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基于Simulink的单轴重型燃气轮机启动过程仿真研究

2021-03-13 来源:易榕旅网
第25卷第1期 《燃气轮机技术》 Vol_25 No.1 Mar.,2012 2012年3月 GAS TURBINE TECHNoLoGY 基于Simulink的单轴重型燃气轮机启动过程仿真研究 张文杰,刘尚明,蒲星星,魏成亮 (清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室,北京 100084) 摘要:本文在课题组原有工作基础上,对重型燃气轮机进行了启动及加载建模研究,在Matlab/Simulink环 境下建立了重型燃气轮机启动及加载仿真模型。通过与现场启动和升负荷过程运行数据的对比,表明本文 所建立的模型的正确性。 关键词:燃气轮机;动态仿真;启动建模;Matlab/Simulink 文献标识码:A 文章编号:1009—2889(2012)01—0027—06 中图分类号:TK472 6 联合循环电厂因其污染排放少、效率高、投资 省、占地面积小等优点,近些年在我国得到长足的发 别进行介绍。 1.2压气机整体计算结构 展。燃气轮机是联合循环中重要的能量转换环节, 研究燃气轮机动态模型对理解其运行特性和对其进 行性能分析有重要的意义;同时,对重型燃气轮机控 制系统的开发、燃机故障诊断以及运行人员的培训 由热力学定理可知,在每一段的绝热压缩过程 中,压气机出口温度值可由公式(1)计算得到: r = ・1 ’ I 1+上(7r 叼c 一1)I (1) 等方面都有重要作用。 本文采用模块化编程的思想,在课题组原有工 作的基础上¨J,对燃气轮机的整体系统进行了建模 研究。在建模过程中针对各模块中进行的物理过 程,按照质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方 式中:k为比热比;7r 是每段压气机的压比值; 分别是该段压气机出口和入口的空气温度; 叼 是压气机的绝热压缩效率。 采用上述方法可以依次计算出压气机每段出口 的空气温度。每段压气机消耗的功率由公式(2)计 算得到: P。=g ・(h 一h ) (2) 程并结合燃气的热物性、热力学和传热学的相关基 本关系式,通过适当的简化,获得能够反映部件特性 的模型。 式中:P。为该段压气机消耗的功率; …h 分 通过设定与现场相同的运行条件,将模型运行 结果和现场运行数据进行了对比,对比结果表明,模 型能够很好地反映现场机组运行的特性。 别为该段压气机出口和人口的空气的焓值,由压气 机进出口的空气温度计算得到;g 为该段压气机的 空气流量。 1压气机仿真模型 1.1压气机建模概述 根据所研究的GE 9FA燃机的结构形式,对压 气机进行了模块化建模研究。由于9FA燃机采用 1.3压气机性能估算 压气机的性能估算通常采用以下三种方法:基 元叶栅法、逐级叠加法和基于相似原理的基线估算 法 。本文采用基于相似原理的基线估算法计算 压气机全转速范围内的性能。 三段抽气,因此将压气机模块分为三段进行计算。 在压气机建模中要处理以下几个问题:①压气 机整体计算结构;②对低转速压气机的性能估算; 由于现有实验数据有限,不能够计算出压比大 于10的压气机的性能,本文采用文献[3]的分段方 法对压气机的性能进行计算。在燃机仿真过程中, 对于低转速时压气机的特性参照文献[4]的方法, ③对人口导叶可调的压气机性能的修正。下面分 收稿日期:2011—07—04改稿日期:2011—07—21 28 燃气轮机技术 第25卷 结合现场数据对基线估算法得到的低转速时的压气 机特性曲线进行了修正。图1、图2是计算得到的 压气机特性曲线。 折合流量 图1 压气机压比和折合流量变化关系 折合流量 图2压气机效率和折合流量变化关系 1.4对入口导叶可调的压气机性能的修正 在压气机的建模中还需要考虑如下因素,即当 人口导叶角度发生变化时压气机性能特性也会发生 相应的变化。 本文采用文献[5]中使用的修正方法,对人口 导叶角度变化时的压气机的性能进行修正,其相关 的函数关系表达式如下所示: 一 g4 0= ( 7r , 17,,TGV) (3) 0 40 卵 = l、4仃 ,  ,IGVl/ (4) 式中:g√ 6为折合流量值; 为折合转速 值;7r 为压气机的压比值;IGV为压气机人口导叶的 开度;77 为压气机的绝热压缩效率值。 在仿真模型中,通过二维查表的方法获得不同 转速和不同流量下压气机的折合流量和绝热效率。 2透平仿真模型 GE 9FA重型燃气轮机的透平总共三级,采用 压气机抽气进行冷却。透平模块的建模主要解决燃 气透平流量特性和带有冷却的透平做功计算两个 问题。 