燃气轮机及其联合循环机组建模方法研究
燃气轮机热力性能模型构建与分析
燃气轮机热力性能模型构建与分析燃气轮机作为一种被广泛应用于发电和航空航天领域的动力装置，其热力性能模型的构建与分析是提高轮机性能和运行效率的关键。
在本文中，将从热力学基础、模型构建和性能分析三个方面探讨燃气轮机热力性能模型的相关内容。
首先，我们来了解燃气轮机的热力学基础。
燃气轮机是一种通过燃料的燃烧产生高温高压气体，驱动涡轮旋转，并通过轮子和压气机将其中的能量转化为功的装置。
其中，热力学循环是描述燃气轮机工作原理和性能的理论基础。
常见的燃气轮机热力学循环包括布雷顿循环和雷诺循环。
布雷顿循环是燃气轮机的基本循环，通过喷燃器燃烧燃料，产生高温高压气体，驱动涡轮旋转；而雷诺循环是一种改进的循环，通过采用再热和冷却技术，进一步提高燃气轮机的效率。
其次，我们将讨论燃气轮机热力性能模型的构建。
燃气轮机的热力性能模型是描述其工作过程和性能参数的数学模型。
通过构建准确的模型，可以有效地预测和优化燃气轮机的性能。
燃气轮机热力性能模型的构建涉及到多个方面，如气流、燃烧和传热等过程的建模。
例如，气流模型可以利用欧拉方程和质量、能量守恒定律来描述气体在转子和定子之间的流动；燃烧模型可以利用化学反应动力学和热释放率等参数来描述燃烧过程；传热模型可以利用传热方程和流体力学分析来描述燃气轮机中的热传递过程。
最后，我们将对燃气轮机热力性能模型进行分析。
通过对热力性能模型的分析，可以评估燃气轮机的性能，优化其工作参数，以实现更高的效率和功率输出。
热力性能模型的分析主要包括两个方面：一是对燃气轮机循环参数的分析，如进气温度、压缩比、放大比等，这些参数直接影响燃气轮机的效率和功率输出；二是对燃气轮机实际运行数据的分析，通过对实测数据的对比和统计分析，可以评估燃气轮机的实际性能和运行状况。
通过对模型分析的结果，可以及时发现问题，采取相应的措施进行调整和改进。
在实际应用中，燃气轮机热力性能模型的构建和分析是一个复杂而细致的工作。
需要深入理解燃气轮机的热力学原理和工作过程，掌握相关的建模和分析方法。
燃气-蒸汽联合循环机组T-S模型研究与分析
Science and Technology &Innovation ┃科技与创新2023年第19期·19·文章编号：2095-6835（2023）19-0019-03燃气-蒸汽联合循环机组T-S 模型研究与分析陈玉良1，张雨蓉1，王沛沛2，王全康2，王冉冉2（1.国电双维内蒙古上海庙能源有限公司，内蒙古鄂尔多斯016200；2.国能智深控制技术有限公司，北京102209）摘要：针对燃气轮机内部结构复杂，非线性和耦合性强，选用数据驱动的T-S 模糊辨识建模方法，在参考了理论和实验的基础上，将燃气轮机简化为两输入两输出的模型。
基于T-S 模糊辨识的原理，使用兼具结果修正和递推方式的最小二乘法来辨识模型参数，获得了具备模糊语句的线性规则表达的数学模型，最后通过实验验证了模型的有效性和通用性。
关键词：燃气-蒸汽联合循环机组；燃气轮机；T-S 模型；参数辨识中图分类号：TM611.31文献标志码：ADOI ：10.15913/ki.kjycx.2023.19.006燃气-蒸汽联合循环机组属于火力发电，不同于传统的燃煤机组，联合循环机组的燃烧系统由燃气轮机完成，燃气轮机包括压气机、燃烧室、透平3个部分，燃烧产生的上千摄氏度的烟气，推动透平做功，带动燃机联轴发电机；做功后的排气仍具有较高温度，参与到余热锅炉的烟气系统，加热余热锅炉汽包中的水成为蒸汽，蒸汽再通过汽轮机带动电机发电，这种结合了燃气轮机的布雷顿循环和蒸汽轮机中蒸汽的朗肯循环，使得联合循环效率高于传统的燃煤机组[1-2]。
本文为了验证所建燃气轮机模型的泛化能力，将它与动态矩阵预测控制相结合，并应用在输出预测控制策略上。
主要分为动态矩阵预测控制的原理介绍和输入输出数据之间传递函数的辨识，通过多模型预测控制将非线性预测控制转化为线性预测控制，最后通过实验结果验证了T-S 模糊模型的有效性和通用性。
1燃气-蒸汽联合循环机组T-S 模型建立燃气轮机是机组中最关键的部分，燃气轮机的运行效果影响着整个机组的出力与效率。
燃气轮机热力系统建模与优化
燃气轮机热力系统建模与优化随着经济的快速发展，能源需求量越来越大，其中燃气轮机因其高效、快速启动和灵活性等优点，被广泛应用于许多领域，如航空、能源、化工和石化等行业。
燃气轮机的热力系统是燃气轮机性能和效率的关键因素，其设计和优化对于提高燃气轮机的发电效率、减少能源消耗以及降低环境污染都具有重要意义。
因此，燃气轮机热力系统的建模与优化成为了目前研究的热点之一。
一、燃气轮机热力系统的组成燃气轮机热力系统由多个组件组成，包括燃气轮机本身、燃气发生器、燃烧室、废气热交换器和排气系统等。
其中，燃气轮机是系统的核心部件，其效率直接影响系统的整体性能。
燃气发生器将燃料和空气混合并燃烧，产生高温高压的燃气，然后将其输送至燃烧室中进行燃烧。
在燃烧室内，燃气与空气混合燃烧，释放出来的高温高压气体推动燃气轮机转子旋转，从而输出功率。
废气在经过燃烧室后进入烟囱，经过废气热交换后产生高温高压蒸汽，从而产生蒸汽动力。
二、热力系统建模为了更好地理解燃气轮机热力系统的行为和性能，必须对热力系统进行建模和仿真。
基于理论计算和实验数据，热力系统的建模可以通过数学模型实现。
常用的热力系统建模方法包括：模拟实验数据建模法、基于热力参数的建模法、基于物理模型的建模法和基于混沌分析的建模法。
