（热能工程专业论文）汽轮机系统通用模块建立与仿真分析.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 随着汽轮机性能和参数的不断提高及先进数字控制系统的广泛应用，计算 机仿真在汽轮机及其控制系统的开发过程中的重要作用已无人怀疑。在各种汽 轮机设计、生产、改造过程中，一个能反映真实汽轮机动态性能的实时仿真系统 已成为必不可少的工具。采用模块化的建模技术，可以方便灵活的按照对象的具 体结构，从已建立的模块库中选用所需模块，组合构成系统的仿真模型。 对于汽轮机本体的建模一般都采用的是集总参数法，主要区别在于对模块 的划分和流量的计算。用已有的汽轮机模块建模对用户来讲不够直观，特别是 对抽汽和分流描述不够直观；且有些模型没有考虑级与级之间容积中压力和焓 的变化对下一级的影响。本文在研究了已有的汽轮机模型，对比了它们的优缺 点的基础上采用了在汽轮机结构参数和设计参数的基础上建立汽轮机本体系统 通用模块。在汽轮机结构参数和设计参数的基础上建立了调节级、非调节级， 汽室、中间容积等汽轮机本体系统通用模块，使得汽轮机的建模更为简单和直 观。并且，在此基础上建立了汽轮机单级的效率通用模型。 本文的主要工作如下： 分析汽轮机本体系统结构，对本体系统模型的建立划定范围：从锅炉过 热器出口开始，沿蒸汽流动及做功的流程到乏汽进入凝汽器前结束。包括汽阀、 汽室、高压缸、中压缸、低压缸及蒸汽管道，再热型汽轮机还包括再热器； 汽轮机本体系统模块划分；汽阀模块、汽室模块、汽轮机调节级模块、 汽轮机非调节级模块、再热器模块、中间容积模块； 汽轮机系统各个模块的数学模型：用机理建模方法建立汽阀、汽室、汽 轮机非调节级、调节级模块、中间容积模块、再热器模块； 建立汽轮机本体系统模块库：利用f o r t r a n 语言完成各个模块编写，它 们都应具有相同的标准接口； 建立相应的资源库：过热蒸汽的热力性质模块库，用于支持模块模型； 对汽轮机本体系统各个模块进行相关的仿真实验，验证所建立模块的有 效性； 建立汽轮机单级效率通用模型，并验证其正确性； 关键词：汽轮机本体，数学模型，模块化建模，仿真 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t w i t hi n c e s s a n t l ye n h a n c i n go fs t e a mt u r b i n ec a p a b i l i t ya n dp a r a m e t e ra n d b r o a da p p l i c a t i o no fa d v a n c e dd i 百t a lc o n t r o ls y s t e m ，t h ei m p o r t a n c eo fc o m p u t e r s i m u l a t i o ni ne x p l o i t i n gp r o c e s s e so fs t e a mt u r b i n ea n di t sc o n t r o ls y s t e mi sn o t d o u b t e d ar e a l t i m es i m u l a t i n g s y s t e m t h a tc 觚r e f l e c tt h ea c t u a l d y n a m i c p e r f o r m a n c eo fs t e a mt u r b i n e si s a na b s o l u t e l yn e c e s s a r yt o o li nt h e d e s i g n , p r o d u c t i o na n da l t e r a t i o no fd i v e r s i f i e ds t e a mt u r b i n e s w i t hm o d u l a r i z i n gm o d e l i n g t e c h n o l o g y , t h em o d u l e sn e e d e dc a l lb ec o n v e n i e n t l ys e l e c t e d 矗舢t h em e d u l e s t o r e r o o mw h i c hh a sb e e nf o u n d e da e c 灯r d i n gt ot h es p e c i f i cs t r u c t u r eo ft h e s i m u l a t i n go b j o c t , a n dt h e ns y s t e ms i m u l a t i n gm o d e lc a nb ef o r m e d t h em o d e l i n gf o rt h es t e a mt u r b i n ep r o p e ru s u a l l ya d o p t st h el u m p e d p a r a m e t e rm e t h o d ，a n db yw h i c ht