两种调速系统下的燃气轮机动态仿真

Me =
( 1)
式中 : M e 为燃气轮机发出力矩; J 为燃气 轮机轴系 转动惯量 ; M g 为负载力矩; n 为燃气轮机轴系转速 . 由式 ( 1)按达兰贝尔原理可得 $ Me = P d ( $n ) J + $ M g, 30 dt ( 2)
式中 : $n、 $ M e、 $ M g 分别是转速差、 燃气轮机发出 力矩差、 负载力矩差 . Ne 已知 M e = 975 (N e 为主机功率 ), 对式 ( 2) 进 n 行泰勒展开可得 $ Me = 9 Me 9 Me $ Ne + $n , 9 Ne 9n ( 3)
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第 33 卷
L= K 2 Tce + U.
( 15)
液压调速器响应快捷, 当甩负荷时转速升高 , 供油量 也能迅速响应 , 进而避免飞车现象 .
当燃气轮机在额定工况下运行时, U的变化为 0 . 01 左右 , 也可以忽略不计 . 但在启动时变化较大 , 此项不可以忽略 . 主要考虑在额定工况下加载或减 载 , 所以可以不计 . 因而式 ( 15) 变为 L= K 4 Tce. 式中: K 4 = VCE 0 . VCE 0 - 4 T2 s+ 1 L = K 3K 4 . Ug - U T1 s+ 1 ( 16)
M e0 - 975D N e /D n K 2 是无量纲量 .
2 调速器分析
2 . 1 液压调速器 该机液压调速系统, 系统静态误差 D为 4 %,转 速超调量为 7 % ~ 8 % , 过度时间为 10 s . 经推导可知 的传递函数为一阶段性环节: L= 2 . 2 电子调速器 为了减小超调量 , 减少过渡时间 . 把它改为电子 转速调节系统. 电子转速系统由转速调节回路和电 液伺服回路 2 部 分组 成. 其 系统 静态 误差 D仍为 4 %. 转速调节电路原理图如图 1 所示 , 对系统进行 动态分析时所需的电阻参数已在静特 性分析时得 到. 在 SJ-SJB 加法节点上的电流关系为 I 1 + I 11 + I111 = I 2 + I3. ( 8) K . T0 + 1 ( 7)
加载 30 % 时, 转速与供油量在液压调速系统和 电子调速系统下的响应规律如图 3 和 4 所示 . 通过 对比可以得知: 负载变化时 , 电子调速器的响应要比
1996 . [ 3] 翁史烈 . 船舶燃气轮机仿真 [M ]. 上海 : 上海交通 大学出 版社 , 1987.
[责任编辑: 姜海丽 ]
参考文献:
[ 1] 张 图 2 燃机系统物理模型 彪 . 柴 ) 燃联合 动 力装 置 ( CODOG ) 实验 台仿 真与 实验研究 [ D ] . 哈尔滨 : 哈尔滨工程大学 , 1997. [ 2] 倪维 斗 . 热 能 动力 系 统建 模 [ M ]. 北 京 : 科 学 出 版 社 ,
4 仿真结果
图 4 供油量响应比较
( 18 )
5 结
论
的惯性时间常数 . T 4 与 T 5 的数值近似 , 微分作用正 好与伺服回路的惯性环节相抵消.
1) 建立了 2 种调速系统下的 S1 -02 燃气轮机系 统的数学和物理仿真模型. 通过对仿真结果的分析, 应用性能优越的电子调速系统可以避免危险的飞车 现象 .
第 33 卷第 5 期 2006 年 5 月
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A pp lied
用
Science
科
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and T echno logy
Vo. l 33, l . 5 M ay 2006
文章编号: 1009- 671X ( 2006) 05- 0024- 03
两种调速系统下的燃气轮机动态仿真
卫星云, 李淑英
( 哈尔滨工 程大学 核科学与技术学院 , 黑龙江 哈尔滨 150001) 摘 要 : 采用解析法建立了 S1A - 02 燃气轮机的数学模型 , 同时在分析 转速调节电 路原理的 基础上 , 建立 了该
图 1 转速调节电路原理图
$ Mg $B ; 负载相对力矩 K= . B0 M g0 稳态平衡工况即 M g 0 = M e 0时 , 由拉氏变换可得 (T 0 s + 1) U = K 1 L- K 2 K, 式中: 惯性时间 T 0 = K1 = ( 6) n0 J P / 30 ( s) ; 燃料系数 M e0 - 975D N e /D n
联立式 ( 2)、 ( 3) 、 ( 4) , 并用相对变量表示可得 Ne P dU 975 D Jn + (M e0 ) U= 30 0 d t n0 D n Ne 975 D B0 L- M g 0 K. n0 D B 式中: 燃机的相对转速 U= ( 5)
I1 =
VNH P . R1
( 9)
$n ; 燃料相对消耗量 L= n0
Abstract : Analyt ic m ethod is used to estab lish the m a th em atical m odel o f the S1A-02 gas tu rb in e , and the m athe m at ical m ode l o f the i m proved electronic speed regu la tor of the gas turbine is a lso estab lished on the basis o f the a nalysis of the speed adju stm ent deve lo ped c ircu i. t T he m odelm ainly invo lv es th e sm a ll dev iation lin earization m eth od . T his physical m ode l o f the gas turb in e , developed based on MATLAB / si m u link si m u lation so ftw are , obta in ed th e accurate results . K eyword s : gas turb in e ; electron ic speed regu lator ; real ti m e si m u latio n CODOG 联合动力装置物理模拟实验台可以模 拟实船的基本运行工况 . 该联合动力装置燃机主机 采用的是日本生产的 S1A-02定转速燃气轮机 . 该机 原先采用机 械液 压调 速系统 , 系 统静 态误 差 D为 4 % . 在实验中由于突然甩负荷, 导致转速增大 , 但供 油量响应过慢, 发生了飞车现象 . 为了避免该种危险 现象的再次发生 , 决定在不改变系统静态误差 D 的 情况下 , 把调速系统改装为电子调速系统 . 主要建立 了燃气轮机和电子调速系统的数学模型, 应用 M at lab / si m ulink 实时仿真技术建立了其物理仿真模型 , 得出准确的结果 . P dn J + Mg, 30 d t
3 物理模型
联立式 ( 6)、( 17) 应用 M atlab / si m ulink 仿真模 块建立整个燃机系统的物理实时仿真模型 , 仿真模 型如图 2 所示.
