CN115169048A - 一种基于多领域组件建模的重型燃气轮机建模方法 - Google Patents

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CN115169048A CN202210868380.5A CN202210868380A CN115169048A CN 115169048 A CN115169048 A CN 115169048A CN 202210868380 A CN202210868380 A CN 202210868380A CN 115169048 A CN115169048 A CN 115169048A
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Abstract

本发明公开了一种基于多领域组件建模的重型燃气轮机建模方法，包括步骤如下：S1，确定接口模块的参数；S2，建立重型燃气轮机数字孪生系统所需静态模型，包括：进口模块、出口模块、压气机模块、透平模块、发电机模块；S3，根据质量守恒定律、能量守恒定律和热力学定律将重型燃气轮机动态惯性集总到部件中，并建立重型燃气轮机数字孪生系统所需动态模型；S4，基于仿真平台搭建重型燃气轮机数字孪生系统；S5，通过阶跃响应分析重型燃气轮机动态特性；S6，通过额定工况和实际运行数据，校正重型燃气轮机模型的静态和动态精度。本发明的模型运行效率高，降低了实机实验的成本和时间，为重型燃气轮机控制系统分析提供了模型基础。

Description

一种基于多领域组件建模的重型燃气轮机建模方法
技术领域
本发明涉及数字孪生仿真方法，尤其涉及一种多领域组件建模的重型燃气轮机建模方法。
背景技术
现代能源体系以清洁低碳为要求，安全高效的实现能源合理利用。以天然气为燃料的燃气轮机及其联合循环发电一直是清洁电力供应的重要技术。重型燃气轮作为该系统的核心单元，其热-功转化效率位列所有发电类设备之首，现今世界将其视作一个国家重工业水平的重要体现，直接关乎国家能源的发展。
然而，重型燃气轮机具有多变量、强耦合、非线性等诸多复杂的特性，其中压气机、高温透平等核心部件的数据欠缺，为研究重型燃气轮机系统带来困难。同时，我国自主研发的重型燃机技术仍未达到国际领先水平，燃机实机研究成本高，采用仿真研究方式可以有效减少调试时间，保障研究成本和电厂运行安全性，有利于我国燃机发展研究。
数字孪生技术通过数字化建模和仿真的方法，针对物理实体进行关键信息的描述刻画，从而降低实体实验的成本和时间。基于此，本发明将此技术应用于重型燃气轮机系统的数字孪生建模，从机理上阐述重型燃气轮机运行过程中的热力学特征、机组结构特征以及动态特征。同时，本发明在Modelica多领域仿真建模平台搭建重型燃气轮机模块，结合实机静态、动态数据，有助于分析重型燃气轮机变工况的动态特性，有效提高系统的精度，降低了关于重型燃气轮机的研究时间和成本。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够提高变工况运行效率，降低实机实验的时间和成本的基于多领域组件建模的重型燃气轮机建模方法。
技术方案：本发明的重型燃气轮机建模方法，包括步骤如下：
S1，将气体工质视为理想混合气体，确定接口模块的参数；
S2，建立重型燃气轮机数字孪生系统所需静态模型，包括：进口模块、出口模块、压气机模块、透平模块、发电机模块；
S3，根据质量守恒定律、能量守恒定律和热力学定律将重型燃气轮机动态惯性集总到部件中，并建立重型燃气轮机数字孪生系统所需动态模型，其中，将容积惯性集总到燃烧室模块；将热惯性集总到管道模块；将转动惯性集总到转轴模块；
S4，基于仿真平台搭建重型燃气轮机数字孪生系统；
S5，通过阶跃响应分析重型燃气轮机动态特性的正确性；
S6，通过额定工况和实际运行数据，校正重型燃气轮机模型的静态和动态精度。