模拟实验数据建模法是基于实验数据分析和处理得出的经验公式进行热力系统建模，通常可以采用回归分析和多元线性回归方法获取热力参数，再通过极大似然估计和贝叶斯估计等方法对热力系统进行建模和参数拟合。
基于热力参数的建模法采用热力学基本方程，对热量、熵、焓等参数进行建模。
通常采用质量守恒、能量守恒和熵守恒等基本方程，对燃气轮机热力系统进行模拟。
基于物理模型的建模法是将热力系统中各个组成部分分别建模，再通过组合汇总得到整个热力系统模型。
在此方法中，要考虑系统中的各种物理变量和不同组件之间的相互作用。
方法难度较大，但准确性高。
基于混沌分析的建模法，是基于非线性系统的动力学行为，该方法通常采用预测算法、小波分析、神经网络等方法，模拟燃气轮机热力系统的行为和性能。
基于IGV控制的先进燃气轮机联合循环运行优化研究
基于IGV控制的先进燃气轮机联合循环运行优化研究发布时间：2021-03-26T15:19:56.953Z 来源：《电力设备》2020年第32期作者：唐军[导读] 摘要：IGV是压气机进口导叶控制系统，主要通过IGV叶片转角变化，实现对压气机空气流量有效控制。
（国家电投揭东能源有限公司 515500）摘要：IGV是压气机进口导叶控制系统，主要通过IGV叶片转角变化，实现对压气机空气流量有效控制。
本分析了IGV控制系统在燃气轮机中实践应用，通过构建联合循环模型对控制原理进行解析，并对控制系统设计条件和产生具体结果进行说明，着重论述了燃气轮机参数，旨在说明余热和联合循环运行之间关系，并研究了联合循环运行优化策略，以期达到防喘振、提高联合循环效率目标。
关键词：IGV控制；运行优化；联合循环；先进燃气轮机前言：研究表明，为保证燃气轮机稳定连续运行，达到理想的工作效率，需要将燃机的排气温度控制在较高的温度值，并保证温度值恒定不变。
在实践应用环节，使用IGV控制系统满足相关控制条件是必然选择，即：当汽轮机在部分负荷运行状态下，通过关小IGV的方式减少空气流量，进而保持较高的温度值。
文章结合联合循环模型，对这一控制理论进行了解释。
1建立联合循环模型本文所研究联合循环的顶循环为燃气轮机，底循环为有机朗肯循环，有机工质对蒸发器所提供排气余热进行吸收，达到联合循环的目的。
笔者出于对联合循环特性加以模拟的考虑，遂决定借助模块建模法，对子系统模型进行建立，具体如下： 1.1联合循环1.1.1ORC透平ORC透平对应输出功计算公式为：其中，qm,orc代表有机工质的质量流量，ηorc,t代表ORC透平的效率，ηe,orc代表发电机效率，h5o,s代表ORC透平处于等熵过程的出口焓，h4o代表入口焓。
1.1.2换热器该循环所用换热设备以回热器、冷凝器和蒸发器为主，根据换热器传热系数，估计其运行特性。
单相换热区域可利用j因子对传热系数h进行计算，公式如下：其中，j代表传热系数，Pr代表普朗特数，Aflow代表自由流动面积，cp代表比定压热容，qm代表流体的质量流量。
燃气轮机系统的建模与仿真
燃气轮机系统的建模与仿真燃气轮机是一种高效可靠的能源转换设备，可以广泛应用于发电、飞行、航海等领域。
燃气轮机系统由多个部件组成，包括压气机、燃烧室、涡轮机等。
为了更好地设计、优化和控制燃气轮机系统，建立燃气轮机系统的模型并进行仿真是非常重要的。
一、燃气轮机系统的建模方法1. 基于物理学原理的建模方法这种建模方法基于燃气轮机系统的物理特性，通过对控制方程和能量平衡方程的建立，得出燃气轮机系统的数学模型。
这种方法的优点是能够准确地反映燃气轮机系统的物理特性，但是需要大量的计算和模型参数的确定，适用于研究燃气轮机系统的基本特性。
2. 基于统计方法的建模方法这种建模方法基于大量的实验数据，通过对实验数据的分析和处理，建立燃气轮机系统的统计模型。
这种方法的优点是不需要精确的物理特性和模型参数，可以通过实验数据进行建模，但是需要大量的实验数据和数据分析技能。
3. 基于神经网络的建模方法这种建模方法基于神经网络的模式识别能力，通过对燃气轮机系统的输入和输出数据进行学习，建立燃气轮机系统的神经网络模型。
这种方法的优点是能够学习系统的复杂非线性关系，但是需要大量的学习数据和神经网络模型的优化。
二、燃气轮机系统的仿真方法1. 基于模型的仿真方法这种仿真方法基于燃气轮机系统的数学模型，通过数值模拟的方法，进行燃气轮机系统的仿真。
这种方法的优点是可以对燃气轮机系统进行全面的仿真和测试，但是需要精确的物理模型和大量的计算资源。
2. 基于实验数据的仿真方法这种仿真方法基于实验数据的统计模型，通过对实验数据的模拟和处理，进行燃气轮机系统的仿真。
这种方法的优点是可以通过实验数据进行仿真，但是需要大量的实验数据和数据分析技能。
3. 基于混合方法的仿真方法这种仿真方法综合使用基于模型和基于实验数据的方法，通过建立精确的数学模型和处理实验数据，进行燃气轮机系统的仿真。
这种方法的优点是综合了两种方法的优点，可以比较准确地进行燃气轮机系统的仿真。
燃气轮机系统建模与性能分析
燃气轮机系统建模与性能分析摘要：燃气轮机机组具有超强的北线性，人们掌握它的具体实施工作过程运行规律是很难得。
在我过电力工业中对它的应用又不断加强。
为了更加透彻的解决这个问题，本文将通过建立燃气轮机机组系统建模及模拟比较研究机组设计和运行中存在的问题，从而分析它的性能。
关键词：燃气轮机；系统建模；性能1模拟对象燃气轮机的物理模型在标准IS0工况条件(15℃101.3kpa及相对湿度60%)下，压气机不断从大气中吸入空气，进行压缩。
