CN110761852B - 一种汽轮机调节阀行程仿真建模方法 - Google Patents

Abstract

一种汽轮机调节阀行程仿真建模方法，所述方法将现场汽轮机流量特性试验与仿真建模相结合，通过一、二次分步建模，设置主汽阀模块和调节阀模块，获取遵循现场实际的调节阀特性曲线；将调节阀特性曲线内置于原调节阀模块，增添调节阀行程计算功能，实现已知流量G求行程L或已知行程L求流量G等涉及汽轮机调节阀行程的仿真应用。可为不同配汽方式的汽轮机组变负荷热经济特性、变压热经济特性以及流量特性等仿真研究提供参考。

Description

一种汽轮机调节阀行程仿真建模方法

技术领域

本发明涉及一种汽轮机调节阀行程仿真建模方法，属汽轮机运行技术领域。

背景技术

汽轮机和热力系统仿真是指汽轮机和热力系统不同负荷、不同设备状态、不同系统拓扑结构时的热力性能状态仿真。由于我国电力系统的构成特性，火力发电汽轮机组既是建立并维持电网周波及能量平衡的原动机，也是我国电力市场中长期内承担电力供应以及电网调峰调频任务的主力机组。在电力市场化改革日益深入、波动性可再生能源愈加增多以及电力供需矛盾更为加剧的行业背景之下，汽轮机组需要长时间处于非设计工况的深度调峰状态。因此，汽轮机和热力系统建模仿真对研究机组变工况能耗分布规律，改善机组能耗指标和机网协调控制水平并提升煤电机组宽负荷深度调峰运行灵活性和经济性有着重要的意义。

众所周知，汽轮机的配汽方式和运行方式影响着汽轮机的动态调节特性和变工况特性，对机组运行经济性、安全性以及机网协调等均具有显著作用。寻根溯源，汽轮机配汽端运行特性是进汽调节阀在既定阀序下的节流特性的泛在表现。依据汽轮机原理，汽轮机高压调节阀属于快开型调节阀，其调门流量特性(数值上表征为行程与进汽流量之间的函数关系)具有典型的非线性特征；对于部套结构和安装行程均已确定的进汽调节阀而言，调节阀行程作为现场所有汽轮机组调节阀必备的状态参数，其具有几何意义及热力学意义双重属性；在汽轮机组变负荷热经济特性、变压热经济特性以及流量特性等研究中具有重要地位。由于现场往往缺失调节阀特性曲线，故而常规汽轮机和热力系统仿真建模通常不具备调节阀行程仿真功能，难以满足当前提升火力发电汽轮机组运行灵活性和经济性对于调节阀行程这一基础信息的现实需求。

发明内容

本发明的目的是，为使汽轮机和热力系统仿真建模具备调节阀行程仿真功能，提出一种汽轮机调节阀行程仿真建模方法。

本发明实现的技术方案如下：一种汽轮机调节阀行程仿真建模方法，所述方法通过一次建模，设置主汽阀模块和调节阀模块；将一次建模仿真结果与现场汽轮机调节阀流量特性试验实测结果相结合，获取调节阀特性曲线；在一次建模的基础上，进行二次建模，将调节阀特性曲线内置于原调节阀模块，增添调节阀行程计算功能，实现涉及汽轮机调节阀行程的仿真应用。

一种汽轮机调节阀行程仿真建模方法，包括以下步骤：

(1)一次建模在常规汽轮机和热力系统建模基础上，设置主汽阀模块和调节阀模块，分别负责主汽阀和调节阀的相关计算；在仿真计算中，将汽轮机主汽阀和调节阀全开工况视为基准工况，所述基准工况下的热力参数作为变工况计算的基准值；同时，汽轮机进汽参数取制造厂设计值并保持不变，调节阀重叠度均设置为零，令汽轮机进汽流量由基准值每次渐减其0.1％至基准值的60％；通过主汽阀模块和调节阀模块，依次得到最大流量至最小流量各工况下各调节阀前后压力、入口比容、流量以及调节阀流量系数K_v。