进一步，所述步骤S1中，不同模块间的参数传递通过接口模块进行，接口模块的参数包括：气体质量流量、压力P、温度T及组分X，则理想混合气体的热力参数焓h、熵s的函数关系如下：
Figure BDA0003759445710000021
根据各部件模块中温度T计算变热容Cp：
Cp＝0.103409-0.284887-3T+0.7816818-6T2-0.4970786-9T3+0.1077024-12T4。
进一步，所述步骤S2中，压气机模块中选定以压气机折合转速Nc和压比πc为变量来表示压气机折合流量Gc和压气机等熵效率ηc的函数关系，通过二维表插值法拟合的压气机特性曲线图：
Figure BDA0003759445710000022
透平模块中通过透平折合转速NT和透平折合转速NT和膨胀比πT来计算透平折合流量GT和透平等熵效率ηT：
Figure BDA0003759445710000023
发电机模块中，发电机作为重型燃机的功率输出部件，其转轴与透平相联接，其功率输出如下：
PE＝π·Γ·ωe
式中，ωe为转轴转速，Γ为发电机转轴扭矩。
进一步，所述步骤S3中，将系统的容积动态集总到燃烧室模块中，根据反应方程式、质量和能量守恒定律，建立燃烧室的集总参数动态模型；
质量平衡表达式如下：
Figure BDA0003759445710000031
式中，M为气体质量，kg；t为时间，s；ωair为空气流量，kg/s；ωfuel为燃料流量，kg/s；ωout为排气流量(排气流量为负值)，kg/s；
能量平衡表达式如下：
Figure BDA0003759445710000032
式中，E为气体能量，kJ；hair、hfuel、hout分别为进口空气、燃气和出口排气的比焓，kJ/kg；η为燃烧效率；LHV为燃料的低位发热量，kJ/kg；δ为金属壁传热系数，kJ/m2/℃；S为金属壁面积，m2；To为排气温度，℃；Tw为金属壁温，℃；
其中，
Figure BDA0003759445710000033
R为关于气体组分的气体常数；
管道模块中，通过集中质量处理的方法，根据气体动量平衡、能量平衡、质量平衡方程来建立燃机流道金属温度的热惯性一阶微分方程，各平衡表达式如下:
动量平衡表达式：
Figure BDA0003759445710000034
其中，L为管道长度，A为等效截面积，w为质量流量，Pout为管道出口压力，Pin为管道进口压力，ΔP为摩擦压降；
能量平衡表达式：
Figure BDA0003759445710000035
其中，ρ为气体密度，cv为气体定容比热容,Δh为焓变，q为传热量；
质量平衡表达式：
Figure BDA0003759445710000036
其中，X为气体组分，M为管道内气体总质量；
转子模块中，以一阶微分方程形式将压气机、透平、发电机的功率串联起来：
Figure BDA0003759445710000041
式中，ω为角速度；t为时间；J为转动惯量；Pt、Pc、PE、Pf分别为透平输出功率、压气机耗功率、发电机负载功率以及机械损失消耗功率。
进一步，所述步骤S4中，将空气进气组件连接压气机模块、燃气进气组件连接燃烧室模块，接口模块嵌入关键模块中作为进、出口模块，各组件间通过接口模块定义的气体属性作为传递量进行串联。
进一步，所述步骤S5中，分别对燃料量、压气机进口空气质量流量进行10％的阶跃扰动，分析各输出量的动态变化。
本发明与现有技术相比，其显著效果如下：
1、本发明与在管道模块中，通过集中质量处理的方法，根据气体动量平衡、能量平衡、质量平衡方程来建立燃机流道金属温度的热惯性一阶微分方程，提高了仿真模型运行效率，能有效降低实机实验的成本和时间；
2、本发明具有双输入双输出的结构特点，能够满足对重型燃气轮机仿真模型的动态研究需求，模块具有独立性和通用性，便于进行扩展；
3、本发明采用静模块与动态模块结合，与实际运行数据吻合良好，满足了仿真要求。
