（动力工程及工程热物理专业论文）燃气轮机系统的建模与仿真研究.pdf

modeling and simulation study on gas turbine a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by li-li tang supervisor: prof. guang-jun wang major: power engineering and engineering thermophysics college of power engineering of chongqing university, chongqing, china april 2008 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 燃气轮机发电机组具有效率高、启动快、建造周期短、投资省、环境污染小 等优点，符合能源行业可持续发展的要求，在我国电力工业中的应用不断得到加 强。但是，由于燃气轮机机组具有高度非线性，它的实际工作过程不易被人们掌 握。为了解决这一问题，通过建立燃气轮机机组的仿真模型可以预测燃气轮机系 统的动态特性、研究机组设计和运行中存在的问题，具有重要意义。 本文以单轴燃气轮机为研究对象，进行建模仿真研究。在分析机组结构和特 性的基础上，建立了燃气轮机系统的仿真模型，并对其动态特性进行仿真研究。 主要内容如下： 建立了燃气轮机系统数学模型，包括压气机、燃烧室、燃气透平、转子四 个典型部件的数学模型。压气机的建模采用模糊辨识的方法对压气机的特性曲线 进行拟合辨识。燃烧室的数学模型根据燃烧室内的物质平衡、热平衡和压力平衡 来建立。透平模型根据气体实际膨胀过程的热力学原理进行建模。另外，燃气轮 机系统数学模型中还考虑到了负荷类型的选取，冷却空气量以及机械损失的计算。 由于压气机特殊的背景、工作条件和其特性的高度非线性，使得压气机特 性对象在许多情况下很难用精确的数学模型来表达。本文通过熵聚类和竞争学习 算法确定输入数据向量的分区情况，以最小二乘法辨识算法、模糊规则模型对输 入参数进行计算和辨识。该方法辨识的模型不但精度高而且为局部线性的数学模 型，使压气机特性图的拟合方法得以简化，方法实用。 在燃气轮机系统模型的基础上，进行了燃料量阶跃扰动、负荷阶跃扰动、 入口导叶开度阶跃扰动和入口温度阶跃扰动仿真试验，对模型在各种阶跃扰动下 的动态特性进行了分析。并分析了模型在控制作用下负荷阶跃扰动、入口导叶开 度阶跃扰动及入口温度阶跃扰动的动态特性，初步验证了仿真模型的有效性。 另外，本文所建立的仿真模型，还考虑了不同燃料成分决定的燃气焓值和温 度的关系不同，建立了根据燃料成分计算燃气焓值和温度关系的子程序。所以， 根据本文所建立的仿真系统，只要输入不同的压气机特性数据便可用于不同的燃 气轮机系统，能够对单轴燃气轮机系统的主要动态特性进行比较全面的考核与分 析，也可以作为子系统用于燃气蒸汽联合循环系统。 关键词：关键词：燃气轮机；数学模型；特性曲线；仿真 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract gas turbine generator unit has many advantages such as high efficiency, rapid start, short building cycle, low investment and little environmental pollution, and it can meet the requirements of sustainable development of energy industry, so its application in our country electric power is strengthened. however, it is difficult to master its actual work process because of the highly nonlinear characteristic of gas turbine generator unit. to resolve this problem, built its simulation model, which has important significance and can be used to predict the dynamic characteristics of gas turbine system and study the problem in the process of operation and designing. this paper takes single shaft gas turbine as the research object, studies on the modeling and simulation. on the basis of analyzing the structure and characteristic of unit, the mathematical model of gas turbine system is built and dynamic characteristics are researched by simulation experiment. the main contributions of the paper are as follows: the mathematical model of gas turbine system are obtained, including the models of compressor, combustion chamber, gas turbine and