（车辆工程专业论文）小型背压式汽轮机的性能计算和在线监测软件.pdf

山东理1 人学硕1 一学位论文摘要 摘要 针对目前小型汽轮机性能定量研究较少，在开展定量研究的基础上研制开发了针对 小型背压式汽轮机的性能计算和在线监测软件。在逐级计算中采用顺序和侄4 序的计算方 法。通过对试验数据的拟合，得出蒸汽参数变化所引起的功率变化拟合曲线，从而实现 变工况离线性能计算。分析蒸汽参数变化引起的后果，确定在线监测参数来监测机组运 行安全性，并且根据不同的监测参数，采用不同的方法确定监测参数的应达值，实现机 组运行的经济性。本软件大大减少了设计人员的计算量和设计周期，提高了设计效率和 精度，节省了大量人力物力资源：实时显示可以让运行人员随时了解机组进出口的蒸汽 状态和运行安全状况，维护机组运行的经济性和安全性；计算过程中用到的水蒸汽热力 参数，采用了国际上最新的水和水蒸汽计算公式，编制了计算模块，程序可以随时调用， 避免了查焓一熵图的烦琐、减小了误差，提高了计算速度和准确性。 关键词：汽轮机，性能计算，在线监测，软件系统，穆7 山东理工大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t c o n s i d e r e dt h es h o r to fq u a n t i t a t i v ep e r f o r m a n c er e s e a r c ho nm i n i t y p es t e a mt u r b i n e ， a n db a s e do nt h eq u a n t i t a t i v er e s e a r c ht od e v e l o pt h es o f t w a r e “t h ep e r f o r m a n c e c a l c u l a t i o na n do n l i n em e a s u r e m e n tf o rm i n i t y p eb a c k p r e s s u r et y p es t e a mt u r b i n e ”b y u s i n gv i s u a ld e v e l o p m e n tt o o lc a l l e da sv i s u a lb a s i c6 0 a d o p tt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do f o r d e ra n dr e v e r s eo r d e r , t h ef i t t i n gc u r v eo fp o w e rc h a n g e db r i n g e db yt h ev a r i a t i o n a l s t e a mp a r a m e t e rc a nb eg o t t e nb yf i t t i n gt h ee x p e r i m e n td a t a ，s ot h eo f f - l i n ep e r f o r m a n c e c a l c u l a t i o no fc h a n g i n gs t a t e sc a nb ec a r r i e do u t ，b ya n a l y s i n gt h er e s u l tc a u s e db yt h e c h a n g i n gs t e a mp a r a m e t e ra n dc o n f i r m i n gt h eo n l i n em e a s u r e m e n tp a r a m e t e r , t h eu n i t s e c u r i t yo fr u n n i n g c a l lb es u r v e i l e d ；b a s e do nd i f f e r e n tm o n i t o rp a r a m e t e r ，t h em u s t - b e q u a n t i t yo fm e a s u r e m e n tp a r a m e t e r sa r ec o n f i r m e db yc o r r e s p o n d i n gm e t h o d st oc o n t r o l t h ee c o n o m i c a lr u n n i n go fu i n t s ，t h i ss o f t w a r er e d u c et h ec a l c u l a t i o nq u a n t u ma n dd e s i g n p e r i o d so fd e s i g n e r sb yal o n gw a y , s oi ti m p r o v e st h ee f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o no fd e s i g n ， a n ds a v e