2.1 透平流量特性计算 准确的透平流量特性一般通过整台透平实验得 到。鉴于实验成本和人们对透平设计的掌握程度较 好的情况,使用计算机进行透平变工况特性计算能 够满足实用要求。 在一般的性能计算和仿真模型的计算中,常用 弗吕盖尔公式来近似地表达透平的流量特性。针对 燃气透平的特殊性,本文采用经过转速修正后的弗 吕盖尔公式来计算透平级的流量值 J。 透平的效率计算则采用文献[7]提供的效率计 算公式,其公式表达式如(5)所示: 叼 =I 1—0.4・(1一nk no/  1 I(2q—q ) (5) 其中, q: (6) 式中: 、n。分别为转速和额定转速;Gm为透平 的额定燃气流量;G 为透平的实际燃气流量。 2.2透平级的做功计算 由于冷却空气的不断加入,在透平的每个级中, 参与膨胀做功的工质流量是不断增加的。为了准确 地计算透平的做功量,必须对透平的做功过程进行 仔细的分析。 为了既反映燃机透平级内的流动情况,又能够 较为准确地计算透平的做功量,必须对透平级内的 过程进行一定的简化,即将透平级中的做功过程分 为静叶混合模块、膨胀模块和动叶混合模块三个模 块来分别计算。 静叶混合模块和动叶混合模块的原理相同,都 是将高温气流和低温气流进行绝热混合,该过程中 遵循能量守恒定理和质量守恒定理。 在燃气轮机的透平级中,高温高压的燃气通过 膨胀,将燃气内能转化为机械功从转轴输出。膨胀 过程集中在膨胀模块进行。膨胀模块输出的参数是 膨胀之后的燃气温度和焓值,其中膨胀后出口的温 度计算公式如下: =Ti ・[1一叼 (1—7r -1 )] (7) 式中:Ti 分别为进、出口温度;,7 为透平级 效率;7r 为透平级膨胀比;k为比热比。 膨胀气体做功量P 计算如公式(8)所示: 第1期 基于Simulink的单轴重型燃气轮机启动过程仿真研究 29 P =g (h 一h ) (8) 式中:h h。 分别为进、出口焓;g 为膨胀子模 块入口流量。 3燃烧室仿真模型 假定燃烧室的焓值和温度均匀分布,反映燃烧 室动态变化过程关系主要是质量平衡方程和能量平 衡方程。参照文献[5]的处理方法,可以得到燃烧 室出口温度的一阶微分方程如下: dh。 [g h +g6(h6+r/6LHV)一g。 h。 ] ————— ———一 一(9) To = h。 ) (10) 丁 =Mc /k1・g。 (11) 式中:t为时间; 。 h 分别为燃烧室出口燃气 焓值和燃烧室人口空气焓值;g g…g 分别为燃烧 室人口空气流量、出口燃气流量和燃料流量; 为 天然气焓值;LHV为天然气的净比能; 为燃气内 部的燃气质量; 为燃烧室的燃烧效率。 4 其他模块建模和燃气热物性计算 4.1容积模块建模 在燃气轮机系统模型中,压气机和透平都假定 为无体积部件,为了反映部件内部的非稳定质量平 衡,就需要由容积模块来模拟。 容积模块数学模型可以用公式(12)来表达流 量压力关系: L. :g gmRTo £dt 。 。 (12)一  式中:t为时间;g g。 分别为入口、出口工质 流量; 为容积;p。 分别为出口压力值; 为出口 温度值;R为气体常数。 4.2转轴模块建模 燃气轮机的转轴将压气机、透平和发电机连接 起来,起着将透平发出的功率传递给压气机和发电 机的作用。其转动角速度微分方程如公式(13) 所示: dto1= ・(P 一P 一尸,一PE) (13) 式中: 为角速度;£为时间;‘,为转动惯量;P 、 P。、P 分别为透平输出功率、压气机耗功率、发电机 负载功率; 为由于机械损失、驱动辅助系统等所 消耗的功率。 4.3燃气热物性计算 燃气轮机的建模中一个重要的问题是工质的热 物性计算。 假定工质为半理想气体,其特点是每种组分的 定压比热容只随着工质温度的变化而变化;并且混 合气体的总压力为每种气体的分压力之和。也就是 说工质的热物性是气体成分和气体温度的函数。模 型中采用文献[9]中给出的方法来计算每种成分的 定压比热容和气体的焓值。 在燃机实际运行过程中,使用的气体燃料的成 分不是固定的,所以这就要求燃气轮机燃烧不同质 量分数的气体燃料时,能够计算出与实际燃烧气体 燃料热值相一致的净比能。在气体燃料热值计算模 块中,考虑燃料气体的质量分数组成,求出气体燃料 的净比能,从而达到精确求取特定气体燃料的净比 能的目的。 对于有燃料预热的系统,气体燃料带入系统的 热量是不可忽略的。采用文献[10]中提供的 C H + (n=1,…10)、CO、N2、H:S等气体在不同温 度下的焓值计算公式来计算混合气体的焓值。 5 GE 9FA单轴重型燃机整体模型 前述内容对重型燃气轮机仿真的主要子模块进 行了系统的介绍。结合GE 9FA重型燃气轮机的结 构特点,采用上文介绍的模块搭建起来的GE 9FA 燃机的模型如图3所示。 