CN115685752B - 一种基于模块化仿真平台的间冷燃气轮机模型建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模块化仿真平台的间冷燃气轮机仿真模型建模方法，先设定准定常假设下的间冷燃气轮机功率平衡方程和流量平衡方程，并建立了基于C++的燃气轮机部件级模型和基于AMESim的燃机间冷系统模型，搭建了模块化仿真平台，实现了间冷燃气轮机整机动态性能实时仿真，计算精度高、速度快。本发明在燃机间冷系统建模时考虑了间冷系统的循环增压泵、换热器、安全(泄压)阀等动态特性对间冷系统动态性能的影响，优化了间冷系统海水流量和循环冷却水流量，在保持燃机涡轮前总温不变的条件下，获得了燃机最大输出功率，对间冷燃气轮机动态实时建模、集成控制仿真、控制规律优化等提供了参考，具备一定的实用性。

Description

一种基于模块化仿真平台的间冷燃气轮机模型建模方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机数学建模与集成仿真技术领域，主要涉及一种基于模块化仿真平台的间冷燃气轮机模型建模方法。

背景技术

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料产生的能量转变为有用功的动力机械，是能源高效转换与清洁利用系统的核心动力装备。间冷循环燃机是在普通循环燃机的基础上增加了间冷器的复杂循环燃气轮机。间冷器安装在高、低压压气机之间，与简单循环相比，间冷循环降低了进入高压压气机的空气温度，从而减少了高压压气机的耗功，达到了大幅度提高燃气轮机功率的目的。由于间冷器的存在，高、低压压气机的匹配关系发生了变化，对其参数进行优化可以最大程度地提高间冷系统的间冷度和燃机的输出功率。

研究人员基于燃机高精度动态实时模型对燃机控制方案进行评估与验证，可大大降低了燃机研制过程中的经费与风险。

AMESim是多学科领域的复杂系统建模与仿真平台，用户可以在这个单一平台上建立复杂的多学科领域的系统模型，并在此基础上进行仿真计算和深入分析，也可以在这个平台上研究任何元件或系统的稳态和动态性能。

发明内容

发明目的：针对上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于模块化仿真平台的间冷燃气轮机动态实时模型建模方法，基于AMESim软件，采用模块化建模方法建立了间冷系统的机上、机外换热器、管路、电机和水箱等模型，利用自行搭建的模块化仿真平台，将间冷系统与基于C++的燃机部件级模型连接起来，实现了间冷燃气轮机整机性能仿真。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

步骤S1、根据三轴间冷燃气轮机功率平衡方程和流量平衡方程，基于C++构建进气装置、低压压气机、、间冷系统、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、动力涡轮和排气装置的部件级数学模型，给定输入变量Ps0、Ts0、Wf、dstep、η、P_d、T_Sea(大气静压、大气静温、燃油流量、动态仿真步长、间冷系统间冷度、间冷系统总压恢复系数、间冷系统海水侧进口总温)进行仿真建模；