高压空气离开压气机之后，直接被送入燃烧室，供入燃料在基本定压条件下完成燃烧。
燃烧不会完全均匀，造成在一次燃烧后局部会达到极高的温度，但因燃烧室内留有足够的后续空间发生混合、燃烧、稀释及冷却等复杂的物理化学过程，使得燃烧混合物在离开燃烧室进入透平时，高温燃气的温度己经基本趋于平均。
在透平内，燃气的高品位焙值(高温、高压势能)被转化为功。
1.1燃气轮机数值计算模型与方法本文借助于 GateCycle软件平台，搭建好的燃气轮机部件模块实现燃气轮机以上物理模型的功能转化，进行燃气轮机的热力学性能分析计算的。
在开始模拟燃气轮机之前，首先对燃气轮杋部件模块数学模型及计算原理方法进行简单介绍。
1.2压气机数值计算模型式中，q1、q2、ql分别为压气机进、出口处空气、压气机抽气冷却透平的空气的质量流量；T1*、 p1*分别为压气机进出口处空气的温度、压力；T2*、 p2*分别为压气机出口处空气的温度、压力ηc 、πc分别为压气机绝热压缩效率，压气机压比γa 为空气的绝热指数；ρa为大气温度；∅1为压气机进气压力损失系数ιcs 、ιc分别为等只压缩比功和实际压缩比功i*2s、i*2、i*1分别为等只压缩过程中压气机出口处空气的比焓，实际压缩过程中压气机出日处空气的比烩和压气机进日处空气的比焓；当压气机在非设计工况下工作时，一般计算方法是将压气机性能简单处理编制成数表，通过插值公式求得计算压气机的参数，即在压气机性能曲线上引入多条与喘振边界平行的趋势线，这样可以把压比，流量，效率均视为平行于喘振边界的等趋势线和转速的函数。
联合循环电站燃气轮机控制系统的建模研究
第２ ４卷
第１ 期
《 燃
气
轮
机
技
术》
Ｖｏ ． ４ Ｎｏ １２ ．１ Ｍ ａ ．， ０１１ ｒ ２
２ １年 ３月 ０１
ＧＡＳ ＴＵＲＢＩ ＮＥ ＴＥＣＨＮｏＬＯＧＹ
联 合 循 环 电 站 燃 气 轮 机 控 制 系统 的 建 模 研 究
魏 静， 陈艳 军 ， 建 国 张
加 速度 控 制 系 统作 用 是 在某 些 特 殊情 况 下 ， 限
制转 子 的角加 速度 不 超 过 其 给定 值 ， 以保 证 燃 气轮 机 的机组 安全 ， 气 轮机 的加 速 度 控 制 系统 起 到 了 燃 非常 重要 的作 用 。 同温 度 控 制 系统 一 样 ， 速 度控 加 制系 统 只起 到 限定 作用 ， 在正 常情 况下 它不起 作用 ，
料 给定值 ， 经低 选 器选择 输 出最小 的燃 料 给定值 ， 燃 料给 定值 和转 速乘 积后 作为燃 料供 给模 块 的燃料 信 号 ， 料控 制 系统 动作 ， 变 燃 料量 ， 而实 现 改 变 燃 改 从
只有 在燃气 轮 机突然 甩 负荷 时抑止 动态 超速或 起动 过程 限制燃 气 轮机 的起 动 加 速率 ， 以减 少 热 部件 的
器— — 积分 调节 器 ：
收稿 日期 ：０９—１ ０ 改 稿 日期 ：０ ０— ４—１ ２０ １— ２ ２１ ０ ４ 作者 简介 ： 魏静 （９ ３一） 男 ， １７ ， 江苏徐州人 ， 工学硕士 ， 高级 工程 师 ， 从事 电站热控 系统设计 。
燃气轮机发电系统的建模与仿真研究
燃气轮机发电系统的建模与仿真研究随着能源需求不断增长，燃气轮机发电已经成为了一种重要的发电方式。
燃气轮机发电系统由气体压缩机、燃烧室、涡轮机和发电机等部分组成。
其中涡轮机是系统的核心部件，负责将高温高压气体的动能转换为机械能，从而驱动发电机工作，实现电能的转换。
针对燃气轮机发电系统的建模与仿真研究，可以为该系统的优化设计和运行管理提供重要参考。
下面对燃气轮机发电系统的建模与仿真研究进行探讨。
一、建模燃气轮机发电系统的建模过程可以分为以下几个步骤：（1）系统分析与功能划分首先需要对系统进行深入的分析，对系统进行功能划分和功能分析，以确定系统中各个部件的工作原理和功能要求。
在此基础上，建立系统的整体模型。
（2）部件建模接着，需要对系统中涉及的气体压缩机、燃烧室、涡轮机和发电机等主要部件进行建模。
可以采用基于物理的建模方法，将各个部件的工作原理和影响因素用数学模型描述出来。
（3）系统集成在完成各个部件的建模后，需要将各个模型相互集成，形成整个系统的模型。
系统集成时需要考虑参数传递、组件接口等因素。
（4）验证与修正最后，需要对建立的系统模型进行验证与修正，以确保模型能够准确地反映实际系统的特性和性能。
可以通过实验数据对模型进行验证和修正。
二、仿真燃气轮机发电系统的仿真可以分为静态仿真和动态仿真两个部分。
（1）静态仿真静态仿真主要用于对系统各部件性能和工作情况的分析，包括燃气轮机性能参数、系统能效、各部件的压力、温度、流量等。
静态仿真可以用于系统的设计和调试阶段，通过改变系统结构、部件参数等方式，分析不同参数对系统性能的影响，优化系统设计。
（2）动态仿真动态仿真主要用于对系统在动态工况下的性能分析，包括系统启动、停止、负荷变化等。
通过动态仿真可以预测系统在不同工况下的工作性能，优化系统控制策略，提高系统运行效率和可靠性。
在仿真过程中，需要对系统的各个参数和变量进行监测和分析。
通过与实际数据进行对比，可以对仿真结果进行修正和调整，确保系统仿真结果的准确性和可靠性。
燃气轮机在线状态建模与仿真研究
机 系统建模 多用 于 离线 系统 仿真 研究 ， 用 固定 的部 件特 采
性 ， 能满足在线状态监测和性能评估 的需 求。本文建立 的 不 计算模 型主要用 于 在线 系统 ， 燃 机机 组进 行 实时状 态监 对
