李東亮，程 剛，耿江華

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基于汽機(jī)流網(wǎng)一體化的輔助汽輪機(jī)建模與仿真

李東亮，程 剛，耿江華

（海軍工程大學(xué)裝備仿真技術(shù)研究所，武漢 430033）

針對(duì)基于節(jié)點(diǎn)法的輔助汽輪機(jī)流體網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)建模中，在動(dòng)態(tài)過程中存在質(zhì)量不平衡的問題，不能滿足輔助汽輪機(jī)組變工況和故障工況特性研究的要求。本文提出了汽機(jī)流網(wǎng)一體化建模方法，依據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒原理，采用可變出口導(dǎo)納模擬不同背壓下輔助汽輪機(jī)的流網(wǎng)運(yùn)行情況。以某船舶汽輪燃油泵及其進(jìn)出口蒸汽管網(wǎng)為研究對(duì)象，在MINIS環(huán)境下采用汽機(jī)流網(wǎng)一體化方法建立了其仿真模型。通過該方法下仿真結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。仿真結(jié)果與傳統(tǒng)模型仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，表明了變工況和故障工況下汽機(jī)流網(wǎng)一體化模型具有更好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)適應(yīng)性。

輔助汽輪機(jī) 汽機(jī)流網(wǎng) 一體化模型 傳統(tǒng)模型 可變出口導(dǎo)納

0 引言

在動(dòng)力系統(tǒng)中，輔助汽輪機(jī)拖動(dòng)各種泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等設(shè)備運(yùn)輸風(fēng)、油、水等工質(zhì)，直接影響整個(gè)機(jī)組的安全和經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。因此，對(duì)輔助汽輪機(jī)及其管路系統(tǒng)建立貼切合適的模型，對(duì)研究整個(gè)機(jī)組的動(dòng)態(tài)靜態(tài)特性尤為重要[1]。

在輔助汽輪機(jī)及其管路系統(tǒng)建模過程中，一般將其抽象成流體網(wǎng)絡(luò)，把流體的傳輸和瞬變問題轉(zhuǎn)化成流體網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的壓力和支路內(nèi)的流量問題[4]。目前，流體網(wǎng)絡(luò)建模方法主要包含節(jié)點(diǎn)法[2,3]、圖形建模方法[6-7]、矩陣法[5]、鍵合圖法[8]等。其中節(jié)點(diǎn)法和矩陣法是最常用的兩種模塊化流體網(wǎng)絡(luò)建模方法。節(jié)點(diǎn)法是建立節(jié)點(diǎn)壓力和設(shè)備各自獨(dú)立的計(jì)算模塊，各模塊間變量相互關(guān)聯(lián)并往復(fù)迭代。矩陣法是將所有節(jié)點(diǎn)的壓力方程、流量方程列出后，用矩陣進(jìn)行統(tǒng)一求解。

以上方法在大型火電仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研制工作中得到了廣泛應(yīng)用，但對(duì)于工況變化較為頻繁且背壓波動(dòng)較大的船舶輔助汽輪機(jī)[9]，此方法在穩(wěn)定工況和正常工況中運(yùn)行良好，在變工況和故障工況中卻存在動(dòng)態(tài)趨勢(shì)不明顯和部分極限工況下趨勢(shì)錯(cuò)誤的現(xiàn)象，不適用特殊工況和故障工況研究。

本文基于質(zhì)量守恒和能量守恒原理，提出了汽機(jī)流網(wǎng)一體化建模方法。在基于該方法的建模過程中，背壓采用實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，設(shè)置輔助汽輪機(jī)出口導(dǎo)納設(shè)為可變出口導(dǎo)納，將輔助汽輪機(jī)與其所在流體網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)整體進(jìn)行建模。本文應(yīng)用某艦船汽輪燃油泵及其進(jìn)出口蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，基于輔助汽輪機(jī)流網(wǎng)一體化建模原理，建立了汽輪燃油泵流網(wǎng)模型，并將仿真結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)作對(duì)比，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性；與傳統(tǒng)模型仿真結(jié)果作對(duì)比，觀察汽輪機(jī)流網(wǎng)一體化建模方法的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)適應(yīng)性。

1 模型概述

1.1 汽輪燃油泵系統(tǒng)

