本發明屬于燃氣輪機模擬控制，尤其涉及一種燃氣輪機在線模擬系統。

背景技術：

1、燃氣輪機是現代船舶動力系統中的重要部分，其通過將壓縮空氣與燃料在燃燒室內高溫燃燒，通過高壓帶動渦輪機等裝置完成動力輸出，可作為各類大中型船舶住動力系統的主輸出。燃氣輪機的設計、制造涉及制造業的方方面面，每一個燃氣輪機生產之后都需要進行必要的模擬調試測試等各項工作，這涉及到大量的調試以及模擬內容，目前缺乏足夠可靠的實訓教學措施來滿足燃氣輪機培訓教學的需求。

技術實現思路

1、本發明的目的在于，提供一種可用于滿足燃氣輪機調試等內容的培訓教學的燃氣輪機在線模擬系統。

2、為實現上述目的，本發明采用如下技術方案。

3、一種燃氣輪機在線模擬系統，包括燃氣輪機數學模型生成模塊、燃氣輪機在線模擬模塊；

4、燃氣輪機數學模型生成模塊用于生成燃氣輪機循環系統內各部件的數學模型，建立輸入參數與數學模型的接入通道，根據在線模擬時選定的燃氣輪機的型號、模擬內容給定預設數學模型參數或者環境參數；所述數學模型包括壓氣機數學模型、燃燒室數學模型、渦輪機特征數學模型、慣性數學模型、循環供給系統數學模型以及循環控制系統數學模型；

5、燃氣輪機在線模擬模塊包括燃氣輪機模擬體、數據采集組件、模擬設定組件；

6、燃氣輪機模擬體用于創建包含循環系統、壓氣機以及渦輪機的燃氣輪機模擬單元；

7、數據采集組件用于采集模擬體數據，包括：用于采集燃氣輪機回熱器進氣側以及出氣側的溫度、壓力的傳感器，用于采集壓氣機出口壓力、出口溫度、輸出功率的傳感器，用于采集燃氣輪機進氣溫度、流量、燃燒溫度和壓力的傳感器，用于收集燃氣輪機控制系統控制數據的控制器；

8、燃氣輪機模擬單元用于創建燃氣輪機不同操作的模擬動作參數以及環境參數；所述不同操作包括燃氣輪機啟動操作、燃氣輪機停止操作、燃氣輪機負荷調節操作。

9、對前述燃氣輪機在線模擬系統的進一步改進或者優選實施方式，所述燃氣輪機數學模型生成模塊中，壓氣機數學模型由壓氣機動力數學模型、壓氣機特征數學模型構成；

10、壓氣機動力數學模型包括壓氣機轉速預測模型壓氣機流量預測模型壓氣機壓比預測模型壓氣機預測效率模型

11、壓氣機轉速預測模型可表示為：

12、其中r表示轉速，表示預測轉速，rd表示設計轉速，r是指燃料氣體常數，t是指燃料燃燒溫度，rd是指壓氣機設計氣體常數，td是指壓氣機設計燃燒溫度；

13、壓氣機流量預測模型可表示為：

14、其中qm是指質量流量，是指預測質量流量，p是指壓氣機壓力，pd是指壓氣機設計壓力；

15、壓氣機壓比預測模型可表示為：

16、其中π是指壓氣機亞比，是指壓氣機預測壓比，πd是指壓氣機設計壓比；

17、壓氣機預測效率模型可表示為：

18、其中η表示壓氣機效率，表示壓氣機預測效率，ηd是指壓氣機設計效率；

19、壓氣機特征數學模型可表示為：

20、

21、其中m(pline)表示壓氣機流量出入壓力特征曲線，其中m(ptran)表示壓氣機效率與轉速特征模型，ta是指空氣溫度，其中ηc是指壓氣機冷側效率，ηmax是指壓氣機最大效率，是指壓氣機最大效率下預測轉速。

22、對前述燃氣輪機在線模擬系統的進一步改進或者優選實施方式，所述燃氣輪機數學模型生成模塊中，渦輪機特征數學模型可表示為：

23、

24、其中tp1表示渦輪機膨脹比大于臨界膨脹比時的特性方程；其中tp2表示渦輪機膨脹比小于臨界膨脹比時的特性方程；其中臨界膨脹比cer可表示為

25、

26、其中qm.in是指渦輪機入口側質量流量，tin是指渦輪機入口側氣體溫度，pin是指渦輪機入口側氣體壓力，pout是指渦輪機出口側氣體壓力，sin是指渦輪機入口側流道截面積；γ為氣體比熱比；