6模型的启动过程仿真验证 为了保证仿真结果与现场运行数据比较的有效 性,仿真过程中的相关给定条件的设定参照文献 [11],环境条件同现场运行条件相同,大气温度为 30.116℃,大气压力为101 168.44 Pa,大气湿度 为60%。 燃气轮机首先在设定的条件下完成启动过程, 该过程中通常包括盘车、冷拖、吹扫、点火、暖机和加 速等几个阶段。 燃气轮机启动到额定转速附近时,处于转速控 制之下。当机组的同期条件满足之后,发电机组进 行并网;为了使机组在电网频率波动时不产生负功 率,并网后的机组会带上一定的初负荷值,该数值一 般为机组容量的10%左右。当燃机负荷接近额定 值时,温度控制系统限制负荷的进一步升高,以避免 机组透平人口超温 。 30 燃气轮机技术 第25卷 图3 GE 9FA重型燃机整体模型示意图 图4是现场重型燃机启动和加载过程中燃料流 量随时间的变化规律。当点火过程完成后,为了使 燃烧室及其后金属部件受热均匀,故采用较小的燃 料流量值,进行一定时间的暖机。 开大到49。;之后当燃机升负荷时,IGV温度控制投 入,IGV的开度根据燃机出口的温度值变化。 图6~图10所示为在给定条件下,启动过程仿 真得到的转速、透平人口温度、透平出口温度、压气 机入15空气流量、压气机压比和燃气轮机输出功率 的变化趋势同现场数据的对照。图中的实线均为现 场运行数据,虚线为仿真数据。 图6所示为启动过程中转速随时间的变化趋 势。由图可知,仿真结果能够很好反映启动过程中 燃机的盘车过程、冷加速过程、清扫过程、惰走过程 以及点火过程和热加速过程,并且整个过程中模型 仿真输出的转速值和实际现场运行值误差很小。在 加载过程中(1 200 S之后)由于燃气轮机已经并入 电网中,所以燃机的转速处于额定转速值。 图4燃料流量随时问变化曲线 图5是现场重型燃机启动和加载过程中燃气轮 机可调静叶开度的变化趋势。启动过程中IGV开 度最小(28.5。);当转速到达90%左右时,IGV开度 、、 j型 靛 翠 埤 仿真时间/ks 图6转速随时间变化关系 图7是启动和加载过程中透平人口和出口的温 度值变化曲线。由图可知,从点火转速到额定负荷 的整个运行过程中,仿真曲线与实际运行曲线的趋 图5 IGV开度随时间变化曲线 势一致,能够很好地反映透平入口和透平出口温度 第1期 基于Simulink的单轴重型燃气轮机启动过程仿真研究 31 上升动态过程,同时也能够反映IGV开度变化时燃 机透平进、出口温度的变化趋势。 图7透平入口温度、出口温度对比 燃机 火时间为570 s,之后暖机,在630 s时燃机 开始加速。大约在1 000 s时,转速达到87.5%额定转 速,燃机的IGV开始从28.5。开大到49。。由于IGV开 大时压气机通过的流量增加较快,从而导致透平人口 温度和透平出口温度减小,直到IGV调整完成。 从仿真模型两条曲线同实际运行曲线之间的相 符情况来看,仿真模型能够很好地反映燃机透平进 出口温度的变化趋势,并且能够达到一定的仿真精 度。这为使用该模型下一步进行相关温度控制研究 打下了良好的基础。 图8为压气机入口空气流量随时间的变化趋势 图。由图可知,压气机流量的仿真曲线和现场运行 压气机流量曲线基本一致。并且在启动的不同的阶 段,仿真曲线能够很好地反映流量变化的趋势。加 载过程中,模型仿真得到的流量值和现场运行曲线 基本一致。该结果表明,压气机特性曲线的估算结 果能够满足仿真的需要。 图8压气机入口空气流量对比 图9为压气机压比值随时问变化的趋势对照 图。由图可以看出,在整个启动过程中,模型计算得 到的曲线和实际运行曲线符合较好,能够很好地反 映燃气轮机运行过程中燃机压比按照一定规律升高 的情况。 图9压气机压比对比 在整个启动过程中,仿真模型计算得到的流量 值和压比值,能够很好地反映启动过程和加载过程 中不同阶段流量和压比的变化趋势,并且仿真模型 能够正确反映燃气轮机的IGV操作过程中对燃气 轮机其他相关参数的影响。 图10是在给定条件下仿真模型燃机输出功率 值同现场数据的对比。由两条曲线的对比可以看 出,燃机模型输出功率的变化趋势同现场运行的燃 机功率变化曲线符合得较好,说明模型能够准确反 映燃气轮机运行过程中功率输出的变化趋势。 图l0燃气轮机输出功率对比 7 结论 本文采用Matlab/Simulink环境下建立的GE 9FA型单轴重型燃气轮机的启动和加载仿真模型, 对燃气轮机的启动过程和加载过程进行了仿真。由 燃机转速、透平人口和出口的温度、压气机入口空气 流量、压气机压比和燃机输出功率的仿真曲线和实 际运行曲线对比可知,该仿真模型能够很好地反映 GE 9FA型重型燃机的启动和加载过程,验证了该 模型的正确性。 32 燃气轮机技术 link.ASME,2006(128):506—517. 