重型燃气轮机天然气供应系统整体性能仿真

重型燃气轮机天然气供应系统整体性能仿真

马文明

中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司 吉林 长春 130021

摘　要：在仿真研究天然气的供应系统中，必须使用建模进行仿真实验．第一，在设计这个仿真系统的主要部件时，应应用模块化进行建模；第二，依据燃机电厂的各项重要数据，依靠BP神经网络实施训练，既能轻松获取系统的压力，也能轻松获取系统的值班流量；第三，融入PID控制原理，既要使用压力控制器，也要使用温度控制器，还要使用流量控制器，构建整个系统的仿真结构，对其采用稳态、动态仿真，但不管是哪种仿真结果，均要符合电厂的实际数据，也能反映仿真模型是系统性能的真实写照。

关键词：天然气供应系统；模块化建模；仿真

当前，在重型的燃气轮机中，天然气因为深受成分波动的影响，也深受温度、压力不能匹配的影响，进去燃机的燃烧室之后，根本无法直接燃烧，因此，为了彻底解决类似的问题，在天然气的主干网与燃机的燃烧室之间，天然气的供应系统因此应运而生。

在天然气的供应系统中，其既由过滤器、预热器、调压器组成，也由性能加热器、预混燃料阀、值班燃料阀组成。关于预热器，主要为了将天然气的温度加热，使其达到露点温度，杜绝产生液态烃、水滴；关于调压器，主要为了调整天然气的压力，以适应当前的工作情况，保障燃烧室内的压力趋于稳定的状态，超过限定值时，果断报警；低于限定值时，果断跳机。当前，国内的燃机供应商，对设定这个限定值毫无头绪；关于性能加热器，主要为了继续加热天然气，燃烧效率自然升高；不管是值班燃料阀，还是预混燃料阀，参考燃料的分配控制方案，有效设定预混气口的燃料量，在进行分配方案选定时，调整喷嘴值班气口的燃料量，既要充分权衡燃机的出力，也要充分权衡燃烧的稳定性。天然气的供应系统的整体性能，既深受各部件的性能影响，也深受其匹配关系影响，同时，既深受温度控制的影响，也深受压力控制的影响，还深受流量控制的影响。

1.天然气的供应系统进行仿真

从天然气的供应系统来讲，整个系统既由天然气物性模块、管路模块、换热模块组成，也由调压模块、阀门模块组成，从而构成一个整体的仿真模型。

1.1天然气物性模块

在这个模块中，系统各部件模拟调节天然气的流量、温度和压力，同时忽略各部件的机械运动机制．因此，这个仿真模型只是性能模型，根本不是运动模型。

1.2管路模块

在这个模块中，既要有效结合其阻力特性，也要有效结合其容积惯性．管路的阻力除了分布在进口端，还分布在出口端，其阻力既深受进出口的压力影响，也深受某个管路的内部压力影响。

1.3换热模块

在这个模块中，充分体现了天然气的加热过程．在这里，关于冷流体的定义，就是处于汽化状态的天然气；关于热流体的定义，就是处于流动状态的水。在这个过程中，质量必须不变，能量也必须守恒．因为热水，就是不可压缩的流体，既可以忽视其压力的变化，也可以忽视其密度的变化。所以，关于热水侧，能量必须不变．

1.4调压模块

在这个模块中，首要任务是调节天然气的压力，将其调至某种限定值，符合燃烧室的要求。其由两个腔室组成，两者之间设置了调压的膜片，其作用无异于阀门、阀杆．在建模过程中，腔室类似于管路中的容积惯性环节。

1.5阀门模块

在这个模块中，在进行预热器调节时，不可忽视热水阀门；在进行值班流量阀、预混流量阀调节时，不可忽视气量调节阀．这两种阀门均有阀杆，将阀杆的行程位置进行调整，阀门的通流面积，也因此得以有效改善，达到有效调节流量的目的．

2.控制模块进行设计

在系统中，其既要控制预热器后的天然气温度，也要控制性能加热器后的天然气温度，还要控制调压器后的天然气压力、值班流量。文中利用BP神经网络，依靠燃机电厂的各项数据，训练既能获取压力的设定，也能获取值班流量的分配规律，基于PID控制原理，设定温度、压力、流量控制器的目标值，确立控制模块．

2.1压力的设定值

在进行压力的数值有效设置时，在燃烧室的内部，既要参考其火焰的稳定性，还要参考其火焰的热负荷。如果燃烧纯净的天然气成分，那么，其火焰也就较为稳定，同时，燃烧室内部的天然气的温度，对燃烧的效率存在影响，另外，燃气轮机的出力，有效决定燃烧室内部的热负荷。

2.2流量的分配

一般而言，系统天然气的总量，与系统的负荷存在紧密联系．同时，无论是在燃气轮机中的排气温度，还是在压气机入口中的可调导叶开度，均是有效保障燃机能够稳定燃烧的因素。

2.3控制模块的结构

在系统的控制模块中，连接ＰＩＤ控制器，既有设定的压力，也有流量分配的BP网络模型，作为输入设定器，可以有效控制天然气的温度、压力和流量．

3.仿真实验

在仿真的实验过程中，关于国内燃机电厂，基本使用重型的燃气轮机，对其天然气的供应系统进行研究，不能缺少必备的仿真软件，建立各个模板的模型．既要实现稳态的仿真实验，也要实现动态的仿真实验，有效对比相关数据，分析其动态性能．

3.1稳态的仿真实验结果

在稳态的仿真实验中，燃气轮机必须持续处于启动状态，其负荷才能稳步提升。此时，尽管负荷也在持续发生变化，但天然气位于各负荷点的状态，不存在保持暂时稳定的难度，位于当前的负荷下，系统的性能能够呈现良好的稳定性．

3.2动态的仿真实验结果

在动态的仿真实验中，在管网中，既要提供天然气的成分，也要提供变负荷，容易转变工况，所以，在这个实验中，在这样的工况下，既能有效模拟天然气的温度变化，也能有效模拟天然气的压力变化，还能有效模拟天然气的流量变化。

4.结论

本文主要介绍重型的燃气轮机，关于其天然气的供应系统，并建立模型，进行仿真实验。在稳态的仿真实验中，无论是天然气调节的压力，还是其加热的温度、值班的流量，在同样的工作条件下，这些实验数据必须等同于实测电厂的数据，在模型的实验中，稳态精度必须足够高；在动态的仿真实验中，系统进行加热、调压和调节流量的相关部件，彼此之间存在关联的动态性能，其中，关于任意部件，如果控制目标有所变化，其他部件的控制目标也会有所波动，整个系统的动态性能必须具有稳定性，互相匹配各个部件的特性，部件的容积惯性必须得到重视，其能够导致控制存在滞后性．不管是稳态的仿真实验，还是动态的仿真实验，均可以证明，在重型的燃气轮机中，关于其天然气的供应系统，能够将实际系统中的所有性能反映出来，也能够将实际系统中部件的各项问题有效解决。

参考文献

[1]付云鹏，张会生，苏明，等．一种考虑变几何特性的重型燃气轮机建模方法［J］．动力工程学报，2014（34）：200-204.

[2]马文通，余南华，苏明．热力系统仿真中部件间容积简化方法研究［J］．计算机仿真，2006，23（8）：215－217.