燃气轮机仿真体系与研发信息化建设方案
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基于SIMULNK的单轴重型燃气轮机建模与仿真研究
第 22 卷 第 3 期 2009 年 9 月
Ξ
《燃 气 轮 机 技 术》 GAS TURBINE TECHNOLO GY
Vol122 No. 3 Sept. ,2009
基于 SIMULNK 的单轴重型燃气轮机建模与仿真研究
刘尚明 ,李忠义
(清华大学热能工程系 热科学与动力工程教育部重点实验室 ,北京 100084)
燃气轮机是一个高度非线性的热力系统 ,要对 其进行实时动态仿真研究就必须考虑各种惯性因 素 ,主要有容积惯性和转动惯性 。容积惯性在以往 的仿真研究中经常忽略不计 ,然而在燃气轮机实际 的运行过程中 ,流动的不平衡总是存在的 ,故在本文 的模型中加入了容积模块来考虑系统的容积惯性 。 为提高系统的仿真精度 ,本文还建立了一些特殊的 模块用来计算工质的属性 ,比如计算定压比热容模 块 、计算摩尔质量模块等 。
容积模块的数学模型通过质量守恒方程可以得
到如下的一阶常微分方程[6] :
Vp × dpout
mR Tout dt
= gin -
gout
(8)
式中 Vp 为容积模块的当量体积 ; pout , tout 为出
口压力 、温度 ; gin , gout 为入口 、出口流量 ; r 为气体
常数 : m 为指数 ,可以由比热比 k 来近似 。
都需要计算定压比热容模块 ,这样就可以得到在不
同时刻不同部件中精确的混合气体定压比热容 ,从 而为系统高精度仿真提供了保障 。
212 大气条件模块 大气条件模块通过给定的大气温度 、压力和相
对湿度 ,计算得到环境大气各成分的质量分数 ,然后 通过混合模块将大气温度 、压力和大气成分质量分
数作为一个矢量信号输出给下游的压气机模块 。
Ξ
《燃 气 轮 机 技 术》 GAS TURBINE TECHNOLO GY
Vol122 No. 3 Sept. ,2009
基于 SIMULNK 的单轴重型燃气轮机建模与仿真研究
刘尚明 ,李忠义
(清华大学热能工程系 热科学与动力工程教育部重点实验室 ,北京 100084)
燃气轮机是一个高度非线性的热力系统 ,要对 其进行实时动态仿真研究就必须考虑各种惯性因 素 ,主要有容积惯性和转动惯性 。容积惯性在以往 的仿真研究中经常忽略不计 ,然而在燃气轮机实际 的运行过程中 ,流动的不平衡总是存在的 ,故在本文 的模型中加入了容积模块来考虑系统的容积惯性 。 为提高系统的仿真精度 ,本文还建立了一些特殊的 模块用来计算工质的属性 ,比如计算定压比热容模 块 、计算摩尔质量模块等 。
容积模块的数学模型通过质量守恒方程可以得
到如下的一阶常微分方程[6] :
Vp × dpout
mR Tout dt
= gin -
gout
(8)
式中 Vp 为容积模块的当量体积 ; pout , tout 为出
口压力 、温度 ; gin , gout 为入口 、出口流量 ; r 为气体
常数 : m 为指数 ,可以由比热比 k 来近似 。
都需要计算定压比热容模块 ,这样就可以得到在不
同时刻不同部件中精确的混合气体定压比热容 ,从 而为系统高精度仿真提供了保障 。
212 大气条件模块 大气条件模块通过给定的大气温度 、压力和相
对湿度 ,计算得到环境大气各成分的质量分数 ,然后 通过混合模块将大气温度 、压力和大气成分质量分
数作为一个矢量信号输出给下游的压气机模块 。
燃气轮机仿真分析
转速 rpm
60000 50000
扭矩 Nm
40000 30000 20000 10000 0 0 10 20 30 40
时间 s
平行式功率反馈调速器并车过程扭矩曲线
16 14
中间件位移 mm
12 10 8 6 4 2 0 0 10 20 时间 s 30 40
平行式功率反馈调速器并车过程中间件位移曲线
燃燃并车过程仿真
