基于MatlabSimulink的微型燃气轮机动态仿真研究.pdf

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1、第27卷第1期《燃气轮机技术》Vol.27No.12014年3月GASTUＲBINETECHNOLOGYMar．，2014基于Matlab/Simulink的微型燃气轮机动态仿真研究1122严志远，向文国，张士杰，肖云汉(1．东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，南京210096;2．中国科学院先进能源动力重点实验室(工程热物理研究所)，北京100190)摘要:基于Matlab/Simulink平台，在建立压气机、燃烧室、透平、转子等部件模型的基础之上，建立了微型燃气轮机动态模型及速度控制系统模型，并对动态模型进行了阶跃升负

2、荷和甩负荷的仿真研究。仿真结果表明，动态模型能够有效地对变负荷过程进行模拟，为微型燃气轮机控制系统设计与分析提供了模型基础;速度控制系统模型能够满足转速调节的要求，并具有较好的稳定性。分析了燃烧室烟气热惯性对微型燃气轮机动态性能的影响，指出对该型燃气轮机可以忽略烟气热惯性的影响。关键词:微型燃气轮机;动态模型;动态响应;热惯性中图分类号:TK472文献标识码:A文章编号:1009-2889(2014)01-0032-06微型燃气轮机具有体积小、重量轻、寿命长、启Matlab/Simulink中搭建的仿真模型见图2。动快、维护简单等优点

3、，具有很好的应用前景和价1.1气体热力性质值。研究重型燃气轮机获得的一些经验也可以用在变负荷过程中，燃气轮机气体温度和空燃比会微型燃气轮机上，然而，由于微型燃气轮机具有较小有较大范围的变化，致使空气和烟气的比热容也随［1］的转动惯量，对控制系统的要求较高，致使其难之变化。为确保模型的精确性，考虑了温度和组分［3］以控制，这也限制了这些经验的使用范围。动态性的变化对气体比热容的影响。作两点假设:1)每能的研究是控制系统设计优化的重要手段，因此，非种组分的定压比热容只和温度相关;2)混合气体的常有必要进行微型燃气轮机动态仿真研究。压力为每

4、种组分的分压力之和。本文借鉴重型燃气轮机建模的相关经验，采用［2］模块化建模的思想，以机械驱动用微型燃气轮机为对象，基于Matlab/Simulink平台，在建立压气机、燃烧室、透平、转子等部件模型的基础之上，建立了微型燃气轮机动态模型及速度控制系统模型，并对动态模型进行阶跃升负荷、甩负荷仿真研究。分析了燃烧室烟气热惯性对微型燃气轮机动态性能的影响。1微型燃气轮机动态数学模型图1微型燃气轮机动态模型流程示意图微型燃气轮机动态模型流程图如图1所示。在收稿日期:2013-05-21改稿日期:2013-06-27作者简介:严志远(1989-

5、)，男，山东济宁人，硕士生，研究方向为微型燃气轮机建模与控制，E-mail:yzy89923@163．com。第1期基于Matlab/Simulink的微型燃气轮机动态仿真研究33图2微型燃气轮机仿真模型总体图根据文献［3］，每种组分的定压比热容为:惯性模块相连，其出口压力也为状态变量，所以，可10Tbi1通过二维查询表函数模块线性插值得到折合流量和cp，k=∑i=1ak，i()·(1)T0Mk等熵效率。式中:Mk为该组分的摩尔质量。假定空气为压气机出口温度Tout、耗功PC由式(5)、式(6)O2(21%)和N2(79%)的混合物，

6、使用CH4作燃料，决定:且在燃烧室中完全燃烧，则空气和烟气的定压比热ka－1βka－1T=TC(5)容分别为:outin(1+)ηis，Ccp，a=0.21·cp，O2+0.79·cp，N2(2)ka－1βka－16414436P=gcTC(6)cp，g=(α－·)cp，a+·cp，CO2+·Cap，ainη160.211616is，C640.79式中:ka为空气的绝热指数。cp，H2O+(·)cp，N2(3)160.211.3容积惯性式中:α为空燃比。考虑压气机至燃烧室之间的管道和燃烧室内部1.2压气机造成的流动不稳定，建立容积惯性

7、模型。采用集总压气机的变工况研究是保证燃气轮机模型精确参数法，假定压力损失集中在出口处:性的关键。由于压气机中气体流动情况十分复杂，dpＲToutout［4－5］=(ga，in－ga，out)(7)至今尚无准确描述压气机特性的理论公式。目dtMaV前对于压气机特性建模的方法主要有特性曲线插值式中:Tout、pout分别为出口温度和压力;ga，in、法、特性方程法和神经网络法。本文采用特性曲线ga，out分别为入口和出口空气流量;Ma为空气摩尔插值法对压气机进行建模。质量。微型燃气轮机多采用离心式压气机，压气机的1.4燃烧室ga槡θ燃烧

8、室是具有强烈换热特性的部件，能量输入特性曲线提供了折合流量、等熵效率ηis，C和压δ输出不平衡会引起温度变化，故考虑了燃烧室内烟n［5］气的热惯性。描述燃烧室出口烟气温度的动态方程比βC、折合转速之间的关系:［4］槡θ由