27、燃燒室數學模型可表示為：

28、

29、其中rsp是指燃燒室壓力特性模型，其中rsen是指燃燒室能量特性模型；δp表示燃燒室前后壓力差；qm.out是指燃燒室出口側質量流量；mcc是指燃料摩爾熱量；其中qa是指空氣流量；ha是指空氣比焓；qf是指燃氣流量；hf是指燃氣比焓；qf是指燃氣傳熱量；ηcom是指燃燒室燃燒效率；hout是指燃燒室出口側燃氣比焓；cp.out是指燃燒室出口側比熱容；t是指時間。

30、對前述燃氣輪機在線模擬系統的進一步改進或者優選實施方式，所述燃氣輪機數學模型生成模塊中，慣性數學模型包括容積慣性數學模型和熱慣性數學模型；

31、容積慣性數學模型用于建立壓氣機、燃燒室的容腔效應以及流阻效應引起的整體容積慣性模型，可表示為v′是指壓氣機或者燃燒室的容積，pi′n是指壓氣機或者燃燒室的進氣壓力，q′m.in是指壓氣機或者燃燒室的入口側質量流量，q′m.out是指壓氣機或者燃燒室的出口側質量流量；

32、熱慣性數學模型用于建立壓氣機、燃燒室由于自身結構散熱散熱以及能量傳遞導致的熱慣性數學模型，可表示為

33、其中α表示傳熱系數，tin′是指壓氣機或者燃燒室的進氣側溫度，to′ut是指壓氣機或者燃燒室的出氣側溫度，tm′etal是指給定的慣性控制溫度；c′p是指壓氣機或者燃燒室的比熱容；

34、轉軸轉動慣性數學模型用于建立燃氣輪機轉子、壓氣機以及渦輪機的總體軸轉動慣量，可表示為其中j是指轉動慣量，ω是指角速度，m0是指驅動電機的扭矩，mt是指渦輪機扭矩，mc是指壓氣機扭矩。

35、對前述燃氣輪機在線模擬系統的進一步改進或者優選實施方式，所述燃氣輪機數學模型生成模塊中，循環供給系統數學模型用于建立燃料供給系統動態延遲特性的數學模型，可表示為其中ψ是指閥門開度指數，ψset是指指閥門開度指數設定值，tlate是指是指閥門延時時間；

36、循環控制系統數學模型用于建立轉速控制器、溫度控制器以及加速度控制器的計算值ycalc與輸出值youtput之間的關系，可表示為：

37、

38、yp表示比例項用于處理誤差信號對于控制器計算值的影響且

39、

40、yi表示積分項且yd表示微分控制項，其中θ是指控制器的偏置量，φ表示控制器增益值，ymax是指控制器最大輸出，ymin是指控制器最小輸出；yman是指人工給定的控制器最大輸出；其中v為被控量，vset為被控量目標值，vmax表示被控量最大值，vmin是指被控量最小值。

41、對前述燃氣輪機在線模擬系統的進一步改進或者優選實施方式，所述燃氣輪機啟動操作具體包括：設定預設發電功率、完成啟動模擬并進行預設轉速逐級增速測試、進行預設轉速逐級降速測試、完成點火模擬進行預設最大轉速逐級增速測試、完成預設發電轉速下持續運行測試；

42、所述燃氣輪機停止操作具體包括：完成停機模擬、確認停機并進行燃料系統自動減量測試、完成燃氣輪機負荷自動降級測試、完成燃氣輪機慣性離網停機測試；

43、所述燃氣輪機負荷調節操作具體包括：完成不同發電功率調節測試、完成調節過程中各項參數記錄測試。

44、其有益效果在于：

45、本技術通過數學模型生成模塊來構建燃氣輪機循環系統內各部件的數學模型以實現可控化燃氣輪機參數化表達和模擬，利用燃氣輪機在線模擬模塊實現動態化實訓內容的定制化和實訓，能夠用于滿足各種類型燃氣輪機的在線調試模擬以及學院培訓教學的需求。