• 并车过程的关键是控制两台燃机的转速相等而实现并车， 并且完成负载功率的重新分配。要使两台燃机转速相等有 多种方式，最常见的是保持其中一台燃机转速不变，另一 台燃机加速或减速靠近该燃机的转速实现并车。这里采用 的是加速并车的方式。并车的具体过程是首先1号燃机在 额定工况运行，承担所有的负载，2号燃机处于惰转状态 下进行并车操作。这时1号燃机端3S离合器处于啮合状态， 2号燃机端3S离合器处于脱开状态。并车开始后，2号燃 机开始加速向1号燃机的转速靠拢，当2号燃机的转速和1 号燃机的转速达到同步时，2号燃机端3S离合器开始啮合。 一旦2号燃机端3S离合器啮合后，功率负载开始从1号燃 机转移到2号燃机上。1号燃机的输出功率逐渐减小，2号 燃机的输出功率逐渐增加，直到两台燃机的输出功率达到 比例设定值，由于是同型燃机，这里设定的比例值为 0.5[31]。
20500
动力涡轮输出功率 kW
15500 10500 5500 500 700
900
1100 1300 燃气初温T3 K
1500
T
3
图4.4 燃气初温
与动力涡轮输出功率的关系曲线
20500
动力涡轮输出功率 kW
15500
10500
5500
500 1000
燃气轮机系统建模与性能分析
燃气轮机系统建模与性能分析摘要：燃气轮机机组具有超强的北线性，人们掌握它的具体实施工作过程运行规律是很难得。
在我过电力工业中对它的应用又不断加强。
为了更加透彻的解决这个问题，本文将通过建立燃气轮机机组系统建模及模拟比较研究机组设计和运行中存在的问题，从而分析它的性能。
关键词：燃气轮机；系统建模；性能1模拟对象燃气轮机的物理模型在标准IS0工况条件(15℃101.3kpa及相对湿度60%)下，压气机不断从大气中吸入空气，进行压缩。
高压空气离开压气机之后，直接被送入燃烧室，供入燃料在基本定压条件下完成燃烧。
燃烧不会完全均匀，造成在一次燃烧后局部会达到极高的温度，但因燃烧室内留有足够的后续空间发生混合、燃烧、稀释及冷却等复杂的物理化学过程，使得燃烧混合物在离开燃烧室进入透平时，高温燃气的温度己经基本趋于平均。
在透平内，燃气的高品位焙值(高温、高压势能)被转化为功。
1.1燃气轮机数值计算模型与方法本文借助于 GateCycle软件平台，搭建好的燃气轮机部件模块实现燃气轮机以上物理模型的功能转化，进行燃气轮机的热力学性能分析计算的。
在开始模拟燃气轮机之前，首先对燃气轮杋部件模块数学模型及计算原理方法进行简单介绍。
1.2压气机数值计算模型式中，q1、q2、ql分别为压气机进、出口处空气、压气机抽气冷却透平的空气的质量流量；T1*、 p1*分别为压气机进出口处空气的温度、压力；T2*、 p2*分别为压气机出口处空气的温度、压力ηc 、πc分别为压气机绝热压缩效率，压气机压比γa 为空气的绝热指数；ρa为大气温度；∅1为压气机进气压力损失系数ιcs 、ιc分别为等只压缩比功和实际压缩比功i*2s、i*2、i*1分别为等只压缩过程中压气机出口处空气的比焓，实际压缩过程中压气机出日处空气的比烩和压气机进日处空气的比焓；当压气机在非设计工况下工作时，一般计算方法是将压气机性能简单处理编制成数表，通过插值公式求得计算压气机的参数，即在压气机性能曲线上引入多条与喘振边界平行的趋势线，这样可以把压比，流量，效率均视为平行于喘振边界的等趋势线和转速的函数。
天燃气公司信息化建设方案
供 应 链 管 理 系 统
工资奖金 人事费用
绩效考核
职业发展
员工培训 报装业务 收费信息 表计业务 售气业务
人 力 资 源 管 理 系 统 客 户 管 理 系 统
项目 支出
接驳 资本化 收入 费用化
资本化 维修 费用化 支出 预防性维护 故障性维护 维修订单 大修
客户维护
项目管理系统
项目预算 项目执行 项目决算 项 目
燃气具购销业务
• • • • • • • • • 采购入库管理 销售出库管理 零售管理 零售售后安装 项目销售 售后服务管理 燃气具销售成本核算 燃气具销售收入核算 安装成本核算
燃气供销管理
• 气源采购入库管理 • 管道气销售出库抄收
工程项目管理
• 工程招投标管理 • 预算管理管理 • 合同管理
财务管理
替代威胁 – 低