h em a j o rd i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ed i f f e r e n t m o d u l e sf o u n d e da r ei nt h ed i v i s i o no fm o d u l e sa n dc a l c u l a t i o no ff l o w t h ep r e s e n t m o d e l i n go fs t e a mt u r b i n em o d u l e si s n o ti n t u i t i o n a le n o u g hf o rc o n b u n l e r s ， e s p e c i a l l yi nt h ed e s c r i p t i o n so fd i s t r i b u t a r ya n de x t r a c t i o n ；f u r t h e r m o r es o m e m o d u l e sh a v en o tc o n s i d e r e dt h ei n f l u e n c e so ft h ep r e s s u r ea n de n t h a l p yc h a n g e si n e u b a g eb e t w e e nn e i g h b o r i n gs t a g e so nt h en e x ts t a g e t 1 l i sp a p e rp r o v i d e sam e t h o d w i t ht h eb a s i so fs t e a mt u r b i n es t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dd e s i g np a r a m e t e r so nt h e b a s i so ft h er e s e a r c ho nt h ep r e s e n ts t e a mt u r b i n em o d u l e sa n dt h ec o n t r a s to ft h e i r a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s s u c hg e n e r a lm o d u l e so fs t e a mt u r b i n ep r o p e rs y s t e m a ss t e a mt u r b i n e r e g u l a t i n gs t a g em o d u l e ，s t e a mt u r b i n en o n - r e g u l a t i n gs t a g em o d u l e , s t e a mr o o mm o d u l e ，m i d d l ee u b a g em o d u l ea r ee s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fs t e a m t u r b i n es t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dd e s i g np a r a m e t e r s ，w h i c hm a k e sm o d e l i n gs i m p l e r a n dm o r ei n t u i t i o n a li nt h ef u t u r e a n do i lt h eb a s i so ft h i s ，t h eg e n e r a lm o d e lf o r s i n g l es t a g ee f f i c i e n c yo fs t e a mt u r b i n ei se s t a b l i s h e d t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： a i l a l y z es y s t e ms t r u c t u r eo ft h es t e a mt u r b i n ep r o p e r , a n dm e a s u r eo f ft h e s y s t e mr a n g e ：f r o ms u p e r h e a t e re x i tt oc o n d e u s a t o re n t r a n c 宅，w i t hp r o c e s so fs t e a m f l o w i n ga n dw o r k i n g , i n c l u d i n gs t e a mv a l v e , s t e a mr o o m ，h i g hp r e s s u r ee a s i n g ( h p e a s i n g ) ，i n t e r