燃气轮机及其联合循环机组建模方法研究
摘要：燃气轮机是一种涡轮式热力流体机械，具有效率高、投资省、启动快、
污染排放低、机组占地面积少、调峰能力好等优势。

燃气－蒸汽联合循环能进一
步提高机组的热效率和能量的利用率。

本文概述燃气－蒸汽联合循环，分析燃气
轮机联合循环的优势，从而运用各种方法建立燃气轮机及其联合循环机组的建模
与动态仿真方法，指出了其未来的研究及发展方向。

关键词：燃气轮机；联合循环；建模；研究
从20世纪80年代后燃气轮机功率和热效率都有了很大程度的提高，使得燃气轮机及其
联合循环在电力工业中的地位发生了巨大的变化。

燃气技术也得到了突飞猛进的发展，使得
燃气轮机联合循环发电技术趋于成熟。

而在实际的运行过程中，机组由于各种因素的影响，
经常在变工况条件下运行。

因此，了解燃气轮机及其联合循环的动态特性对设计合理有效的
控制系统很有帮助。

一、燃气－蒸汽联合循环概述
燃气蒸汽联合循环发电机组主要由三部分构成，即燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机。

其
中燃气轮机作为联合循环的核心部件，其性能直接影响联合循环热效率。

余热锅炉和蒸汽轮
机所组成的蒸汽系统，其参数也主要取决于燃气轮机的排气参数。

由于燃气轮机联合循环是
最开始应用在发电行业中的，当时机组单机容量小、热效率低，主要作为备用电源和调峰机
组使用。

燃气蒸汽联合循环将具有较高吸热平均温度的燃气轮机与具有较低放热平均温度的
蒸汽轮机结合起来，使燃气轮机的排气废热成为蒸汽轮机循环的加热热源，使整个联合循环
热能利用率较单独的燃气轮机循环或蒸汽轮机循环得到明显提升。

二、燃气轮机联合循环的优势
燃气-蒸汽联合循环主要是以天然气为燃料，天然气燃烧较安全，是洁净环保的优质能源，其燃烧热值高、燃烧性能好、运输方便。

燃气轮机和联合循环发电应用了热力学上布雷顿循
环和郎肯循环相结合的技术，有利于高品位能量相互转换，且充分利用较低品位的能量，具
有综合利用率高、效率高等优点，被广泛应用。

1、运行操作优化
第一，操作优化，在燃气轮机都准备妥当之后再启动燃机以便减少燃机网到汽机并网的
时间；在燃机点火之后在适当时间应快速开启余热锅炉的烟气挡板来实现快速升炉；可以通
过燃气机低转速暖机来加快暖管速度并增加暖管流量；第二，程序优化。

当对凝汽器低真空
限制余热锅炉挡板开启条件，保证汽轮机和凝汽器的安全，减少凝结水泵和循环水泵的辅机
运行时间，缩短稳态启动的整体总时间。

第三，优化成效。

联合循环机组的稳态启动在时效上有了明显的进步，启动时间会进一
步缩短，各项参数能够保持在正常范围内，对启动时间的缩短能够很大程度上节约能耗降低
燃油消耗量。

2、缩短停机时简单循环运行时间
在联合循环机组停运的过程中，降低燃机负荷来降低主蒸汽温度从而降低汽轮机缸温，
能够有效的减少简单循环的运行时间，在缸温降到规定值之后再将汽轮机停机，这样的过程
中能够通过减少简单循环的时间来实现降低油耗的功能。

3、降低厂用电率
减少机组启停时的厂用电量在实际操作汇中，可以通过修改DCS程序来实现减少机组启
停时的厂电能耗，在联合循环机组停运之后，要及时关闭余热锅炉过热蒸汽手动隔离阀，这
样便可以减少循环水泵的运行时间，节约厂电用量。

三、燃气轮机及其联合循环建模方法
燃气轮机系统主要由压气机、燃烧室和涡轮等部件组成，以完成多级压缩、燃烧和膨胀
等一系列过程。

在常规的燃气轮机仿真模型中，相对于转子转动惯性小得多的容积惯性和热
惯性，认为时刻部件进出口质量流量以及吸放热均处于平衡状态。

这样方程组得到简化和降维，但由于燃气轮机和流体网络中压力和流量的耦合特性，每一循环计算中转动惯性微分方
程的右函数无法显式求得。

根据燃气轮机三部件运行时的内部参数应满足的流量平衡、转速
平衡、压力平衡和能量平衡等方程，并参考压气机和燃气透平的通用特性曲线、各部分压损
特性来确定燃气轮机工作点和机组表现性能。

