欒永軍，孫 鵬，李東明，俞世康，董 斌

(中國船舶重工集團公司第七○三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

發(fā)電用燃氣輪機動態(tài)性能仿真

欒永軍，孫 鵬，李東明，俞世康，董 斌

(中國船舶重工集團公司第七○三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

針對發(fā)電用燃氣輪機，基于Matlab/Simulink仿真平臺構(gòu)建其仿真模型。使用仿真模型，計算在電網(wǎng)負荷波動以及機組甩負荷的情況下燃氣輪機的動態(tài)特性。參照電網(wǎng)指標，通過優(yōu)化控制策略，給出電網(wǎng)負荷變化時燃氣輪機的響應(yīng)特性。

燃氣輪機;發(fā)電;仿真

0 引言

燃氣輪機作為供能設(shè)備已廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，尤其用作發(fā)電動力設(shè)備，無論是軍用還是民用，裝機數(shù)量逐漸增多。當燃氣輪機用于發(fā)電時，其輸出轉(zhuǎn)速為恒定值。當電網(wǎng)負荷波動或機組甩負荷時，燃氣輪機輸出轉(zhuǎn)速需快速穩(wěn)定回恒定值，以防電力系統(tǒng)輸出頻率長時間內(nèi)不穩(wěn)定而造成用電設(shè)備損壞。

本文建立某型燃氣輪機用作發(fā)電時的仿真模型，通過模型仿真計算結(jié)合我國電網(wǎng)指標，給出電網(wǎng)負荷變化時燃氣輪機的響應(yīng)特性。

1 發(fā)電控制策略

為確保電網(wǎng)負荷波動或機組甩負荷時，燃氣輪機輸出轉(zhuǎn)速能快速穩(wěn)定回恒定值。轉(zhuǎn)子平衡方程式為:

式中:n為輸出轉(zhuǎn)速;Nout為輸出功率;Nload為電網(wǎng)功率;J為轉(zhuǎn)動慣量。

參照式(1)可分析得出:

當Nload減少或為0時，dn/dτ＞0，輸出轉(zhuǎn)速上升，為使n快速穩(wěn)定到恒定值，需迅速降低輸出功率Nout。迅速降低Nout可通過快速降低工質(zhì)燃氣的總焓實現(xiàn)。降低燃氣總焓，有2種方法:一是減少用于燃燒的空氣量;二是減少噴入燃燒室內(nèi)的燃油量。為實現(xiàn)快速降低總焓的目標，需2種方法綜合作用。實現(xiàn)手段為在壓氣機后設(shè)有放氣閥用于放空氣，在燃料系統(tǒng)需裝備調(diào)速器用于根據(jù)轉(zhuǎn)速變化快速切油并且保障燃燒室內(nèi)不會發(fā)生貧油熄火。

當Nload增大時，dn/dτ＜0，輸出轉(zhuǎn)速降低，為使n快速穩(wěn)定到恒定值，需迅速增加噴入燃燒室內(nèi)燃油量進而增加輸出功率Nout。迅速增加Nout，需防止快速增加噴油量而導致的富油熄火，還要防止燃氣溫度過高觸發(fā)渦輪葉片的超溫保護進而導致機組故障停機。

因此，為使燃氣輪機輸出轉(zhuǎn)速能快速穩(wěn)定回恒定值，需針對上述分析開展燃氣輪機動態(tài)性能仿真研究，并通過相應(yīng)控制策略實現(xiàn)。

2 建模方法

基于容積慣性法建立燃氣輪機非線性仿真模型，該方法避免了微分方程右函數(shù)計算中的迭代，簡化了仿真計算流程，提高了模型的靈活性和通用性。

在建模過程中，將燃機看作由壓氣機、渦輪等轉(zhuǎn)動部件和包括燃燒室在內(nèi)的流動連接段串聯(lián)而成。連接壓氣機和渦輪的轉(zhuǎn)軸建立了機械聯(lián)系，而流動連接段則基于容積慣性建立了各轉(zhuǎn)動部件間的氣動關(guān)系。容積慣性法示意圖如圖1所示。

圖1 容積慣性法示意圖Fig.1 Schematic drawings of volume inertia

假定容積內(nèi)壓力均勻，用1個集總壓力p來表示，做功流體為理想氣體，忽略流體間的動量。質(zhì)量守衡如下式:

式中:ρ為容積中氣體密度;V為容積體積;Gin為流經(jīng)容積進口截面的氣體的質(zhì)量流量;Gout為流經(jīng)容積出口截面的氣體的質(zhì)量流量。

將工質(zhì)近似為理想氣體處理，有

因此，式(2)化為:

對于純?nèi)莘e連接段，忽略容積內(nèi)工質(zhì)同外界的傳熱及進出口的壓差，有

又因為

式(3)可化簡為:

式中:p，T，Gin，Gout，分別為純?nèi)莘e連接段內(nèi)壓力，溫度，進、出口工質(zhì)的質(zhì)量流量;Rg為工質(zhì)的氣體常數(shù)。

3 數(shù)學模型

基于容積慣性法，建立燃氣輪機部件數(shù)學模型以及部件間匹配原則。

3.1 壓氣機模型

已知壓氣機輸入端參數(shù)(入口壓力Pin，出口壓力Pout，入口溫度Tin，轉(zhuǎn)速n)，計算輸出端參數(shù)(入口空氣流量Gin，出口空氣流量Gout，出口溫度Tout，消耗功率NC)的步驟如下:

1)π =Pout/Pin，π為壓氣機壓比;

3)(Gz，η)=f(π，nz)，Gz為入口空氣折合流量，η為壓氣機絕熱效率，f可通過壓氣機特性曲線求解;

5)Gin－Gcq=Gout，Gcq為壓氣機抽出的空氣流量;

6)由物性計算可得:

入口比焓 Hin=f(Tin，0)，入口熵函數(shù) ψin=f(Tin，0)，理想熵函數(shù) ψ2，i= ψin+lgπ，由二分法求出 T2，i，H2，i=f(T2，i，0);

比功 wC=(H2，i－ Hin)/η;

出口比焓Hout=Hin+wC，出口溫度由二分法求出 Tout=f(Hout，0);

7)消耗功率

NC=Gin·wC－ Gcq·wcq，Gcq·wcq為壓氣機因抽氣而少消耗的功率;

對于不同的壓氣機模型，只需進行更換特性曲線及設(shè)置抽氣情況等操作即可。

3.2 渦輪模型

已知渦輪輸入端參數(shù)(入口壓力Pin，出口壓力Pout，入口溫度Tin，轉(zhuǎn)速n)，計算輸出端參數(shù)(入口空氣流量Gin，出口空氣流量Gout，出口溫度Tout，輸出功率NT)的步驟如下:

1)π =Pin/Pout，π為渦輪膨脹比。

3)(Gz，η)=f(π，nz)，Gz為入口燃氣折合流量，η為渦輪絕熱效率，f可通過渦輪特性曲線求解。

5)Gin+gch，2=Gout，gch，2為非入口導葉處引入的冷卻渦輪葉片空氣量。

6)由物性計算可得:

入口比焓Hin=f(Tin，f)，入口熵函數(shù)ψin=f(Tin，f)，理想熵函數(shù) ψ2，i= ψin－ lgπ，由二分法求出 T2，i，H2，i=f(T2，i，f);

比功 wT=(Hin－ H2，i)·η;

出口比焓Hout=Hin－wT，出口溫度由二分法求出 Tout=f(Hout，f)。

7)輸出功率NT=Gout·wT。

8)需要注意的是，計算中的Tin實際上并不等同于前一部件出口的溫度，而是渦輪入口導葉氣流摻混后的溫度，即

式中:f－1代表二分法由比焓求溫度。

9)gch，1+gch，2=Gcq－ gfq，其中:gch，1為渦輪入口導葉處摻混空氣量;gch，2為渦輪其他注氣位置摻混;gfq為壓氣機中放氣量;Gcq為壓氣機中抽氣量。

10)物性計算步驟6)中，變量f為油氣比;當有冷卻空氣摻混時，渦輪模型進出口油氣比有差異。

11)對于不同的渦輪模型，只需進行更換特性曲線及設(shè)置注氣摻混情況等操作即可。

3.3 純流動連接段模型

式中:Rg為工質(zhì)的氣體常數(shù)。

當工質(zhì)為空氣時，油氣比f為0。

3.4 燃燒室模型

燃燒室模型可看成是純流動連接段模型和燃燒放熱模型，燃燒放熱模型基于下式:

式中:Tin為燃燒室入口空氣溫度;Tout為燃燒室出口燃氣溫度;f為油氣比;θ=41613/(η·Hu)為修正系數(shù)，η為燃料的完全燃燒系數(shù)，Hu為燃料低熱值。

3.5 轉(zhuǎn)子模型

式中:n為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，r/min;J為為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2;NT為渦輪輸出功率，W;NC為壓氣機消耗功率，W。

3.6 放氣模型

進行放氣時，數(shù)學模型如下:

值域(x0，x1)代表某種放氣機制，g為放氣量，Gout為實際放氣效果。當參數(shù)x滿足放氣機制時，輸出k=1，實現(xiàn)放氣;不滿足時則輸出k=0，不放氣。