rotor. fuzzy identification is used to fit the characteristic curve of air compressor. the model of combustion chamber is established on the basis of material balance, thermal balance and pressure balance. the model of gas turbine is built according to the thermodynamic principle. in addition, selection of type of load, cooling air flow rate, the calculation of mechanical loss and the enthalpy of flue gas are considered in the model of gas turbine system. it is difficult to describe the characteristic of air compressor by accurate mathematical model because of its special background, working conditions and highly nonlinear characteristic. the input data is clustered by the entropy method and competitive learning algorithm, the identification of the input parameter is ascertained by the least-squares algorithm and the fuzzy rule model. the identification model is practical，not only has high precision but also gets a linear mathematical model. it enables the fitting method of the air compressor characteristic to become simple. based on the model of gas turbine system, the dynamic simulation experiments with step disturbances of fuel flow rate, load, the opening degree of inlet guide vanes and inlet temperature are carried out, and the main dynamic characteristics of unit are analyzed. the dynamic characteristics of unit under control effect with step disturbance 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii of load, the opening degree of inlet guide vanes and inlet temperature are also analyzed, and the validity of the simulation model is verified. moreover, the simulation model established in the paper is also considered the different relationship of enthalpy and temperature of fuel gas with the fuel components, and the subroutine procedure which can be calculated enthalpy and temperature of fuel gas under different fuel components is built. therefore, this simulation model can be used for different gas turbine system when inputting different characteristic data of air compressor, the main dynamic characteristics of single shaft gas turbine system can be examined and analyzed by this model, and it also can be used as a subsystem on the gas - steam combined cycle system. keywords：gas turbine, mathematical model, characteristic curve, simulation. 重庆大学硕士学位论文 目 录 iv 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . ii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 概述概述 . 1 1.2 燃气轮机的发展状况燃气轮机的发展状况 . 1 1.2.1 国外燃气轮机的概况 . 2 1.2.2 国内燃气轮机的概况 . 