步骤S2、基于AMESim软件，搭建包括机上换热器、机外换热器、海水电机泵、循环冷却水电机泵、安全(泄压)阀和与其相连的水箱的间冷系统模型；

步骤S3、搭建模块化仿真平台实现燃气轮机模型和间冷系统模型的联合仿真。

优选地，所述功率平衡方程为：

稳态性能计算时，动力涡轮转速作为模型输入参数，常给定设计点100％物理转速：

P_LGT·η_LS-P_LPC＝0

P_HGT·η_HS-P_HPC＝0

动态性能计算时，考虑转子惯性，三个转子轴转子动力学方程如下：

式中，P_LGT和P_LPC分别是低压涡轮和低压压气机的功率，η_LS为低压轴机械效率，J_L为低压轴转动惯量。

式中，P_HGT和P_HPC分别是高压涡轮和高压压气机的功率，η_HS为高压轴机械效率，J_H为高压轴转动惯量。

式中，P_PT是动力涡轮的功率，P_load是负载功率，η_PS为动力涡轮轴机械效率，J_P为动力涡轮轴转动惯量。

所述流量平衡方程为：

(1)低压压气机出口与高压压气机进口流量平衡方程：

W_a24＝W_a25

(2)燃烧室出口与高压涡轮进口流量平衡方程：

W_a31+W_f＝W_g4

(3)高压涡轮出口与低压涡轮工作轮进口流量平衡方程：

W_g43+W_cool45＝W_g45

(4)低压涡轮出口与动力涡轮进口流量平衡方程：

W_g46+W_cool47＝W_g48

(5)动力涡轮出口与排气装置进口流量平衡方程：

W_g6＝W_g8

式中，W_a24为低压压气机出口流量，W_a25为高压压气机进口流量，W_a31为燃烧室进口流量，W_f为燃烧室燃油流量，W_g43为高压涡轮出口流量，W_cool45为高压压气机中间级引向低压涡轮导向器进口冷却气流量，W_g45为低压涡轮工作轮进口流量，W_g46为低压涡轮工作轮出口流量，W_cool47为高压压气机中间级引向低压涡轮工作轮叶片冷却气流量，W_g48为动力涡轮进口流量，W_g6为动力涡轮出口流量，W_g8为排气装置出口流量。

优选地，采用牛顿拉弗森迭代算法对间冷燃气轮机功率平衡方程(稳态)和流量平衡方程进行求解，采用改进欧拉法对间冷燃气轮机功率平衡方程(动态)进行求解。

优选地，所述间冷系统在C++中的建模方法为：

燃机模型中的间冷系统模型在迭代时通过低压压气机部件模型解算出的出口总温T₂₄和出口总压P₂₄，以及间冷系统模型传递过来的间冷度η和间冷系统总压恢复系数P_d，计算出机上换热器气侧出口总温T₂₅和出口总压P₂₅，作为进口参数传递给高压压气机部件模型，其中间冷度η和间冷系统总压恢复系数P_d定义为：

式中，T₂₄为低压压气机出口总温，T₂₅为高压压气机进口总温，T_Sea为间冷系统机外换热器海水进口总温；P₂₄和P₂₅分别为低压压气机出口总压和高压压气机进口总压。

优选地，AMESim中的间冷系统模型采用变步长求解器求解，基于C++的燃机动态模型采用定步长求解器求解，且步长选择0.01s。

有益效果：

本发明提供的一种基于模块化仿真平台的间冷燃气轮机模型建模方法，先设定准定常假设下的间冷燃气轮机功率平衡方程和流量平衡方程，并建立了基于C++的燃气轮机部件级数学模型和基于AMESim的间冷系统模型，搭建了模块化仿真平台实现整机仿真，计算精度高、速度快。本发明在燃机间冷系统建模时考虑了间冷系统的循环增压泵、换热器、安全(泄压)阀等动态特性对间冷系统动态性能的影响，优化了间冷系统海水流量和循环冷却水流量，在保持燃机涡轮前总温不变的条件下，获得了燃机最大输出功率，对间冷燃气轮机动态建模、集成控制仿真、控制规律优化等提供了参考，具备一定的实用性。

附图说明

图1是本发明提供的基于模块化仿真平台的间冷燃气轮机模型建模及仿真方法流程图；

图2是本发明提供的三轴间冷燃气轮机结构原理图；

图3是本发明提供的基于AMESim搭建的间冷系统结构图；

图4是本发明提供的基于模块化仿真平台的整机模型；

图5是本发明提供的不同循环冷却水和海水流量组合的整机稳态仿真结果图；

图6是本发明提供的不同海水流量变化时的整机动态响应图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作更清晰、完整地说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种基于模块化仿真平台的间冷燃气轮机模型建模方法，具体流程如图1所示。

首先建立基于C++的燃气轮机部件级数学模型和基于AMESim的间冷系统模型，然后搭建模块化仿真平台实现整机仿真。具体地，

步骤S1、在完成所有部件的气动热力学建模后，选定五个仿真初猜值：低压压气机增压比、高压压气机增压比、高压涡轮落压比、低压涡轮落压比以及动力涡轮落压比(π_LPC、π_HPC、π_HGT、π_LGT、π_PT)，其对应的5个流量平衡方程分别为：