主汽阀模块的设置：汽轮机主汽阀始终处于全开状态，其压阻设为入口压力的1％；变工况过程中，主汽阀始终处于全开状态，所述主汽阀压阻按下式(1)计算：

式中：Δp′₀为变工况阀门压阻，MPa；p′₀为变工况阀门入口压力，MPa；G₀为基准工况阀门的流量，t.h^-1；G′₀为变工况阀门的流量，t.h^-1；v₀为基准工况阀门入口比容，m³.kg^-1；v′₀为变工况阀门入口比容，m³.kg^-1。

调节阀模块的设置：设喷嘴配汽机组有四个进汽调节阀，分别为GV1、GV2、GV3、GV4，调节阀重叠度均设置为零，；各进汽调节阀在基准工况下处于全开状态，其压阻设为入口压力的1％；在GV4关闭过程中，各进汽调节阀的入口压力/温度热力参数均由主汽阀根据进汽流量G′₀依照式(1)计算得到；此时，全开状态的GV3、GV1和GV2的压阻均按式(1)进行计算；随后，按常规汽轮机变工况计算方法得到全开状态的GV3、GV1和GV2的流量和部分开启的GV4的出口参数。

在GV4全关后，GV3随汽轮机进汽流量渐减而逐渐关闭，各调节阀的入口压力/温度热力参数均由主汽阀根据汽轮机进汽流量G′₀依照式(1)计算得到；此时，全开状态的GV1和GV2的压阻按式(1)进行计算；随后，按常规汽轮机变工况计算方法得到全开状态的GV1、GV2的流量、部分开启的GV3的出口参数和全关状态的GV4的出口参数。

当GV4和GV3依次全关后，GV1和GV2随汽轮机进汽流量渐减而逐渐关闭，各调节阀的入口压力/温度热力参数，均由主汽阀根据进汽流量G′₀依照式(1)计算得到；各调节阀的出口压力/温度及流量热力参数，均按常规汽轮机变工况计算方法得到。

将各调节阀前后压力、入口比容和流量的仿真结果，代入式(2)～(6)，分别计算出各工况下各调节阀流量系数K_v；

式中：K_v为调节阀流量系数，m³.h^-1；G为通过调节阀的流量，t.h^-1；Y为膨胀系数，量纲为1；Δp₀为调节阀基准压差，取值0.1MPa；Δp为调节阀实际压差，MPa；v为调节阀入口比容，m³kg^-1；

膨胀系数Y为：

式中：X_T为临界压差比，量纲为1；X为压差比，量纲为1；F_κ为比热容比系数，量纲为1；比热容比系数F_κ为：

式中：κ为绝热指数；

式中：c_P为定压比热容，kJ.(kg.℃)^-1；c_V为定容比热容，kJ.(kg.℃)^-1；

压差比X为：

式中：p₁为调节阀前压力，MPa；p₂为调节阀后压力，MPa。

(2)根据现场汽轮机零重叠度流量特性试验数据，拟合出单个调节阀在既定阀序下的“行程—实际流量增益百分比”曲线，并依据一次建模各工况下各调节阀的实际流量增益，反向插值计算出各调节阀的行程L。

(3)将各工况下各调节阀的行程与流量系数，整理成以各自最大值为标幺值的各调节阀特性曲线。

(4)在一次建模的基础之上，将各调节阀特性曲线内置于原调节阀模块中并增添调节阀行程计算功能，进而完成二次建模。

调节阀行程计算功能的设置：在原调节阀模块添加调节阀行程L的输入和输出窗口，实现已知流量G求行程L或已知行程L求流量G的仿真功能。

当已知调节阀流量G时，只需求得调节阀流量系数K_v；再按照其内置的调节阀特性曲线函数，插值计算出调节阀行程L。

当已知调节阀行程L时，先假定一流量，按“已知流量G求行程L”步骤，通过迭代计算，求出调节阀流量G。

本发明的有益效果是，本发明在缺失制造厂资料的情况下，将现场汽轮机流量特性试验与仿真建模相结合，通过一、二次分步建模，获取遵循现场实际的调节阀特性曲线，实现已知流量G求行程L，或已知行程L求流量G等涉及汽轮机调节阀行程的仿真应用，可为不同配汽方式的汽轮机组变负荷热经济特性、变压热经济特性以及流量特性等仿真研究提供参考。