ＬＩＫｕ ＰＥＮＧ ｈ －ｈ ｎ Ｚ ｎ， Ｓ ｕ ｏ ｇ， ＨＡＮＧ ｉ ｈ ｎ Ｈｕ －ｓ ｅ ｇ
（ ｃｏｌ ｆ ｃａ ｉ ｌ ｎｉｅｒ ｇ Ｓ ａｇａ Ｊａｔｎ ｎｖｒｉ ， ｈｎｈｉ ０２ ０ Ｃ ｉａ Ｓｈｏ ｏ Ｍｅｈｎｃ ｇ ｅｉ ， ｈ ｎｈｉ ｉ ｏｇＵ ｉｅ ｔ Ｓ ａｇａ ２ ０ ４ ， ｈ ） ａＥ ｎ ｎ ｏ ｓｙ ｎ
１ 引言
燃 气轮机具有能 源利用 的高 效性 、 运行 的稳 定性 、 用 使 的灵活性 、 资源 环境 的友好 性等 诸多 优点 ， 对 目前 已经 在发
电领域得到广泛的应用 ， 特别是近年来联合 循环 的快 速发展 为燃气 轮机提供了广阔 的前景 。 燃 气轮机 的运 行状态会 影 响发 电机 组 的安 全性 和经济
ＡＢＳ ＴＲＡＣＴ：Ｃ ｎ ｉ ｏ ｎｔ ｒ ｇ ｐ ａ ｓ ａ ｓｇ ｉ ｃ ｎ ｏｅ ｉ ｅ ｏ ｅ ａｉ ｎ ｓ ｃ ｒ ｙ ｏ ａ ｕ ｂ ｎ ．Ｉ ｒ ｅ ｏ ｏ ｔ ｏ ｄ ｔ ｎ ｍｏ ｉ ｉ ｌ ｙ ｉｎ ｆ ａ ｔｒｌ ｎ ｔ ｐ ｒ ｔ ｅ ｕ ｔ ｆｇ ｓｔ ｒ ｉｅ ｎ ｏ ｄ ｒｔ ｐｉ ｉ ｏｎ ｉ ｈ ｏ ｉ —
监 测 的需 要 ． 以投 入 工 程 应 用 。 可
关键词 ： 燃气轮机 ； 状态监测 ； 性能评估
中图 分 类 号 ：Ｐ ０ ． Ｔ ３ １６ 文 献 标 识 码 ： Ｂ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｏ ｅｉ ｇ ａ ｄ Ｓ ｍｕ ａ ｉ ｎ ｆ ｒ Ｏｎ－ ｉ ｅ Ｓ ａ ｕ ｆＧａ ｒ ｉ ｅ ｓ ａ ｃ ｎ Ｍ ｄ ｌ ｎ ｉ ｌ ｔ ｏ ｎ ｏ ｌ ｔ ｔ ｓｏ ｓＴｕ ｂ ｎ ｎ
燃气蒸汽联合循环机组模型建立研究
燃气蒸汽联合循环机组模型建立研究作者：李伟来源：《科技资讯》2013年第19期摘要：近年来，燃气蒸汽联合循环机组由于具有装机容量大、环境污染小、启停快捷以及能量利用率高等优点，因而在电力系统中的应用日益引起人们的重视。
本文利用Matlab/Simulink对某联合循环电站燃气轮机的控制系统进行模型组建，并对其全工况进行仿真分析，得出其仿真结果切实符合其实际物理过程，由此证明，该模型能够用来对燃气蒸汽联合循环机组进行研究。
关键词：燃气蒸汽循环机组研究中图分类号：TM611.31 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（a）-0086-02通常情况下，燃气—蒸汽联合循环机组由燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机三大部分构成，而目前最常见的燃气蒸汽联合循环机组是无补燃的余热锅炉型，在该系统中，燃气轮机处于主动的地位，余热锅炉则伴随燃气轮机的转动而运动。
同时，蒸汽轮机通常为尽可能地利用燃气余热，一般运行方式采取滑压式。
本文通过对型号为GEMS7001EA的燃气蒸汽联合循环机组的非线性状态空间方程加以分析，从动能与热能之间的互相转化及其控制等方面对建立燃气蒸汽联合循环机组模型进行研究。
1 联合循环机组燃气轮机的控制系统一般来说，联合循环机组燃气轮机控制系统主要包括转速及负荷控制、转子角加速度控制、透平温度控制和压气机入口导叶控制四大控制系统组成。
转速及负荷控制系统。
作为燃气轮机最基本的控制系统，负荷/轉速控制系统是指为方便对负荷加以调节，其转速控制在发电机并网运行时为有差控制，并且这时的转速控制器保持10～50之间的增益值和2%～10%的不等率。
此外，在燃机轮机实现并网运行的过程中，为了调整其负荷，通常首先对其转速基准进行调整，使其与实际转速之间产生一定量的差值，以便令输出燃料的基准值得到改变，最终实现负荷得以调整的效果。
当转速不等率去4%时，利用W/（Y+Z）这一传递函数，可得W=1/转速不等率=25；其中Y=0.05.Z=1。
某电厂联合循环机组燃气轮机系统的仿真建模
Ｓ ｍ ｕ ａ ｉ ｎ Ｍ ｏ ｅ ｉ ｆＣＣＧＴ ｙ ｔ ｍ ｎ ａ Ｐｏ ｒ Ｐｌ ｎ ｉ ｌ ｔｏ ｄ ｌｎｇ ｏ Ｓ ｓ ｅ ｉ ｗｅ ａ ｔ
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了条件 。
可 以不 涉及 具体 的 内部 编程 细节 。
根 据用途 不 同应 用 于图形建 模 的软件 可选用 设
现 以 ＧＳ Ｅ公 司的仿 真 系统 软件 Ｊｏ ｍｅｅ 对某 ｔｐ ｒｔ
收 稿 日期 ：０ ７０ — ６ 修 回 日期 ： ０ ７０ —４ ２ ０ — ６０ ２ ０ — ７２
根 据 系统 的初 始 状 态和 边 界 条 件 建模 后 ， 模 拟 反 映 系统 在 不 同工 况 下 的 实 际 情 况 ， 培 训 人 员 与 事 故 模 拟提 供 可 为
真 实的操 作 环 境 。 关键 词 ： 模 ； 建 方法 ； 真 ； 件 ； 合 循 环 ； 组 仿 软 联 机 中 图 分 类 号 ： Ｋ ３ Ｔ ４２ 文 献 标 识 码 ： Ａ
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燃气轮机及其联合循环机组建模方法研究
燃气轮机及其联合循环机组建模方法研究摘要：燃气轮机是一种涡轮式热力流体机械，具有效率高、投资省、启动快、污染排放低、机组占地面积少、调峰能力好等优势。
燃气－蒸汽联合循环能进一步提高机组的热效率和能量的利用率。