m e d i a t ep r e s s u r ee a s i n g ( i pe a s i n g ) ，l o wp r e s s u r ee a s i n g ( l pc a s i n g ) a n d s t e a mp i p e l i n e , a n ds o m ea l s oi n c l u d i n gr e h e a t e r ；, m e a s u r eo f fm o d u l e so ft h es t e a mt u r b i n ep r o p e r ：s t e a mv a l v em o d u l e , s t e a mr o o mm o d u l e ，s t e a mt u r b i n er e g u l a t i n g s t a g em o d u l e , s t e a mt u r b i n e 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 n o n - r e g u l a t i n gs t a g em o d u l e ，r e h e a t e rm o d u l e ，a n dm i d d l ec u b a g em o d u l e ； e s t a b l i s hm a t h e m a t i c a lm o d e l sf o re a c hm o d u l eo f t h e s t e a mt u r b i n ep r o p e r s y s t e r n ：e s t a b l i s hm o d e l so fs t e a mv a l v e ，s t e a mr o o m , s t e a mt u r b i n er e g u l a t i n gs t a g e ， s t e a mt u r b i n en o n - r e g u l a t i n gs t a g e , t h em i d d l ec u b a g ea n dr e h e a t e rm o d u l ew i t h m e c h a n i s mm o d e l i n gm e t h o d ； e s t a b l i s hm o d u l e ss t o r e r o o mo ft h es t e a mt u r b i n ep r o p e rs y s t e m ：1 1 s e f o r t r a nt oc o m p l e t ea 1 1t h em o d u l e sw h i c hm u s th a v et h eu n i f o r ms t a n d a r d i n t e r f a c e ； e s t a b l i s hc o r r e s p o n d i n gr e s o u r c em o d u l es t o r e r o o m ：c o m p l e t em o d u l e s t o r e r o o mo f t h et h e r m o d y n a m i cc h a r a c t e ro f s t e a m g a sf o rs u s t a i n i n gm o d u l e s ； ( 重) m a k ec o r r e l a t i v es i m u l a t i n ge x p e r i m e n t so ne a c hm o d u l eo f t h es t e a mt u r b i n e p r o p e rt ov a l i d a t et h ee s t a b l i s h e dm o d u l e s ； ( d e s t a b l i s hg e n e r a lm o d e lf o rs i n g l es t a g ee f f i c i e n c yo fs t e a mt u r b i n e ，a n d v a l i d a t et h i sm o d u l e k e y w o r d s ：s t e a mt u r b i n e ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ，m o d u l a r i z a t i o nm o d e l i n g ， s i m u l a t i o n i 重庆大学硕士学位论文符号表 工作流量，堙s 流量修正系数 压力，只 温度，k 压力比 阀门开度，r a d 效率 速度比 蒸汽速度，m l s 功率，k w 压力损失比 绝热指数 符号表 n y m d d s 办 甜 办 p x t 彳 v i 转速，r m i n 容积，m 3 金属质量，k g 比体积，m 3 k g 直径，m 熵，材慨k ) 始”| k 圆周速度，州s 烩降 堍 密度，k