燃气轮机在线状态建模与仿真研究
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收稿日期: 2011 - 07 - 06
修回日期: 2011 - 09 - 01
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异常时发出报警, 从而保证燃机运行的安全性。 3. 1 燃机建模流程
燃气轮机各部件的特性, 大部分是由实验获得 的 非 线 性 曲线, 因 此无法写出需求 参 数与 已 知 参 数的 具 体 函 数 表达 式。 在 特性 计算 中, 只能根据已知参数、 各部件特性以及各部件共同工作 时 的 相 互 制 约关系, 从燃气轮 机 进 气 道 界 面 开始, 按 气 体 流 程 逐 个 界 面进行 计 算。各个部件只能在各 自 特性图 上 的 某 一 个 工作 点 上进行 工作, 然 而由于各个部件在工作中相互制约, 因此在计算最 终 结 束 以前, 部件 特性图上工作点的位置无法确定, 使某些参数不能 直 接 求 出, 影响 计 算继续进行。为了使计算能 够 进行 下 去, 就 需 要 先 试 取 一些 未 知 参 数, 进行试凑迭代计算。 T0 ) 、 对于单轴燃气轮机, 在确定环境参数( p0 , 转 速 n、 和输出功 率 P i 的情况下, 燃气轮机就处于某一 个确定 的 稳 定 工作 状 态。 该状 态各截面的气动参 数和 燃 气 轮 机的 性 能 参 数, 可 按 气 体 流 程: 进 气 — —压气机— — —燃烧室— — —透 平— — —排 气 道, 道— 列 出 计算 链 进行 计 为 了 确定 部 算。由于各个部件在工作 过 程 中 存 在 相 互 制 约 的 关 系, 图1 燃气轮机结构图 件特性的工作点位置, 除了利用现有部分测点数据, 还 必 须 对一些 参 数进行试取, 从而进行迭代计算, 确定燃机的共同工作点。
第 29 卷
第5 期
计
算
机
仿百度文库
真
2012 年 5 月
文章编号: 1006 - 9348 ( 2012 ) 05 - 0315 - 04
燃气 轮 机 在 线 状 态 建模 与 仿真研究
李 鹍, 彭淑红, 张会生
( 上海交通大学机械与动力工程学院, 上海 200240 ) 摘要: 关于燃气轮机在线监测优化问题, 状态监测对于燃气轮 机的 安 全 运 行起着 至 关 重要 的 作 用。 为 了 实 现对 燃 机 状 态 监 测和性能评估的优化, 应对燃机机组热力性能诊断、 各部件 性 能 精确 预 测。 根 据 单 轴 燃 气 轮 机的 工作特 点, 进行 系统 建 模, 通过牛顿迭代法确定燃机各部件的共同工作点, 实现对各种运 行 状 态 的 监 测 和 评估, 并 针 对 某 型 燃 机编制 了 状 态 监 测 和 性 能评估软件进行仿真。结果表明, 运算收敛速度较快, 得到的结果与型燃机运行数据趋势基本一致, 满足 燃 气 轮 机 在 线 状 态 监测的需要, 可以投入工程应用。 关键词: 燃气轮机; 状态监测; 性能评估 中图分类号: TP301. 6 文献标识码: B
燃 料流 量、 膨胀 比、 流
3
在线模型的建立
在 线 仿真模型 通 过 传 入的机 组 实 时 测量 数 据 进行 性 能
计算, 实现对燃机机组的状态监测和性能评估。 传统的燃气轮机建模采用固定 的 部 件 特性, 但在 实 际 运 行过程中, 燃机各部件特性会随着运 行时 间 的 增 加 发 生 一些 变化, 若采用固 定 特性 就 会 影响 计算的 准 确 度。 此 外, 实时 监测对于模型计算 速 度 也 有 着 较 高 的 要求。 为 解决 上 述 难 题, 在线状态模型会根据机组历史运 行 数 据 对 部 件 特性作 出 修正, 并优化算法, 提高运算速度和 准 确 度, 在机组监测参数
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y2 的 修 正 量 Δ y1 、 求 出试给值 y1 、 Δ y2 , 以使下一次计算时 Z2 变 为 零 。 各 残 量 Z1 、 根据增量代替微分的概念, 应 使 Δ y1 、 Δy2 满足下列条件: ( Δ Z1 , h1 / h1 ) Δy1 + ( ΔZ1 , h2 / h2 ) Δy2 = - Z1 ( Δ Z2 , h1 / h1 ) Δy1 + ( ΔZ2 , h2 / h2 ) Δy2 = - Z2 ( 9) ( 10 )
的灵活性、 对资源 环境的 友好 性 等 诸 多 优 点, 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 型; 通过监测现场可测参数来判断机 组 运 行 状 况 是电 站 工作 人员处理机组运 行 问题 时 常 用 的 手 段。 但现 场可 测 参 数 有 限, 无法全面了解 燃 气 轮 机的 运 行 状 态, 因此 需 要 建 立性 能 用来确定 燃 气 轮 机 各 部 件的 共 同工作 点, 获取那 计算模型, 些无法直接测量的性能参数, 为机组 的 热 力 性 能 诊 断 提供 手 段。 建立可信的燃气轮机系统仿真模型, 对于 燃 气 轮 机动 态 特性研究、 系统性 能 分 析 等 方面 具 有 极 其 重要 的 意 义, 近些 年来已得到广泛的应用, 并取得 了 良 好 的 效果。 但 此前的 燃
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引言
燃气轮机具有 能 源 利 用 的 高 效 性、 运 行 的 稳 定 性、 使用
机系统建模 多用于 离 线 系统 仿真研究, 采用固定的部件特 性, 不能满足在线状态监测和性 能 评估 的 需 求。 本文 建 立 的 计算模型主要 用于在 线 系统, 对 燃 机机 组 进行 实 时 状 态 监 测, 并可根据历史 运 行 数 据 对 部 件 特性 进行 修 正, 具有较高 的准确度和可信性, 从而为燃机故障 诊 断 和 趋 势 预 测 模 块 提 供参考。