1、线性化建模法
小偏差线性化是线性化建模法的基础，线性化建立在导出燃气轮机各部件参数关系的基
础之上，最后求解方程组。

局部线性的数学模型采用最小二乘法和模糊辨识法拟合压气机特
性曲线，根据能量平衡和质量平衡等方程建立透平模型和燃烧室。

在此基础上对压气机入口
温度扰动、压气机入口导叶扰动、负荷扰动、燃料量扰动进行仿真试验，并且分析系统的动
态特性，验证模型的有效性。

线性化建模方法的简单特征，仅仅适用于稳态工况。

2、准非线性化建模法
准非线性化建模方法在计算当中用分段直线近似代替过渡曲线，以燃气轮机非稳态工况
为小偏差线性化的起点，每段直线上描述动态特性都是用起点的小偏差线性化方程组进行。

运用准非线性化建模方法，都充分考虑了压气机和涡轮性能曲线变化以及燃气性质的基础情况，每一步都是以前一步所达到的非稳态工况点为起始零点，并且针对所有的系数值进行不
断的更新。

仿真三轴燃气轮机加减速过程是在结合小偏差线性化数学模型和Matlab语言的基础上进行的，实现了求解大扰动非线性系统的目的。

准非线性建模法的准确性比线性化模型高，原因是考虑到了各稳态系数不相等的情况。

3、非线性化建模法
燃气轮机具有强耦合性和复杂性，它是扰动频繁、多变量的热动力装置。

通过仿真发现，运用最小二乘法得到的燃气轮机的线性模型，其输出与实际数据误差较大，这种强耦合的复
杂模型无法被最小二乘法建模进行很好的拟合。

而后的燃机模型通过选用改进后的ＲBF神经
网络和BP神经网络来建立，这两种结构非线性自学能力和拟合能力很强，因而误差得到了
明显的减小。

非线性建模法根据部件之间的惯性环节建模，在扰动较大时也可得到较高的仿
真精度。

4、模块化建模法
模块化建模的基础建立在各部件的不同特点之上，简单明确系统关系，合理分析并划分
系统，最后连接同时匹配模块间的输入输出变量，并且综合模型得出整个系统的动态特性。

模块法建模方法在合理简化燃气轮机的动态过程之后建立了透平、燃烧时和压气机的动态数
学模型。

导叶转角扰动仿真结果表明压气机可转导叶转角在燃料流量不变时的增大会同时增
大空气流量，也会导致压气机排气压力上升、燃气初温和排温降低、压比上升、性能曲线变
化等。

各种仿真平台都能够应用到通用性较强的模块法建模方法，同时可以根据研究的需要
适当简化和扩充模型。

5、基于模块化的非线性化建模法
利用热量传递方程、机械损失方程、焓的计算方程和冷却空气流量计算方程等辅助方程
来降低撒热、机械损失的情况。

从而利用转速控制对燃气轮机的负荷扰动、压气机入口导叶
扰动和压气机入口温度扰动进行仿真。

6、综合建模法
针对系统进行机理分析，建立机组动态数学模型。

此模型主要是应用于并网后燃气轮机
发电机组的变工况过渡过程准确性较高。

高的数据模型，提高了非线性处理能力，将误差减
小到最小。

结束语综上所述，燃气轮机联合循环机组建是燃气轮机性能分析的主要内容，是燃气轮
机控制系统设计的基础。

从燃气轮机具有优势，研究出在所有建模方法中，模块化建模法通
用性和实用性较强、仿真结果精度较高，是建模仿真技术发展的方向。

参考文献：
[1]郑建涛.某电厂联合循环机组燃气轮机系统的仿真建模[J].电站辅机，2007（03）
[2]张杨林子；孙建平；刘双白.燃气轮机及其联合循环机组建模方法研究[J].华北电力技术，2016（08）。