g m 3 临界压力损失比 表面积，m 2 形p丁占秒刁屹，豇 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者虢葡萄 签字日期：伽钌年月幺日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( b ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：节初 签字日期：y 印年月年日 导师签 签字日期：矽刁年舌月够日 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 1 绪论 1 1 课题背景及意义口- 9 1 热动力系统是仿真技术应用的一个十分重要的领域。随着汽轮机性能和参 数的不断提高及先进数字控制系统的广泛应用，计算机仿真在汽轮机及其控制 系统的开发过程中的重要作用已无人怀疑。在各种汽轮机设计、生产、改造过 程中，一个能反映真实汽轮机动态性能的实时仿真系统已成为必不可少的工具。 在仿真技术的应用过程中，突出的一个问题是如何快速有效的建立对象的仿真 模型。采用模块化建模技术，可以方便灵活的按照对象的具体结构，从已建立 的模块库中选用所需模块，经组合后构成系统的仿真模型。对于像汽轮机这类 以流体流动为主的热力系统，采用模块化技术建模的关键是如何合理的划分和 构造仿真模块，使其具有通用性和相互间的可连接性。 对于汽轮机本体的建模一般都采用的是集总参数法，主要区别在于对模块 的划分和流量的计算，下面介绍汽轮机本体的几种建模方法。有一种方法是将 汽轮机的高、中、低压缸分别作为一个模块，其流量由各缸进出口压力、进口 密度和流量系数( 由设计工况参数确定) 求得。另一种是将高压缸作为一个模 块，中、低压缸为一个模块，各模块的计算级组是以抽汽点为划分点，各级组 的流量由变工况下进出口压力、进口密度和相应得临界参数确定，由计算节点 处的质量守恒方程描述压力的变化。还有一种模块划分是以调节级为独立模块， 其他为一个模块，以抽汽口划分为若干级组，高压缸的进汽量单独计算，级组 的流量由上一级的流量减去抽汽量计算，每个级组的出口压力由下一级组的压 力、下一级组的流量和转换系数确定；级组模块算法计算流量采用费留格尔公 式，采用转速修正。以上各种建模方法是描述汽轮机单个缸体或者汽轮机整体 的模型，但是它们都存在对用户来讲不够直观的缺点，特别是对抽汽和分流描 述不够直观；且有些模型没有考虑级与级之间容积中压力和焓的变化对下一级 的影响。因此，本文在研究了已有的汽轮机模型，对比了它们的优缺点的基础 上采用了在汽轮机结构参数和设计参数的基础上建立汽轮机本体系统通用模 块。在汽轮机结构参数和设计参数的基础上建立了调节级、非调节级、汽室、 中间容积等汽轮机本体系统通用模块，使得汽轮机的建模更为简单和直观。并 且，在此基础上建立了汽轮机单级效率通用模型。 1 2 汽轮机本体系统及仿真原贝 j 1 0 j i - 1 2 1 蒸汽轮机是以蒸汽为工质的旋转式原动机，其能量转换方式是先将高温高 压蒸汽预有的热能通过固定的喷嘴叶栅转换为蒸汽的动能，再通过转动的动叶 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 叶栅转换为机械功，该机械功推动发电机转换成电能。由于汽轮机的单机功率 大、效率高、成本低，几乎是毫无例外地应用于火力发电厂和核能发电厂作为 推动发电机的原动机。 一般来讲，大型汽轮机设计为同轴、多缸结构。锅炉送来的高压高温蒸汽 在高压缸的多极喷嘴和动叶叶栅逐级膨胀做功，大致压力降低到2 o 4 o m p a ， 蒸汽再返回锅炉的再热器加热到与过热蒸汽相同的温度，再热蒸汽返回到汽轮 机的中压缸，中压缸汽轮机也是多级结构。膨胀到压力很低，体积膨胀很大， 以致动叶叶栅长度达到极限应力时，蒸汽再分流到汽轮机低压缸，继续膨胀， 直到排入凝汽器。 汽轮机每隔几级就有一定数量的蒸汽抽出，送回到回热加热系统去加热给 水。 汽轮机本体的热力系统作为仿真对象，包括高、中、低压缸，进汽调节门。 所建数学模型可根据汽轮机设计的热力计算和汽轮机变工况运行的原理计算各 工况的高、中、低压缸的进出口蒸汽压力、温度、焓、流量等参数，各级段和 各回热抽汽点的蒸汽流量、压力、温度、焓、熵等，以及汽轮机的内功率、机 组效率、输出功率等。 1 3 模块化建模【2 1 1 , 1 3 - 1 s 1 热动力系统包括的范围很广，其结构形式变化的跨度很大，从简单的单轴 燃气轮机到复杂的联合循环系统、大型火电站等，但是，不论这类系统的结构 和工质运动过程如何复杂多变，总是可以看成由大量的属于少数几个典型种类 的部件( 或称模块) 所组成，工质运动过程遵守基本守恒定律，即质量守恒、 能量守恒和动量守恒，工质状态参数满足工质热力性质函数关系。因此，我们 完全可以根据这些典型部件的特性事先建立起它们的数学模型，整个系统的模 型仅仅是这些部件模型通过一定手段实现的一定规律的组合形式，同类部件可 以重复使用同一个模块的方程。这样，借助于计算机，我们就可以很容易的解 决复杂系统的建模问题。用少量的模块便可以描述包含许多设备和子系统的大 系统，这就是模块化建模的基本思路。 