sm o r em a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e s t h eo p e r a t o rc a nk n o wt h ei n l e t e do r e x i t e ds t e a ms t a t u sa n dr u n n i n gc o n d i t i o na ta n ym o m e n tb yr e a l t i m ed i s p l a ya n d m a i n t e n a n c et h ee c o n o m ya n ds a f e t yo ft h em n n i n gu n i t s f o rt h et h e r m o d y n a m i c p a r a m e t e ro fw a t e ra n ds t e a mw h i c hi sn e e d e dd u r i n gt h ec a l c u l a t i o n w ea d o p ti f 9 7 f o r m u l at oc a l c u l a t ei ta n dp r o g r a m m em o d u l ew h i c hc a nb et r a n s f e r e dd u r i n gc a l c u l a t i n g ， i tc a nn o to n l ya v o i dt h et r i v i a ld e t a i l so fm f e r n n gt ot h eh - sc h a r t ，b u ta l s om i n i s he r r o r ， i m p r o v ep r e c i s i o na n ds p e e do fc a l c u l a t i o n k e yw o r d s ：s t e a mt u r b i n e ，p e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o n ，o n l i n em o n i t o r ，s o f t w a r e ，i f 9 7 山东理工大学硕士学位论文独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，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，也不包含为获得山东理工大学或其它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 表示了谢意。 研究生签名 凉社霞 时间：力町耷f 月f 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生躲聿雠 导师签名：嘬转舡 日寸f b j ：如扩年f 月f 日 时问：一伟z 月f 日 山东理工大学硕上学位论文第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 汽轮机是以蒸汽为工质并将蒸汽的热能转换成机械功的一种旋转式原动机u “j 。与其 他形式的原动机( 如蒸汽机、汽油机、柴油机等) 相比，有其独特的优点：单机功率大、 热经济性高、功率效率高、运转平稳安全可靠、可利用多种燃料和使用寿命长等。 汽轮机的一系列优点决定了它的用途广泛。在石油化工企业、造纸、制糖企业，城 市煤气化供应及工业用自备电站都离不了工业汽轮机。小型的汽轮机还可用来拖动风机、 水泵、压缩机等转动机械：也可用于船舶推进动力装鼍，驱动螺旋桨 3 - 4 1 。大型的汽轮机 主要作为发电用原动机，随着世界传统能源的日益枯竭，核能利用受到人们的极大关注， 在现代核电站中，都采用阻汽轮机为原动机的汽轮机发电机组，核能的利用就意味着汽 轮机的应用，其发电量约占总发电量的8 0 左右圳。此外，汽轮机的排汽和中间抽汽可 用以满足生产和生活上供热的需要，这种既供电又供热的供热式汽轮机，具有较高的热 经济性。在工业生产过程中有余能和余热的地方，还广泛应用着不同类型的各种： 业汽 轮机，以充分发挥热能多级合理利用的优点，提高了生产的综合效盏。所以，到目前为 止，汽轮机无论在生产电能还是供应热能方面，都发挥着极其重要的作用。 汽轮机的热力计算是汽轮机设计和制造的重要基础，通过热力计算，分析比较和论 证得出相应的结论。对于汽轮机的性能计算忙“，多年来，科技工作者从试验及理论计算 方面对这个问题进行了不断的研究与探索。早期，人们通过试验的方法来测得机组的热 力性能，这种试验从试验准备、试验进行、试验数据整理计算到提出试验报告的全过程 耗用时间很长，工作量很大。尤其是试验数据的整理计算过程，对于大机组往往需数月 才能完成，这就大大地影响了工作效率。并且要受到当时测试仪器、仪表的限制，试验 数据人为误差较大，且计算周期长、偏差大，试验结果对机组运行以及生产指导性较差。 理论计算方面计算公式多、计算量大、计算出错率高，手工计算出一个机型的性能需要 花费较长的时间，这对生产指导有很大的制约性。