2) 在分析电子调速系统时, 没有考虑微分电路 的影响, 从实际中论证了这种分析的正确性 . 通过调 节 C 1 与 R 11参数选择 , 也可使 T 4 与 T 5 的数值近似 , 微分作用正好与伺服回路的惯性环节相抵消. 理论 上也证明了这种分析的正确性 .
柔性反馈 电路的反 馈电压 VF , 由电 阻电位 器 R 0 分压实现 , 其中分压比 A决定于调定的位置 . 当 D 为 4 % 时, 即 A= 1 , R 2 C 2 的电路电流为 I2 = 反馈电流 : I3 = - VCE . R 4 ( 1+ R 3 /R 5 ) + R 3 ( 12) - Vn g ; R 2 + 1 /C 2 S ( 11 )
1 主机模型
建立 S1A-02 燃气轮机系统的数学模型 气轮机轴系上力矩平衡方程为
[ 1- 3]
,燃
且
9 Me Me 1 9 1 = 975 , = - M e 0 ( 下标 0 表示稳态或 9 Ne n0 9n n0
额定工况 ) .
收稿日期 : 2004 - 12- 13 . 作者简介 : 卫星云 ( 1978- ) , 男 , 硕士研究生 , 主要研究方向 : 燃气轮机仿真 , E-m ai: l ccl0429 @ sohu. com.
将式 ( 8) ~ ( 12)合并简化, 并用相对量表示可得 ( 13 )
R 34 , T 2 = R 2C 2, T 1 = (R 2 + R 34 )C 2, R1
R 34 = R 3 + R 4 ( 1+ R 3 /R 5 ) . 伺服电路的时间常数为 0 . 1 s 左右 , 与燃机时 间常数相差 100 倍以上, 所以在分析动态特性时可 以忽略不计, 则有 B = K ( VCE - 4 ) n . $B , 可得 B0 ( 14 ) 同理 , 采用小偏差线性化后取相对值处理, 并且令 L=
由式 ( 13)和 ( 16)可得整个调速系统的传递函数为 ( 17 )
图 3 转速响应比较
在分析电子调速器时并没有考虑微分电路 . 如 果考虑微分电路的影响时 , 转速调节回路的传递函 数变为 Tce T4 s+ 1 T2 s+ 1 = K3 . U T3 s+ 1 T1 s+ 1 g - U 式中: T 3 = C 1R 11, T 4 = C 1 (R 1 + R 11 ) . 由于 T 3 远远 小于 T 1、 T 2、 T 4, 所以可 以忽略不 计 . 微分电路只需考虑 (T 4 s + 1) 环节. 电流伺服回 路实际为一阶惯性环节 1 , T 5 为电流伺服回路 T5 + 1
型燃气轮机的改装后电子调速器的数学模型 . 在模型建立中 , 主要采 用了小偏差 线性化的 处理方 法 . 应 用 M at lab /si m ulink 仿真软件建立该燃机的物理模型 , 并进行实时仿真 关键词 : 燃气轮机 ; 电子调速器 ; 实时仿真 中图分类号 : TK 472 文献标识码 : A
Dyna m ic si m ulation for the gas turbine in t w o speed regulation system s
W E I X ing -yun, L I Shu -y ing
( Schoo l o f N uc lea r Sc ience and T echno logy , H a rb in Eng ineer ing U n iversity , H arb in 150001, China)
当 DSP1N 电路的电压信号降低 1倍 , 成为输入给 定电压 Vng , 那么降低该电路电阻即可用 R 1 代替 , 则 I11 = - Vng . R1 ( 10)
B 0 /n0 @ D N e /D B ; 负 载 力 矩 系 数 K2 = N e 0 /n0 - D N e /D n M e0 ; 其中燃料系数 K 1 和负载力矩系数
第 5期
卫星云 , 等 : 两种调速系统下的燃气轮机动态仿真
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已知 N e = f (B, n), B 为燃料量. 利用燃机特性 曲线簇进行小偏差线性化可得 $ Ne = D Ne D Ne $n + $B . D n D B ( 4) 号为
当转速固定而且等于 100 % n0 时 , 给定电路电 流 I 111可以忽略不计. NH P1 电路接受的转速模拟信
假设各个变量的相对量为 Tce = $ VCE $VNH P $ng $ V ng $n , U= = , U = . g = VCE 0 n0 VNH P0 n0 VNH P 0 M T2 s + 1 ce = K3 , U T1 s + 1 g - U 式中 : K 3 = VNH P0 VCE 0 #