模块化建模方法包括以下内容： 对所研究系统进行合理的模块化分解。这是模块化建模的关键，模块 划分的形式决定了模块的连接方式，往往与研究者解决问题的侧重点和软件使 用的对象有关。模块划分的结果应保证系统的模块化分解和模块的连接组合过 程容易进行，同时可使任意一个模块的删除和插入不给其它模块的组合过程带 来影响，因此，要求模块能完成独立的物理功能，具有数学独立性，模块内部 与外界的数据通讯有明确一致的边界和接口。 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 建立模块模型库。有一个丰富的预置的模块库是模块化建模的基础， 其中应包含研究对象可能拥有的全部典型部件或子系统的数学模型。对热力系 统来说，就是要包含诸如管道、阀门、换热器、透平、压气机等等这样一些典 型部件的数学模型。这些模型根据基本守恒定律按一定规范用计算机语言编写 成标准形式，作为一个代码单元存放于模块库中。 建立一套模块自动连接组合系统。这是模块化建模得以实现的保证， 也是其难点。组合系统应能使用户在应用仿真软件时，只需按一定的规则从外 部送入一定的指令和数据，由计算机自动地按要求顺序从模块库中调出所需模 块模型，并把参数值赋予该模块使其代表所研究对象的特定部件的模型，然后 将该模块与其他模块进行连接组合，生成整个系统的模型。拆装组合模块的能 力应与研究对象的拓扑结构无关。与模块内部的模型结构和形式也无关。 有一个资源库，如工质( 水、水蒸气、烟气等) 的热力性质函数库， 用于支持模块模型，这些函数应具有足够的精度，参数具有足够的变化范围， 而且不仅能求诸如焓、密度、熵等参数，还应能求反函数及各种偏导数等。 另外，模块化建模还需要包括其它一些的技术内容，如数据输入( 即特定 系统得拓扑结构描述、过程参数值等) 和输出( 仿真结果) 、模块库的管理、建 模环境等。 模块化建模方法有以下优点； 把对复杂系统的繁琐的建模工作，化解为比较简单的子系统或部件的 建模工作，因此显著降低了建模的复杂性和对用户的要求。 由于模块有统一的划分和设计规范，因此不同的模块可由不同的研究 人员开发，一个模块的模型只需开发一次，并可以在不同的研究对象中重复使 用，因此避免了重复劳动，提高了研究和工作效率。 模块自动连接组合系统一次性开发完成后，可使用户不必再为模块连 接及其实现费时费力，而将主要精力和时间投放在新模块模型开发、模块优化、 对研究对象进行分析和设计等主要工作上。 1 4 大系统的模块化分解- ， 本文所谓的模块，是指物理部件或子系统或控制环节的抽象表达形式( 在 不引起混乱的情况下有时专指模块模型本身) 。系统的模块化分解就是按一定的 原则根据研究系统特定的拓扑结构状况将其肢解为模块排列形式。 大系统的模块化分解方式与模块划分形式及流体网络特性处理方法有关。 模块划分包括模块界定的范围和接口形式两方面。不同的研究者对此有不同的 处理。 美国电力研究所研制的可用于火电站和核电站模型开发与仿真的模块化建 3 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 模系统m m s ，完全按物理设备或部件划分模块。如将锅炉炉膛和汽包蒸发系统 化为一个模块，模块的接口就是部件的实际工质出、入口。这样划分的模块独 立性强，用户连接模块方便，降低了对用户的要求。由于流体网络特性的影响， 为保证模块连接时不出现矛盾和错误，m m s 将所有含流体流动的模块划分为储 存型( s t o r a g e ，即s 型) 和阻力型( r e s i s t i v e ，即r 型) ，及其组合s r 型和r s 型四种，并规定r 型和r 型( 或s 型和s 型) 模块之间不能直接相连接，必要 时需在二者之间附加一个连接器模块( c o n n e c t i v em o d u l e ) 。这种连接方式很灵 活，能适应任意复杂结构形式的系统，但连接器模块的加入增加了系统模块化 分解后模块的数量，这是其不足。 在电站实时仿真领域，也有人根据流体网络中压力流量响应快、焓温响应 相对较慢的特点，将系统划分为设备模块和网络模块两类。设备模块对应于系 统中的典型部件，其模型主要是由能量方程组成。网络模块由有关部件组成的 子系统中质量守恒和动量守恒方程组成( 忽略温度影响) ，反映了子系统内压力 - 流量的整体影响效应。然而，网络模块的模型与子系统得拓扑结构有关，若系 统结构改变，则必须重新建立一个新的网络模块。因此，网络模块不具备独立 性和通用性，不能作为标准模块用于其它不同结构形式的热动力系统。而且， 网络模块模型建立的难度较大，这对一般的用户要求偏高。但是，网络模块从 系统角度处理压力- 流量水力耦合、响应快及非线性等影响，计算速度快，能满 足实时仿真需要，这是其优点。 就通用、灵活、方便的意义上讲，认为m m s 模块的划分方法最合理，既 一个模块代表一个独立的物理设备或部件，部件的工质进、出口就是模块输入、 输出接口，基于模块而不是基于系统考虑流体网络特性的影响。 1 5m m s 优点及要点 1 3 - 1 5 m m s 是美国电力研究所开发的模块化建模系统，既适用各种核电站，又适 用于各种火电站，既适用于电站仿真专业人员，又适用于电站运行分析工程师 的，通用型的，模块化瞬态过程分析软件。