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变几何三轴式燃气轮机总体性能及控制规律研究

王涛  
【摘要】:动力涡轮导叶可调的三轴式燃气轮机具有高功重比、负载适应性强、易于起动等优势,通过调节导叶角度,改变动力涡轮以及上游的燃气发生器工作状态,使燃气轮机适应不同工况,从而具有优异的加减速以及部分工况性能。然而,该型燃气轮机复杂的三轴式结构以及可调的动力涡轮导叶给燃气轮机总体建模和控制规律设计等带来以下挑战:首先,由于该型燃气轮机结构复杂导致的多变量强非线性问题更为突出,传统模型难以同时获得优异的实时性和仿真精度;其次,动力涡轮导叶角度同时影响动力涡轮本身以及双转子燃气发生器的性能,如何优化控制规律,保证燃气轮机在任意工况、大气环境和负载条件下的性能最优具有重要意义;最后,在动力涡轮导叶角度调整过程中,多因素耦合作用下的双转子燃气发生器背压特性有待更深入的探索。但是,目前国内外关于该型燃气轮机实时仿真以及控制规律方面的研究所见不多。本文首先建立动力涡轮导叶可调的三轴式燃气轮机部件级仿真模型,在此基础上提出径向基函数(Radial Basis Function,RBF)神经网络与部件法的混合建模方法(Hybrid Method of RBF neural net algorithm and Component modeling method,HMRC),建立实时仿真模型,经验证该模型可满足控制系统硬件在回路仿真实验的要求;然后基于仿真模型和燃气轮机整机实验数据开展详细的燃气轮机总体性能研究,在此基础上,一方面从优化控制角度,提出燃油流量和导叶角度耦合控制策略,以保证燃气轮机关键参数不超限的前提下提高热效率和最大输出功率;另一方面从指导部件设计角度,研究双转子燃气发生器背压特性与部件特性间的关系,并与燃气轮机整机实验数据进行对比验证。上述研究为动力涡轮导叶可调的三轴式燃气轮机仿真建模、控制策略制定以及部件设计等提供重要参考。主要研究内容如下:(1)基于已有的部件特性以及燃气热力性质计算方法,对燃气轮机各部件分别建模,利用Newton-Raphson法求解非线性方程组确定共同工作点,在MATLAB/SIMULINK中针对该型燃气轮机建立部件级仿真模型,包括:设计点模型、稳态模型以及过渡态模型。(2)针对传统仿真模型难以同时满足硬件在回路仿真实验对模型精度和实时性要求的问题,本文利用神经网络和部件法二者的优势,提出径向基函数神经网络与部件法的混合建模方法(HMRC),传统部件级仿真模型和硬件在回路仿真实验验证该混合模型的准确性和实时性。(3)利用建好的仿真模型分析该型燃气轮机性能随大气环境的变化、动力涡轮导叶角度对燃气轮机性能的影响规律,以及不同大气环境下限制燃气轮机最大输出功率的因素等,为后文的控制策略研究做铺垫。(4)提出高效率模式(High Efficiency Mode,HEM)和高功率模式(High Power Mode,HPM)两套控制策略,通过优化燃油和导叶控制规律分别提高燃气轮机非设计点效率和不同环境下的最大输出功率。通过SIMULINK中建立的控制器模型验证其增益效果,特定工况下HEM和HPM可分别提高2%热效率和5%最大输出功率。(5)利用推导出的线性模型研究双转子燃气发生器出口背压变化时高、低压转子的部件匹配问题,建立各部件特性与双转子燃气发生器背压特性的数学关系,为部件特性的设计提供指导。仿真表明,根据该线性模型指导部件设计可避免高压轴转速随燃气发生器背压升高而增大。


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