• 天然气作为一种新兴的、清洁能源，发展空 间巨大，对其它能源的替代性很强
竞 争 特 点 分 析
基于资源的竞争：城市燃气不同于其他快速消费品，一旦企业拥有了某个城市的燃气经营 权，或者上游气源和管线的资源，就意味着不易被取代的，长期稳定的收益，也就是具有一 定的区域垄断性。 基于服务的竞争：企业为了赢得客户，获得更多的收益，会努力提供一些增值服务，并不 断拓展服务领域，这将无形中拓展了自己的市场，提高了原有固定资产的利用率。
企业服务总线—从基于接口的集成到总线集成结构
传统集成
人力资源 B/S | J2EE
N(N-1)
办公自动化 B/S: Lotus
总线集成
人力资源 B/S | J2EE 财务 C/S
N
办公自动化 B/S: Lotus 营销 B/S | .net
船舶仿真体系与研发信息化建设方案
02
故障处理流程：发现故障、分析原因、制定方案、实施维修等
03
故障处理注意事项：确保安全、遵守操作规程、记录维修过程等
04
数据备份与恢复
备份策略：定期备份，重要数据实时备份
备份介质：选择可靠的备份介质，如硬盘、光盘等
备份方法：采用增量备份、全量备份等方式
恢复方法：制定详细的恢复计划，确保数据丢失时能够快速恢复
培训方式：采用线上和线下相结合的方式，如视频教程、在线答疑、现场培训等
支持服务：提供技术支持和售后服务，包括系统故障排除、软件升级、技术咨询等
培训内容：包括系统操作、维护和管理等方面的培训
5
应急处理措施
故障处理
船舶故障分类：机械故障、电气故障、液压故障等
01
故障诊断方法：观察法、测量法、分析法等
大数据：对海量数据进行分析和挖掘，提供决策支持
物联网：实现船舶设备、系统和数据的互联互通和实时监控
数据管理技术
数据采集：通过各种传感器和设备，实时采集船舶运行数据
数据存储：将采集到的数据存储到数据库中，便于分析和处理
数据分析：利用数据分析技术，对船舶运行数据进行深入挖掘，发现潜在问题
数据可视化：将数据分析结果以图表、图形等方式展示，便于理解和决策
仿真技术包括数值仿真、物理仿真和半实物仿真等多种方法。
仿真技术在船舶研发信息化建设中具有重要作用，可以帮助企业实现数字化、智能化的研发和管理。
仿真技术可以帮助船舶设计师和工程师在设计阶段就发现并解决潜在问题，提高设计质量和效率。
信息化技术
云计算：提供强大的计算能力和存储能力
人工智能：实现自动化、智能化的船舶仿真和研发
网络需求：高速网络连接，保证数据传输的稳定性和速度
基于平台关键设备(燃气轮机发电机组)数据采集及远传在信息化建设的应用
基于平台关键设备(燃气轮机发电机组)数据采集及远传在信息化建设的应用摘要：燃气轮机发电机组作为海上平台的关键设备，其可靠性是保证其正常运行的基础，直接关系到设备、人员的安全及公司的经济效益。
燃气轮机发电机组远程数据采集及状态监测系统的核心目的是：通过先进的技术手段，以最小的投资改善发电机组的技术服务质量，提高技术服务水平以及生产管理水平。
为此在目前成熟的现代化网络技术基础上，利用计算机通讯网络和INTERNET网络，远程获取燃气机组运行数据，在远程诊断及专家支持中心进行数据存储、分析和智能诊断。
关键词：燃气轮机；远程诊断；数据采集；数据远传；DCS；PLCTheApplicationsoftheConstructionofInformationTechnologyBasedonthePlatformKeyEquipment(gasturbinegeneratorsets)DataA cquisitionandRemoteZhouWeiKeywords:Gasturbine;Remotediagnostics;Dataacquisition;Remote datatransmission;DCS;PLC一、系统组成介绍燃气轮机发电机组是一种将热能转换为电能的动力输出装置，在过去几十年中取得了很快的发展，参与联合循环的燃气轮机能达到更高的热效率，在海上平台上的应用越来越广泛。