更重要的是汽轮机内的流场是三元流。 对于复杂的三元流，单凭理论计算是不够准确的，用理论公式很难准确地描述出汽流的 实际流动方向，这也给性能计算的准确性打了拆扣。 计算机的普及应用为解决这问题提供了条件。但是由于机组类型不同，热力系统 也不同，而且同类型机组的热力系统及试验测点布置也有差异。为满足大量工作的需要， 若针对机组各编制一套程序显然是事倍功半1 1 0 j 。所以编制通用计算程序是非常必要和迫 切的，它可以大大地提高工作效率。尤其是最近几年，通信技术、微电子技术、计算机 技术的迅猛发展以及在生产实践中的广泛应用，为汽轮机的热经济性的性能计算和分析 山系理工大学碗士学位论文 第一帝绪论 技术的迅猛发展以及在生产实践中的广泛应用，为汽轮机的热经济性的性能计算和分析 提供了必要的硬件条件。国内外的仿真软件可以仿真汽流流场，提高计算的精确度。丽 w i n d o w s 系列操作系统的广泛应用、基于w i n d o w s 的软件开发环境如v i s u a lb a s i c 6 0 具 有强大的开发功能，这些为汽轮枫热经济性的性能计算和分析提供了必要条件。所以性 能计算软件的开发大大节省了人力，缩短了计算时间和周期，提高计算速度与运算精度， 也切实将现场工程技术人员从繁重的手工计算任务中鳃脱出来，大大提高了工作效率。 在线监测可以监测机组的运行状况，当发现运行状况发生很大的偏差r 寸，可指导操作人 员做出相应的处理。 1 2 国内外研究现状t 。1 3 1 2 1 葛线性麓诗算研究现状 汽轮枫的性能计算分为离线和在线计算。离线性能计算方面迄今为止，河南省电力 试验研究所、东南大学热能工程研究所、大连理工大学等多家单位都研制了相关类型的 汽轮枫离线性能计算软件并取得了一系列的成果，研制的软件也逐渐趋向通用化和界面 友好化，但是这些软件仅局限于进行蒸汽热力系统性能计算，而不能进行燃气热力系统性 能计算，因而限制了其在燃气一蒸汽联合循环电站等洁净燃煤系统中的应用。国外也开发 了多套基于热平衡的电厂热力系统计算软件，其中最具代表性的通用软件有p e p s e ， p r e s t o 5 署i ：i s a l t 6 ，前两套只适用于常规燃煤电站，s a l t 能用于多种发电系统热力性 能仿真，但是它们都使用不便，对用户要求高。c c a r c a s d 等采用模块化建模、联立方程法， 可对燃气一蒸汽联合循环热力系统进行性能计算，其中系统按设备进行模块划分，但其部 件模型较简单，对难以简洁表达的函数采用局部线性化，因而使模拟的准确度受到影响。 a 0 o n g i r o 等利用a s p e n p l u s s 搬强l 歼发了适用于i g c c 等联合循环研究设计的软件。 可见国外近年来正在开展研制适用于先进的燃气一蒸汽联合循环热力系统汽轮机性麓计 算的通用软件。 1 2 2 在线分析系统国内外研究现状与发展趋势 在线分析系统以数据采集系统( d a s ) 为基础，通过连续地计算机组性能指标和偏 差损失，把数量巨大的瑷始采集数据处理成为直鼹的为数较少的佳能结果，及时、直接、 客观地对机组的安全性、经济性进行分析和判断，从而实时指导运行人员调整机组运行 工况。它与现有的数据采集系统的根本区别在于在线分析系统侧重于数据处理、分析， 而数据采集系统则成为其中一个组成部分，侧重于数掘采集。一套完整的热经济性在线 2 山东理工大学硕二七学位论文 第一章绪论 济性分析系统，系统专用数据和函数库系统。 国外，自7 0 年代，一些基于热平衡法的热力系统分析软件纷纷问世。其中有美国 g e 公司的p e p s e 、o r n l 设计的r e s i o ，s a r g d 盯l u n d r y 开发的h t b a l ；英国 c e g b 开发的a h b p 。当时的试验藿点是用热偏差分析对机组热耗变化进行在线监视，通 过对一些可控参数的调整，使机组运行的能耗减至最小。并且由于当时测量元件的不可 靠和其他一些技术问题，性能监测仅仅是d a s 系统中的一个附属部分，只完成f f c 中少 量指标的在线计算。 美国8 0 年代初开始推广实施机组性能在线监测，并融入机组计算机集散控制系统 ( d s c ) 。著名的研究机构e p f j 集中了一大批研究人员，并联合了众多电力公司及有关 电厂，开始对性能在线监测工作进行全面的研究和试验，其目的是通过对电厂性能进行 连续的监测，了解影响电厂性能的各种因素，并对这些因素加以分析和控制，最终使电 厂运行效率得到提高。经过详细严密的计划和大量的试验工作，他们己提出了有关测量 装置、数据采集与分析系统、在线计算数学模型及应用程序等一系列技术报告，为在电 厂全面推广性能在线监测系统打下了坚实的基础。随后英国的b a b c o c kc o n t r o l s 、德国的 d v g 与v g b ，日本的c r i e p i 、m i t s u b i s i 、h i t a c h i 以及瑞士的b b c 等公司和科研机构也 进行了相应的研究和试验。8 0 年代投入的性能在线救测系统在功能上有了较大的提高。 