷時燃氣輪機轉軸轉速的升高，此時出口燃料溫度也隨燃料量變化。

6 結論

圖1、圖2數據說明本文所建立的模型能夠正確反映燃氣輪機系統在增減負荷過程的動態過程中，主體參數變化趨勢與機組實際運行中的參數變化趨勢一致，符合燃機的運行規律，證實采用流體網絡模型可較為準確地建立燃氣-蒸汽聯合循環機組的仿真系統。

圖1 燃氣輪機甩負荷特性

圖2 燃氣輪機增負荷特性

[1]裴閃.重型燃氣輪機發電機組實時仿真模型研究[D].北京：華北電力大學，2006.

[2]宋東輝，李少華.應用流體網絡理論求解熱力系統[J].汽輪機技術，2016（5）：120-122.

[3]翁史烈.燃氣輪機性能分析[M].上海：上海交通大學出版社，1987.

[4]張世錚.燃氣熱力性質的數學公式表示法[J].工程熱物理學報，1980（01）：10-15.

[5]李忠義.單軸重型燃氣輪機仿真模型及其控制系統研究[D].北京：清華大學，2009.

Simulation Study on Dynamic Behavior of Gas Turbine Based on Fluid Network Model

ZHANG Hai-yan，AN Ying-hui
（Guangxi Electrical Polytechnic Institute，Nanning Guangxi 530007，China）

In order to further verify the dynamic performance of the model of gas turbine，using fluid network model to build up a simulation model of the M701F gas-steam combined cycle unit，and carry out the dynamic process simulation of load and drop.The simulation results show that the model can correctly reflect the dynamic characteristics of the gas turbine load increase.

gas turbine；fluid network；dynamic performance；system simulation

TK474

A

1672-545X（2017）03-0057-04

2016-12-06

廣西高校科研項目資助（項目編號：2013YB335，項目負責人張海燕）

張海燕（1967-），女，廣西南寧人，工學碩士，教授，研究方向：電廠熱工自動化；安英會（1980-）女，河北保定人，工程碩士，講師，研究方向：計算機控制與仿真技術。