（一）数据采集（二）机组数据确定对系统中不同的主机和网络系统进行有效的管理，随时了解整个网络系统配置和分布，显示当前系统和网络设备的运行状态，自动进行故障检测、关联和解决，进行网络流量分析和统计，提前检测系统和网络可能出现的故障并及时处理。
根据诊断分析的情况，对测点表中的数据项进行核对，分析统计表中数据项与EMS系统及PLC控制器系统中数据项的差异性，排查设备运行中存在的问题。
故障管理的主要为：故障检测，在正常操作中，通过执行监控过程和生成故障来检测。
燃气轮机控制系统方案
软件架构
设计模块化、可扩展的软件架构，方便后期维护和升级。
人机界面
开发友好、直观的人机界面，方便操作人员监控和操作。
通讯网络设计方案
通讯协议
选择标准的通讯协议，如Modbus、Profibus等 ，确保通讯兼容性和稳定性。
网络拓扑
设计合理的网络拓扑结构，如星型、环型等，提 高通讯可靠性和实时性。
数据传输与处理
PART 02
燃气轮机控制系统设计原 则
REPORTING
XX DESIGN
安全性原则
01
确保系统在各种工况下的安全 运行，防止因控制不当导致的 设备损坏或人员伤亡。
02
设计多重安全保护措施，如超 速保护、超温保护、压力保护 等，确保燃气轮机在异常情况 下能够安全停机。
03
采用高可靠性的控制元件和执 行机构，提高系统的整体安全 性能。
稳定性原则
01
保证控制系统在燃气轮机整个运行范围内的稳定性，避免因控 制参数不当而导致的系统失稳。
02
采用先进的控制算法，如模糊控制、神经网络控制等，提高系
统的自适应能力和鲁棒性。
对控制系统进行严格的测试和验证，确保其在各种工况下的稳
03
定性能。
经济性原则
01
在满足安全性和稳定性的前提下，尽可能降低控制 系统的成本，提高经济效益。
燃气轮机控制系统方 案
汇报人：
2024-01-31
REPORTING
• 燃气轮机控制系统概述 • 燃气轮机控制系统设计原则 • 燃气轮机控制系统关键技术 • 燃气轮机控制系统实施方案 • 燃气轮机控制系统性能评估 • 燃气轮机控制系统应用案例 • 燃气轮机控制系统未来展望
目录
PART 01
设计模块化、可扩展的软件架构，方便后期维护和升级。
人机界面
开发友好、直观的人机界面，方便操作人员监控和操作。
通讯网络设计方案
通讯协议
选择标准的通讯协议，如Modbus、Profibus等 ，确保通讯兼容性和稳定性。
网络拓扑
设计合理的网络拓扑结构，如星型、环型等，提 高通讯可靠性和实时性。
数据传输与处理
PART 02
燃气轮机控制系统设计原 则
REPORTING
XX DESIGN
安全性原则
01
确保系统在各种工况下的安全 运行，防止因控制不当导致的 设备损坏或人员伤亡。
02
设计多重安全保护措施，如超 速保护、超温保护、压力保护 等，确保燃气轮机在异常情况 下能够安全停机。
03
采用高可靠性的控制元件和执 行机构，提高系统的整体安全 性能。
稳定性原则
01
保证控制系统在燃气轮机整个运行范围内的稳定性，避免因控 制参数不当而导致的系统失稳。
02
采用先进的控制算法，如模糊控制、神经网络控制等，提高系
统的自适应能力和鲁棒性。
对控制系统进行严格的测试和验证，确保其在各种工况下的稳
03
定性能。
经济性原则
01
在满足安全性和稳定性的前提下，尽可能降低控制 系统的成本，提高经济效益。
燃气轮机控制系统方 案
汇报人：
2024-01-31
REPORTING
• 燃气轮机控制系统概述 • 燃气轮机控制系统设计原则 • 燃气轮机控制系统关键技术 • 燃气轮机控制系统实施方案 • 燃气轮机控制系统性能评估 • 燃气轮机控制系统应用案例 • 燃气轮机控制系统未来展望
目录
PART 01
船用燃气轮机发电系统建模与仿真研究
对未来发展的展望与建议
技术创新：加强技术研发和 创新，提高船用燃气轮机发 电系统的效率和可靠性
推广应用：加强船用燃气轮 机发电系统的宣传和推广， 提高公众认知度和接受度
政策支持：政府应加大对船 用燃气轮机发电系统的支持 力度，制定相关政策和措施
人才培养：加强人才培养和 引进，为船用燃气轮机发电
系统的发展提供人才保障
在海洋工程领域的应用前景