美国m o r g a n t o w n 电站两台机组的在线监测系统由e p r j 和p o t o m a c 电力公司联合丌发， 采用g e h o n e y w e l l 4 0 2 0 计算机系统，共计有8 4 0 个模拟量输入和1 4 0 0 个数字量输入， 其一期工程的监测对象几乎囊括了电，一的所有热工设备。主要有汽轮机热耗率、凝汽器 清洁系数、空预器效率、加热器性能、锅炉效率以及热偏差分析功能。计算模型基本上 以a s m e p t c 试验规程为蓝本。目前，美国、法国和f t 本等西方国家所生产的大型汽轮 机组几乎都配有成套的性能在线监测系统。 在此基础上，e p r i 还提出了进一步的研究方向： ( 1 ) 对机组在变负荷过程中动态特性做更深入的研究，其中包括汽轮机调节级的 效率变化、调节阀位的确定、机组滑压运行特性和事故运行工况监测等； ( 2 ) 机组起停过程中的经济性能分析、调峰机组的性能监测和机组运行寿命分析： ( 3 ) 机组微增热耗特性在线监测，为精确性高、实时性强的在线经济调度提供可 靠的依据： ( 4 ) 锅炉燃烧过程监测，燃料、燃烧产物成分的在线测定以及锅炉性能优化等： ( 5 ) 辅助设备的性能分析和事故预报，如高加给水泄漏、水位控制失灵、凝汽器 真空变化等； ( 6 ) 开发基于专家系统的在线监测诊断功能，使在线监测智能化等等。 进入9 0 年代，由美国电力研究所组织开发研制的运行能源管理系统( o e m ) 是电站 汽轮机组在线性能监测与诊断的一个有效应用。此运行能源管理系统通过设备能量转换 特性和电站运行负荷为知识基础，通过运算快速而准确地确定单元机组优化配制和电站 山东理工大学坝士学位论文 第一章绪论 特性和电站运行负荷为知识基础，通过运算快速而准确地确定单元机组优化配制和电站 运行轮廓，这一技术得到了良好的应用。 在电站测量元件和测量技术的最新成果、电站汽轮机组性能监测和诊断的实用商业 软件以及人工智能在电站领域的应用的3 个方面，晟近的在线分析发展明显。 ( 1 ) 测量元件和测量技术的最新成果 电站运行关键性能参数的测量。主要有：飞灰含碳量的直接测量，锅炉烟气温度的自 动测量，凝汽器流量、空气泄漏量监测新技术。 电站设备潜在完整性问题检测。主要有：裂缝、泄漏检测技术，轴承状况检测技术， 旋转机械检测技术。 ( 2 )电站汽轮机性能监测和诊断的实用商业软件 整体性能监钡4 商业应用软件。主要有：运行能源管理系统( o e m ) ，热效率研究软件， 停机和维修管理系统，计算机化性能试验软件( c p t p ) 。 专门设备性能监测商业应用软件。主要有：锅炉性能渗断与监测，汽轮机振动监测与 诊断，发电机性能监测与诊断，凝汽器性能监测，磨煤机可靠性监测，冷却塔性能监测。 ( 3 ) 人工智能专家系统在电站性能监测与故障诊断领域的应用 专家系统在故障诊断方面的应用，主要有：电机人工智能诊断软件、电站化学水人工 智能诊断软件和汽轮机人工智能诊断软件等。 专家系统在提高热效率方面的应用，主要功能有：分析热效率和影响它的有关参数的 趋势，分析性能下降的原因，自动校正以提高或优化性能，分辨出错误的测量数据。 专家系统确定吹灰策略，它使用锅炉和汽轮机循环中的关键参数测量值来确定锅炉 不同部位的清洁因子，从而帮助运行人员确定吹灰策略。 我国自8 0 年代中期，也开始了对电厂汽轮机组在线监测工作的研究与开发。电力科 学院、西安热工所、西安交通大学和东南大学等单位先后在望亭电厂、天津杨柳青电厂、 卜花园电，一、南京热电厂和洛河电厂安装了各自的在线监测系统。9 0 年代以来，电厂汽 轮机组性能在线监测系统在我国发展较快，清华大学、上海交通大学、东南大学、浙江 大学和华北电力大学在这方面作了较多的研究工作，开发了相应的在线监测软件。并且 在国产机组主要机型上进行了推广应用，取得了初步应用成果。但与世界最新技术相比， 我国的在线分析软件还比较落后，要达到或赶上国外的发展水平，我们还需要引入先进 技术并组织力量对这方面进行深入研究。 1 3 本文主要研究内容 主要研究内容： ( 1 ) 以背压式小型汽轮机为对象，研究了该类机型对计算的需求和实施计算的 基本策略。 4 u i 乐蛙工 学蝴士学位诧卫第一章绪论 特性和电站运行负荷为知识基础，通过运算快速而准确地确定单元机组优化配制和电站 运行轮廓，这技术得到了良好的应用。 在电站测量元件和测量技术的最新成果、电站汽轮机组性能监测和诊断的实用商业 软件以及人工智能在屯站领域的应用的3 个方砷，蛙近的在线分析发展明显。 ( 1 ) 测量元件和测量技术的晟新成果 电站运行关键性能参数的钡4 量。主要有：飞灰含碳量的直接测量，镉炉烟气温度的自 动测量，凝汽器流量、空气泄漏量监测新技术。 电站设备潜在完整性问题检测。主要有：裂缝、泄漏检测技术，轴承状况检测技术， 旋转机械检测技术。 ( 2 )电站汽轮机性能监测和诊断的实用商业软件 整体性能监测商业应用软件。主要有：运行能源管理系统( o e m ) ，热效率研究软件， 停机和维修管理系统，计算机化性能试验软件( c p t p ) 。 专f j 设备性能监测商业应用软件。主要有：锅炉性能渗断与监测，汽轮机振动监测与 诊断，发电机性能监测与诊断凝汽器性能监测，磨煤机可靠性监测，冷却塔性能监测。 ( 3 ) 人工智能专家系统在电站性能监测与故障诊断领域的应用 专家系统在故障诊断方而的应用，卡要有：电机人工智能诊断软件、电站化学水人_ l 智能诊断软件和汽轮机人工智能诊断软什等。 专家系统在提高热效率方面的应用，主要功能有：分析热效率和影响它的有关参数的 趋势，分析性能下降的原因，自动校正以提高或优化性能，分辨出错误的测量数据。 专家系统确定吹灰策略，它使用锅炉和汽轮机循环中的关键参数测量值柬确定锅炉 不同部位的清洁因子，从而帮助运行人员确定吹扶策略。 我国自8 0 年代中期，也开始了对电厂汽轮机组在线监测工作的研究与开发。电力科 学院、西安热工所、西安交通大学和东南大学等单位先后在望亭电j 一、天津杨柳青电厂、 f 花园r b ，一、南京热电厂和洛橱电厂安装了各自的在线监测系统。9 0 年代以来，电厂汽 轮机组性能在线监测系统在我国发展较快，清华大学、上砖交通大学、东南大学、渐江 大学和华北电力大学在这方面作了较多的研究工作，玎发了相应的在线监测软件。并且 在国产机组主要机型上进行了推广应用，取得了初步应用成果。但与世界最新技术相比， 我国的在线分析软件还比较落后，要达到或赶上国外的发展水平，我们还需要日1 人先进 技术并组织力量对这方面进行深入研究。 13 本文主要研究内容 主要研究内容： ( 1 ) 以背压式小型汽轮机为对象，研究了该类机型对计算的需求和实施讲算的 ( 1 ) 以背压式小型汽轮机为对象，研究了该类机型对计算的需求和实施讲算的 基本策略。 山东理工大学顿上学位论文 第一章绪论 下机组功率、效率等性能参数的值，减少了设计计算的人工计算量。 ( 3 ) 对蒸汽参数变化引起的热耗试验数据曲线的拟合，实现设计工况基础上的 变工况的性能计算。主要拟合了主蒸汽压力、温度，排汽压力、温度变化所引起的机 组性能变化曲线。 ( 4 ) 分析蒸汽参数变化引起的后果，确定在线监测参数，并且根据不同的监测参 数，采用不同的方法确定监测参数的应达值。根据偏差法和整理出的计算公式，实现 在线监测机组运行安全性和经济性。 ( 5 ) 采用国际上最新推出的水和水蒸汽l 廿w s i f 9 7 计算公式，整理出一个计 算水和水蒸汽热力参数的计算模块，在计算过程中根据需要可以随时调用模块得到所 需热力参数值，提高了计算速度和计算的准确性，并且可以单独做为一个计算水和水 蒸汽热力参数的计算工具。 ( 6 ) 采用物理意义明确的模块化编程方法，完成“背压式小型汽轮机性能计算和 在线监测软件开发”热力计算、在线监测的程序和界面的设计开发。软件基于w i n d o w s 平台，软件的编制利用可视化工具v i s u a lb a s i c 6 0 ，因此具有良好的可维护性和可扩 充性，为系统进一步功能的开发打下了良好的基础。 ( 7 ) 建立数据库，可以实现数据的存储，实时数据分析显示功能；利用v i s u a l b a s i c 6 0 自带的打印报表功能，实现数据的打印输出。 山东理工大学顷十学位论文第二章离线性能计算 第二章离线性能计算 汽轮机热经济性评价是通过能量转换过程中能量的利用程度或损失大小来衡 量的，性能计算是汽轮机运行性能分析中一项必不可少的计算工作，尤其对于指导机体 结构改造有重要的现实意义，因此，选择适当的热力系绕陛能计算方法是机组性能计算 的前提，也是软件开发的关键，决定着软件开发的难易和快慢。 2 1 热力性能计算方法概述 对于汽轮机的热力性能计算问题，在早期的专业书籍中介绍过“逐次近似法”，但 是这种算法不够完整，并且当时受计算工具的限制，解法都是以人工手算为基础，计算 相当繁琐麻烦，常需要反复试凑试算，计算速度慢，计算量大，准确性不高，特别是对 那些级数较多的汽轮机进行核算以及要求计算多种的变工况条件时更是如此。此外，蒸 汽状态与热力过程需籍助于水蒸汽h - s 图表来确定而人工查图避免不了要对一些值估 计，这样就存在着明显的误差。所有这些都会影响到计算的准确性和可靠性，无法在预 定的范围内控制误差。为此国内外许多研究单位曾致力与此，力求获得一个准确而可靠 的工业上实用的计算方法。 在目前通用的算法中，根据不同的给定原始条件，详细热力计算可分为顺序计算和 倒序计算预种基本方法，+ 此外还有将倒序和顺亭结合起来的混合算法。顺序算法是以给 定的级前状态为起点，由前向后计算；倒序算法则以给定的级后状态为起点，由后向前 计算。两种算法都需对一些假设值进行迭代，直到计算值与假设值相等或充分接近为 l 卜- 。顺序算法中，一般是假设喷嘴出口和动叶出口的压力，要求计算的喷嘴与动叶的流 量值分别与已知的喷嘴和动叶的流量相等，否则就改变压力的假设值，相应改变喷嘴与 动叶计算流量值，直至计算流量与已知流量相等；但倒序算法中，一般是假设级的各种 损失，如余速损失、湿汽损失、摩擦损失、漏汽损失、撞击损失等，然后分别对这些损 失进行迭代，直至计算值与假设值相等或充分接近。两种算法相比，顺序算法中由于不 需要对诸项级内损失进行迭代，因此算法比较直观、简捷，采用计算机计算时，耗用机 时少，但顺序算法不能计算汽轮机级的超临界工况，这是顺序计算的不足之处。