3.7 調(diào)速器模型

調(diào)速器主要由調(diào)速控制器與調(diào)速執(zhí)行器2部分組成，輸入為給定轉(zhuǎn)速與反饋轉(zhuǎn)速，經(jīng)比較后送控制器(P，PD，PI或PID)運算后輸出油門位置給定值，再經(jīng)執(zhí)行器放大后輸出油門位置信號至噴油泵。根據(jù)其各元部件之間的相互關(guān)系可分解為如圖2所示的模塊結(jié)構(gòu)。

圖2 調(diào)速器模塊化結(jié)構(gòu)Fig.2 Modularized model of speed controller

3.8 部件匹配原則

當燃氣輪機發(fā)電模塊穩(wěn)定運行時，部件間的匹配需滿足如下原則:

1)壓氣機與渦輪的功率平衡，即高、低壓渦輪的輸出功率×機械效率－附件耗功=高、低壓壓氣機消耗功率;

2)壓氣機與渦輪的轉(zhuǎn)速平衡，即高、低壓壓氣機轉(zhuǎn)速=高、低壓渦輪轉(zhuǎn)速;

3)流經(jīng)整個燃氣輪機發(fā)電模塊原動機的質(zhì)量流量平衡，即壓氣機入口空氣流量+燃油流量－放氣量=渦輪出口燃氣流量;

4)壓氣機增壓比與渦輪膨脹比的平衡，即增壓比×壓力恢復系數(shù)=膨脹比;

5)動力渦輪與負荷的平衡，動力渦輪輸出功率×機械效率=負荷消耗功率。

4 仿真模型

依據(jù)已建立的數(shù)學模型，構(gòu)建某型發(fā)電用燃氣輪機仿真模型，部件模型如圖3～圖9所示。

圖9 放氣閥模型Fig.9 Simulation model of bleed value

5 計算結(jié)果

使用仿真模型和已制定的控制策略，對某型發(fā)電用燃氣輪機動態(tài)特性進行計算。

1)電網(wǎng)負荷由額定工況突降4 MW，而后增至額定工況。

2)電網(wǎng)負荷連續(xù)增減4 MW

由計算結(jié)果可看出，負荷突增4 MW，4.5 s穩(wěn)定回3 000 r/min±0.5%，瞬態(tài)調(diào)速率2.8%;負荷突減4 MW，4.7 s可穩(wěn)定回3 000 r/min±0.5%，瞬態(tài)調(diào)速率2.8%。

由計算結(jié)果可看出，負荷連續(xù)突增、突減，在不同的負荷功率等級條件下，動力渦輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定到3 000 r/min±0.5%所需的最短時間為4.72 s，最長穩(wěn)定時間為4.97 s，瞬態(tài)調(diào)速率最大值為3.3%。

3)機組甩負荷

由計算結(jié)果可看出，機組甩負荷，22.99 s穩(wěn)定回3 000 r/min±0.5%，瞬態(tài)轉(zhuǎn)速調(diào)速率為14%。

6 結(jié)語

我國電網(wǎng)指標:轉(zhuǎn)速波動率不超過0.5%;負荷波動時，穩(wěn)定時間不超過5 s，瞬態(tài)調(diào)速率不超過7%;機組甩負荷時，穩(wěn)定時間不超過25 s，瞬態(tài)調(diào)速率不超過20%。

參照電網(wǎng)指標，在既定控制策略下，通過仿真模型模擬燃氣輪機發(fā)電時動態(tài)特性。

當電網(wǎng)負荷波動±4 MW時，穩(wěn)定時間近乎5 s，因此電網(wǎng)負荷波動不宜超過4 MW。機組甩負荷時，穩(wěn)定時間為22.99 s，瞬態(tài)調(diào)速率為14%。

本文的動態(tài)特性是基于仿真計算得出，通過與LM2500發(fā)電機組甩負荷實測數(shù)據(jù)比較可看出，計算結(jié)果趨勢與實測情況基本一致，可認為文中采用的性能仿真方法具有一定參考價值，但仍需在條件成熟時結(jié)合實際機組運行情況對研究方法進行修正。

［1］KINGSLE Y J，STAUFFER M. United States Navy Integrated Power System Testing Experience with a LM 2500 Generator Set Utilizing a MicroNet Controloller［A］.2000，ASME IGTI Conference.

［2］HARVAY E，KINGSLEY J.United States Navy Integrated Power System Gas Turbine Generator set test experience［A］.2002 ASME.

Research on transient simulation of gas turbine generator set

LUAN Yong-jun，SUN Peng，LI Dong-ming，YU Shi-kang，DONG Bin
(The 703 Research Institute of CSIC，Harbin 150078，China)

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 model.Base on electric power system standard and control scheme，an optimization result can be achieved.

gas turbine;generate electricity;simulation

U664.131

A

1672－7649(2012)04－0051－06

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.04.011

2011－03－28;

2011－04－25

欒永軍(1983－)，男，工學碩士，工程師，研究方向為燃氣輪機控制及仿真等。