状态的基础; 除 了 转 速 n( 测量 值 ) 之 外, 需 试给 压 气 机 增 压 比 πc ( 可 测) , 从而 根 据 压 气 机的 压 比 和 折 合 转 速 得到 压 气 机的效率和折合流量。 在 计算 燃 烧 室 部 件 各参 数 时, 仅有压 气机出口参数, 不能 确定 燃 烧 室 工作 状 态, 在 计算中 需 试给 燃油流量 q mf ( 该参 数 通 常 无测量 数 据 ) 或 燃 烧 室 出 口 温 度 T3 ( 该参数不可测) 。 在计算涡轮部件时, 和压气机 类 似, 要使 用涡轮特性图, 由前面计算出的燃烧室出口压力 p3 和透平出 口 压 力 p4 , 可以得到透平膨胀比 π t = p3 / p4 , 结合已知转速 n, 可以确定透平的共同工作点, 得到涡轮的效率和流量。 这样, 在单轴燃气轮机特性计算中共需试给两个参数: 1 ) 压气机增压比 π c 2 ) 燃烧室燃油流量 q mf 试给值是 否 恰 当, 可以 在 整 个流 程 计算 结 束 后, 由必须 满足的共同工作条件检查确定。 如果 各 部 件 相 互 制 约 的 共 同 工作条件全部满足, 那么所有试给参 数 值 和计算 得到 的 各 截
本文 将 针 对 该 型 燃 气 轮 机 建 立 在 线 状 态 监 测 和 性 能 评 通过实时 性 能计算, 实 现对 机 组 可 测 参 数的 评估 及 估模型, 不可测参数的预 测, 通 过 监 测 运 行 参 数, 避 免 机 组 出现 较 大 故 障 。监 测 参 数 列 表 如 表 2 所 示 。
3. 2
表1 某型单轴燃气轮机基本参数 压气机 类型 级数 压比 转速( rpm) 点火方式 燃料注射口 轴流 14 16 : 1 15200 — — — — — — 涡轮 反动式 3 — — — 15200 — — — — — — 燃烧室 环形 — — — — — — — — — 喷火器 12
试给参数 在燃气轮机系统中, 压气机特性图 ( 图 2 ) 是确定其工作
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对象描述
燃气轮机按照 布置方 案 的 不同 可以 分 为 单 轴、 分 轴、 双
轴、 多轴, 其中单轴燃机主要部件由压气机( C ) 、 燃烧室( B) 、 涡轮( T) 组成。空气从进气道进入燃机, 经压气机压缩后, 进 入燃烧室与燃料混合燃烧, 从燃烧室 排 出 的 高 温 燃 气 通 过 涡 轮膨胀做功, 从而给压气机和发电机提供动力。 图 1 为某型单 轴 燃 气 轮 机 结 构 图, 由 进 气 道、 燃烧室部 件、 燃 机 排 气 增 压 器 和 波 纹 管 部 件、 涡 轮 部 件、 压 气 机 部 件、 减速装置、 启动 驱 动 器、 输 出 轴 组 成。 该 燃 机的 设 计 参 数 如 表 1 所示。
Research on Modeling and Simulation for On - line Status of Gas Turbine
LI Kun, PENG Shu - hong, ZHANG Hui - sheng
( School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240 ,China) ABSTRACT: Condition monitoring plays a significant role in the operation security of gas turbine. In order to optimize online monitoring and performance evaluation of gas turbine,so as to provide means for diagnostics of thermal performance and trends prediction of the components,the paper completed system modeling based on working characteristics of single - shaft gas turbine,and determined the operating point of various components with Newton iteration. Through the computational model for condition monitoring,software was developed for performance evaluation. Result from the model has the same tendency as the operation data. The model meets the needs of online condition monitoring for gas turbine,and can be put into engineering applications. KEYWORDS: Gas turbine; Condition monitoring; Performance evaluation
表2 部件 监测参 数 压气机 压 比、 流 量、 效率 监测参数列表 燃烧室 出口温度 涡轮 量、 效率 排气道 排气温度
面气动参数值以及 燃 气 轮 机的 性 能 参 数 值 就是 该 稳 定 工作 状态的实际 值。 反 之, 要 根 据 检 查 结 果, 调 整 试给参 数数 值, 重新进行计算; 如此重复试凑, 多次 迭 代, 直到各部件相互制 约的共同工作条件全部 满 足 为 止。 计算 完 成 后, 可以 通 过 对 比压气机压比的计算值和测量值来验证模型的正确性。 3. 3 共同工作条件 对于单轴燃气轮机, 上述两个试给参 数的 试给 值 是 否 合 适, 可以用下列的两 个 共 同工作 条 件 来 检 查, 该 共 同工作 条 件由测试数据和燃气轮机各部件特性构成: 1 ) 转子功率平衡方程 ( Pt ηm - Pi - Pc ) / ( Pt ηm ) = 0 的流量相等 ( 1) 2 ) 根据压气机部件所算得 的 流 量 与 透 平 特性图 上 查 得