附图说明
图1(a)为本发明实施中压气机特性曲线折合流量与等熵效率示意图；
图1(b)为本发明实施中压气机特性曲线折合流量与折合转速示意图；
图2为本发明实施中重型燃气轮机数字孪生系统图；
图3(a)为本发明实施中燃料输入扰动的阶跃示意图；
图3(b)为本发明实施中燃料扰动下压比动态变化图；
图3(c)为本发明实施中燃料扰动下排气温度动态变化图；
图3(d)为本发明实施中燃料扰动下输出功率动态变化图；
图4(a)为本发明实施中空气量输入扰动的阶跃示意图；
图4(b)为本发明实施中空气量扰动下压比动态变化图；
图4(c)为本发明实施中空气量扰动下排气温度动态变化图；
图4(d)为本发明实施中空气量扰动下输出功率动态变化图；
图5(a)为本发明实施中降负荷过程下燃料量输入动态变化图；
图5(b)为本发明实施中降负荷过程下空气量输入动态变化图；
图5(c)为本发明实施中降负荷过程下排气温度输出动态变化图；
图5(d)为本发明实施中降负荷过程下功率输出动态变化图；
图6(a)为本发明实施中升负荷过程下燃料量输入动态变化图；
图6(b)为本发明实施中升负荷过程下空气量输入动态变化图；
图6(c)为本发明实施中升负荷过程下排气温度输出动态变化图；
图6(d)为本发明实施中升负荷过程下功率输出动态变化图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明包括以下具体步骤：
步骤一，确定气体工质、接口模块所需参数及物性计算方法
燃气轮机的气体工质为燃气轮机，本发明中将气体工质视为理想混合气体，其中空气介质含有N2、O2、Ar、H2O四种气体组分；燃气介质含有CO2、CH4、N2三种气体组分；烟气介质含有CO2、H2O、N2、O2、Ar五种气体组分。
接口模块
本发明中，不同模块间的参数传递通过接口模块进行，同时物性参数计算也在接口模块中进行。接口模块的参数包括气体质量流量、压力P、温度T及组分X。理想混合气体的热力参数如焓h、熵s的函数关系在接口模块内计算：
Figure BDA0003759445710000051
热容Cp根据各部件模块中温度计算获得：
Cp＝0.103409-0.284887-3T+0.7816818-6T2-0.4970786-9T3+0.1077024-12T4 (2)
步骤二，建立重型燃气轮机数字孪生系统所需静态模块
压气机模块
压气机模块一般假设为准稳态部件。压气机特性曲线是反映其性能的重要依据，可以用压比πc、压气机折合转速
Figure BDA0003759445710000061
压气机折合流量
Figure BDA0003759445710000062
和压气机等熵效率ηc四个参数的关系来表示，其中n为实际转速，rpm；G为质量流量，kg/s；p为压强，Pa。压气机运行工况的独立参变量有两个，给出其中任意两个参数，就能确定压气机的工作状态。本发明选定以压气机折合转速Nc和压比πc为变量来表示压气机折合流量Gc和压气机等熵效率ηc的函数关系，通过二维表插值法拟合的压气机特性曲线图，见图1(a)、图1(b)。
Figure BDA0003759445710000063
透平模块
透平模型与压气机类似，透平特性曲线也可以用膨胀比πT、透平折合转速
Figure BDA0003759445710000064
透平折合流量
Figure BDA0003759445710000065
和透平等熵效率ηT四个参数的关系来表示。本发明通过透平折合转速NT和膨胀比πT来计算透平折合流量GT和透平等熵效率ηT：
Figure BDA0003759445710000066
发电机模块
发电机作为重型燃机的功率输出部件，其转轴与透平相联接，其功率输出方程如下：
PE＝π·Γ·ωe (5)
式中，ωe为转轴转速，Γ为发电机转轴扭矩。
步骤三，建立重型燃气轮机数字孪生系统所需动态模块