m m s 是以a c s l 为基础的一体化图 形建模系统，以电站设备为基础构成模块，模块源程序采用a c s l 写成。m m s 主要由模型生成系统、模块及模块库、水蒸汽性质计算、控制系统分析等组成。 模型生成系统可以完成图形建模系统、自动参数化、自动生成仿真源程序和实 验框架文件等工作。该系统主要用于：电站设计、控制系统设计和分析、电站 改进、运行过程分析、硬件在回路的仿真研究和开发仿真培训装置。 m m s 有以下主要优点：模块有清晰的物理边界。对象模块与实际设备有 良好的对应关系，使用户可以快速认识和应用系统，适用于快速建模。模块 数学方程独立。描述部件特性的所有方程都包含在模块内部，只要对象模块的 4 重庆大学硕士学位论文l 绪论 接口是规范的，均可以与其它模块相连，构成更大的对象仿真模型。系统具有 很强的可扩充性。适用性强。它提供了经过验证的模块库，用户可以直接应 用模块建立多种对象的仿真模型；一体化。系统集成了图形建模、a c s l 语 言及m a t l a b 控制特性分析工具等；模型精度高。设备模块一旦经过验证， 能保证以其构成的系统仿真模型具有很高的精度。 m m s 模块化概念的要点： 以电厂实际部件为一个独立模块，每个模块都必须包含所有的描述方程， 同时必须有清晰的物理边界。模块本身的能量、质量和动量守恒方程以边界上 的流体特性为基础进行计算，而不能作为其它模块中的变量的函数来计算。 为了保证数学方程的兼容性，应用了阻力型模块和储能型模块的概念， 即将所有模块( 或它的接口) 分为两种基本类型：流动阻力型( 简称r 型) 和能量或 质量储存型( 简称s 型) ，更为常见的是两种类型的组合，即s r 型或r - s 型。 模块间信息传递需规范化，模块的信息传递必须支持r 型和s 型模块的 概念。要完整地描述一个流动至少需要三个过程变量。 变量命名需规范，变量的命名方法应该能够加强模块的概念，一般来说， 一种命名方法应该易于辨认和输出，并能提供变量名自动产生的功能。 1 6 汽轮机本体系统模块划分及论文主要内容 3 - 8 , 1 6 , 2 0 - 2 s 】 由于汽轮机的复杂性，企图用一个环节或一组微分方程及代数方程来描述 整个汽轮机的动态过程是难以实现的，为此在建立汽轮机本体数学模型时，采 用模块化技术建模的关键是如何合理的划分和构置仿真最基本的模块，使模块 更具通用型和相互之间的可连接性，可将汽轮机本体划分为若干个相对简单独 立的部件和环节，环节划分的越细越多，模型就越接近实际，但是环节划分的 过多，所建立数学模型方程就越多，然而在对环节进行数学描述时，需要进行 必要的简化与假设，这样所建立的微分方程求解时造成的累积的误差越大，同 时由于环节过多，导致仿真的实时性受到一定的影响。所以，进行系统划分时 应遵循以下原则： 要求各个环节模块能完成独立的物理功能，具有数学独立性、通用性强。 模块划分的结构应该保证汽轮机本体模块化分解和模块的连接过程容易 实现，使任意一个模块的增加和删除不会对整个模型产生影响，同时各个模块 内部与外界的参数有明确一致的边界和接口。 本文完全按照控制对象中各设备或部件之间工质流动的自然界而对系统进 行模块化分解。一个模块可以是系统中一个物理设备，也可以是某种形式的设 备或部件群组成的子系统。模块之间相互独立，连接方便。在进行模块模型的 综合时，只要知道模块之间的工质流向和进口、出口连接关系，以及有关模块 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 的进、出口特性即可。通过对建模对象合理的模块化分解，使得各个部件或某 一过程具有独立的物理功能，而且模块内部与外部的变量连接具有一定的接口。 模块化的建模方法有统一的系统划分原则和建模规范，所建模型通用性好，可 适用于不同容量机组的仿真建模。 本文把汽轮机本体系统模块划分为：汽阀模块、汽室模块、汽轮机调节级 模块、汽轮机非调节级模块、再热器模块、中间容积模块。 其中，汽轮机的调节级划分为一个独立的模块，高、中、低压缸其他部分 以抽汽点为划分点划分为若干个非调节级模块，由于每个非调节级的结构和工 作原理相似，可将所有非调节级抽象为一个基本的物理模型，每个级的工作可 用同一数学模型来描述，建立一个非调节级模块。对于控制阀、截止阀、再热 联合汽阀等建立一个通用的汽阀模块。对具有一定容积的流动连接部分视为一 个容积环节，建立中间容积模块。把抽汽、分流和汽轮机级组之间的连接部分 视为汽室，建立汽室模块。客积型模块( 汽室、中间容积模块) 可与阻力型模 块( 汽轮机级、汽阀) 直接连接。由阻力型模块可以确定通过的蒸汽流量，而 流进流出容积型模块的总流量差决定了容积中压力的变化。 本文的主要目的是在汽轮机结构和设计参数的基础上建立适合不同容量不 同结构汽轮机本体系统的动态系统实时仿真的通用模块，使其成为本仿真研究 所建立的v m s 系统的汽轮机建模组成部分，使用户建模更为简单和直观。 6 重庆大学硕士学位论文2 模块的数学模型 2 模块的数学模型 数学模型是计算机仿真的基础。