5 1.3 燃气轮机及其热力循环燃气轮机及其热力循环 . 6 1.4 燃气轮机仿真状况燃气轮机仿真状况 . 9 1.5 压气机建模方法压气机建模方法 . 11 1.6 本文的研究目的和主要内容本文的研究目的和主要内容 . 12 2 燃气轮机系统的数学模型燃气轮机系统的数学模型 . 14 2.1 压气机模型压气机模型 . 14 2.2 燃烧室模型燃烧室模型 . 15 2.3 燃气透平模型燃气透平模型 . 16 2.4 转子模型转子模型 . 17 2.5 负荷模型负荷模型 . 18 2.6 辅助方程辅助方程 . 18 2.6.1 机械损失方程 . 18 2.6.2 冷却空气流量计算方程 . 18 2.6.3 空气焓的计算方程 . 19 2.6.4 燃气焓的计算方程 . 19 2.7 燃气轮机系统的整体模型燃气轮机系统的整体模型 . 22 2.8 本章小结本章小结 . 23 3 压气机特性模型模糊辨识压气机特性模型模糊辨识 . 24 3.1 压气机特性压气机特性 . 24 3.2 模糊建模概述模糊建模概述 . 26 3.2.1 模糊规则建模 . 26 3.2.2 最小二乘法 . 28 3.3 压气机特性的模糊辨识压气机特性的模糊辨识 . 29 3.4 本章小结本章小结 . 33 重庆大学硕士学位论文 目 录 v 4 仿真试验仿真试验 . 34 4.1 模型的初模型的初值与相关参数的确定值与相关参数的确定 . 34 4.1.1 压气机模块的初值与相关参数的确定 . 34 4.1.2 燃烧室模块的初值与相关参数的确定 . 35 4.1.3 燃气透平模块的初值与相关参数的确定 . 35 4.2 燃气轮机系统动态特性燃气轮机系统动态特性 . 35 4.2.1 燃料量扰动 . 36 4.2.2 负荷扰动 . 37 4.2.3 压气机入口导叶扰动 . 38 4.2.4 压气机入口空气温度扰动 . 39 4.3 燃气轮机系统的控制方法燃气轮机系统的控制方法 . 41 4.4 在转速控制系统作用下在转速控制系统作用下的燃气轮机动态特性的燃气轮机动态特性 . 42 4.4.1 负荷扰动仿真 . 42 4.4.2 压气机入口导叶扰动仿真 . 44 4.4.3 压气机入口温度扰动仿真 . 45 4.5 本章小结本章小结 . 46 5 结论与展望结论与展望 . 47 5.1 本文完成的主要工作本文完成的主要工作 . 47 5.2 课题展望课题展望 . 47 致致 谢谢 . 48 参考文献参考文献 . 49 附附 录录 . 53 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 概述 目前，我国主要以煤炭发电为主。煤炭发电的污染排放的问题随着其发电规 模的不断扩大而日益引起大家的注意。燃煤电厂已经成为我国境内最大的空气污 染源。因此，更环保、高效的发电技术(如水力发电、风力发电、太阳能发电、核 能发电和燃气轮机发电等)开始逐步受到重视。 水力发电、风力发电和太阳能发电对地域和地理条件的要求比较高；而核能 发电对技术要求较高，对地点的选择也有较高的要求；但是燃气轮机的布置地点 却相对灵活，学校、工厂都可以作为燃气轮机的布置地点。所以，燃气轮机发电 技术比其它环保的发电技术在实际开发和使用上更加灵活。同时由于燃气轮机主 要使用天然气和石油作为燃料。与煤相比，天然气是一种清洁的能源，不仅有较 高的能量转化率而且有低污染的排放物几乎没有二氧化硫和颗粒物的排放， 二氧化碳排放量也仅有煤的三分之一。据最新初步评价结果显示，我国天然气最 终探明可采资源量为 14 万亿 m3；我国石油最终可采资源量为 150 亿 t1。由于目 前我国石油勘测处于中期阶段，天然气勘测处于早期阶段，所以我国石油和天然 气的勘测和开采潜力很大，产量还有很大的上升空间，这就为燃气轮机的使用提 供了能源上的保证。此外，我国政府还推出了一系列政策，来支持和鼓励发展国 内天然气、引进国外天然气。所以，在我国，燃气轮机使用天然气和石油发电具 备能源上和政策上的支持，拥有广阔的市场。同时，燃气轮机发电机组还具有发 电效率高、机组启动快等优点。 按照能源行业可持续发展的要求，无论从优化能源结构还是保护环境、减少 污染方面考虑，使用燃气轮机发电都是一个很好的选择。预计未来的二十年中燃 气轮机与燃气蒸汽联合循环发电技术将迅速发展，成为国内火力发电的主力 军。随着燃气轮机技术的不断发展，参数和性能不断提高，这就要求工程设计人 员和现场运行人员必须掌握燃气轮机的各种动态特性。由于实验研究代价昂贵、 周期长，而且受到各种条件的限制。因此，采用计算机仿真技术，进行燃气轮机 的仿真，分析机组的运行特性，指导机组的实际运行，具有重要的现实意义。 1.2 燃气轮机的发展状况 燃气轮机是从20世纪50年代开始进入发电行业的。经过一个多世纪的发展， 燃气轮机各方面的性能都有了很大的改进，燃气轮机的发展阶段大致可以分为四 个时期。20世纪50年代的燃气轮机是第一代产品。当时的燃气轮机的初参数较低， 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 性能较差，主要技术特点：单轴重型结构(航空移植型除外)，初期用高温合金，简 单空冷技术，亚音速压气机，机械液压式/模拟式电子调节系统；性能参数特征： 燃气温度c1000 3 t,简单循环效率%30 e 2。这一时期的代表产品有：前苏联 h3ji生产的gt-600-1.5型燃气轮机、前苏联jim3工厂生产的gt-12-3型燃气轮机、 瑞士bbc6000kw燃气轮机和美国ge公司21500kw燃气轮机。早期的燃气轮机透 平进口温度不到700oc，以后平均每年上升10oc；20世纪60年代后，平均每年上升 20oc。到了20世纪70年代燃气轮机的发展进入了第二代的阶段。这个时期生产的 燃气轮机性能有了很大的提高，使用了轻重结合的结构，除了合金技术和空冷技 术较第一代先进了许多并增加了保护涂层外，同时还使用了微机控制系统和低污 染燃烧技术。