海洋风电场运维：船用燃气轮机发电系 统可为海上风电场提供可靠的电力支持，
确保风电设备的正常运行和维护。
海上应急救援：船用燃气轮机发电系统 可在海上应急救援情况下提供及时的电
力支援，保障救援工作的顺利进行。
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
海洋油气开采平台供电：船用燃气轮机 发电系统可为海洋油气开采平台提供稳 定、高效的电力供应，确保开采作业的
未来可以进一步研究船用燃气轮机发电系统的故障诊断和预测技术，提高系统的可靠 性和安全性。 未来可以进一步研究船用燃气轮机发电系统的智能化和自动化技术，提高系统的智能 化水平和自动化程度。
感谢您的观看
汇报人：
正常运行
燃气轮机的工作原理
燃气轮机的基本结构
燃气轮机的热力学过程
添加标题
添加标题
燃气轮机的工作原理简述
添加标题
添加标题
燃气轮机的性能参数与特性
发电系统的特点
高效性：燃气轮机 发电系统具有较高 的热效率和发电效 率，能够提供稳定 的电力输出。
灵活性：燃气轮机 发电系统具有较快 的启动速度和调节 速度，能够适应各 种工况下的电力需 求。
● 仿真建模：利用仿真软件对燃气轮机发电系统进行建模，模拟其运行过程。
● 实验建模：通过实验数据对燃气轮机发电系统进行建模，用于分析和优化系统性能。
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
燃气轮机核心部件与工作原理
涡轮喷气发动机核心部件与工作原理
涡轮风扇发动机核心部件与工作原理
燃气轮机仿真需求分析
生产 流程
多场 耦合
流场
燃气轮机 仿真需求
结构 声学
电磁
颗粒及 两相流
1 • 流场：燃油/润滑/冷却系统分析， 内外热流场，点火与燃烧模拟
2 • 结构：强度、振动、模态、疲劳、 转子动力学，复合材料特性分析
技术创新，变革未来
燃气轮机仿真体系与研发信息化 建设方案及实践
大纲
公司简介 仿真体系与研发信息化建设背景及业务概述 燃气轮机多学科仿真方案及实践 基于数据中心的多学科仿真与试验验证环境建设方案及实践 研发云建设方案及实践 结论与展望
仿真应用能力与研发信息化建设过程
技术 等级 一级 二级 三级 四级 五级
多学科仿真与优化 设计
•多学科仿真 •MpCCI •EALink •Mag Acoustics •结构优化 •Optistruct •流体优化 •CAESES •电磁优化 •OptiNet •多学科优化 •Optimus
模型模板开发与流程、规范建立
直面工业级应用的深层次、全方位工程研发服务
标准制定 规范建立
颗粒与固体力学
•颗粒力学 •EDEM •固体力学 •MSC全系列 •Nastran •Adams •Marc •Dytran •Fatigue •Digimat •Altair全系列 •Ansys全系列 •DyRoBeS
热流分析与热测试
•热流体系统分析 •Flowmaster •专业CFD分析 •PumpLinx •Barracuda •FloTHERM •FloVENT •Flow-3D •通用CFD分析 •FloEFD •Simerics •Fluent / CFX •热测试 •T3Ster / TeraLED
知识转移 系统建设
仿真分析 工程开发
工程 服务
深化应用 定制开发
人才培训 综合支持
项目导航 能力建设
成果物
• 仿真流程模板 • 行业仿真标准 • 行业仿真规范 • 仿真模型模板 • 模型简化规则 • 网格划分规则 • 模型选取规则 • 单位制标准 • 评定准则 • 报告模板
信息化支撑系统及数据中心、知识库建设
仿真体系与研发信息化建设总体内容
工具软件与研发 信息化系统
人才 组织
模型模板、流程、 标准与规范
知识库与数据中 心
仿真体系与研发信息化建设内容
信息化支撑系统及数据中心、知识库建设
数据集成 应用集成 知识集成 过程集成
模型模板开发与流程、规范建立
仿真分析 工程优化 定制开发 流程固化 标准制定 规范建立
专业化与工程化并进的1D-3D CFD解决方案
Flow-3D：自 由液面与晃荡分
析的领导者