船舶汽輪燃油泵用來(lái)從燃油柜吸入燃油，然后給鍋爐燃燒裝置提供一定壓力、一定流量的燃油，以保證鍋爐裝置的正常運(yùn)行。汽輪燃油泵主要由汽輪原機(jī)、雙螺桿螺桿泵、工況給定器、油開關(guān)、新蒸汽閥、手動(dòng)啟動(dòng)閥、管路及附件等組成。由汽輪燃油泵汽輪原機(jī)、閥門及管路構(gòu)成的蒸汽流體網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 汽輪燃油泵系統(tǒng)圖管

微過熱蒸汽總管提供微過熱蒸汽，經(jīng)過油開關(guān)和手動(dòng)啟動(dòng)閥/新蒸汽閥，進(jìn)入汽輪燃油泵汽輪原機(jī)，排汽經(jīng)廢汽閥排至廢汽總管。其中，在汽輪燃油泵啟動(dòng)過程中，油開關(guān)打開僅啟動(dòng)手動(dòng)啟動(dòng)閥；在正常運(yùn)行的過程中，手動(dòng)啟動(dòng)閥關(guān)閉，通過調(diào)節(jié)新蒸汽閥的開度調(diào)節(jié)汽輪原機(jī)的進(jìn)汽量。汽輪燃油泵通過汽輪原機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)雙螺桿螺桿泵轉(zhuǎn)動(dòng)，輸送燃油。

1.2 輔助汽輪原機(jī)模型

汽輪原機(jī)模型由調(diào)節(jié)級(jí)模型和非調(diào)節(jié)級(jí)模型組成，遵循能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律。

1）調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)學(xué)模型

調(diào)節(jié)級(jí)的流量方程為：

忽略工質(zhì)的初始溫度、壓力的影響，汽輪機(jī)機(jī)械效率是轉(zhuǎn)速和焓降的函數(shù)：

忽略汽輪機(jī)的環(huán)境散熱，蒸汽在汽輪機(jī)中做功的過程可看做是一個(gè)等熵過程:

根據(jù)上述公式，可得出調(diào)節(jié)級(jí)的實(shí)際排汽焓和輸出功率：

2）非調(diào)節(jié)級(jí)數(shù)學(xué)模型

1.3 流體網(wǎng)絡(luò)模型

不可壓縮流體支路的流量為：

令線性導(dǎo)納:

對(duì)于可壓縮流體支路的流量為：

令線性導(dǎo)納：

則

在計(jì)算支路導(dǎo)納時(shí)，對(duì)于可壓縮和不可壓縮流體時(shí)分別采用下列公式：

1）不可壓縮流體

2）可壓縮流體

在實(shí)際的流體管系中工質(zhì)壓力具有雙向傳播的特點(diǎn)，任何一處的壓力或流量的波動(dòng)，都會(huì)波及到整個(gè)系統(tǒng)。為了模擬真實(shí)情況，組成流網(wǎng)的任意節(jié)點(diǎn)壓力或支路流量發(fā)生變化，也應(yīng)該傳播到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)中工質(zhì)的熱力參數(shù)重新分布[15]。建立流網(wǎng)模型通用矩陣，借助矩陣同時(shí)求解流網(wǎng)模型中所有節(jié)點(diǎn)壓力和支路流量，使流網(wǎng)模型更真實(shí)的反映壓力傳播的同步雙向性特點(diǎn)，提高整個(gè)仿真系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度。

以矩陣形式表示的流網(wǎng)方程為：

1.4 汽輪燃油泵仿真模型

根據(jù)汽輪燃油泵系統(tǒng)的蒸汽流動(dòng)過程，建立對(duì)應(yīng)的汽輪原機(jī)和閥門模塊。對(duì)輔助汽輪機(jī)進(jìn)行等效處理，將汽輪原機(jī)抽象為調(diào)節(jié)級(jí)等效閥門和非調(diào)節(jié)級(jí)等效閥門串聯(lián)組成的支路。其中非調(diào)節(jié)級(jí)等效閥為進(jìn)出口壓力，為調(diào)節(jié)級(jí)出口壓力和汽輪原機(jī)排汽壓力，流量為等效閥門的汽輪機(jī)流量，其計(jì)算導(dǎo)納為可變導(dǎo)納。

調(diào)節(jié)級(jí)等效閥門導(dǎo)納：

非調(diào)節(jié)級(jí)等效導(dǎo)納：

2 仿真研究與分析

MINIS仿真軟件是一款基于面向過程的模塊化建模方法、可隨時(shí)在線調(diào)試的軟件?；跈C(jī)理建模原理，在MINIS上采用節(jié)點(diǎn)法將汽輪原機(jī)模塊計(jì)算的出口流量直接作為微小流量輸入到流體網(wǎng)絡(luò)模塊中，建立汽輪燃油泵傳統(tǒng)仿真模型。并根據(jù)汽機(jī)流網(wǎng)一體化建模方法搭建汽輪燃油泵一體化仿真模型。設(shè)置初始條件，包含穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況、變工況和故障工況三個(gè)初始條件，并在三個(gè)初始條件下進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