本文概述燃气－蒸汽联合循环，分析燃气轮机联合循环的优势，从而运用各种方法建立燃气轮机及其联合循环机组的建模与动态仿真方法，指出了其未来的研究及发展方向。
关键词：燃气轮机；联合循环；建模；研究从20世纪80年代后燃气轮机功率和热效率都有了很大程度的提高，使得燃气轮机及其联合循环在电力工业中的地位发生了巨大的变化。
燃气技术也得到了突飞猛进的发展，使得燃气轮机联合循环发电技术趋于成熟。
而在实际的运行过程中，机组由于各种因素的影响，经常在变工况条件下运行。
因此，了解燃气轮机及其联合循环的动态特性对设计合理有效的控制系统很有帮助。
一、燃气－蒸汽联合循环概述燃气蒸汽联合循环发电机组主要由三部分构成，即燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机。
其中燃气轮机作为联合循环的核心部件，其性能直接影响联合循环热效率。
余热锅炉和蒸汽轮机所组成的蒸汽系统，其参数也主要取决于燃气轮机的排气参数。
由于燃气轮机联合循环是最开始应用在发电行业中的，当时机组单机容量小、热效率低，主要作为备用电源和调峰机组使用。
燃气蒸汽联合循环将具有较高吸热平均温度的燃气轮机与具有较低放热平均温度的蒸汽轮机结合起来，使燃气轮机的排气废热成为蒸汽轮机循环的加热热源，使整个联合循环热能利用率较单独的燃气轮机循环或蒸汽轮机循环得到明显提升。
二、燃气轮机联合循环的优势燃气-蒸汽联合循环主要是以天然气为燃料，天然气燃烧较安全，是洁净环保的优质能源，其燃烧热值高、燃烧性能好、运输方便。
燃气轮机和联合循环发电应用了热力学上布雷顿循环和郎肯循环相结合的技术，有利于高品位能量相互转换，且充分利用较低品位的能量，具有综合利用率高、效率高等优点，被广泛应用。
1、运行操作优化第一，操作优化，在燃气轮机都准备妥当之后再启动燃机以便减少燃机网到汽机并网的时间；在燃机点火之后在适当时间应快速开启余热锅炉的烟气挡板来实现快速升炉；可以通过燃气机低转速暖机来加快暖管速度并增加暖管流量；第二，程序优化。
工程热力学燃气轮机循环的热力学模型建立与分析
工程热力学燃气轮机循环的热力学模型建立与分析引言：工程热力学是研究能量转化和传递的学科，而热力学模型则是分析和预测能量系统运行的重要工具。
本文将探讨燃气轮机循环的热力学模型建立与分析，旨在帮助读者更好地理解该系统的热力学特性以及优化运行参数的方法。
一、燃气轮机循环概述燃气轮机循环是一种常用的能源转换系统，其工作原理包括压气机、燃烧室、高压涡轮和低压涡轮等组成部分。
通过燃烧燃气产生高温高压气体，再通过涡轮的转动将内能转化为机械能，以驱动压缩机和发电机的运转。
二、热力学模型的建立为了对燃气轮机循环进行热力学分析，我们需要建立合适的热力学模型。
其中，包括压缩过程、燃烧过程、膨胀过程和排气过程等各个环节的能量平衡方程。
1. 压缩过程在压气机中，理想气体的状态方程可以用来描述气体的变化，即Pv = RT。
根据能量守恒定律，我们可以得到压缩过程的能量平衡方程：$${\Delta}H_{c} = Cp(T_{2}-T_{1})$$其中，ΔHc表示压缩过程的焓变，Cp表示气体的定压比热容，T1和T2分别表示入口和出口气体的温度。
2. 燃烧过程在燃烧室中，燃气与空气混合并燃烧，产生高温高压燃气。
对于可燃物质的燃烧反应，我们可以利用燃烧方程和燃气的定压比热容来描述燃烧过程的能量平衡方程：$${\Delta}H_{r} = h_{1}-h_{2}$$其中，ΔHr表示燃烧过程的焓变，h1表示燃烧前的燃气焓值，h2表示燃烧后的燃气焓值。
3. 膨胀过程膨胀过程是燃气轮机中最主要的能量转换环节，涡轮通过将气体的内能转化为机械能来驱动压缩机和发电机的运转。
根据能量守恒定律，我们可以得到膨胀过程的能量平衡方程：$${\Delta}H_{e} = Cp(T_{4}-T_{3})$$其中，ΔH e表示膨胀过程的焓变，T3和T4分别表示入口和出口气体的温度。
4. 排气过程在排气过程中，燃气在高温高压下被排出系统。
根据热力学第一定律，我们可以得到排气过程的能量平衡方程：$${\Delta}H_{d} = Cp(T_{1}-T_{4})$$其中，ΔHd表示排气过程的焓变。
某三轴mw级燃气轮机热力循环计算的建模及验证
某三轴mw级燃气轮机热力循环计算的建模及验证燃气轮机在当今世界是能源动力的重要来源，并受到越来越多关注。
考虑到功率发电设备的经济性和安全性，将燃气轮机中的温度、压力循环进行建模和数字仿真是保障此类动力设备安全运行与提高经济效益的有效手段。
本文就以某三轴mw级燃气轮机为研究对象，采用Fluent软件进行热流计算的模拟计算，建立热流模型，以较好的精度和可靠性对其热力循环进行模拟应用。
一、热力循环模型构建热力循环模型构建包括流动和热传输模型，分别使用流水线和热模拟计算方法来建立模型。
流体模型，采用了RNG k-ε流动模型，这是一种常用的k-ε模型，属于二维湍流模型；当能量和质量计算方数不严格时，使用一维模型简化计算可以得到更高的计算精度和效率。
热模型采用的是瞬态传热模型，这是一种常用的热传输模型，根据热流量物理特性，通过模型将运动分析结果结合热传输方程，模拟实际热传输中的温度场，以精确地模拟热力特性。
二、计算结果与分析建模完毕后，运用计算模型对某mw级燃气轮机进行热力循环建模、验证和优化，最终得出结果如下：1.在燃气轮机的排气和热耗端的温度差异充分体现了热流的分布特征；排气端的温度达到最高，热耗端的温度最低。
热流的变化趋势和计算均体现出燃气轮机的温度特征。