(1)低压压气机出口与高压压气机进口流量平衡方程：

W_a24＝W_a25

(2)燃烧室出口与高压涡轮进口流量平衡方程：

W_a31+W_f＝W_g4

(3)高压涡轮出口与低压涡轮工作轮进口流量平衡方程：

W_g43+W_cool45＝W_g45

(4)低压涡轮出口与动力涡轮进口流量平衡方程：

W_g46+W_cool47＝W_g48

(5)动力涡轮出口与排气装置进口流量平衡方程：

W_g6＝W_g8

式中，W_a24为低压压气机出口流量，W_a25为高压压气机进口流量，W_a31为燃烧室进口流量，W_f为燃烧室燃油流量，W_g43为高压涡轮出口流量，W_cool45为高压压气机中间级引向低压涡轮导向器进口冷却气流量，W_g45为低压涡轮工作轮进口流量，W_g46为低压涡轮工作轮出口流量，W_cool47为高压压气机中间级引向低压涡轮工作轮叶片冷却气流量，W_g48为动力涡轮进口流量，W_g6为动力涡轮出口流量，W_g8为排气装置出口流量。

在动态仿真过程中，考虑转子惯性，三个转子轴转子动力学方程如下：

式中，P_LGT和P_LPC分别是低压涡轮和低压压气机的功率，η_LS为低压轴机械效率，J_L为低压轴转动惯量。

式中，P_HGT和P_HPC分别是高压涡轮和高压压气机的功率，η_HS为高压轴机械效率，J_H为高压轴转动惯量。

式中，P_PT是动力涡轮的功率，P_load是负载功率，η_PS为动力涡轮轴机械效率，J_P为动力涡轮轴转动惯量。

以上三个转子动力学方程为常微分方程，采用改进欧拉法进行求解。

稳态性能计算时，动力涡轮转速作为模型输入参数，常给定设计点100％物理转速，高、低压转速作为初猜值。由于稳态时燃机高、低压转子的剩余功率为0，转子动力学方程转化为功率平衡方程：

P_LGT·η_LS-P_LPC＝0

P_HGT·η_HS-P_HPC＝0

燃气轮机在工作过程中涡轮前温度较高，为保证涡轮部件在高温下正常工作，需要从压气机中间级或出口截面引气对涡轮进行冷却；在加减速过程中，为防止压气机喘振，会对压气机中间级进行放气。图2中表述了某型间冷燃机具体的引、放气位置，间冷燃机性能模型在计算压气机引、放气流量时采用的是按压气机进口截面物理流量固定比例的方法。考虑引、放气后间冷燃机高压压气机输出功率为：

N_HPC＝(W_a3+W_a25·b₃)(h_t3-h_t25)+W_a25b₂₇(h_t27-h_t25)

式中，b₂₇为从高压压气机中间级引气(W_cool45、W_cool47和W_cool5)的比例，b₃为从高压压气机出口引气(W_cool41、W_cool43和W_{cool_leak})的比例，W_a25和W_a3分别为高压压气机进、出口物理流量，h_t25、h_t27和h_t3分别为高压压气机进口、中间级和出口的气体比焓。

为实现燃气轮机模型与间冷系统模型的匹配，本发明将燃机模型计算得到的低压压气机出口温度、空气流量以及出口压力作为边界条件输入到间冷系统中，间冷系统在AMESim仿真环境里通过迭代计算出下一时刻的间冷系统间冷度μ和总压恢复系数P_d传递给燃气轮机，燃机模型中的间冷系统模型在迭代时可以通过低压压气机部件模型实时解算出的T₂₄和P₂₄，以及间冷系统模型传递过来的η和P_d，估算出T₂₅和P₂₅，作为进口参数传递给高压压气机部件模型，其中η和P_d定义为：

式中，T₂₄为低压压气机出口总温，T₂₅为高压压气机进口总温，T_Sea为间冷系统机外海水换热器进口总温；P₂₄和P₂₅分别为低压压气机出口总压和高压压气机进口总压。