代表产品是120mw等级的e级燃机。当今的燃气轮机应该算上是第 三代产品了。特点是耐高温的合金材料和冷却技术得到进一步的改善和提高，采 用了超级合金材料和先进的空冷技术。至于第四代燃机，目前尚处在构想阶段。 主要方向是使用新型的耐高温材料，例如陶瓷。 在燃气轮机用于发电初期，由于当时机组的单机容量和效率的限制，仅用于 调峰或作为备用。1949年世界首套燃气蒸汽联合循环装置投入运行,由于它能有效 利用燃气轮机高温排气的热量， 明显地提高了系统效率， 得到越来越广泛的应用3。 发展至今，燃气轮机已经在国内外得到了广泛的应用。 1.2.1 国外燃气轮机的概况 燃气轮机及其联合循环由于在发电效率、投资费用、建设周期短和污染排放 等方面都比燃煤机组优越，其在世界动力市场中的份额不断增长。就全球而言， 燃气轮机发电已是电力结构中的重要部分，在近些年的发电设备的增长中，燃气 轮机及其联合循环设备占1/3。到2000年，在全部发电设备中，美国燃气轮机及其 联合循环设备所占的比重约是2/3。 美国从1987年起， 使用燃气轮机(包括联合循环) 的发电量就已经超过了使用汽轮机的发电量。有资料表明，目前全世界新增火电 机组容量中，燃气轮机及其联合循环机组占到50%以上，在德国更是占到了2/3左 右6。在亚洲，燃气轮机及其联合循环的装机容量也在不断的增长。总之，随着燃 气轮机发电动力装置的兴起，世界火电站的发展格局发生重大变化：汽轮机发电 机组长期占主导地位的局面开始变化，“大型火电站以联合循环为主，中小机组 热电并供居多”已是许多国家电站发展的主要格局3。 这些仅是发电用燃气轮机的一些情况。燃气轮机还用在工业、船舶、机车、 车辆等其它领域。在工业(化工、油田、冶金等)领域主要是用来带动泵、压缩机和 发电机等。在船舶上主要用作动力设备，多采用分轴和三轴，也有与柴油机组成 组合装置的。在车辆领域，燃气轮机主要被作为牵引力应用(例如法国等国家已经 有燃气轮机带动的高速火车)，燃气轮机还可以用作坦克的动力装置，美国也在研 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 3 制燃气轮机作为汽车发动机。 因为燃气轮机在许多方面的优越性，国外的很多国家非常注重燃气轮机的研 究、开发和制造技术。燃气轮机工业在这些年来得到了很大的发展。在现今的燃 气轮机工业中，美国处于领先地位。这主要源于美国对燃气轮机的研究和开发给 予了很大的支持，投入了大量的资金，如美国的ihptet计划、ats计划和cagt 计划。现在，美国燃气轮机制造技术的重心正在从fa型向h型燃气轮机的开发过 渡。欧洲对燃气轮机的开发和研制也相当重视，有自己的ec-ats计划，同时也拥 有一些自己研制的高性能燃气轮机。日本也是能生产fa型燃气轮机的国家之一， 有推动燃气轮机发展的新日光计划。同时，日本还积极开展高温陶瓷燃气轮机的 研究。目前，拥有燃气轮机制造前沿技术有四家企业：美国的ge公司、德国的 siemens公司、法国的alstom公司和日本的三菱公司。这些公司现在生产的是第三 代的燃气轮机，典型的简单循环燃气轮机的型号和参数如表1.14所示，典型的联 合循环燃气轮机的型号和参数如表1.24所示。 表1.1某些典型燃气轮机的型号与性能参数 table 1.1 models and performance parameters of some typical gas turbines 厂 商 型 号 第一 台生 产年 份 iso基 荷功率 (kw) 热耗率 (%) 热效 率 (%) 压缩 比 空气 流量 (kg/s) 透平 排气 温度 (c ) 比价 (美 元 /kw ) ge power systems pg6581(b) 1999 42100 11225 32.07 12.2 141.1 547.8 267 pg6111(fa) 2003 75900 10295 34.9 15.6 202.8 602.8 245 pg9171(e) 1992 126100 10653.5 33.79 12.6 417.8 542.8 165 pg9231(ec) 1994 169100 10310.7 34.92 14.0 508.0 556.1 160 pg9351(fa) 1996 255600 9756.9 36.90 17.0 640.5 602.2 160 pg6591c 2003 42300 9925.7 36.27 19.0 117.0 569.4 266 pg9001h 292000 99113.5 39.50 23.0 685.0 siemens power generation w251b11/12 1982 49500 11022.7 32.66 15.3 175.1 513.9 250 v64.3a 1996 67400 10305.4 34.93 15.8 191.9 582.8 236 v94.2 1981 159400 10495.3 34.30 11.4 508.9 547.2 155 v94.2a 1997 182300 10233.7 35.18 13.8 519.8 567.2 158 v94.3a 1995 265900 93244.4 38.60 17.0 655.9 584.4 159 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 4 续表1.1 厂 商 型 号 第一 台生 产年 份 iso基 荷功率 (kw) 热耗率 (%) 热效 率 (%) 压缩 比 空气 流量 (kg/s) 透平 排气 温度 (c ) 比价 (美元 /kw) mitsubishi heavy industries m701da 1981 144100 10347.6 34.8 14.0 440.9 542.2 155 