燃气轮机发电机组性能计算模型构建与分析

引言

伴随清洁能源与高效发电技术的进步发展，燃气轮机发电机组凭借启动迅速、调峰灵活、排放少的优势，在多个领域广泛应用。燃气轮机是复杂的热力动力系统，性能受空气压缩、燃烧等物理过程影响，在实际运行阶段，外部环境、部件及参数的变化会引起其性能发生改变。为精准评估与优化控制机组运行状态，构建精准性能计算模型是非常必要的，高精度模型是运行分析、能效提升、故障诊断的基础，也是新一代电站管理模式的核心支撑要素，本文着重对燃气轮机发电机组性能建模与系统进行分析，梳理多源信息集成建模的方法，结合典型工况验证模型的适用性及价值，为其高质量的运行与管理提供理论方面的参考。

一、燃气轮机发电机组性能建模理论基础

（一）热力学与气动学理论支撑

燃气轮机发电机组性能计算模型的制订，要依托热力学与气动学的基本原理，从热力循环角度，布雷顿循环为燃气轮机的工作运转提供理论基石，其各环节的能量转换效率、压力比、温度场改变等参数，界定了整体性能的边界，气动学理论关注流体在压气机、涡轮等部件间的能量传递和流道损失，对系统级模型的精确程度有重要影响，建模时需把空气压缩、燃气膨胀以及热量转换过程精细化分解，再引入状态方程、能量守恒等数学表达式，实现物理过程与工程计算的有机统一。采用理论分析与实验数据相联合，为后续多级集成与实际工况预测提供科学的依据。

（二）非理想因素与修正机制

实际开展操作运行的环境中，燃气轮机发电机组多数展现出与理想工况不匹配的性能，这种偏差主要是因部件效率的损耗、泄漏、机械摩擦、冷却气混合以及环境条件的不稳定等非理想因素引起的。故而在性能模型中添加等熵效率、实际损失系数和工况修正因子意义重大。为保证模型在实际运行工况下的适应性，一般会利用经验公式、试验数据拟合和人工智能算法辅助修正相关参数。同时，还要对模型中的外部边界条件做动态校准，呈现温度、压力、湿度等环境变量对性能引发的影响，采用合理结合理想状态与工程修正的办法，性能模型才会在复杂多变的工况状况下实现准确无误的预测与稳健仿真，为后续的系统优化及运行调度工作搭奠定基础。

二、部件级建模与参数辨识

（一）核心部件建模方法

涉及燃气轮机发电机组的性能模型，需把压气机、燃烧室和涡轮等关键部件作为核心分模块开展建模工作。压气机部分聚焦流体流量、压比和等熵效率等相关气动特性，一般借助查表法、特性曲线拟合或者分段线性建模实现动态响应状态。燃烧室需精准刻画燃料与空气混合情形、燃烧效率及排放物治理。不仅要反映燃烧热效率的转变，还得兼顾 NOx 、CO 等污染物的生成情况。涡轮部分建模着重膨胀效率、动静叶片气动损失以及冷却气流的影响效果，各部件之间采用统一的质量和能量平衡方程予以耦合，搭建完整的仿真路径，基于部件级的细致化建模，可让系统级模型具备一定的物理真实性以及工程上的应用可行性。

（二）参数辨识与模型自适应调整

为提升模型的仿真精度以及动态适应能力，需对各部件模型参数的辨识与优化操作，常规方式包括基于实验数据的最小二乘拟合、遗传算法或多元回归等统计优化技术。近年来，把大数据与人工智能算法结合智能辨识方法获得推广，采用深度学习、神经网络等手段动态调控模型参数，实现模型随机组运行工况和部件状态自适应更新。实际运用时，能够依据历史运行数据对模型结构和输入变量开展持续修正，加强模型对故障预测、寿命评估以及工况切换的支撑能力。参数辨识和自适应机制的有效结合，是实现燃气轮机发电机组性能模型工程实施和高水平运维管理的技术后盾。