步骤S2、基于AMESim搭建包括机上换热器，机外换热器、海水电机泵、循环冷却水电机泵、安全(泄压)阀和与其相连的水箱的间冷系统模型，如图3所示。

步骤S3、本文为实现燃气轮机模型和间冷系统模型的联合仿真，搭建了模块化仿真平台，且输入、输出信号逻辑关系如图4所示。整个系统分成两个部分：燃气轮机模型和间冷系统模型。燃气轮机模型输入参数包括：燃油流量WF、燃机进口静压Ps0和静温Ts0、模型动态仿真步长dstep、动力涡轮转速NP、间冷系统间冷度η、机外换热器入口海水温度T_Sea和机上换热器总压恢复系数P_d；输出参数包括：低压压气机出口总温T24、总压P24和流量Wa24、高压压气机进口总温T25、燃烧室出口总温T4、高压轴物理转速NH、低压轴物理转速NL和燃机输出功率PWSD。间冷系统模型输入参数包括：间冷系统机上换热器空气侧进口总温T24、总压P24和流量Wa24、循环冷却水泵物理转速N_ph2o和海水泵物理转速N_psea；输出参数包括：间冷系统间冷度η和机上换热器总压恢复系数P_d。

为了保证本发明所设计的基于模块化仿真平台的间冷燃气轮机模型建模方法有效，下面提供一份具体实施例，对某型间冷燃气轮机模型进行数字仿真，稳态仿真结果如图5所示。具体地，

假设燃气轮机进口条件为标况，海水进口温度恒定为30℃，保持燃机燃烧室出口总温T4恒定为1600K。考虑以下20种工况：间冷系统海水流量分别为40Kg/s、80Kg/s、120Kg/s和160Kg/s，循环冷却水流量分别为50Kg/s、75Kg/s、100Kg/s、125Kg/s和150Kg/s。从图5可以看出，海水流量对间冷系统间冷度占主导地位，但随着海水流量的下降，这种影响也逐渐下降(图5（a）)。燃机的输出功率受到两者共同的影响，且在海水流量较低时(40Kg/s)，冷却水流量的增加并不会提升间冷系统的间冷度(图5（a）)，高压压气机耗功增加，燃机整机的输出功率也有所下降(图5（b）)。海水流量增加的同时提高了间冷系统的间冷度(图5（a）)和整机的功率(图5（b）)，也就是说海水流量和冷却水流量之间存在最佳匹配关系(海水160Kg/s，循环冷却水150Kg/s)，使得间冷系统间冷度最大且燃机输出功率最大。

动态仿真结果如图6所示。具体地，

假设机上换热器冷却水流量恒定不变，燃气轮机进口条件为标况，保持燃烧室出口温度T4恒定为设计点温度1600K，动力涡轮转速为设计点转速，机上循环冷却水泵流量为150kg/s，海水进口温度恒定为30℃。考虑三种工况：海水进口流量在第25s时从160kg/s分别减到120kg/s、80kg/s和40kg/s。随着海水流量的减少，机外换热器的换热能力下降，机上换热器水侧进、出口温度提高(图6（c）)，间冷系统的间冷度下降(图6（a）)，燃机间冷系统进口温度T24下降，间冷系统出口温度T25上升(图6（b）)，导致高压压气机耗功增加，燃机输出功率下降(图6（d）)，符合实际情况。

综上，本发明提供了基于模块化仿真平台的间冷燃气轮机动态实时模型建模方法，实现了燃气轮机部件级数学模型和间冷系统的联合仿真，具备慢车以上稳态和过渡态仿真的能力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于模块化仿真平台的间冷燃气轮机模型建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、获取间冷燃气轮机的功率方程以及流量平衡方程，基于C++构建间冷燃气轮机的部件级数学模型，给定输入变量进行仿真建立间冷燃气轮机模型；