第25卷 该模型可以应用于控制系统的设计和验证,还 可以将其应用于实时仿真以及重型燃机运行过程优 化等方面的研究。 参考文献: [1]李忠义,刘尚明.基于SIMULINK的单轴燃气轮机建模与动态 仿真研究[J].燃气轮机技术,2009,22(3):33—39. [2]NASA.轴流压气机气动设计[M].秦鹏,译.北京:国防工业出 版社.1975. [6] 赵士杭.燃气轮机循环和变工况性能[M].北京:清华大学热 能工程系. [7] 张娜,蔡睿贤.单轴恒速燃气轮机及其供热并供装置的变工况 显示解析解[J].工程热物理学报,1998,19(2):141—145. [8] S.M.Camporeale,B.Fortunato,Adumas.Dynamic modeling of repuerative gas turbines[J].ImechE,2000,214:213—215. [9] D.bucker,r.span W W.Thermodynamic Prope ̄y Models for Moist Air and Combustion Gases[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2003,125:374—384. [3]夏迪,王永泓.PG9171E型燃气轮机变工况计算模型的建立 [J].热能与动力工程,2008,23(4):374—384. [10] 范康年.物理化学[M].北京:高等教育出版社,2005. [11] 杨松鹤.GE公司重型燃气轮机系列发展分析[J].燃气轮机 技术,2000,13(1):24—27. [12] 清华大学热能工程系.MARK V控制、操作与计算控制系统 『M].1997. [4]蔡睿贤.燃气轮机起动和压气机低速特性[J].动力工程, 1982,(5):21—24. [5] s.M.Camporeale,B.Fo ̄unato,M.Mastrovito.A Modular Code for Real Time Dynamic Simulation of Gas Turbines in Simu一 Research on the Startup Simulation of Single Shaft Heavy-duty Gas Turbine based on Simulink ZHANG Wen-jie,LIU Shang—ming,PU Xing—xing,WEI Cheng—liang (Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministyr of Education, Department of Thermal Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China) Abstract:This paper focus on the research of modeling of startup and upload simulation of heavy gas turbineand the startup and up— ,load model of heavy gas turbine is created using Simulink/Matlab.Startup and upload process are simulated using this mode1.The comparison of the simulation results to the field operating dates show the validity of the mode1. Key words:gas turbine;dynamic simulation;starting modeling;Matlab/Simulink 国家出台低热煤发电新政策 近日,国家能源局出台《关于促进低热值煤发电产业健康发展的通知》,明确了“十二五”期间低热值煤 发电装机容量增长5 000万kW的目标。对用于发电的低热值煤的煤种和发热量,《通知》中明确限定为热值 在5 020 kJ/kg至14 640 kJ/kg之间的煤矸石以及煤泥、洗中煤。 《通知》指出:低热值煤发电项目原则上采用煤矿、洗煤厂、电厂为同一投资主体控股的“煤电一体化”模 式。符合低热值煤发电条件的项目,其自用、外送火电建设规模将予以优先安排;优先于常规燃煤机组调度 和安排电量,降低机组负荷调节速率要求。支持以煤矸石为主要燃料的低热值煤发电项目作为所在矿区工 业园单个或多个符合国家产业政策企业的自备电厂,或参与大用户直供电。 摘自中国电力报2012—02—03 

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