三、系统级集成模型构建与仿真分析

（一）系统集成与模型耦合机制

部件级建模系统级性能模型借助模块化耦合让燃气轮机发电机组各部件间信息与能量得以流转。集成模型依靠统一的物质和能量平衡方程，把压气机、燃烧室、涡轮和余热利用等各单元连接到一起，

实现全工况状态下的动态反应。系统集成还需考虑部件特性非线性、反馈控制逻辑和传递延迟等造成的影响，让仿真算法和求解器提出更高的要求。建模的常采用分层耦合、并行计算等技术，优化整体计算的效率与稳定性，依靠多模块高效配合，模型能迅速对外部环境及负荷的变化做出响应，准确模拟机组热力效率、输出功率、排放指标等核心性能参数的变化趋势。

（二）仿真工况设定与性能分析

按照不同的设计及运行目标，系统级模型须设置多种典型工况实施仿真分析，如不同的环境温度、进气压力、负荷出现变动以及燃气品质等因素对性能产生的影响，通过动态仿真，不仅能获得输出功率、热效率、排放水平等关键指标的时间序列变化，还能阐明机组在启停、调峰以及异常情况时的响应机制。分析结果对机组运行参数优化、节能降耗策略的确定以及新设备选型有积极意义，仿真平台还可以跟实际监测数据作比对，不断对模型结构与参数加以修正，增进模型的预测水平，科学的工况仿真与性能分析，是支持机组全生命周期管理与智能运维的基础环节。

四、模型分析结果与工程应用

（一）模型计算结果与影响因素探讨

用系统级集成模型开展仿真分析，可全面呈现燃气轮机发电机组在不同负荷、环境及部件状态时的性能演变规律。并提高压气机、燃烧跟涡轮膨胀的效率，能明显提升机组的整体输出功率与热效率；而部件老化、冷却系统出故障、燃气品质有波动等因素会引起性能下降，甚至造成安全方面的问题，模型也可敏感地捕捉到关键参数的细微变化，为故障早期预警与寿命管理给出量化支持，多维影响因素的分析可以辅助工程师优化运行策略，实现节能减排与增进经济性的协同发展。

（二）实际应用与未来发展方向

高精度性能计算模型在实际工程的价值愈发突出，包括机组能效管理、在线故障诊断、检修决策、负荷优化与智能调度等，结合数字孪生跟智能运维平台，模型可实现机组实时状态的感知、性能自适应调整以及运行过程的闭环式控制。伴随大数据、物联网与 AI 技术的深度融合，性能模型会更加智能、网络互联且能自主进化，协助燃气轮机发电机组实现全生命周期的智慧管控与绿色高效运行，带动能源装备领域持续革新升级。

结语

燃气轮机发电机组性能计算模型是实现设备高效工作、能效优化与智能调控的技术基础，本文对模型构建所需的理论支撑、部件级建模办法及系统集成路线做了系统阐释，验证模型具有工程适用性及分析能力。研究显示，高精度性能模型不光能反映关键运行特性，也能为机组状态的感知、运行优化以及故障预估提供实际支持，应不断推动多学科融合、采用智能算法和模型实时更新，推动燃气轮机发电机组性能建模在智能电厂及清洁能源领域大范围推广应用。

参考文献

[1]曾维伦,王旭升,吕小静,等.基于模糊 PID 的微型燃气轮机发电机组控制性能研究[J].热能动力工程,2021,36(10):212-221.

[2]曾杨.燃气轮机发电机组综合控制系统研究[D].哈尔滨工程大学,2017.

[3]宫鹏.中低热值燃料燃气轮机热力性能建模与分析[D].中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所),2020.

作者简介：顾明亮，男 1993.12，民族：汉族，籍贯：江苏盐城，学位：工学学士学位，职称：工程师，职务：运行单元长，研究方向：燃气轮机发电运行