基于SIMULINK的燃气轮机系统动态模型仿真研究

基于SIMULINK的燃气轮机系统动态模型仿真研究

ＭｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓＶｏＬ２６，Ｎｏ．６，２０１０文章编号：１００７－７５７Ｘ（２０１０）６－００４１－０４

技术交流微型电脑应用２０１０年第２６卷第６期

基于ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭⅡ，ⅢＫ的燃气轮机系统动态模型仿真研究

常隽，屈卫东

摘要：基于ＭＡＴＬＡＢ／ＳＭⅡ，姗（种利用一种面向对象技术，建立燃气轮机非线性动态模型，即采用部件级模块设计方法，

设计出燃气轮机的各部分的模块，建立一种考虑客积惯性的燃气轮机系统仿真模型；主要研究表明，这种模型能全面反映系统的动态特性，适用于燃机加、减速及其它大扰动过渡工况的性能仿真。关键词：ＭＡＴＬＡＢＩＳＩＩＶＩ－ＧＬＩＮＫ；面向对象；燃气轮机系统；仿真研究

中图分类号：＂１Ｗ１１

０引言

文献标志码：Ａ

其拆分为各不相同的几个部件。一个是专门用于体现容积效应的，另一个是专Ｉ’Ｊ用于体现管路阻力特性的，还有一个用于专门体现热交换产生的各种效应。二者的串连从总体上反映一个复杂管路部件。对于某一种或几种效应较弱的管路而言，也可以只取代表其特征效应的单个部件，或部件组合。这样就解决了方程求解时的迭代问题，可以很方便地建立模块化模型来表示实际系统中相应的实体，使得模块具有可连接性和“重用”性。另外，考虑容积惯性后，避免了每一次右函数计算时的大量迭代，总体上提高了仿真运算速度。

本文基于ＭＡｌｌ．ＡＢ／ＳＩＩ删ＬＩＮＫ软件建立了一种非线性的考虑容积惯性的面向对象模块化仿真模型。此方法有两个主要特点：

一是对容积惯性法仿真模型做了如下几个方面的改进：第一，采用变比热的计算方法。由于工质（空气或燃气）的比热随着温度和气体成分的变化而变化，因此在等熵绝热过程中，温度Ｔ和压力Ｐ之间的．火系较为复杂，要建立精确的仿真模型必须考虑比热的变化。第二，考虑了油气比的变化对系统的影响。由于燃烧产物的比热、焓值和熵函数等都随油气比ｆ的变化而变化，所以计算时考虑油气比的变化是非常必要的。第三，考虑了排压（排气管道出口总压）的变化对系统的影响。涡轮前压力等凶素影响着排压，同时排压的变化也影响着系统，所以必须加以考虑。

二是采用面向对象的模块化建模方法。这为建立通用的燃气轮机仿真模型打下了基础，通过将燃气轮机整体划分为压气机、燃烧室、涡轮、转子和容积环节等模块。针对不同型号的燃机，加入所需的模块并在其中输入相应的特性数据，然后再将各个模块连接起来，就组成了所需的燃机模型。

这种方法建立的仿真模型简单、清晰、扩展性好，并且具有较高的仿真速度和精度，是目前燃气轮机仿真建模研究的一个重要方向。

燃气轮机是广泛用于航空、舰船以及电站系统中的重要动力机械，对其性能的研究是非常必要韵。为了研究燃气轮机的各种关键技术，特别是燃机的控制系统，必须有一个具有性能良好的燃机模犁，以利用数学模型代替真实发动机作为研究对象，进行控制理论的研究，这样可以节约大量的试验经费，还可以避免Ｈｊ真实发动机进行控制系统研究时可能产牛的意外失控事故。而利心计算机仿真技术，则是实现上述目的的有效手段之一。