本发明依据GE 9FA机型进行简化，根据燃机数学机理进行动态模块搭建，涉及容积、热特性、转轴特性等，涉及的动态特性相较现有机型更为复杂精确，保证仿真效果更佳。
燃烧室模块：
燃料和压缩后的空气燃烧室内燃烧生成混合燃气，本文将燃机模型中的容积动态集总到燃烧室模块中，根据反应方程式、质量和能量守恒定律即可建立燃烧室的集总参数动态模型。
质量平衡：
Figure BDA0003759445710000071
式中，M为气体质量，kg；t为时间，s；ωair为空气流量，kg/s；ωfuel为燃料流量，kg/s；ωout为排气流量(排气流量为负值)，kg/s；
能量平衡：
Figure BDA0003759445710000072
式中，E为气体能量，kJ；hair、hfuel、hout分别为进口空气、燃气和出口排气的比焓，kJ/kg；η为燃烧效率；LHV为燃料的低位发热量，kJ/kg；δ为金属壁传热系数，kJ/m2/℃；S为金属壁面积，m2；To为排气温度，℃；Tw为金属壁温，℃。
其中，
Figure BDA0003759445710000073
式中，R为关于气体组分的气体常数。
选取简单的甲烷反应作为燃烧室内反应过程，基于此确定化学计量比及燃烧后的排气组分质量。其中反应方程式：
CH4+2O2→2H2O+CO2 (8)
燃烧摩尔质量Mcomb(mol/s)：
Figure BDA0003759445710000074
式中，ωf为燃料质量流量，kg/s；
Figure BDA0003759445710000075
为CH4气体占比，％；
Figure BDA0003759445710000076
为CH4摩尔质量，g/mol。
化学计量比λ：
Figure BDA0003759445710000077
式中，
Figure BDA0003759445710000078
为空气中O2的质量分数；
Figure BDA0003759445710000079
为O2的摩尔质量，kg/mol；
出口排气中各组分质量根据反应平衡和质量平衡确定，以O2为例：
Figure BDA00037594457100000710
式中，
Figure BDA0003759445710000081
为燃烧室出口气体中O2组分。
管道模块
在燃气轮机中，压气机与燃烧室、燃烧室到透平间的流道同样存在热惯性。本发明通过集总质量处理的方法来建立燃机流道金属的热惯性一阶微分方程，即将热惯性在这一模块实现。
动量平衡：
Figure BDA0003759445710000082
L为管道长度，A为等效截面积，w为质量流量，Pout为管道出口压力，Pin为管道进口压力，ΔP为摩擦压降。
能量平衡：
Figure BDA0003759445710000083
其中，ρ为气体密度，cv为气体定容比热容,Δh为焓变，q为传热量。
质量平衡：
Figure BDA0003759445710000084
其中X为气体组分，M为管道内气体总质量。
转子模块
燃机的压气机、透平和发电机都是通过转轴联接起来，透平发出的功率通过转轴传递给压气机和发电机，其一阶微分方程如下：
Figure BDA0003759445710000085
式中，ω为角速度；t为时间；J为转动惯量；Pt、Pc、PE、Pf分别为透平输出功率、压气机耗功率、发电机负载功率以及由于机械损失等所消耗的功率。
步骤四，搭建基于多领域建模的重型燃气轮机数字孪生系统
基于上述部件模块，在Modelica多领域仿真平台搭建基于多领域建模的重型燃气轮机数字孪生系统，如图2所示。其中，空气进气组件连接压气机模块、燃气进气组件连接燃烧室模块，接口模块嵌入关键模块中作为进、出口模块，组件间通过接口模块定义的气体属性作为传递量进行串联。燃烧室中排出气体经过管道模块进入透平中，最终推动发电机输出电量。
步骤五，通过阶跃响应分析所建系统动态特性正确性