2.燃气轮机中的压力变化分别表现为增大和减小，排气和热耗端的压力分布差异明显，且和计算值基本一致。
3.结果同时较好地反映了燃气轮机同步发电过程中物理特征及其变化规律，可用作模拟及优化设计的参考。
经过验证，研究的模型可以准确的模拟燃气轮机的运行状况，有效地建立了热力循环的模型，为燃气轮机系统的优化控制提供证据，也可以为安全运行提供指导。
三、结论本文针对某三轴mw级燃气轮机，利用Fluent软件对其热力循环进行建模，计算得到结果较为满意，为其优化设计和安全运行提供了参考依据，为燃气轮机有效运行提供了重要的理论支撑。
但本文仍有一定的局限性，例如仅针对某种规格的燃气轮机，在建模过程中只考虑了温度和压力两个参数，未考虑流场分布特征等。
燃气轮机仿真建模方式探讨
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内燃机与配件
图 2 第 II 类数学模型
为试车数据的处理工作提供参考，由于试车时会产生海量 数据，此时根据仿真分析时的参数进行选择性的分析，可 以大幅降低工作量。
1.4 提供燃气轮机故障预测 在 建 立 燃 气 轮 机 仿 真 分 析 模 型 时 ，在 部 件 结 构 层 面 加 入 关 键 部 件 的 故 障 变 量 ，建 立 故 障 矩 阵 ，通 过 求 解 来 获取关键部件故障对燃气轮机整机性能的影响。这种 分析方式与以往的模拟部件效率和流通能力对燃气轮 机 性 能 影 响 不 同 ，可 以 深 层 次 地 分 析 故 障 产 生 原 因 ，从 而可以制定合理的措施来避免这些故障在实际试车时 发 生 [4]。 通过以上阐述可知，由于燃机轮机整机和部件试验存 在周期长、费用高和危险性高等问题，在设计阶段或者实 际试验之前进行仿真分析非常重要。 2 仿真建模探讨 建立准确的计算模型是进行燃气轮机性能分析的前 提，而采用合理的分析方法可以使计算结构更加真实有 效。由于燃气轮机是一种高速回转式动力机械，工作过程 较为复杂，数学建模要以实际的气动热力学过程为基础， 力求能够真实描述压气机、燃烧室和涡轮三大部件的协调 匹配关系，实质是建立燃气轮机设计参数、部件特性以及 共同工作条件的数学关系。 2.1 燃气轮机建模思路 根据燃气轮机气动热力特性和部件特性来建立各主 要部件的气动热力学方程，用来分析燃气轮机实际部件的 工作特性； 构造压气机、燃烧室和涡轮关键部件的共同工作关系 模型，具体通过转子功率平衡和流量平衡等热力学原理沿 高温高压工质流动方向进行构建； 采用不同的数值方法对构造的数学模型进行求解，分 析关键部件的匹配关系和各个状态点的真实性能，从而能 够真实模拟燃气轮机实际工作过程。 2.2 建模方式 在发动机寿命周期的不同阶段，已知的原始数据不 同，要求发动机性能仿真模型的仿真内容、计算精度、计算 速度也相互各异，所以模型可以按复杂程度分为几种类 型。下面介绍按复杂程度分类的四种燃气涡轮发动机性能 仿真模型。 2.2.1 第玉类仿真模型 这种方法是依靠表格或拟合关系式来描述发动机性 能，将整个发动机作为一个“黑盒子”，如图 1 所示，模型中 不需要详细描述发动机内部的压气机、燃烧室和涡轮三大 关键部件的工作情况和具体性能参数，对于各关键部件内 部的匹配和接口尺寸关注不多。
燃气-蒸汽联合循环机组模型研究
Ｉ Ｖ的执 行机 构—— 一 个惯 性环 节 中 ， Ｇ 执行 机构 完 成 改变 Ｉ Ｖ角 度 的任务 。 Ｇ
的热 冲击 时起作 用 。速度信 号 经过 一个微 分 环节 ．
计算 出实 际 的加 速 度 ， 然后 ， 加速 度 去与 加 速度 此 的额定 值进行 比较 ， 出 的偏 差输 入 到加 速度 控制 得
系统 、 加速 度 控 制 系统 、 度控 制 系 统都 产 生 相 应 温
燃 料 给 定 值 ，经 低 选 器选 择 输 出 最小 的燃 料 给 定 值， 燃料 给定 值 和转 速 的乘 积后作 为 燃料 供 给模 块 的燃 料 信号 ， 燃料 控制 系统 动 作 ， 改变 燃料 量 ， 而 从 实 现 改变 燃 气轮 机 工况 的 目的 。压 气 机 Ｉ Ｖ 控 制 Ｇ 系统 ， 过 入 口导 叶执 行 机 构角 度 Ｉ Ｖ， 透 平 排 通 Ｇ 使 气 温度 保持 在最 佳 的设定 点 。在 这些 控制 系 统 中 ，
收稿 日期 ： ０ ０ ０ — ５ ２ １— １ １
Ｏｏ ， ．４ 转速 调节 器 的参数 Ｗ＝ ／＝ ５ Ｙ Ｏ ５ Ｚ Ｉ １ ２ ， ＝ ． ，＝ 。 ８ ０
１２ 燃气 轮 机加速 度 控制 系统 ． 加 速度 控制 系统 作用 是在 某些 特 殊情 况 下 ． 限
制转 子 的角加 速 度不 超过 其 给定值 ， 以保 证燃 气 轮 机 的机组 安 全 ． 气轮 机 的加 速度 控 制系 统起 到 了 燃 非 常重要 的作 用 。 同温度 控制 系统 一 样 ， 速 度控 加
机 ， 了最 大 限度 的 利用 燃 气 余 热 ， 汽轮 机 一 般 为 蒸
较 多 的采 用 滑压 运 行 方式 ．此 时 汽机 进 汽 阀 门全
燃气蒸汽联合循环机组模型建立研究
动 力 与 电 气 工 程
燃 气 蒸汽 联 合 循 环 机 组 模 型 建 立 研 究