用于分析热动力系统动态特性的数学模型 的形式往往因研究者的目的和简化条件的不同有很大差别，简单的可以是一个 通过理论分析和试验研究所得到的传递函数，复杂的可以是详细的分布参数模 型。就工程实用的角度来说，应该在满足要求精度的前提下，尽量选用最简单 的模型。模块化建模方法有一个突出特点，即允许模块本身的模型建得比较简 单，可以通过模块的不同组合构造出系统的任意复杂程度的模型，这对工程应 用和理论研究都有实际意义。 2 1 调节级模块数学模型【2 1 6 , 2 0 - 2 2 2 9 - 4 t 假设： 进汽管的汽流是匀称的，通过主汽门后，将汽流合并为一路加以考虑； 调速汽门是顺序开启的，以一个连续开启的汽门来代替； 级采用喷管配置； 对汽机流量功率等快变过程采用静态模型处理； 假设流体与环境间无能量交换； 忽略级内容积惯性，阡0 = 形，。 2 1 1 调节级流量方程 p ， 吩咄赫“印 =嚼 占“；丝= 0 5 4 6 。 p 拈 s 坤j s 仃 8 ”i ” 阡乙变工况下的调节级工作流量，堙s ； 阡厶额定工况下的调节级工作流量，堙s ； 口流量修正系数； p 。变工况下级组的入口蒸汽压力，只； p 。变工况下级组的出口蒸汽压力，只； p 埘o 额定工况下级组的入口蒸汽压力，只； 7 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 重庆大学硕士学位论文2 模块的数学模型 已变工况下级组的入口蒸汽温度，k ； 乙。额定工况下级组的入口蒸汽温度，k ； 占。；变工况下级组出口压力和入口压力的比值； 护阀门开度( 弧度) ； 矗，( 口与流量间的拟合关系式。 2 1 2 焓、熵计算 理想膨胀做功按照等熵过程求解， 出口温度乃均由水蒸汽性质计算，即 s 。= f b 。h s 3 h s l = f b 。，ps ! 、 级组的入口熵& ，出口理想焓值b 及 t i l = f b 。h , 1 ) h d = h 。- r l t k l e - h 1 0 a h , = k 一西 调节级的入口熵，材低k ) ； k 调节级出口理想焓值，材k g ； 乃调节级出口温度，k ； k 调节级实际进口焓，k 3 k g ； b 调节级实际出口焓，u k g ； 鬼调节级理想焓降，k i k g ； ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 调节级效率，由设计资料整理成经验公式珊= 厶( 吒) ； 屯调节级速度比，x a = 衫巳； 材调节级的圆周速度，肌居； c a 调节级理想焓降对应的汽流速度，州s ，c 。= 乏五万。 2 i 3 功率 j r = v ( k h , 1 )( 2 9 ) 调节级功率，k w 。 2 2 非调节级模块数学模型【2 1 6 , 2 0 - 2 2 , 2 9 - 4 1 假设： 对汽机流量功率等快变过程采用静态模型处理； 假设流体与环境问无能量交换； 忽略级内容积惯性，睨= 。 2 2 1 流量方程 非调节级在变工况前后处于临界状态的进汽流量方程： 重庆大学硕士学位论文 2 模块的数学模型 p 。 既= 4( 2 1 0 ) ( 。) i 非调节级在变工况前后未达临界状态的进汽流量方程： 睨氓厝磊仨 d d p 。) o 5 4 6 时为非临界状态： 阡乙变工况下机组工作流量，船s ； 阡0 0 级组额定流量，姆s ； p 。级组进口蒸汽工作压力，只； p 。级组进口蒸汽额定压力，只； 乙级组进口蒸汽工作温度，k ； 乙o 级组进口蒸汽额定工作温度，置； p “级组出口的工作压力，只； p d o 级组出口的额定工作压力，只。 2 2 2 焓、熵计算 理想膨胀做功按等熵过程求解， 口温度乃均由水蒸汽性质计算，即 s | ：= b 。，h 3 h , i = b 。ps 1 ( 2 1 1 ) 级组的入口熵& ，出口理想焓值h , j 及出 l = 八p h s | ) h = h 。一l r u 。一h | ? 1 醵t = h 。一t i 屯级的入口熵，材( 船k ) ； k + 镢出口理想焓值，k j 堙； 蜀级出口温度，k ； k 级进口焓，材培； b 级实际出口焓，灯培； a 以级理想焓降，材堙； ，7 ，级效率，由设计资料整理成经验公式乃= ( ) ； 级速度比。 2 2 3 功率 j f = w 。q h h i l 、 ，级功率，k w 。 9 佗1 2 ) 佗1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 重庆大学硕士学位论文2 模块的数学模型 2 3 蒸汽阀模块数学模型- , 2 2 , 4 2 - 4 s 蒸汽阀流量特征可用如下方程描述： 既= c o ：c r ( 1 - 0 3 6 7 砉 历 c v = ，b ) ( 2 1 8 ) x ：盟 匕 x 压力损失比； t 置：l f 三r 。 l 豇+ l z 临界压力损失比，与工质的热力性质有关，为0 4 5 ； k 绝热指数，蒸汽取i 3 ； p 。进口端蒸汽密度，堙m 3 ； g 阀门特性，是阀杆相对行程墨的函数； 特性修正系数，= 2 盼二k + l ，蛐为阀门最大面积。 