燃氣蒸汽聯合循環機組模型建立研究

摘 要：近年來，燃氣蒸汽聯合循環機組由于具有裝機容量大、環境污染小、啟停快捷以及能量利用率高等優點，因而在電力系統中的應用日益引起人們的重視。本文利用Matlab/Simulink對某聯合循環電站燃氣輪機的控制系統進行模型組建，并對其全工況進行仿真分析，得出其仿真結果切實符合其實際物理過程，由此證明，該模型能夠用來對燃氣蒸汽聯合循環機組進行研究。

關鍵詞：燃氣 蒸汽 循環機組 研究

中圖分類號：TM611.31 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（a）-0086-02

通常情況下，燃氣—蒸汽聯合循環機組由燃氣輪機、余熱鍋爐和蒸汽輪機三大部分構成，而目前最常見的燃氣蒸汽聯合循環機組是無補燃的余熱鍋爐型，在該系統中，燃氣輪機處于主動的地位，余熱鍋爐則伴隨燃氣輪機的轉動而運動。同時，蒸汽輪機通常為盡可能地利用燃氣余熱，一般運行方式采取滑壓式。本文通過對型號為GEMS7001EA的燃氣蒸汽聯合循環機組的非線性狀態空間方程加以分析，從動能與熱能之間的互相轉化及其控制等方面對建立燃氣蒸汽聯合循環機組模型進行研究。

1 聯合循環機組燃氣輪機的控制系統

一般來說，聯合循環機組燃氣輪機控制系統主要包括轉速及負荷控制、轉子角加速度控制、透平溫度控制和壓氣機入口導葉控制四大控制系統組成。

轉速及負荷控制系統。作為燃氣輪機最基本的控制系統，負荷/轉速控制系統是指為方便對負荷加以調節，其轉速控制在發電機并網運行時為有差控制，并且這時的轉速控制器保持10～50之間的增益值和2%～10%的不等率。此外，在燃機輪機實現并網運行的過程中，為了調整其負荷，通常首先對其轉速基準進行調整，使其與實際轉速之間產生一定量的差值，以便令輸出燃料的基準值得到改變，最終實現負荷得以調整的效果。當轉速不等率去4%時，利用W/（Y+Z）這一傳遞函數，可得W=1/轉速不等率=25；其中Y=0.05.Z=1。

轉子角加度速度控制系統。加速度控制系統是指為保證燃氣輪機的機組安全，因此在遇到某些特殊情況時，如燃氣輪機起動過程的起動加速率受到限制或者突然出現甩負荷抑制動態超速的現象，為使得熱部件的熱沖擊減少，而對轉子的角加速度加以限制，使其低于系統所給定的值。其具體過程是，首先將速度信號進行微分，得出實際的加速度，接著，用這個加速度與額定加速度相比較，再將兩者的偏差輸入積分調節器內，利用公式G（S）=100/S，最后加以積分得到加速度燃料基準[1]。

透平溫度控制系統。溫度控制系統是指為防止透平的進口葉片產生損害，因此對透平的進口溫度T3加以限制。而在實際的溫度控制系統操作過程中，溫控系統首先通過控制排氣溫度TX來達到控制T3的效果，并且該系統相當于一個比例積分調節器，其計算公式為：

式中：uf為燃氣輪機內的燃料控制信號；n為燃氣輪機的轉速信號；為控制燃料壓力的速比閥輸出信號。其中，0.15≤uf（t）≤1.0。

其次，轉子模塊的微分方程模型為：

（4）

式中：為壓氣機入口導葉角度；為壓氣機入口導葉控制器的控制信號。

再次，排氣溫度計算模塊的微分方程為：

（5）

式中：TX為透平的實際溫度；為溫度場的輸出信號。此外，額定排溫Tr的值一般設定為538℃。

由于該無補燃的鍋爐汽輪機在整個電站中輸出功率比例較小，因此可以將蒸汽壓力的變化忽略不計，這時得到蒸汽流量與發電功率之間的關系如圖1所示。

其中TR與TS分別代表再熱器和高壓透平的時間常數；C表示在整個蒸汽輪機功率中高壓透平功率所占的百分比[4]。

3 燃氣蒸汽聯合循環機組模型建立研究

通過運用現代科技，將GEMS7001EA型燃氣蒸汽聯合循環機組的控制系統模型置入Simulink/Matlab軟件之中，利用仿真技術對其加以研究，從而對參數及模型的有效性進行驗證。

鑒于燃氣輪機要實現并網發電時，需要讓其轉速與電網的頻率變化基本保持一致。然而由于在正常情況下電網頻率的變動以及單個機組轉速的變動均微乎其微，因此，可以將轉速的變動給整個電網頻率所帶來的影響，在進行一次調頻的過程中忽略不計。故而，在建立燃氣輪機控制系統模型時，可以初步認為燃氣輪機的轉速保持一個恒定的值。此時，為了是機組功率實現誤差調節，并且完成并網發現的目標，燃氣輪機的轉速需要采取有差轉速控制系統。此外，為了保證機組能夠一次調頻成功，還可通過調節轉速基準，將機組轉速控制系統的給定值適當增大，以便使得該機組的功率相應增加。其中轉速基準是負荷指令的前饋環節，它在燃氣機組并網之后通過改變汽輪機出力的升降來達到調節機組轉速控制系統給定值的效果。并且通過轉速基準調節的出力伴隨轉速基準的增加而上升[5]。

4 結語

通過在Matlab/Simulink仿真軟件環境下對GEMS7001EA型燃氣輪機的控制系統模型加以研究分析，使系統能夠真實再現燃氣蒸汽聯合循環機組電站升降符合等工作原理，得出其轉速能夠基本與額定值保持一致，且負荷的輸出相應比較迅速，由此證明燃氣輪機可以實現一次調頻，并且說明能夠用來對實際燃氣蒸汽聯合循環機組進行研究。

參考文獻

[1]李麟章.大型單軸燃氣-蒸汽聯合循環機組控制系統及其特點[J].電力系統自動化，2006，30（18）：99-102.

[2]周云海，沈廣，危雪，等.燃氣聯合循環機組作為黑啟動電源的可行性及其仿真[J].電力系統自動化，2008，32（14）：99-103.

[3]徐清.燃氣-蒸汽聯合循環機組整體性能保證方式探討[J].中國電機工程學報，2007，27（z1）：70-74.

[4]李方吉，鄧旭東.大型燃氣-蒸汽聯合循環機組維修策略[J].熱力發電，2009，38（9）：89-91.

[5]王兵樹，CUI Ning，張聰師，等.燃氣-蒸汽聯合循環機組熱力系統動態仿真模型[J].系統仿真學報，2008，20（12）：3107-3113.