李 伟 （ 北京威 猛机械 制造 有 限公 司 北 京 １ ０ １ １ ２ １ ） 摘 要： 近年来 ， 燃 气蒸汽联合 循环机 组 由于具有装机 容量 大 环境 污染 小． 启停快捷 以及 能量利 用率高等优 点 ， 因而在 电力系统 中的应 用 日益 引起人 们的重视 。 本文 利用Ｍ ａ ｔ ｌ ａ ｂ ／ ｓ ｉ ｍ ｕ Ｉ ｉ ｎ ｋ 对某联 合循环 电站燃 气轮 机的控 制 系统进行 模型纽建 ， 并对其全 工况进行 仿真分 析 ， 得 出其仿真 结果 切实符合 其实际物 理过程 ， 由此 证 明， 该模 型能够 用来对髌 气蒸汽联 合循环 机组进行 研 究。 关键词 ： 燃气 蒸 汽 循环机组 研 究 中 图分 类 号 ： Ｔ Ｍ ６ １ １ ． ３ １ 文献标识码 ： Ａ 文 章编 号 ： １ ６ ７ ２ － ３ ７ ９ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ７ （ ａ ） 一０ ０ ８ ６ —０ ２ 再 将 两 者 的 偏 差 输 入 积 料 压 力 的速 比 阀输 出信 号 。 其中， ０ ． １ ５ ≤ｕ ｆ 通常情 况下 ， 燃 气 一 蒸 汽 联 合 循 环 机 定 加 速 度相 比 较 ， 组 由燃 气 轮 机 、 余 热 锅 炉 和 蒸 汽 轮 机 三 大 分 调节 器 内 ， ｔ ） ≤１ ． ０ 。 利 用 公式 Ｇ （ ｓ ） ＝ Ｉ Ｏ ０ ／ Ｓ ， 最后 加 （ 部 分构成 ， 而 目前 最 常 见 的 燃 气 蒸 汽 联 合 以 积 分 得 到 加 速 度 燃 料 基 准…。 其次 ， 转 子 模 块 的微 分 方 程模 型 为 ：
燃气_蒸汽联合循环机组模型研究
山东电力高等专科学校学报Journal of Shandong Electric Power Coll e ge第13卷第2期0引言典型联合循环电站是由燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机三大子系统组成的，无补燃的余热锅炉型联合循环是目前最为常见的联合循环类型之一。
在无补燃的余热锅炉型燃气－蒸汽联合循环系统中，只有燃气轮机是主动的，余热锅炉随动于燃气轮机，为了最大限度的利用燃气余热，蒸汽轮机一般较多的采用滑压运行方式，此时汽机进汽阀门全开，不做调节。
因此可以近似认为，无补燃型联合循环的输出功率可以通过仅改变单个燃气轮机功率控制的给定值来进行调节。
显然，燃气轮机的控制是联合循环电站控制的重点，本文以GEMS7001EA 型燃气轮机为研究对象，通过分析其非线性状态空间方程，从控制角度及能量转化的角度建立联合循环的燃气轮机模型，并在Matlab/Simulink 仿真软件环境下，实现该型燃气轮机控制系统全工况仿真运行实验。
1燃气轮机的控制系统联合循环的燃气轮机控制系统主要包括转速/负荷控制系统、加速度控制系统、温度控制系统以及压气机入口导叶（IGV ）控制系统。
转速/负荷控制系统、加速度控制系统、温度控制系统都产生相应燃料给定值，经低选器选择输出最小的燃料给定值，燃料给定值和转速的乘积后作为燃料供给模块的燃料信号，燃料控制系统动作，改变燃料量，从而实现改变燃气轮机工况的目的。
压气机IGV 控制系统，通过入口导叶执行机构角度IGV ，使透平排气温度保持在最佳的设定点。
在这些控制系统中，转速控制系统和压气机入口导叶控制系统在稳态运行时占主导地位。
1.1燃气轮机转速/负荷控制系统转速/负荷控制是燃气轮机最基本的控制系统，当发电机并网运行时转速控制为有差控制，以便对负荷进行调节，转速控制器是一个比例模块，其增益值在10~50之间，相应的不等率在10%~2%之间。
在实际的并网运行中，通过调整转速基准，改变转速基准与实际转速之间的偏差，从而改变输出的燃料基准值，最终达到调整负荷的目的。
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燃气轮机及其联合循环机组建模方法研究
摘要：燃气轮机是一种涡轮式热力流体机械，具有效率高、投资省、启动快、
污染排放低、机组占地面积少、调峰能力好等优势。
燃气－蒸汽联合循环能进一
步提高机组的热效率和能量的利用率。
本文概述燃气－蒸汽联合循环，分析燃气
轮机联合循环的优势，从而运用各种方法建立燃气轮机及其联合循环机组的建模
与动态仿真方法，指出了其未来的研究及发展方向。
关键词：燃气轮机；联合循环；建模；研究
从20世纪80年代后燃气轮机功率和热效率都有了很大程度的提高，使得燃气轮机及其
联合循环在电力工业中的地位发生了巨大的变化。
燃气技术也得到了突飞猛进的发展，使得
燃气轮机联合循环发电技术趋于成熟。
而在实际的运行过程中，机组由于各种因素的影响，
经常在变工况条件下运行。
因此，了解燃气轮机及其联合循环的动态特性对设计合理有效的
控制系统很有帮助。
一、燃气－蒸汽联合循环概述
燃气蒸汽联合循环发电机组主要由三部分构成，即燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机。
其
中燃气轮机作为联合循环的核心部件，其性能直接影响联合循环热效率。
余热锅炉和蒸汽轮
机所组成的蒸汽系统，其参数也主要取决于燃气轮机的排气参数。
由于燃气轮机联合循环是
最开始应用在发电行业中的，当时机组单机容量小、热效率低，主要作为备用电源和调峰机
组使用。
燃气蒸汽联合循环将具有较高吸热平均温度的燃气轮机与具有较低放热平均温度的
蒸汽轮机结合起来，使燃气轮机的排气废热成为蒸汽轮机循环的加热热源，使整个联合循环
热能利用率较单独的燃气轮机循环或蒸汽轮机循环得到明显提升。
二、燃气轮机联合循环的优势