目前，对燃气轮机仿真主要有３种建模方法：线性化模型法、准非线性模型法、非线性热力学模裂。１６Ｊ随着计算机技术的飞快发展，完成复杂的非线性运算已成为一件很容易的事情，由于燃气轮机是一种非线性的热力机械，因而多采用非线性仿真模型来保证其大工况范围内的仿真精度。其中，面向对象的图形化模块化建模方法。是现在通用的办法，这得益于面向对象仿真技术的优点和现有的许多成熟的，具有图形化模块化建模功能的通用仿真平台的出现。面向对象的仿真技术，根据组成系统的对象及其相瓦作用关系来构造仿真模型，模型的对象通常表示实际系统中相应的实体，从而弥补了模型和实际系统之间的差距，而且它分析、设计和实现系统的观点与人们认识客观世界的自然思维方式极为一致，因而增强了仿真研究的直观性和合理性。而Ｍ加几ＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ则是现在应用比较成熟的具有图形化模块化建模功能的通用仿真平台。

容积惯性法是近年来燃气轮机仿真中出现的一种新方法。［４１该方法取消了常规动态仿真方法中的第一项假定，从而各部件不应再被认为是流量平衡的。流量的不平衡将造成部件压力随时问变化而动态波动。一般来说，燃气轮机中主要的容积惯性体现在压气机、涡轮的进、出口段。以及管路连结段，其中又以管路（认为燃烧室是有强烈热交换的管路）部分为主。因此可以做这样的简化：认为燃气轮机所有部件的容积效应集中十数个管路段，并使这些管路段成为专门反映容积效应的容积效应部件。注意到管路模型的复杂性，在燃气轮机总体性能仿真时町以容忍对部件模型作一定简化。这里，我们进行这样的拆分：即便是对于同一段管路，也将

ｌ面向对象的部件模块设计

作者简介：常隽（１９８３．）．男，安徽阜阳，上海交通大学自动化系，硕士研究生，主要研究方向：燃气轮机建模与控制的计算机仿真。上

海２００２４０；

屈卫东（１９６２．），男，山西，上海交通大学自动化系，副教授，硕士研究生导师。主要研究方向：飞艇控制和发动机的控制，上海２００２４０

４ｌ

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１．２容积环节模块

此模块代表的是一定当量容积的流动连接部分，在动态计算中主要考虑凶流入流出流量差而引起的压力变化，由质量守恒定律得出如下压力流量微分方程：

譬：粤（瓯一吒）

Ⅸ

Ｆ

（４）

式中：ｔ为时间；Ｖ为容积：尺为气体常数。

在整个容积模块计算过程中假定进出口温度、压力一致。

图３是容积型模块内部构造图：

燃气轮机仿真模犁是由各个代表物理部件的模块连接而成的。ｂ１每个部件模块根据内部机理封装出来，部件模块有多个接口，可以和其他模块进行数据信息传递。一般来说，每个模块都有输入矢最Ｕ，输出欠量Ｙ和状态矢量Ｘ，如图１所示。其中各个模块间的箭头的方向代表数据的传递方向。除了转子模块外，各个模块的计算方向都是从左向右。各模块的接口处的标记Ｐ，Ｔ，Ｇ分别代表压力、温度、流量，其下标代表具体的流向或者位置。

对丁．燃气轮机仿真，其数学模型可看作为一阶常微分方程初值问题：

１．３燃烧审模块

此模块比较特殊，可以将其看作是具有强烈热交换的管路，因此燃烧宅模块由容积型予模块和换热型子模块两个部分组成。其中容积型模块中的温度Ｔ取燃烧室的进Ｕ温度和出口温度的平均值。燃烧室ｆ｛｛口的温度由热平衡方程得出：

（１）

图３容积型模块内部构造罔

。栅ｔ就赫，焉ｔ，，ｙ（ｔｏ）２粥

对其求解常用的方法有欧拉（Ｅｕｌｅｒ）法、龙格一库塔（Ｒｕｎｇｅ—Ｋｕｔｔａ）法，在程序中可以通过对解算器（Ｓｏｌｖｅｒ）的设置来实现，例如程序中的容积模块和转子模块则是应用的四阶Ｒｕｎｇｅ—Ｋｕｔｔａ法。１．１压气机模块

这个模块里丰要是由特性子模块、温升子模块和耗功子模块组成。其中特性子模块 …… 此处隐藏：5155字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……