常用的阀门特性有线性、慢开、快开、用户自定义四种。若特性以曲线给 出，则用节点数组形式输入，并用插值方法计算。作为通用的阀门模块，上述 几种特性可任意选用。 对于阀门有 = 既 “= 丸 阀门特性： 慢开：g = 厂 ) = 霹 快开：g = 厂 ) = 1 一e x p ( - 1 0 s , ) 线性：g = 厂 ) = 墨 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 陀2 2 ) ( 2 2 3 ) 2 4 汽室模块数学模型。纠闱 汽室是由一定控制容积决定的，具有两个或多个流入流出端口的部件，容 积型模块。按照本文对模块的划分，调节级与非调节级之间，非调节级与非调 节级之间都可以认为是汽室。这类模块的特点是在研究系统的动态过程时，其 各端口问的压差可忽略，所关注的是因流入流出流量差而引起的容积中流体压 力的变化。可以把分流通常只对压力的动态变化感兴趣，则一个压力的微分方 程就足够了。 l o 重庆大学硕士学位论文2 模块的数学模型 d p ，。：w s e - - 赢w 一, t ( 2 2 4 ) d t o p 印 其中v 是当量容积，右函数分母中流体密度对压力的偏导数印勿是压力 p 和焓日的函数。假定与外界无热交换，则出口焓h a = k 。两端口的压力p 。、 p “即为容积体中流体的压力，p 。= p “= p 。 根据本文对模块的划分，非调节级之间有一个抽汽量，计算时要在进出口 流量差中再减去一个抽汽量。 = 乒j ( 2 2 5 ) p 汽室中的压力，只； 见加热器中的饱和压力，只； p p 压力下的密度，k g m 3 ； ，损失系数。 若是多端口的情况，那么右函数分子为流入流出的总流量差，而流出端的 焓需用各流入端流体的焓加权平均求取。分流通道可认为是多端口汽室。 卅 k = k ( f ) w ( o 既o ) ll k ：杰睨( f ) ： i = ( ，) l1 i = 1 j ，l _ ，= 1 ，五 降0 ( f ) 各个进口的蒸汽流量，k gl s ； 。o ) 各个进口蒸汽的焓值，u 堙； 阡0 ( ，) 各个出口的蒸汽流量，k g l s ； 埘进口个数；后出口个数。 ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 2 5 中间容积模块数学模型“删 在汽轮机等的热力系统动态仿真建模中，常将具有一定容积的流动连接部 分视为一个中间容积环节。容积环节的建模和处理按不同的情况和要求而有所 不同。如果容积很小，而且对其动态过程不感兴趣，可将容积惯性忽略。如果 容积惯性不能忽略，但关注的只是容积中流体压力的动态变化，则通常用一个 基于流入流出流量差的压力微分方程来描述其动态变化规律，并可按质量流量 加权平均原则，根据流入流体的焓确定流出端的焓。但是这样处理有一定的局 限性，在有些场合会造成仿真计算结果的不确定。以下图所示汽轮机系统中的 容积巧和吒为例。当容积环节各流入端的流量都变为零( 如图中的控制阀迅速 重庆大学硕士学位论文 2 模块的数学模型 关闭) 的时候，存留于容积环节内流体的焓和其下游各段流体的焓就无法确定。 在这种情况下如要准确计算该容积及其下游各段的动态变化过程，就需要用基 于质量和能量平衡原理建立的一组压力和焓的微分方程组作为其模型。 图2 1 中间容积示意图 f i g2 1t h es k e t c hm a po f m i d d l ec u b a g e 以单入口单出1 2 1 的容积为例，给出容积环节的模型。陟2 和j | i 。是从上游流 入的流量和焓，由上游环节计算。形，为流向下游的流量，由下游环节计算。故 对容积环节来说，黟乙、k 、阡0 是己知的输入变量。 通常可假定容积内压力均匀，流体与周围无热交换并忽略流体的动量，依 照质量和能量守恒原理有如下方程组： 一睨+ 矿( 等警+ 望o h 塑d t ) 1 = o ( 2 - 2 8 ) 一既k + 矿p + 矗塑a h j l 塑d t + 叫 等一li 害= o ( 2 2 9 ) 由上式可以解出d e d t 和d h d t ： 警= 一 ( 2 3 0 ) ( 2 3 0 上式右函数中的o p l o p 和o ：l a h 分别是流体密度对压力和焓的偏导数，都是状 态变量p 和h 的函数，由流体的物理性质决定。对更一般的多端口的情况要以 、j 和( 吮j k ，) 分别代替上式中的阡0 、阡。和阡o k ，即可得到 适用于多端口的方程组。下表i 和_ ，分别代表各流入和流出端的编号。 一 藉妒一士 盘 重庆大学硕士学位论文 2 模块的数学模型 2 6 再热器模块数学模型【2 ，1 1 1 6 a 7 - 5 2 再热器管内为循环蒸汽，管外为烟气，通过烟气余热加热循环蒸汽，如下 图示。 h 一 薅习t 绶避 h 计 t _ 一t g , 警乞_ 三三 一詈盘 图2 2 再热器换热示意图 f i g2 2t h es k e t c hm a po f h e a te x c h a n g ei nr e h e a t e r 对于再热器来说其蒸汽侧和烟气侧分别可以看成是单相介质受热管。为了 建立了再