燃气-蒸汽联合循环主要是以天然气为燃料，天然气燃烧较安全，是洁净环保的优质能源，其燃烧热值高、燃烧性能好、运输方便。
燃气轮机和联合循环发电应用了热力学上布雷顿循
环和郎肯循环相结合的技术，有利于高品位能量相互转换，且充分利用较低品位的能量，具
有综合利用率高、效率高等优点，被广泛应用。
1、运行操作优化
第一，操作优化，在燃气轮机都准备妥当之后再启动燃机以便减少燃机网到汽机并网的
时间；在燃机点火之后在适当时间应快速开启余热锅炉的烟气挡板来实现快速升炉；可以通
过燃气机低转速暖机来加快暖管速度并增加暖管流量；第二，程序优化。
当对凝汽器低真空
限制余热锅炉挡板开启条件，保证汽轮机和凝汽器的安全，减少凝结水泵和循环水泵的辅机
运行时间，缩短稳态启动的整体总时间。
第三，优化成效。
联合循环机组的稳态启动在时效上有了明显的进步，启动时间会进一
步缩短，各项参数能够保持在正常范围内，对启动时间的缩短能够很大程度上节约能耗降低
燃油消耗量。
2、缩短停机时简单循环运行时间
在联合循环机组停运的过程中，降低燃机负荷来降低主蒸汽温度从而降低汽轮机缸温，
能够有效的减少简单循环的运行时间，在缸温降到规定值之后再将汽轮机停机，这样的过程
中能够通过减少简单循环的时间来实现降低油耗的功能。
3、降低厂用电率
减少机组启停时的厂用电量在实际操作汇中，可以通过修改DCS程序来实现减少机组启
停时的厂电能耗，在联合循环机组停运之后，要及时关闭余热锅炉过热蒸汽手动隔离阀，这
样便可以减少循环水泵的运行时间，节约厂电用量。
三、燃气轮机及其联合循环建模方法
燃气轮机系统主要由压气机、燃烧室和涡轮等部件组成，以完成多级压缩、燃烧和膨胀
等一系列过程。
在常规的燃气轮机仿真模型中，相对于转子转动惯性小得多的容积惯性和热
惯性，认为时刻部件进出口质量流量以及吸放热均处于平衡状态。
这样方程组得到简化和降维，但由于燃气轮机和流体网络中压力和流量的耦合特性，每一循环计算中转动惯性微分方
程的右函数无法显式求得。
根据燃气轮机三部件运行时的内部参数应满足的流量平衡、转速
平衡、压力平衡和能量平衡等方程，并参考压气机和燃气透平的通用特性曲线、各部分压损
特性来确定燃气轮机工作点和机组表现性能。
1、线性化建模法
小偏差线性化是线性化建模法的基础，线性化建立在导出燃气轮机各部件参数关系的基
础之上，最后求解方程组。
局部线性的数学模型采用最小二乘法和模糊辨识法拟合压气机特
性曲线，根据能量平衡和质量平衡等方程建立透平模型和燃烧室。
在此基础上对压气机入口
温度扰动、压气机入口导叶扰动、负荷扰动、燃料量扰动进行仿真试验，并且分析系统的动
态特性，验证模型的有效性。
线性化建模方法的简单特征，仅仅适用于稳态工况。
2、准非线性化建模法
准非线性化建模方法在计算当中用分段直线近似代替过渡曲线，以燃气轮机非稳态工况
为小偏差线性化的起点，每段直线上描述动态特性都是用起点的小偏差线性化方程组进行。
运用准非线性化建模方法，都充分考虑了压气机和涡轮性能曲线变化以及燃气性质的基础情况，每一步都是以前一步所达到的非稳态工况点为起始零点，并且针对所有的系数值进行不
断的更新。
仿真三轴燃气轮机加减速过程是在结合小偏差线性化数学模型和Matlab语言的基础上进行的，实现了求解大扰动非线性系统的目的。
准非线性建模法的准确性比线性化模型高，原因是考虑到了各稳态系数不相等的情况。
3、非线性化建模法
燃气轮机具有强耦合性和复杂性，它是扰动频繁、多变量的热动力装置。
通过仿真发现，运用最小二乘法得到的燃气轮机的线性模型，其输出与实际数据误差较大，这种强耦合的复
杂模型无法被最小二乘法建模进行很好的拟合。
而后的燃机模型通过选用改进后的ＲBF神经
网络和BP神经网络来建立，这两种结构非线性自学能力和拟合能力很强，因而误差得到了
明显的减小。
非线性建模法根据部件之间的惯性环节建模，在扰动较大时也可得到较高的仿
真精度。
4、模块化建模法
模块化建模的基础建立在各部件的不同特点之上，简单明确系统关系，合理分析并划分
系统，最后连接同时匹配模块间的输入输出变量，并且综合模型得出整个系统的动态特性。
模块法建模方法在合理简化燃气轮机的动态过程之后建立了透平、燃烧时和压气机的动态数
学模型。
导叶转角扰动仿真结果表明压气机可转导叶转角在燃料流量不变时的增大会同时增
大空气流量，也会导致压气机排气压力上升、燃气初温和排温降低、压比上升、性能曲线变
化等。
各种仿真平台都能够应用到通用性较强的模块法建模方法，同时可以根据研究的需要
适当简化和扩充模型。
5、基于模块化的非线性化建模法
利用热量传递方程、机械损失方程、焓的计算方程和冷却空气流量计算方程等辅助方程
来降低撒热、机械损失的情况。
从而利用转速控制对燃气轮机的负荷扰动、压气机入口导叶
扰动和压气机入口温度扰动进行仿真。
6、综合建模法
针对系统进行机理分析，建立机组动态数学模型。
此模型主要是应用于并网后燃气轮机
发电机组的变工况过渡过程准确性较高。
高的数据模型，提高了非线性处理能力，将误差减
小到最小。
结束语综上所述，燃气轮机联合循环机组建是燃气轮机性能分析的主要内容，是燃气轮
机控制系统设计的基础。
从燃气轮机具有优势，研究出在所有建模方法中，模块化建模法通
用性和实用性较强、仿真结果精度较高，是建模仿真技术发展的方向。
参考文献：
[1]郑建涛.某电厂联合循环机组燃气轮机系统的仿真建模[J].电站辅机，2007（03）
[2]张杨林子；孙建平；刘双白.燃气轮机及其联合循环机组建模方法研究[J].华北电力技术，2016（08）。