混合算 法中【1 4 j ，每级都包含若干轮先是倒序后是顺序的混合计算，只有当倒序与顺序的计算结 果相符合时，级的核算才可以结束，然后逐级向前推进。三种方法都建立在喷嘴和动叶 出口截面连续性方程和单级工作原理的基础上，并且计算时，级流量和几何尺寸是已知 的。与此相对应，单级的数值计算也有顺序、倒序和混合三种算法。所不同的是在数值 计算中，所有核算工作、查找未知状态参量、确定热力过程等均由计算机自动完成，无 需藉助予h - s 图，从而避免和节省了大量冗繁的人力劳动，并且提高了计算速度和计算 的准确度。 汽轮机运行性能要受到许多因素的影响，诸如蒸汽流量、功率、结构和几何尺寸、 新汽压力、温度、排汽压力等。这种影响可能是单一因素引起的，也可能是几个因素同 时引起的，因此对汽轮机的性能计算电有不同的内容。虽然如此，但是各种内容的性能 计算都建立在单级计算u 5 j 的基础上，关于单级的算法，本文采用的顺序和倒叙算法。 2 2 顺序计算法 2 2 1 碛嘴热力计算 若己知级前的蒸汽参数为：p 。、叭、h 。，、s 。，、v 。，汽流流速c ，根据h - s 圉可得 到蒸汽滞止参数为p + 0 1 、f l mh m 、s 、v 0 1 以及级流量g ，。假设喷嘴流量g 舻动叶 流量g 。都等于级流量，即g 1 = g 。，= g 。顺序算法中的计算从喷嘴叶栅开始。 用迭代法求解喷嘴后的压力p 1 ，：已知的级前状态和滞止状态在图2 1 中分别由b 点和a 点表示。由级前的滞止参数p 1 一f “求得喷嘴的临界流量g 。，： g 。，= n6 4 8 a 。拓i 百 ( 2 一1 ) 式中4 。：喷嘴的面积，m 2 ； jlja h 。1 l t b 多 j 厶 沙“l i 。 她j 幽“ 芷 h 口1 】 r r 和 并。1 l 一1 1r1 。f 。 l r ，7 c 幽心1 肋罅舞 r1 1【 s 。 图2 1 单级热力计算焓熵图 山东理工大学硕士学位论文 第二章离线性e 计算 由于此处讨论的是亚临界工况，即级的喷嘴、动叶均为亚音速流动，喷嘴、动叶的 压力比均大于i 岛界压力比，故有：g 。 g 。，。喷嘴后的压力p 。采用迭代法求得，为此， 在不小于临界压力p ，。的范围内，任意假设喷嘴后的压力p 1 1 由p 。及s o l 查h - s 图得出 喷嘴出口的理想终比焓h 。，则喷嘴滞止理想比焓降为： 幽。1 = 0 1 一h 1 ，1 ( 2 2 ) 喷嘴的理想比焓降为：蚰。l = h 0 1 一h 。 ( 2 3 ) 喷嘴的出口流速c 。，及喷嘴损失幽。由下式求得： c 1 12 妒2 幽。m ( 2 4 ) 劬。= 竿( 去一1 ) ( 2 5 ) z 式中舻一喷嘴的速度系数，可取为设计值 由此得到喷嘴出口比焓：h l l = h 。+ h ( 2 6 ) 由a ，、t 决定了喷嘴出口的实际状态d ( 见图2 1 ) ，在h - s 图上查得喷嘴出口的比 体积v 。并由连续的方程式求得喷嘴的流量g 一 g n 1 2 爿。c 1 1 v 1 1 ( 2 7 ) 要求喷嘴的计算流量g + m 与已知流量g 。相等或相对误差在允许范围内，即： 1 g 一g 1 1 1 g 。1 a g ( 2 8 ) 式中a g 一喷嘴流量相对误差的允许值。 为保证计算的准确，a g 应尽可能取得小一些，但如果取得过小，可能导致收敛过 程缓慢，加长计算机时，甚至使过程不收敛，建议在计算时取a g = o 0 0 5 。 如果流量不满足误差条件，就要重新假设p l l ，菱复各计算步骤直到流量误差条件 满足为止。 2 2 2 动叶热力计算 由结构可知：动叶a o 处的蒸汽参数等于喷嘴出口处的蒸汽参数，算出喷嘴出口进 入动叶的相对速度w ，及进汽角岛。，建立速度三角形，求取动叶其他的参数。 m ，；工了j 丽 ( 2 9 ) 反。；a r c s i n 鱼坐坚；a r c t a n j 盟 ( 2 1 0 ) m 1c nc o s c ( 1 一“ 式中a ，为喷嘴出口汽流角与出口汽流角之和；“为轮轴速度。 则动叶进口处汽流的冲角为：8 ；卢】一卢】， ( 2 一1 1 ) ：i 型三奎兰至圭兰堡堡：二，：， ，。，；。!塑耋耋。童丝丝! ! i 竺 图2 2 动叶透度三角形 因此可求得汽流进入动叶的有效速度w 。为： w 。1 1 = w l lc o s 0 ( 2 1 2 ) 并进一步算出动叶进i s l 的撞击损失： a h 舢：掣( 2 - 1 3 ) 以及动叶进口动能： h h 。= ! ( 2 1 4 ) 从喷嘴的出口状态点d ，考虑幽。和幽。，就可在h - s 图上得到动叶的进口状态 f 及滞止状态e ( 见图2 1 ) ，以p 1 1 、t 、h 、s 1 1 、v + ，1 来表示滞止点e 的蒸汽状 态参数，以p 、f 。”h7 、s ”v 。来表示状态点f 的蒸汽状态参数。由动叶前的迟 滞参数可以算出动叶的临界流量： 6 = o 6 4 8 a b x p4 1 1 p + l l ( 2 一1 5 ) 式e f a 。一动叶出口面积，m 2 由于动叶为亚临界流动，所以有g 。cg 。，并且以以上不等式作为判别动叶亚临界 流动的条件。