附图说明

图1为本发明实施例的原则性热力系统图；

图2为本发明实施例的调节阀行程—实际流量增益百分比曲线；

图3为本发明实施例的调节阀行程L-流量系数K_v特性曲线；

图4为本发明实施例的调节阀行程仿真建模示意图；

图5为本发明实施例的无重叠度工况调节阀行程仿真结果。

具体实施方式

本发明实施例一种汽轮机调节阀行程仿真建模方法，包括以下步骤：

步骤1：在常规汽轮机和热力系统一次建模基础上，设置主汽阀模块和调节阀模块，分别负责主汽阀和调节阀的相关计算。

如图1所示，本实施例实现机组一次建模的热力系统，包含汽轮机本体、配汽机构、三台高压加热器、除氧器、四台低压加热器、汽动给水泵组、过热器、再热器、凝汽器、发电机以及凝结水泵等。

汽轮机本体包含高压缸、中压缸和低压缸。

配汽机构包含主汽阀和调节阀。

本实施例机组配汽机构采用喷嘴配汽方式，配置两个主汽阀和四个调节阀(GV1、GV2、GV3、GV4)。除主汽阀和调节阀外，其余主辅机设备均采用常规汽轮机和热力系统仿真建模。

仿真计算中，将汽轮机主汽阀和调节阀全开工况视为基准工况，该工况下的热力参数作为变工况计算的基准值。同时，汽轮机进汽参数取制造厂设计值并保持不变，调节阀重叠度均设置为零，令汽轮机进汽流量由基准值每次渐减其0.1％至基准值的60％；通过主汽阀模块和调节阀模块，依次得到最大流量至最小流量各工况下各调节阀前后压力、入口比容、流量以及调节阀流量系数K_v等。

主汽阀模块的设置：汽轮机主汽阀始终处于全开状态，其压阻设为入口压力的1％；变工况过程中，主汽阀始终处于全开状态，其压阻按下式进行计算。

式中：Δp′₀为变工况阀门压阻，MPa；p′₀为变工况阀门入口压力，MPa；G₀为基准工况阀门的流量，t.h^-1；G′₀为变工况阀门的流量，t.h^-1；v₀为基准工况阀门入口比容，m³.kg^-1；v′₀为变工况阀门入口比容，m³.kg^-1。

调节阀模块的设置：该机组在顺序阀方式下四个调节阀的开启顺序为：GV1和GV2同步→GV3→GV4，调节阀重叠度均设置为零。图4为该机组配汽机构和调节级的连接示意图。蒸汽依次经过两个主汽阀、四个调节阀、四组调节级弧段(调节级喷嘴和动叶)，在调节级汽室进行汇合。由于一组调节级弧段对应一个调节阀，二者所通过的流量均相等(建模中，GV1和GV2同步开启，故视为一体，以下统称GV12)；所有调节阀的流量和等于汽轮机进汽流量；同时，调节阀入口参数即主汽阀出口参数，调节阀出口参数即相应调节级弧段的入口参数；对于调节级弧段则按照常规汽轮机变工况计算方法进行建模；在一次建模中，调节阀模块尚不具备行程仿真功能。

各调节阀在基准工况下处于全开状态，其压阻设为入口压力的1％；在GV4关闭过程中，各调节阀的入口压力/温度等热力参数均由主汽阀根据进汽流量G′₀依照式(1)计算得到；此时，全开状态的GV3和GV12的压阻均按式(1)进行计算；随后，按常规汽轮机变工况计算方法得到全开状态的GV3和GV12的流量以及部分开启的GV4的出口参数。

在GV4全关后，GV3随汽轮机进汽流量渐减而逐渐关闭，各调节阀的入口压力/温度等热力参数均由主汽阀根据汽轮机进汽流量G′₀依照式(1)计算得到；此时，全开状态的GV12的压阻按式(1)进行计算；随后，按常规汽轮机变工况计算方法得到全开状态的GV12的流量、部分开启的GV3以及全关状态的GV4的出口参数。