步骤S2、基于AMESim多领域系统仿真集成软件，搭建间冷系统的部件级数学模型；

步骤S3、搭建模块化仿真平台实现间冷燃气轮机模型和间冷系统的部件级数学模型的联合仿真；

步骤S1中，所述功率方程为：

稳态性能情况下，

P_LGT·η_LS-P_LPC＝0

P_HGT·η_HS-P_HPC＝0；

动态性能情况下，

式中，P_LGT和P_LPC分别是低压涡轮和低压压气机的功率，η_LS为低压轴机械效率，J_L为低压轴转动惯量；P_HGT和P_HPC分别是高压涡轮和高压压气机的功率，η_HS为高压轴机械效率，J_H为高压轴转动惯量；P_PT是动力涡轮的功率，P_load是负载功率，η_PS为动力涡轮轴机械效率，J_P为动力涡轮轴转动惯量；n_L为低压涡轮转速；n_H为高压涡轮转速；n_P为动力涡轮转速；

所述流量平衡方程为：

(1)低压压气机出口与高压压气机进口流量平衡方程：

W_a24＝W_a25

(2)燃烧室出口与高压涡轮进口流量平衡方程：

W_a31+W_f＝W_g4

(3)高压涡轮出口与低压涡轮工作轮进口流量平衡方程：

W_g43+W_cool45＝W_g45

(4)低压涡轮出口与动力涡轮进口流量平衡方程：

W_g46+W_cool47＝W_g48

(5)动力涡轮出口与排气装置进口流量平衡方程：

W_g6＝W_g8

式中，W_a24为低压压气机出口流量，W_a25为高压压气机进口流量，W_a31为燃烧室进口流量，W_f为燃烧室燃油流量，W_g4为高压涡轮进口流量，W_g43为高压涡轮出口流量，W_cool45为高压压气机中间级引向低压涡轮导向器进口冷却气流量，W_g45为低压涡轮工作轮进口流量，W_g46为低压涡轮工作轮出哭流量，W_cool47为高压压气机中间级引向低压涡轮工作轮叶片冷却气流量，W_g48为动力涡轮进口流量，W_g6为动力涡轮出口流量，W_g8为排气装置出口流量；

步骤S1中C++构建间冷燃气轮机的部件级数学模型的方法为：

间冷燃气轮机模型中的间冷系统的部件级数学模型在迭代时通过低压压气机的部件级模型得到低压压气机的出口总温T₂₄和低压压气机的出口总压P₂₄，以及间冷系统的部件级数学模型传递过来的间冷度η和总压恢复系数P_d，计算出机上换热器气侧出口总温T₂₅和机上换热器出口总压P₂₅，作为进口参数传递给高压压气机的部件级模型，其中间冷度η和间冷系统总压恢复系数P_d定义为：

式中，T₂₄为低压压气机出口总温，T₂₅为高压压气机进口总温，T_Sea为间冷系统机外换热器海水进口总温；P₂₄和P₂₅分别为低压压气机出口总压和高压压气机进口总压。

2.根据权利要求1所述的一种基于模块化仿真平台的间冷燃气轮机模型建模方法，其特征在于，步骤S1中间冷燃气轮机的部件级数学模型包括进气装置、低压压气机、间冷系统、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、动力涡轮和排气装置的部件级数学模型；变量包括大气静压Ps0、大气静温Ts0、燃油流量Wf、动态仿真步长dstep、间冷系统间冷度η、间冷系统总压恢复系数P_d、间冷系统海水侧进口总温T_Sea。

3.根据权利要求1所述的一种基于模块化仿真平台的间冷燃气轮机模型建模方法，其特征在于，步骤S2中所述间冷系统的部件级数学模型包括机上换热器，机外换热器、海水电机泵、循环冷却水电机泵、安全泄压阀和与安全泄压阀相连的水箱的部件级数学模型。

4.根据权利要求3所述的一种基于模块化仿真平台的间冷燃气轮机模型建模方法，其特征在于：采用牛顿拉弗森迭代算法对稳态性能情况下的功率方程进行求解，采用改进欧拉法对动态性能情况下功率方程进行求解。

5.根据权利要求1所述的一种基于模块化仿真平台的间冷燃气轮机模型建模方法，其特征在于：步骤S1中间冷燃气轮机模型采用定步长求解器求解，且步长选择0.01s，步骤S2中间冷系统的部件级数学模型采用变步长求解器求解。