一种基于多领域组件建模的重型燃气轮机建模方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术的模型运行效率高，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。气轮机控制系统分析提供了模型基础。气轮机控制系统分析提供了模型基础。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多领域组件建模的重型燃气轮机建模方法


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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，本专利技术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，本专利技术在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。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术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。
[0006]技术方案：本专利技术的重型燃气轮机建模方法，包括步骤如下：
[0007]S1，将气体工质视为理想混合气体，确定接口模块的参数；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]S4，基于仿真平台搭建重型燃气轮机数字孪生系统；
[0011]S5，通过阶跃响应分析重型燃气轮机动态特性的正确性；
[0012]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。
[0013]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：
[0014][0015]根据各部件模块中温度T计算变热容C
p
：
[0016]C
p
＝0.103409
‑
0.284887
‑3T+0.7816818
‑6T2‑
0.4970786
‑9T3+0.1077024
‑
12
T4。
[0017]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N
c
和压比π
c
为变量来表示压气机折合流量G
c
和压气机等熵效率η
c
的函数关系，通过二维表插值法拟合的压气机特性曲线图：
[0018][0019]透平模块中通过透平折合转速N
T
和透平折合转速N
T
和膨胀比π
T
来计算透平折合流量G
T
和透平等熵效率η
T
：
[0020][0021]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：
[0022]P
E
＝π
·
Γ
·
ω
e
[0023]式中，ω
e
为转轴转速，Γ为发电机转轴扭矩。
[0024]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；
[0025]质量平衡表达式如下：
[0026][0027]式中，M为气体质量，kg；t为时间，s；ω
air
为空气流量，kg/s；ω
fuel
为燃料流量，kg/s；ω
out
为排气流量(排气流量为负值)，kg/s；
[0028]能量平衡表达式如下：
[0029][0030]式中，E为气体能量，kJ；h
air
、h
fuel
、h
out
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；T
o
为排气温度，℃；T
w
为金属壁温，℃；
[0031]其中，R为关于气体组分的气体常数；
[0032]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:
[0033]动量平衡表达式：
[0034][0035]其中，L为管道长度，A为等效截面积，w为质量流量，P
out
为管道出口压力，P
in
为管道进口压力，ΔP为摩擦压降；
[0036]能量平衡表达式：
[0037][0038]其中，ρ为气体密度，c
v
为气体定容比热容,Δh为焓变，q为传热量；
[0039]质量平衡表达式：
[0040][0041]其中，X为气体组分，M为管道内气体总质量；
[0042]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：
[0043][0044]式中，ω为角速度；t为时间；J为转动惯量；P
t
、P
c
、P
E
、P
f
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。
[0045]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。
[0046]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。
[0047]本专利技术与现有技术相比，其显著效果如下：
[0048]1、本专利技术与在管道模块中，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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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：根据各部件模块中温度T计算变热容C
p
：C
p
＝0.103409
‑
0.284887
‑3T+0.7816818
‑6T2‑
0.4970786
‑9T3+0.1077024
‑
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T4。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N
c
和压比π
c
为变量来表示压气机折合流量G
c
和压气机等熵效率η
c
的函数关系，通过二维表插值法拟合的压气机特性曲线图：透平模块中,通过透平折合转速N
T
和膨胀比π
T
来计算透平折合流量G
T
和透平等熵效率η
T
：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：P
E
＝π
·
Γ
·
ω
e
式中，ω
e
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙立，李实，薛亚丽，周吉，钱俊良，
申请(专利权)人：苏州清动碳零信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：