GE 9E燃气轮机建模方法研究

成勋 余敏 马骏

摘  要：该文以GE 9E重型燃气轮机为研究对象，以机理灰箱的方法，给出燃气轮机建模的方法及过程，建立了燃气轮机及控制系统的高精度全工况静态模型和动力学模型。该模型可正确模拟机组启停机过程，并对其进行了环境温度和燃料量变化工况的测试。测试试验结果证明，该文设计的燃气轮机高精度全工况数学模型可以正确地反映燃机机组的动态特性，符合机组运行规律，对燃气轮机的研究具有很好的价值。

关键词：9E  燃气轮机  全工况  建模  仿真

中图分类号：U464                             文献标识码：A文章编号：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

我國在燃气轮机的研究是从20世纪30年代启动的，自20世纪50年底逐步登上发电工业的舞台。现出于设计控制系统、优化运行及员工培训的目的，建立了一个燃气轮机及控制系统的全工况高精度数学模型。该文将基于GE 9E燃气轮机的设计手册，接合现场运行数据，以上海新华控制技术集团科技有限公司开发的控制软件XDC为平台，建立一种面向对象的重型燃气轮机仿真模型。

1  建模对象介绍

该文建立的燃气轮机仿真模型包括燃气轮机本体及全部的辅助系统（如气体燃料系统、润滑油系统、IGV系统、IBH系统、气体燃料系统等）。

2  建模方法

在该文中，考虑到燃气轮机的启动及正常停机过程为动态过程，故采用动力学建模方法，其表现形式为曲线。对于并入电网，带载运行时的动力学建模，该文采用静力学模型，该方法采用理论建模和实际建模的混合建模方法，便于模型结构的确定以及一些参数的定性判别，实验建模根据理论计算或实验来取得所需的各种数据。

2.1 燃气轮机静态模型

该文所涉及的仿真建模系统主要涉及以下几个系统。

2.1.1 压气机压比模型

压比计算公式如下：

（1）

不同的压气机特性曲线图使系数c1、c2和c3的取值不同，在模块中设置为参数，以便仿真过程中，进行调整。

2.1.2 燃烧室的数学模型

燃烧室出口温度T3计算方法：

t3=（cpt2gb1+gfqμηb）（cpgb2）（2）

式（2）中，qμ为燃料的低位发热量;ηb为燃烧效率;Cpr为燃气的定压比热;Gb1为燃烧室进气流量;x为冷却空气系数;Gb2为燃烧室出口流量;Gf为燃料量。

2.1.3 透平的数学模型

透平的流量计算方法：

gt=（1-g）gb2（3）

式（3）中，Gt为透平流量;g为流量损失系数。

2.2 燃气轮机的动力学模型

由于燃气轮机在启动、正常停机过程均为动态过程，故采用动力学建模方法，其表现形式为曲线。在该文的建模研究中，是根据GE 9E的设计手册并结合图3建立燃气轮机在高精度各工况的全过程动力学模型。

图1中：πc为轴流压气机压比;为轴流压气机的折合转速;为轴流压气机的折合流量。

其中图1中：OABC为启动过程线（转速加速），即启动过程动力学模型;OA段为燃机在未点火时的冷拖线;ABC段是燃机点火后的热拖段;C点是燃气轮机全速（3000 rpm）空载点，此时可并入电网;CDE为带载工况动力学模型曲线;E点为基本负荷点，此时进入燃料量排气温度控制（Base工况）;CFGO为燃机脱电网后的减速线;DCFGO是燃机正常停机线，即正常停机过程动力学模型;OG段为燃机的冷机线，在G点切断燃料。

3  模拟结果

图2到图5为建立的燃机模型仿真结果，其中重点监测了FSR（燃料行程基准）、CPR（压气机压比）、TTXM（透平排气温度）、CTD（压气机排气温度）、IGV阀开度、功率等参数。图2、3为机组从起动、并网、带负荷到停机全过程的曲线;图4模拟了环境温度变化，将环境温度从80℉变至30℉，待机组稳定化再变化至80℉，机组主要模拟量参数变化的工况;图5为FSR切手动后将FSR手动指令从40%降至20%进行阶跃扰动试验。

通过测试，验证了该文建立的燃气轮机发电机组全工况模型可以实现燃机从盘车开始，带动燃机转速上升到清吹转速、点火、再继续把转速提升至额定工作转速，然后控制发电机同期并网停机全工况的仿真以及DLN1.0燃烧室燃烧模式的切换;能够对IGV、IBH、燃料量主控模拟量，及环境温度等这些扰动量做出正确的响应，在燃气轮机外特性参数如排气温度、压比、功率的影响中做出正确体现。

4  结语

该文通过对燃气轮机静态模型和动力学模型进行阐述，给出了利用燃气轮机设计参数建立启动与停机过程动态模型的建模方法。并通过试验模拟，验证了模型的准确性。该文建立的燃气轮建模方法，具有一定的通用性，可适用于对燃气轮机性能及控制系统研究，也可用于用户现场培训。

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