用前面所述的迭代方法求得动叶后的压力p ：，在不小于临界压力p 。，的范 围内，任意假设动叶后的压力p ：，并由参数p ：，、s ，决定动叶出口的理想状态点g 和 根据等熵求得该点的比焓h 2 ，则动叶的滞止理想比焓降为： a h + m = h * u h 2 ( 2 1 6 ) 动叶的理想比焓降则为：a h 6 1 = h l 一h 。 ( 2 1 7 ) 并进一步确定出动叶出口流速，和动叶损失曲。为： w 2 1 = 妒2 ，r + b l ( 2 - 1 8 ) ，= 孚2 1 ) ( 2 - 】9 ) 式中妒一动叶速度系数，其值可取设计值或从关系曲线f 1 6 1 ：妒= f ( f f 2 。，w 。，) 查出。 在利用计算机计算时，用最d , - - 乘法将该曲线整理成函数子式，然后编程以各调用。 q 。一反动度，w 。一动叶出口汽流速度。 1 0 些錾奎兰墼! 鲨鎏圣，一。!一，。一! ，。一，。：丝兰童丝些些 o 9 5 0 9 4 o 9 3 o 9 2 0 9 1 o 9 0 o 8 9 o 8 8 0 8 7 o 8 6 0 8 5 蕊蕙 - 一- - - - h - 蕊? ；蕊蕊 蕙 、 心蕊 、 、 心心 弋0 、 、心沁s 心 、 、 5 0 q 。( ) 4 0 3 0 2 4 2 0 1 6 1 2 1 0 8 6 4 图2 3 速度系数妒与q 。和w 2 ，的关系曲线 压力p ：，和比焓h ：，决定了动叶出口的实际状态点j ，其中： h 2 1 一h 2 n + k h 6 f 1 ( 2 - 2 0 ) 并在h - s 图上查出点j 的比体积v 。则由连续流动方程式算出动叶的流量g 一 g = a 6 ”2 】几2 l ( 2 2 1 ) 要求动叶的计算流量g + b l 应与已知流量g 。相等或相对误差在允许范围以内，即： i 瓯1 一g l g b l g ( 2 2 2 ) 如果以上误差条件不满足就必须改变p ：，的假设值，重复有关的计算步骤，一直到 瓯，与g m 相等或充分接近为止，这样就用迭代法得到了动叶出口压力p ：。 由图2 4 动叶出口三角形和下列公式可求出动叶出口绝对速度c ：，和其方向角a ：，： c 2 1 = w 2 2 1 + “2 2 w 2 1 “c o s ；2 ( 2 2 3 ) c e 2：arcsin坠!垫垒：arcsinwz,sin(180-t82) c 2 1c 2 1 ( 2 2 4 ) 动叶出口汽角岛= 成一( 3 。56 ) 蒸汽从动叶流出到导叶，所以导叶入口蒸汽速度等于动叶蒸汽出lj 速度。 2 2 3 级的其他损失 图2 4 动叶出口速度三角形 在汽轮机通流部分中与流动、能量转换有直接联系的损失称为汽轮机的级内损失。 级内其他损失主要有叶高损失幽，、 1 1 。轮摩擦损失 ，、湿汽损失幽，以及漏汽损失幽， 损失量均按经验或半经验公式计算m z ，现分别讨论如下： 叶高损失按下式计算：幽一1 2 幽。，l 。 ( 2 2 5 ) 式中a h 。，一不包括叶高损失的轮周有效比焓降； f 一喷嘴高度；m m 。 叶轮摩擦损失按下式汁算：从，：3 6 了0 0 广p r 锣，咄锰u ) 谚： 式中p ，一时轮摩擦损失所消耗的功率，k w ； k ，一与蒸汽性质有关的系数，过热蒸汽k ，= l ， d ，一级的进汽量，幻h ； p 一汽室中蒸汽的平均比体积，脚3 k g ； h 一圆周速度，卅b ； d 一级的平均直径，m 。 湿汽损失按下式计算：幽，= ( 1 一工。) 舳， 式中靠一级前后蒸汽的平均干度，= 兰旦善蔓 ( 2 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) 饱和蒸汽k t = 1 2 1 3 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) m ，一未计湿气损失级的有效焓降，k j 幻。 汽轮机级的漏气损失包括隔板漏气损失和动叶顶部漏气损失，其中隔板漏气损失按 下式计算： = 等曲“ 1 2 ( 2 3 0 ) g ，2 肛，爿一垫v l t 厄堕p ( 2 3 ，) 彳p2 耐p 6 p ( 2 3 2 ) ”2b h + ，一a h 。 l 一 6 1 一b h l 一, 6 h 。e2 一丛。 ( 2 3 3 ) 式中幽。一喷嘴迟滞理想焓降； v 。一汽封齿出口理想比体积，m3 ，堙； z ，一汽封高低齿齿数，如果是平齿，则z ，= 三芸； ，一汽封流量系数，一般取。= o 7 o 8 ； 爿。汽封间隙面积，2 ； 6 。一汽封间隙的大小； d ，一汽封齿处平均直径，对平齿为汽封间隙6 。2 处的直径，对高低齿为两齿 隙处直径的平均值； 蚰。一级的轮周有效焓降，彬，坛。 叶顶漏汽损失可由下式计算： 啦2 a g g , b h 。0 6 1 高等最兰删u 式中a g ，一动叶顶部漏气量。 q 。，、q 。一中径及叶顶处的反动度； 6 一动叶顶部的当量间隙； d 。、，。一动时的平均直径、叶高，m 。 对于叶项围带上同时装有轴向汽封和径向汽封的结构 驴南 1 + z ，f 二土) 2 ( 2 3 4 ) 6 按下式确定 ( 2 - 3 5 ) 式中6 ，动叶顶部的轴向间隙，小m ； 6 ，一动叶顶部的径向间隙，m m ； z ，一动叶顶部径向汽封齿数。 