令压气机入口空气质量流量保持额定工况参数不变，燃料量从额定工况的90％阶跃增加至100％，见图3(a)，计算步长为1s，压比、排气温度和负荷的变化过程见图3(b)、(c)、(d)。当燃料量阶跃增加时，燃烧室内气体内能和出口温度迅速增加，燃烧室内气体密度减小。受内能及气体密度变化的影响，气体压力迅速增大后略有回落，最终压比有所增加。受透平进口温度及燃机效率影响，透平排气温度迅速增大，燃气推动透平做功量增加。
令燃料量保持额定工况不变，压气机进口空气量从额定工况90％阶跃增加至100％，图4(a)，步长为1s，各参数动态变化过程见图4(b)、(c)、(d)。当进口空气量阶跃增加时，压气机折合流量随之增加，压比下降；由于燃料量保持不变，燃烧室出口温度减小，透平排气温度随之减小，但进入燃气轮机做功的高温燃气流量增加，因此负荷增加到新的稳态。仿真试验结果表明模型的动态过程符合热力学反应过程，符合燃机的运行规律。
步骤六，通过额定工况和实际运行数据校核系统精度
表1给出了额定工况下基于多领域组件建模的重型燃气轮机数字孪生系统的仿真值与GE9FA实机设计值的对比，可以看到，在保证初始参数一定工况下，系统仿真值与设计值吻合良好。
表1 GE9FA重型燃机模型额定工况对比
Figure BDA0003759445710000091
选取某台GE 9FA机组于2020/2/28,12:48:00-13:48:00降负荷过程及2020/3/220:50:00-21:50:00升负荷过程各1小时的运行数据，令系统输入值与运行数据保持一致，比较仿真输出数据与运行数据，以平均相对误差与最大相对误差作为模型精度指标。其中2月28日的比较结果如图5(a)、(b)、(c)、(d)所示，误差结果见表2；
表2 2020/3/2降负荷过程仿真数据与运行数据误差表
Figure BDA0003759445710000101
3月2日的比较结果如图6(a)、(b)、(c)、(d)所示，误差结果见表3。
表3 2020/3/2升负荷过程仿真数据与运行数据误差表
Figure BDA0003759445710000102
可见，当燃料量和进口空气量变化时，重型燃气轮机数字孪生系统的输出即透平的排气温度和功率的变化趋势与实际数据吻合较好，最大相对误差约3％左右，平均相对误差不大于1％。
通过额定工况下基于多领域组件建模的重型燃气轮机数字孪生系统的仿真结果与GE 9FA实机设计值的对比，本发明满足实机仿真的静态精度要求；在增、降负荷的变工况过程中，通过基于多领域组件建模的重型燃气轮机数字孪生系统的仿真结果与运行数据的对比可以看出：在并网状态下的动态过程中，所建系统的透平排气温度和功率变化趋势与实际过程趋势一致，吻合良好，满足实机仿真的动态精度要求。
本发明的重型燃气轮机建模方法，提高了仿真模型运行效率，有效降低了实机实验的成本和时间；本发明的重型燃气轮机建模方法具有双输入双输出的结构特点，能够满足对重型燃气轮机仿真模型的动态研究需求，模块具有独立性和通用性，便于进行扩展；本发明的重型燃气轮机建模方法静、动态精度高，与实际运行数据吻合良好，满足了仿真要求。

Claims (6)

1.一种基于多领域组件建模的重型燃气轮机建模方法，其特征在于，包括步骤如下：
S1，将气体工质视为理想混合气体，确定接口模块的参数；
S2，建立重型燃气轮机数字孪生系统所需静态模型，包括：进口模块、出口模块、压气机模块、透平模块、发电机模块；
S3，根据质量守恒定律、能量守恒定律和热力学定律将重型燃气轮机动态惯性集总到部件中，并建立重型燃气轮机数字孪生系统所需动态模型，其中，将容积惯性集总到燃烧室模块；将热惯性集总到管道模块；将转动惯性集总到转轴模块；
S4，基于仿真平台搭建重型燃气轮机数字孪生系统；
S5，通过阶跃响应分析重型燃气轮机动态特性的正确性；
S6，通过额定工况和实际运行数据，校正重型燃气轮机模型的静态和动态精度。
