مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مدل‌سازی دینامیکی عملکرد توربین گاز صنعتی با استفاده از معماری بهینۀ شبکه عصبی NARX

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران
10.48311/mme.2026.117204.82873
چکیده
در این مقاله با استفاده از شبکۀ عصبی خود پندارۀ غیرخطی با ورودی خارجی با معماری بهینه، رفتار دینامیکی ‏پارامترهای عملکردی توربین گاز صنعتی که در ایستگاه‌های تقویت فشار گاز استفاده می‌شود، مدل‌سازی شده است. در ‏این مدل‌سازی، پارامترهای عملکردی توربین شامل دبی سوخت مصرفی توربین، دبی هوای ورودی به کمپرسور هوا، ‏نسبت فشار کمپرسور هوا، سرعت توربین ژنراتور، دمای گاز ورودی به توربین ژنراتور و دمای گاز خروجی از توربین توان، ‏به‌عنوان پارامترهای هدف در نظر گرفته شده‌اند؛ به‌طوری‌که برای هر پارامتر هدف، یک شبکۀ عصبی مجزا با دو ورودی ‏پس‌خور سرعت و توان تولیدی توربین قدرت به‌صورت متغیر با زمان به همراه دو ورودی خارجی شامل دما و ارتفاع از ‏سطح دریا، که نامتغیر با زمان هستند، استخراج گردیده است. به‌منظور تعیین معماری شبکه‌های عصبی، رویکردی ‏برگرفته از روش جستجوی شبکه، اتخاذ شده است تا معماری بهینه برای هرکدام از مدل‌ها حاصل شود. داده‌های ‏موردنیاز برای آموزش شبکه‌های عصبی، با استفاده از مدل ترمودینامیکی توربین گاز در سیمولینک نرم‌افزار متلب ‏استخراج گردید. به‌منظور صحت‌سنجی نتایج، با شبیه‌سازی مدل‌ها بر اساس داده‌های آزمایش، مقدار معیار ‏R‏ در مقایسه ‏با مدل ترمودینامیکی، برای پارامترهای دبی هوای ورودی به کمپرسور، دبی سوخت، نسبت فشار کمپرسور، دور توربین ‏ژنراتور، دمای گاز ورودی به توربین و دمای گاز خروجی از توربین به ترتیب 0.981، 0.994، 0.979، 0.934، 0.987 و ‏‏0.968 حاصل شده است. همچنین مقایسه نتایج معماری به‌دست‌آمده با یک پژوهش مشابه دیگر، نشان داد، مدل‌های ‏بهینه حاصل در این مقاله، دارای پیچیدگی کمتر و بنابراین سرعت اجرای بالاتر است.‏
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Dynamic Modeling of Industrial Gas Turbine Performance Using NARX Optimal Neural Network Architecture

نویسندگان English

Hassan Shiri Gharibeh 1
Morteza Montazeri Ghahjaverestani 1
Mohammad Amin Shalchee 2
1 Mechanical Engineering Faculty, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
2 Mechanical Engineering Faculty, Tehran University, Tehran, Iran
چکیده English

In this study, the dynamic behavior of the performance parameters of an industrial gas turbine used in natural gas compressor stations is modeled using an optimized Nonlinear Autoregressive network with exogenous inputs (NARX). The modeled performance parameters include the turbine fuel flow rate, compressor air mass flow rate, compressor pressure ratio, generator turbine speed, gas temperature at the generator turbine inlet, and exhaust gas temperature at the power turbine outlet. For each target parameter, an independent neural network was developed with two time-varying feedback inputs—namely the turbine speed and the generated power—and two time-invariant external inputs, ambient temperature and installation altitude. To determine the optimal architecture of each network, a grid-search-based approach was employed to obtain the most efficient combination of neurons and delays. The training data for the neural networks were generated using a thermodynamic model of the gas turbine implemented in MATLAB Simulink. To validate the developed models, their simulated outputs were compared with experimental and thermodynamic model results. The obtained correlation coefficients (R) for compressor air flow, fuel flow rate, compressor pressure ratio, generator turbine speed, turbine inlet gas temperature, and turbine exhaust gas temperature were 0.981, 0.994, 0.979, 0.934, 0.987, and 0.968, respectively. Furthermore, comparison of the obtained optimal architectures with a similar previous study demonstrated that the proposed models exhibit lower structural complexity and therefore achieve faster computational performance.

کلیدواژه‌ها English

Industrial Gas Turbine
Dynamic Modeling
Compressor Station
Artificial Neural Networks
Optimum Architecture

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 16 شهریور 1405