当GV4和GV3依次全关后，GV12随汽轮机进汽流量渐减而逐渐关闭，各调节阀的入口压力/温度等热力参数均由主汽阀根据进汽流量G′₀依照式(1)计算得到；各调节阀的出口压力/温度及流量等热力参数均按常规汽轮机变工况计算方法得到。

依据国际电工委员会标准IEC 534-22膨胀系数法，将各调节阀前后压力、入口比容和流量等的仿真结果，代入式(2)—式(6)，分别计算出各工况下各调节阀的流量系数K_v。

式中：K_v为调节阀流量系数，m³.h^-1；G为通过调节阀的流量，t.h^-1；Y为膨胀系数，量纲为1；Δp₀为调节阀基准压差，取值0.1MPa；Δp为调节阀实际压差，MPa；v为调节阀入口比容，m³.kg^-1；

膨胀系数Y为：

式中：X_T为临界压差比，量纲为1；X为压差比，量纲为1；F_κ为比热容比系数，量纲为1；比热容比系数F_κ为：

式中：κ为绝热指数；

式中：c_P为定压比热容，kJ.(kg.℃)^-1；c_V为定容比热容，kJ.(kg.℃)^-1；

压差比X为：

式中：p₁为调节阀前压力，MPa；p₂为调节阀后压力，MPa。

步骤2：根据现场汽轮机零重叠度流量特性试验数据，拟合出单个调节阀在既定阀序下的“行程—实际流量增益百分比”曲线，并依据一次建模各工况下各调节阀的实际流量增益，反向插值计算出各调节阀的行程L。

如图2所示为本发明实施例的调节阀行程—实际流量增益百分比曲线。此处的既定阀序是指单个调节阀在顺序阀阀控方式下的实际开启步序。通常，单个调节阀流量特性曲线是在其他调节阀全开工况下进行测试；显然，调节阀所处阀序并未遵循其既定阀序，所得结果自然也偏离于其实际流量特性。

步骤3：将各工况下各调节阀的行程L与流量系数K_v，整理成以各自最大值为标幺值的各调节阀特性曲线；如图3所示为本实施例的调节阀行程L-流量系数K_v特性曲线；表1为调节阀特性曲线函数数据。

表1调节阀特性曲线函数数据

步骤4：在一次建模的基础之上，将各调节阀特性曲线内置于原调节阀模块中并增添调节阀行程计算功能，进而完成二次建模。

二次建模中，调节阀行程计算功能的设置：在原调节阀模块添加调节阀行程L的输入和输出窗口，实现已知流量G求行程L或已知行程L求流量G等仿真功能。

当已知调节阀G时，只需按步骤1，求得调节阀流量系数K_v；再按照其内置的调节阀特性曲线函数，插值计算出调节阀行程L。

图5为实施例机组在调节阀重叠度设置为零时，随汽轮机进汽流量由基准值每次渐减其0.1％至基准值的40％过程中，GV4、GV3和GV12的依次关闭情况和各调节阀行程的仿真结果。

当已知调节阀行程L时，可先假定一流量，按“已知流量G求行程L”步骤，通过迭代计算，求出调节阀流量G。

Claims (1)

1.一种汽轮机调节阀行程仿真建模方法，其特征在于，所述方法通过一次建模，设置主汽阀模块和调节阀模块；将一次建模仿真结果与现场汽轮机调节阀流量特性试验实测结果相结合，获取调节阀特性曲线；在一次建模的基础上，进行二次建模，将调节阀特性曲线内置于原调节阀模块，增添调节阀行程计算功能，实现涉及汽轮机调节阀行程的仿真应用；

所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：一次建模在常规汽轮机和热力系统建模基础上，设置主汽阀模块和调节阀模块，分别负责主汽阀和调节阀的相关计算；在仿真计算中，将汽轮机主汽阀和调节阀全开工况视为基准工况，所述基准工况下的热力参数作为变工况计算的基准值；同时，汽轮机进汽参数取制造厂设计值并保持不变，调节阀重叠度均设置为零，令汽轮机进汽流量由基准值每次渐减其0.1％至基准值的60％；通过主汽阀模块和调节阀模块，依次得到最大流量至最小流量各工况下各调节阀前后压力、入口比容、流量以及调节阀流量系数K_v；