圖2 汽輪燃油泵汽機(jī)流網(wǎng)一體化建模系統(tǒng)圖

2.1 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況

投入工況一的初始條件，觀察汽輪燃油泵汽輪原機(jī)進(jìn)口蒸汽壓力、進(jìn)口蒸汽溫度、新蒸汽閥開度和汽輪燃油泵轉(zhuǎn)速。并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，計(jì)算各個(gè)參數(shù)的誤差，如下表所示。

表1 在工況一下主要運(yùn)行參數(shù)的仿真結(jié)果

由上表1可知，在工況一條件下，汽輪燃油泵主要運(yùn)行參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)誤差在3%以內(nèi)，符合質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律，表明一體化模型具備較高的準(zhǔn)確性。

2.2 變工況

機(jī)組在工況一下穩(wěn)定運(yùn)行，轉(zhuǎn)速控制方式處于自動(dòng)調(diào)節(jié)模式，在=170 s時(shí)，大幅降低汽輪燃油泵轉(zhuǎn)速的設(shè)定值，觀察一體化模型和傳統(tǒng)模型下進(jìn)出口流量的變化情況，并計(jì)算進(jìn)出口流量的誤差驗(yàn)證模型的動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確性。

在=0 s~170 s時(shí)，一體化模型和傳統(tǒng)模型進(jìn)口流量波動(dòng)范圍小，進(jìn)出口流量誤差在3%以內(nèi)。在=170 s~340 s期間，對(duì)比閥門的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，兩模型進(jìn)出口流量動(dòng)態(tài)趨勢(shì)與閥門動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)一致，一體化模型在變工況過程中誤差小于10%，傳統(tǒng)模型誤差最高可達(dá)-102%。由此表明在變工況過程中，一體化模型變工況過程中動(dòng)態(tài)趨勢(shì)變化正確且符合質(zhì)量守恒定律，傳統(tǒng)模型動(dòng)態(tài)趨勢(shì)變化正確，但進(jìn)出口流量誤差較大。結(jié)果表明，一體化模型較傳統(tǒng)模型在變工況過程中具備良好的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性。

2.3 故障工況

機(jī)組在工況一穩(wěn)定運(yùn)行，轉(zhuǎn)速控制方式處于手動(dòng)調(diào)節(jié)模式，在=60 s時(shí)，突然開大廢氣總管補(bǔ)汽閥開度，增大廢汽總管壓力，后在廢汽總管壓力調(diào)節(jié)器的調(diào)解下，廢汽總管壓力恢復(fù)正常。

當(dāng)廢汽壓力升高時(shí)，一體化模型下汽輪燃油泵轉(zhuǎn)速和進(jìn)口流量降低，而傳統(tǒng)模型汽輪燃油泵轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)廢汽壓力降低時(shí)，一體化模型下汽輪燃油泵轉(zhuǎn)速和進(jìn)口流量升高，而傳統(tǒng)模型汽輪燃油泵轉(zhuǎn)速依然保持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，一體化模型較傳統(tǒng)模型在背壓發(fā)生突變的故障工況中能更好的體現(xiàn)輔助汽輪機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性，驗(yàn)證了所建模型的有效性。

4 結(jié)論

本文針對(duì)船舶輔助汽輪機(jī)傳統(tǒng)建模不能滿足變工況和故障工況研究需求的問題，提出汽機(jī)流網(wǎng)一體化建模方法。并以某船舶汽輪燃油泵及其流體網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，在MINIS仿真環(huán)境下，采用可變出口導(dǎo)納對(duì)其進(jìn)行建模研究。通過與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)作對(duì)比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性；本文研究成果提供了一種新的有效建模方法，可推廣到其他輔助汽輪機(jī)中。

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Modeling and Simulation of Auxiliary Turbine Based on Integration Method of Turbine and Fluid Network

Li Dongliang, Cheng Gang, Geng Jianghua

(Institute of Naval Power Plant Simulation, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM311

A

1003-4862（2019）03-0021-05

2018-10-19

李東亮（1981-），男，講師。研究方向：動(dòng)力機(jī)械及熱力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化。E-mail: gengjianghua@yeah.net