所以级的漏气损失为：b h ，= 5 h 。，+ a h ， ( 23 6 ) 计算出以上各项损失，就可以对级的特性进行计算，计算项目和公式如下 级的轮周有效比焓降舳。为： 山东理工大学硕卜学位论文 第二章离线性能计算 幽。2 幽卜劬瞎l 一幽蚱1 一幽g 1 一幽m a h ， ( 2 - 3 7 ) 级的轮周效率叩。为：仉一面- a j h 酉( 2 - 3 8 ) 级的有效比焓降幽i 为：h h 。= ，l 。一a h ，一幽，一a h ，一b h ，一，：。( 2 3 9 ) 级的内效率叩，为：叩；= 毒兰- ( 2 - 4 0 ) f 一龇。 级的内功率p i 为：p 。= 6 1 幽。( 2 - 4 1 ) 总之，当采用迭代顺序算法对汽轮机进行热力计算时，应事先知道级前的状态参数 和级后的压力以及级流量。计算从第一级开始，每一级核算中，先假设喷嘴后压力乩及 动叶后的压力p 。由喷嘴叶栅及动叶栅出口连续流动方程，算出喷嘴流量g 。，及动叶流 量g 并与已知流量比较，如果不符合误差条件，就要改变p 。，及p ：，的假设值，直到g 胪 g 。的计算值与已知值相符合为止。由前面叙述可知，串联排列的压力级，前一级的级 后状态就是后一级的级前状态。因此在算完第一级后，就可以由级后的蒸汽状态及下一 级对本级余速动能利用的情况，确定第二级前的状态参数和滞止状态参数，以便为第二 级的计算创造条件。必后各级依此类推，这样逐级算下去，直到算完所有的，然后校核 末级后的压力，要求末级后压力的计算值与已知值相符合( 即要求相等或相对误差在允 许范围以内) 如果不符合，则应检查原始数据是否准确无误，并小量调整机组前的状态 参数或小量改变各级流量，直到末级后的压力相符合为止。 需要注意的是：迭代法顺序计算只适用于亚临界工况，不适用于超临界工况，这就 要求机组中的所有压力级，在其喷嘴叶栅及动叶栅出口，都不发生临界现象。通过喷嘴 叶栅及机组动叶栅的流量应小于各自的临界流量，即g 。cg 。，及g 。c g 。，并以此作 为判定使用顺序算法的依据。 山东理t 大学硕l ：学位论文 第：二章离线性能计算 己知级前参数及级流量， 计算喷嘴临界流量 l i 假设喷嘴后压力，计算喷嘴的滞止理想比焓 降、喷嘴出口汽流速度、喷嘴损失确定出口状 态点d ，计算流过喷嘴流量 0 对喷嘴进行流量误差判断 不满足l 满足条件 l 进口状态，计算动叶临界流量i 假设动叶后压力，计算动叶的滞i l 理想比焓 降、动叶出口汽流速度、动叶损失确定出口状 态点j ，计算流过动叶流量 不满足 l 对动叶进写蓁差差判断l 建立动叶出口速度三角形，进一步计算级的各种损失、级的 特性、内功率等，确定级后状态及f 级级前状态 图2 , 5 顺序算法流程图 1 5 2 3 倒序计算法 顺序计算的不足之处是不能计算汽轮机级的超临界工况。倒序方法不但可以计算亚 临界工况，还可以计算超临界的工况，所以某些情况下还要用到倒序计算方法来计算 2 3 1 亚临界流动单级倒序计算 2 , 3 1 1 估计级的有关损失 在运用倒序计算法计算时，百先妥估计缴的有关损失。 单级倒序热力计算焓熵图同图2 1 。在估计了末级排汽点k 之后，为了求出动叶后 的蒸汽状态点j ，需估计级的有关损失的初值，其中包括叶轮摩擦损失幽，、叶高损失 曲，、漏汽损失舳。、湿汽损失幽，以及余速损失幽。等。这些损失可按下式估算： 幽，_ a f t ：g u p p 2 i 2 4 2 ) 酏叫瓮( 2 - - 4 3 ) 峥峨筹再1 - - x 2 ( 2 - - 4 4 ) 嘶一幽：瓮( 2 - - 4 5 ) 觇。幽：争) z ( 2 4 6 ) u v 2 1 式中，带上标者为各种参量的设计数据，不带上标者为变3 - 况下各种参量的数据。 在初次计算时，有些变工况数据如v ：。、幽，及z ：，等也是未知的，所以也必须事先估计， 等到在级内计算中求得该值后，再代入公式以校核初设值的正确性，将这些损失加起来 得： 舳t = 幽，+ 触，+ p + 幽，+ ( 1 一肫) 幽。 ( 2 4 7 ) 2 3 1 2 动叶的计算 从k 点的比焓沿等压线p 。，减去幽便得到点j ，点j 表示动叶的出口状态点，由该 点的比焓和压力，利用蒸汽基本函数关系算出该点的其他未知参量t ，、v ：，及5 ：，等。_ 1 5 1 6 山东理丁大学硕士学位论文 第二章离线性能计算 动叶出口的连续方程式算出蒸汽在动叶出口处的相对速度w ：。以及马赫数肘：，。 w 2 1 ：里逝 a 6 ( 2 - 4 8 ) 式中g 。一通过动叶的流量。在第一次核算时，可取等于级流量g ，在得到了隔板 轴封及叶顶漏汽量a g ，。、a g , ，后 v ：一动叶出口蒸汽的比体积， a 。一动叶出口截面积，川2 ； 就应以动叶流量代入公式计算。 m 3 k g ； m ，：1 丝：一f g b - v 2 1l a b ： ! 些 ( 2 - - 4 9 ) “小p 2 1 v 2 1七p 2 1 v 2 1 一b 舻j p 2 l v 2 1 式中m ：。一动叶出口