2.根据权利要求1所述的基于多领域组件建模的重型燃气轮机建模方法，其特征在于，所述步骤S1中，不同模块间的参数传递通过接口模块进行，接口模块的参数包括：气体质量流量、压力P、温度T及组分X，则理想混合气体的热力参数焓h、熵s的函数关系如下：
Figure FDA0003759445700000011
根据各部件模块中温度T计算变热容Cp：
Cp＝0.103409-0.284887-3T+0.7816818-6T2-0.4970786-9T3+0.1077024-12T4。
3.根据权利要求1所述的基于多领域组件建模的重型燃气轮机建模方法，其特征在于，所述步骤S2中，压气机模块中,选定以压气机折合转速Nc和压比πc为变量来表示压气机折合流量Gc和压气机等熵效率ηc的函数关系，通过二维表插值法拟合的压气机特性曲线图：
Figure FDA0003759445700000012
透平模块中,通过透平折合转速NT和膨胀比πT来计算透平折合流量GT和透平等熵效率ηT：
Figure FDA0003759445700000013
发电机模块中，发电机作为重型燃机的功率输出部件，其转轴与透平相联接，其功率输出如下：
PE＝π·Γ·ωe
式中，ωe为转轴转速，Γ为发电机转轴扭矩。
4.根据权利要求1所述的基于多领域组件建模的重型燃气轮机建模方法，其特征在于，所述步骤S3中，将系统的容积动态集总到燃烧室模块中，根据反应方程式、质量和能量守恒定律，建立燃烧室的集总参数动态模型；
质量平衡表达式如下：
Figure FDA0003759445700000021
式中，M为气体质量，kg；t为时间，s；ωair为空气流量，kg/s；ωfuel为燃料流量，kg/s；ωout为排气流量，kg/s；
能量平衡表达式如下：
Figure FDA0003759445700000022
式中，E为气体能量，kJ；hair、hfuel、hout分别为进口空气、燃气和出口排气的比焓，kJ/kg；η为燃烧效率；LHV为燃料的低位发热量，kJ/kg；δ为金属壁传热系数，
kJ/m2/℃；S为金属壁面积，m2；To为排气温度，℃；Tw为金属壁温，℃；
其中，
Figure FDA0003759445700000023
R为关于气体组分的气体常数；
管道模块中，通过集中质量处理的方法，根据气体动量平衡、能量平衡、质量平衡方程来建立燃机流道金属温度的热惯性一阶微分方程，各平衡表达式如下:
动量平衡表达式：
Figure FDA0003759445700000024
其中，L为管道长度，A为等效截面积，w为质量流量，Pout为管道出口压力，Pin为管道进口压力，ΔP为摩擦压降；
能量平衡表达式：
Figure FDA0003759445700000031
其中，ρ为气体密度，cv为气体定容比热容,Δh为焓变，q为传热量；
质量平衡表达式：
Figure FDA0003759445700000032
其中，X为气体组分，M为管道内气体总质量；
转子模块中，以一阶微分方程形式将压气机、透平、发电机的功率串联起来：
Figure FDA0003759445700000033
式中，ω为角速度；t为时间；J为转动惯量；Pt、Pc、PE、Pf分别为透平输出功率、压气机耗功率、发电机负载功率以及机械损失消耗功率。
5.根据权利要求1所述的基于多领域组件建模的重型燃气轮机建模方法，其特征在于，所述步骤S4中，将空气进气组件连接压气机模块、燃气进气组件连接燃烧室模块，接口模块嵌入关键模块中作为进、出口模块，各组件间通过接口模块定义的气体属性作为传递量进行串联。
6.根据权利要求1所述的基于多领域组件建模的重型燃气轮机建模方法，其特征在于，所述步骤S5中，分别对燃料量、压气机进口空气质量流量进行10％的阶跃扰动，分析各输出量的动态变化。
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