基于 Matlab／Simulink 的微型燃气轮机动态仿真研究

收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３— ０ ５— ２ １ 改稿 日期 ： ２ ０ １ ３ —０ ６— ２ ７
作者简介 ： 严志远 （ １ ９ ８ ９一 ） ， 男， 山东济宁人 ， 硕士生， 研 究 方 向为 微 型 燃 气 轮 机 建 模 与 控 制 ， Ｅ — ｍ ａ ｉ ｌ ：ｙ ｚ ｙ ８ ９ ９ ２ ３ ＠
要： 基 于 Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ ／ Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｉ ｎ ｋ平台 ， 在建立压气机 、 燃烧 室 、 透平 、 转 子等部件模 型的基础之上 ， 建 立了微型燃
气轮机动态模 型及速度控制 系统模 型 ， 并对 动态模 型进行 了阶跃 升负荷 和甩负荷 的仿真研 究。仿真 结果表 明， 动态模 型能够有效地对变负荷 过程进行 模拟 ， 为微 型燃 气轮 机控制 系统设计 与分析 提供 了模 型基 础 ； 速 度控制 系统模 型能够满 足转速调节 的要求 ， 并具 有较好 的稳 定性 。分 析 了燃烧 室烟气 热惯性对 微型 燃气轮 机 动态性 能的影 响， 指出对该型燃气轮机可 以忽略烟气热惯性 的影响 。 关 键 词： 微型燃气轮机 ； 动态模 型； 动态响应 ； 热惯性
Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ ／ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ｉ ｎ ｋ中搭建 的仿 真模 型见 图 ２ 。
１ ． １ 气体 热 力性质
变 负 荷过 程 中 ， 燃气 轮 机 气体 温 度 和 空燃 比会 有 较大 范 围的变 化 ， 致使 空 气 和 烟 气 的 比热 容 也 随 之 变化 。为 确保模 型 的精 确 性 ， 考 虑 了 温度 和 组 分
ｇ ａ ｃ
（ ５ ）
（ ６ ）
ｃ
＝
（ 【 一 。 ６ ４ ・ ｏ ｌ ｌ ￣ ） ｃ 。 ＋ ４ ４ ・ ｃ ， Ｃ Ｏ ＋ 。 蔫・
ｆ ３ ）
Ｃｐ
，
Ｈ ２ ０ ＋
（ ６ ４ ・ ０ ． ７ ９ ） ｃ ｐ ｌ Ｎ ：
式中： 后 ａ 为空气 的绝 热指 数 。
（ １ ）
惯性模块相连 ， 其 出口压力也为状态变量 ， 所以， 可 通过 二维查 询 表 函数模块 线性 插值 得 到折合 流量 和
等熵效 率 。 压 气 机 出 口温 度 、 耗功 Ｐ 由式 （ ５ ） 、 式（ ６ ） 决定 ：
式 中： Ｍ 为 该 组 分 的摩 尔 质 量 。 假 定 空 气 为
的转动 惯量 ， 对 控 制 系 统 的要 求 较 高 Ｊ ， 致 使 其 难 以控制 ， 这也 限制 了这 些 经 验 的 使用 范 围。动 态 性 能 的研 究是 控制 系统设 计 优化 的重要 手段 ， 因此 ， 非 常有必 要进 行微 型燃 气轮 机动态 仿 真研究 。
本 文 借 鉴重 型 燃 气 轮机 建 模 的相 关 经验 ， 采 用 模 块化 建模 的思 想 Ｊ ， 以机 械 驱动 用 微 型 燃气 轮机 为对象 ， 基 于 Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ ／ Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｉ ｎ ｋ平 台 ， 在 建立 压 气 机 、
动态模 型 进行 阶跃 升 负荷 、 甩 负 荷 仿 真研 究 。分析
了燃烧 室 烟 气 热 惯 性 对 微 型燃 气 轮 机 动 态 性 能 的
影响。
１ 微 型 燃气 轮 机 动 态 数 学模 型
微 型燃气 轮机 动态模 型 流程 图如 图 １ 所 示 。在
…
图 微型燃气轮机动态模型流程示意图
Ｏ ： （ ２ １ ％） 和Ｎ ： （ ７ ９ ％） 的混合 物 ， 使用 Ｃ Ｈ 作燃 料 ，
且 在燃 烧 室 中完全 燃 烧 ， 则 空 气 和 烟 气 的 定压 比热 容分别 为 ：
Ｃ ｐ Ｉ ａ ＝ ０． ２１ 。Ｃ ｐｏ ２＋０． ７９ 。ｃ ｐＮ２
，
，
（ ２ ）
１ ＋ 叼ｉ １ ｓ ． Ｃ １
的变化 对气体 比热容 的影 响 。作 两点假 设 Ｊ ： １ ）每 种 组分 的定压 比热容 只和温 度相 关 ； ２ ）混 合气 体 的
压 力 为每种 组分 的分压 力 之和 。
燃烧室、 透平、 转 子 等 部 件模 型 的基 础 之上 ， 建立 了
微型燃 气 轮机 动态 模 型 及速 度 控 制 系 统模 型 ， 并 对
严 志远 ， 向 文 国 ， 张 士 杰 ， 肖云 汉
（ １ ．东南大 学 能 源热转换 及 其过程 测控教 育部 重点 实验 室 ， 南京 ２ １ ０ ０ ９ ６ ；
２ ．中国科 学院
摘
先进 能源动 力重 点 实验 室（ 工程 热物理研 究所 ） ， 北京
１ ０ ０ １ ９ ０ ）
１ ６ ３．ｃ ｏ ｎ。 ｒ
第 １ 期
基于 Ｍ ａ ｔ ｌ ａ ｂ ／ Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｉ ｎ ｋ的 微 型 燃 气 轮 机 动 态 仿 真 研 究
３ ３
转 子
图 ２ 微型燃气轮机仿真模型总体 图
根据 文献 ［ ３ ］ ， 每种 组分 的定 压 比热容 为 ：
ｃ ｐ ＇ ＝ ∑ １ ０ （ ・ １
第２ ７卷
第 １ 期
《 燃
气
轮
机技术》 来自Ｖｏ １ ． ２ ７ Ｎｏ ． １
Ｍｏ ｒ ．．２ ０１ ４
２ ０ １ ４年 ３月
ＧＡＳ ＴＵＲＢＩ ＮＥ ＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹ
基 于 Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ ／ Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｉ ｎ ｋ的 微 型 燃 气 轮 机 动 态 仿 真 研 究
文献标识码 ： Ａ 文章 编 号 ： １ ０ ０ ９—２ ８ ８ ９ （ ２ ０ １ ４ ） ０ １ —０ ０ ３ ２—０ ６
中图分类号 ： Ｔ Ｋ ４ ７ ２
微 型燃气 轮 机 具有 体 积 小 、 重量轻、 寿命长、 启
动快、 维护简单等优点 ， 具 有 很 好 的应 用 前 景 和 价 值 。研 究重 型燃气 轮机 获得 的一 些经 验也可 以用 在 微 型燃 气轮 机上 ， 然而 ， 由于微型燃 气 轮机具 有较 小