主汽阀模块的设置：汽轮机主汽阀始终处于全开状态，其压阻设为入口压力的1％；变工况过程中，主汽阀始终处于全开状态，所述主汽阀压阻按下式(1)计算：

式中：Δp′₀为变工况阀门压阻，MPa；p′₀为变工况阀门入口压力，MPa；G₀为基准工况阀门的流量，t.h^-1；G′₀为变工况阀门的流量，t.h^-1；v₀为基准工况阀门入口比容，m³.kg^-1；v′₀为变工况阀门入口比容，m³.kg^-1；

调节阀模块的设置：设喷嘴配汽机组有四个进汽调节阀，分别为GV1、GV2、GV3、GV4，调节阀重叠度均设置为零；各进汽调节阀在基准工况下处于全开状态，其压阻设为入口压力的1％；在GV4关闭过程中，各进汽调节阀的入口压力/温度热力参数均由主汽阀根据进汽流量G′₀依照式(1)计算得到；此时，全开状态的GV3、GV1和GV2的压阻均按式(1)进行计算；随后，按常规汽轮机变工况计算方法得到全开状态的GV3、GV1和GV2的流量和部分开启的GV4的出口参数；

在GV4全关后，GV3随汽轮机进汽流量渐减而逐渐关闭，各调节阀的入口压力/温度热力参数均由主汽阀根据汽轮机进汽流量G′₀依照式(1)计算得到；此时，全开状态的GV1和GV2的压阻按式(1)进行计算；随后，按常规汽轮机变工况计算方法得到全开状态的GV1、GV2的流量、部分开启的GV3的出口参数和全关状态的GV4的出口参数；

当GV4和GV3依次全关后，GV1和GV2随汽轮机进汽流量渐减而逐渐关闭，各调节阀的入口压力/温度热力参数，均由主汽阀根据进汽流量G′₀依照式(1)计算得到；各调节阀的出口压力/温度及流量热力参数，均按常规汽轮机变工况计算方法得到；

将各调节阀前后压力、入口比容和流量的仿真结果，代入式(2)～(6)，分别计算出各工况下各调节阀流量系数K_v；

式中：K_v为调节阀流量系数，m³.h^-1；G为通过调节阀的流量，t.h^-1；Y为膨胀系数，量纲为1；Δp₀为调节阀基准压差，取值0.1MPa；Δp为调节阀实际压差，MPa；v为调节阀入口比容，m³.kg^-1；

膨胀系数Y为：

式中：X_T为临界压差比，量纲为1；X为压差比，量纲为1；F_κ为比热容比系数，量纲为1；比热容比系数F_κ为：

式中：κ为绝热指数；

式中：c_P为定压比热容，kJ.(kg.℃)^-1；c_V为定容比热容，kJ.(kg.℃)^-1；

压差比X为：

式中：p₁为调节阀前压力，MPa；p₂为调节阀后压力，MPa；

步骤2：根据现场汽轮机零重叠度流量特性试验数据，拟合出单个调节阀在既定阀序下的“行程—实际流量增益百分比”曲线，并依据一次建模各工况下各调节阀的实际流量增益，反向插值计算出各调节阀行程L；

步骤3：将各工况下各调节阀的行程与流量系数，整理成以各自最大值为标幺值的各调节阀特性曲线；

步骤4：在一次建模的基础之上，将各调节阀特性曲线内置于原调节阀模块中并增添调节阀行程计算功能，进而完成二次建模；

调节阀行程计算功能的设置：在原调节阀模块添加调节阀行程L的输入和输出窗口，实现已知流量G求调节阀行程L或已知调节阀行程L求流量G的仿真功能；

当已知调节阀流量G时，只需求得调节阀流量系数K_v；再按照其内置的调节阀特性曲线函数，插值计算出调节阀行程L；

当已知调节阀行程L时，先假定一流量，按“已知流量G求调节阀行程L”步骤，通过迭代计算，求出调节阀流量G。

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