m701f 1992 270300 9419.4 38.20 17.0 650.9 586.1 160 m701g 1997 271000 9303.3 38.70 21.0 737.1 587.2 165 m701g2 334000 9102.9 39.50 alstom gt8c2 1998 57000 10584.9 34.01 17.6 200.0 508 281 gt13e2 1993 165100 10083.9 35.70 14.6 532.1 524 166 gt26 1994 263000 9727.4 37.00 32.0 607.4 615 148 表1.2某些典型联合循环燃气轮机机组的型号与性能参数 table 1.2 models and performance parameters of some typical combined-cycle gas turbines 厂 商 型 号 第一 台生 产年 份 净功率 (kw) 热耗 率(%) 热 效 率 (%) 燃机功 率 (kw) 汽轮机 功率 (kw) 比 价 (美 元 /k w) 蒸汽循环方 式 ge power systems s106b 1987 64300 7330.9 49.0 41600 23800 595 三压无再热 s106c 2002 62800 6666.3 54.0 42200 21300 三压无再热 s106fa 1991 118100 6582.0 54.7 75100 44000 713 三压再热 s109e 1986 189200 6935.0 52.0 121600 70400 475 三压无再热 s109ec 1994 259300 6661.1 54.0 166600 96600 三压再热 s109fa 1994 390800 6349.9 56.7 254100 141800 354 三压再热 s109fb 2002 412900 6202.2 58.0 266700 151720 359 三压再热 s109h 1997 480000 6001.8 60.0 427 蒸汽冷却三 压再热 alstom ka8c2-1 1998 80000 7350 49.0 57700 27000 591 双压无再热 ka13e2-2 1993 480000 6805 52.9 318600 167000 341 双 压 ka26-1 1996 392500 6394 56.3 360 三压再热 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 5 续表1.2 厂 商 型 号 第一 台生 产年 份 净功率 (kw) 热耗 率 (%) 热 效 率 (%) 燃机功 率 (kw) 汽轮机 功率 (kw) 比 价 (美 元 /k w) 蒸汽循环方 式 siemens power gener -ation i.w251 b11/12 1982 71500 7530 47.8 48000 25000 715 双压无再热 is.64.3a 1996 99800 6900 52.2 718 双压无再热 i.v94.2 1981 239400 6890 52.2 154000 8930 446 双压无再热 is.v94.2a 1997 280700 6590 54.6 395 三压再热 is.v94.3a 1995 392200 6270 57.4 348 三压再热 mitsu -bishi heavy indus -tries mpcp1 (m701) 1981 212500 7000 51.4 142100 70400 469 双 压 mpcp1 (m701f) 1992 397700 6317 57.0 266100 131600 348 三压再热 mpcp1 (m701g) 1997 489300 6133 58.7 328900 160400 396 三压再热 目前，国外燃气轮机技术发展的主要趋势为：机组不断向高参数、高性能和 大型化方向发展；重视系统集成与总能系统广泛应用化；燃料能源多元化和燃煤 联合循环商业化；积极开拓新型热力循环与总能系统3。 1.2.2 国内燃气轮机的概况 相对于西方少数几个国家，我国对燃气轮机的研究起步较晚。我国燃气轮机 的发展阶段大致可以分为三个时期：第一个时期是50年代末60年代初，我国燃气 轮机的专业人员在设计、制造、应用等方面作出了许多探索和总结。在这个阶段 我国开始引进燃气轮机发电机组，这是我国对燃气轮机探索的初期。最早引进的 是瑞典stallaval轴燃气轮机发电机组， 后来因为使用上和技术上的问题， 仿 制和自制的燃气轮机并没有形成批量生产，但还是取得一些研究和制造的经验。 从1962年到1976年，我国就先后自行研制了一批30kw20000kw型号等数十种的 燃气轮机发电设备。我国发展燃气轮机的第二个时期是70年代后期到80年代初期。 当时国外燃气轮机发电技术已有很大的长进。国内也兴起了石油和天然气的开发 和利用，激起了我国对发展燃气轮机的热情。这个时期，我国向英国的jb公司、 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 6 日本的日立公司、法国的阿尔斯通公司引进了ms5000系列的机组，同时我国对燃 气轮机的设计、制造方面已经有了很大的提高。此时的燃气轮机发电装机容量约 为300mw。80年代中期，我国进入了燃气轮机发展的第三个时期，使用和引进的 燃气机组的单机容量和性能均不断提高。在这个时期，国内建立了一批燃气轮机 联合循环的电厂，如华能汕头燃机电厂、深圳月亮湾燃机电厂、珠海洪湾燃机电 厂等，燃气轮机发电装机容量增加到了7200mw。 近几年来，我国又引进了pg9351fa、pg9171e、m701f、m701da、v94.3a 和v94.2机组的制造技术。通过对国外技