FloEFD：嵌 入CAD环境的 同步CFD方案
Flowmaster： 热流体系统仿真
的事实标准
T3Ster：热阻与 热特性测试设备
FloTHERM： 电子电控散热 标准分析软件
PumpLinx： 运动机械CFD
3 • 声学：风扇噪声、压气机噪声、喷 流噪声，减振降噪
4 • 颗粒及两相流：颗粒分离，两相流 损失，磨蚀
5 • 电磁：驱动电机/电磁轴承电磁特 性分析，电磁-电控联合分析
6 • 多场耦合：静/动气弹与颤振分析， 热-固耦合分析，1D-3D联合分析
7 • 生产流程：生产线设计与仿真分析， 产能提升Flowmaster建模， 2.Flowmaster仿
软件产品与解决方案
专业化、工程化、全 学科的CAE软件
多学科、跨学科、多 维度、流程化的分析
方案
人才培训与能力提升
软件产品与解决方案
专业化、工程化、全学科的集成解决方案
产品设计与前后处 理
•机械与电器设计 •CFturbo •SCORG •MotorSolve •电子设计自动化 （EDA） •Xpedition •Capital •FPGA Advantage •前处理 •Hypermesh •GridPro •后处理 •Ensight
试验数据管理 平台
•试验数据 •试验流程 •试验资源
第三方业务系统
/ 第三方业务系统
生产
交付
生产数据管理 平台
•生产数据采集 •工艺检测数据 •质量检测数据
运维数据管理 平台
•运行状态 •故障诊断
第三方业务系统
智慧研发
智能制造
智能运维
大纲
公司简介 仿真体系与研发信息化建设背景及业务概述 燃气轮机多学科仿真方案及实践 基于数据中心的多学科仿真与试验验证环境建设方案及实践 研发云建设方案及实践 结论与展望
软件工具 分析建模 边界条件 评判依据
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设计知识
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工程经验
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开发流程
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数据管理与 平台建设
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研发工具 操作学习 技术培训
项目开发 工程优化 知识积累
流程开发 标准规范 体系建设
设计-仿真-试验业务管理与协同 云端化：仿真与研发云
数据管理 知识管理 平台开发
基于大数据的企业应用数据中心与研发信息化系统
功能
性能
可靠性
运维与服务体系
需求管理与方案论证
工程设计与试验验证
需求管理系统
•需求定义 •需求管理 •需求挖掘
概要/方案设计 系统
•指标论证 •方案论证 •系统原型验证
产品设计数据 管理平台
•设计数据 •设计流程 •设计知识
仿真数据管理 平台
•仿真数据 •仿真流程 •仿真知识
声、光、电、磁分 析
•声学分析 •Actran •HVAC •EASE •Cadna/A •电磁分析 •MagNet •ElecNet •ThermNet •FEKO •Hobbies •SatMag •光学分析 •FDTD
工艺流程与离散系 统模拟
•工艺流程 •gPROMS •gFLARE •gSOLIDS •gCRYSTAL •gFUELCELL •ProcessBuilder •Aspen •离散系统 •制造与物流系统 •Witness •人群疏散 •SimWalks
模拟专家
Simerics： 通用CFD软
件
项目示例——叶片与涡轮盘冷却系统仿真
燃
气
轮
机
专
用 元
叶片冷却系统Flowmaster仿真
件
开
发
与
元
件
库
建 立
涡轮盘空气冷却系统Flowmaster仿真
项目示例——燃滑油热管理联合仿真
燃滑油热管理联合仿真
燃油系统建模
滑油系统建模
1.AMESim建模， 1.Flowmaster建