GE 9E燃氣輪機建模方法研究

成勛 余敏 馬駿

摘 ?要：該文以GE 9E重型燃氣輪機為研究對象，以機理灰箱的方法，給出燃氣輪機建模的方法及過程，建立了燃氣輪機及控制系統的高精度全工況靜態模型和動力學模型。該模型可正確模擬機組啟停機過程，并對其進行了環境溫度和燃料量變化工況的測試。測試試驗結果證明，該文設計的燃氣輪機高精度全工況數學模型可以正確地反映燃機機組的動態特性，符合機組運行規律，對燃氣輪機的研究具有很好的價值。

關鍵詞：9E ?燃氣輪機 ?全工況 ?建模 ?仿真

中圖分類號：U464 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2020）12（c）-0047-03

Research on Modeling Method of GE 9E Gas Turbine

CHENG Xun1 ?YU Min1 ?MA Jun2

（1.Luojing Gas Turbine Power Plant of Shanghai Electric Power Co.， Ltd.， Shanghai， 200949 China;

2.Shanghai Xinhua Control Technology Group Technology Co.， Ltd.， Shanghai， 200241 China）

Abstract： Taking Ge 9E gas turbine as the research object， the modeling method and process of gas turbine are given with the method of mechanism ash box. And the static model and dynamic model of gas turbine and control system are established. The model can simulate the start-up and shut-down process of the gas turbine unit， and test the temperature change and FSR switch. The results show that the model can correctly reflect the dynamic characteristics of gas turbine， which has good research and reference value in line with the operation law of the unit.

Key Words： 9E; Gas turbine; Full condition; Modeling; Simulation

我國在燃氣輪機的研究是從20世紀30年代啟動的，自20世紀50年底逐步登上發電工業的舞臺。現出于設計控制系統、優化運行及員工培訓的目的，建立了一個燃氣輪機及控制系統的全工況高精度數學模型。該文將基于GE 9E燃氣輪機的設計手冊，接合現場運行數據，以上海新華控制技術集團科技有限公司開發的控制軟件XDC為平臺，建立一種面向對象的重型燃氣輪機仿真模型。

1 ?建模對象介紹

該文建立的燃氣輪機仿真模型包括燃氣輪機本體及全部的輔助系統（如氣體燃料系統、潤滑油系統、IGV系統、IBH系統、氣體燃料系統等）。

2 ?建模方法

在該文中，考慮到燃氣輪機的啟動及正常停機過程為動態過程，故采用動力學建模方法，其表現形式為曲線。對于并入電網，帶載運行時的動力學建模，該文采用靜力學模型，該方法采用理論建模和實際建模的混合建模方法，便于模型結構的確定以及一些參數的定性判別，實驗建模根據理論計算或實驗來取得所需的各種數據。

2.1 燃氣輪機靜態模型

該文所涉及的仿真建模系統主要涉及以下幾個系統。

2.1.1 壓氣機壓比模型

壓比計算公式如下：

（1）

不同的壓氣機特性曲線圖使系數c1、c2和c3的取值不同，在模塊中設置為參數，以便仿真過程中，進行調整。

2.1.2 燃燒室的數學模型

燃燒室出口溫度T3計算方法：

t3=（cpt2gb1+gfqμηb）（cpgb2）（2）

式（2）中，qμ為燃料的低位發熱量;ηb為燃燒效率;Cpr為燃氣的定壓比熱;Gb1為燃燒室進氣流量;x為冷卻空氣系數;Gb2為燃燒室出口流量;Gf為燃料量。

2.1.3 透平的數學模型

透平的流量計算方法：

gt=（1-g）gb2（3）

式（3）中，Gt為透平流量;g為流量損失系數。

2.2 燃氣輪機的動力學模型

由于燃氣輪機在啟動、正常停機過程均為動態過程，故采用動力學建模方法，其表現形式為曲線。在該文的建模研究中，是根據GE 9E的設計手冊并結合圖3建立燃氣輪機在高精度各工況的全過程動力學模型。

圖1中：πc為軸流壓氣機壓比;為軸流壓氣機的折合轉速;為軸流壓氣機的折合流量。

其中圖1中：OABC為啟動過程線（轉速加速），即啟動過程動力學模型;OA段為燃機在未點火時的冷拖線;ABC段是燃機點火后的熱拖段;C點是燃氣輪機全速（3000 rpm）空載點，此時可并入電網;CDE為帶載工況動力學模型曲線;E點為基本負荷點，此時進入燃料量排氣溫度控制（Base工況）;CFGO為燃機脫電網后的減速線;DCFGO是燃機正常停機線，即正常停機過程動力學模型;OG段為燃機的冷機線，在G點切斷燃料。

3 ?模擬結果

圖2到圖5為建立的燃機模型仿真結果，其中重點監測了FSR（燃料行程基準）、CPR（壓氣機壓比）、TTXM（透平排氣溫度）、CTD（壓氣機排氣溫度）、IGV閥開度、功率等參數。圖2、3為機組從起動、并網、帶負荷到停機全過程的曲線;圖4模擬了環境溫度變化，將環境溫度從80℉變至30℉，待機組穩定化再變化至80℉，機組主要模擬量參數變化的工況;圖5為FSR切手動后將FSR手動指令從40%降至20%進行階躍擾動試驗。

通過測試，驗證了該文建立的燃氣輪機發電機組全工況模型可以實現燃機從盤車開始，帶動燃機轉速上升到清吹轉速、點火、再繼續把轉速提升至額定工作轉速，然后控制發電機同期并網停機全工況的仿真以及DLN1.0燃燒室燃燒模式的切換;能夠對IGV、IBH、燃料量主控模擬量，及環境溫度等這些擾動量做出正確的響應，在燃氣輪機外特性參數如排氣溫度、壓比、功率的影響中做出正確體現。

4 ?結語

該文通過對燃氣輪機靜態模型和動力學模型進行闡述，給出了利用燃氣輪機設計參數建立啟動與停機過程動態模型的建模方法。并通過試驗模擬，驗證了模型的準確性。該文建立的燃氣輪建模方法，具有一定的通用性，可適用于對燃氣輪機性能及控制系統研究，也可用于用戶現場培訓。

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