CN111881492B - 一种基于cfd方法的汽轮机阀门配汽管理函数生成方法 - Google Patents

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CN111881492B CN202010719391.8A CN202010719391A CN111881492B CN 111881492 B CN111881492 B CN 111881492B CN 202010719391 A CN202010719391 A CN 202010719391A CN 111881492 B CN111881492 B CN 111881492B
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Abstract

本发明公开了一种基于CFD方法的汽轮机阀门配汽管理函数生成方法，首先建立了具有高调阀、导管、喷嘴进汽室、全尺寸三维整圈调节级喷嘴及动叶的实体仿真模型。求解三维粘性可压缩非定常控制方程组及湍流模型方程组，获取已知边界条件下的流体研究区域的性能参数。基于流体域计算模型，针对每个高调阀开展了阀门流量特性曲线及设计阀序下的各阀点实际通流能力的校核分析。在所优选的阀门流量重叠度基础上生成了汽轮机阀门配汽管理函数。本发明可以准确计算不同开度工况下高调阀流量特性规律，评估获取不同阀点工况下的机组通流能力，有效校核给定重叠度条件下的阀门升呈与总流量总体线性度，对改善火电机组调节品质及安全经济运行具有重要意义。

Description

一种基于CFD方法的汽轮机阀门配汽管理函数生成方法
技术领域
本发明属于火力发电领域，具体涉及一种基于CFD方法的汽轮机阀门配汽管理函数生成方法。
背景技术
汽轮机的高调阀是重要的调节装置，其配汽方式、控制方式、运行方式、设备性能直接影响机组的调节特性、运行特性、经济性和安全稳定运行水平。当前，大规模风能等新能源的并网消纳，不得不需要越来越多的大功率火电机组的快速深度变负荷运行，同时由于新能源的波动性电网对火电机组顺序阀控制方式下的AGC和一次调频的调节品质要求变的越来越高。
汽轮机阀门管理系统初始设计中，高压调节汽门的开启顺序和高压调节汽门间的重叠度由制造厂商设定，高压调节气门流量特性曲线与顺序阀配汽曲线也由制造厂商提供。由于设计状态与实际环境的偏差，部分机组在运行过程中，常常存在某一负荷区间内某一高压调节汽门震荡，且出现高压调节汽门开度过大的问题；此外，部分机组在单阀/顺序阀切换过程中会出现高调门的振动大、高压转子的受力不均匀、转速波动幅度较大，轴瓦温度升高等问题。这些情况不仅对机组的经济性、安全性造成巨大影响，还对机组的稳定性有着直接的影响，需要引起足够的重视。为了保证汽轮机安全、稳定和经济运行，必须科学、合理、优化汽轮机的配汽规律设计。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于CFD方法的汽轮机阀门配汽管理函数生成方法，够精准获取阀点流量及单个阀门流量特性，并优选各阀门间的重叠度，最终综合生成优化后的汽轮机阀门配汽管理函数。
为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：
步骤一，根据汽轮机组的实际结构，建立具有高调阀、导管、喷嘴进汽室、全尺寸三维整圈调节级喷嘴及动叶的三维实体几何模型；
步骤二，基于三维实体几何模型，提取通流区流体域的边界，并建立流体计算域模型，采用多块结构化网格对流体计算域进行网格剖分，通过剖分拓扑块自顶向下建立拓扑块与几何的映射关系；
步骤三，在网格剖分后的流体计算域模型的基础上，采用CFD软件建立数值仿真计算模型，并根据实际物理规律设置计算域的进口及出口边界条件；
步骤四，通过三维粘性可压缩非定常控制方程组及湍流模型方程组求解已知边界条件下的流体研究区域的性能参数，三维粘性可压缩非定常控制方程组分别由连续方程、动量方程和能量方程所组成；
步骤五，利用所建立的数值仿真计算模型，依次针对每个高调阀开展阀门流量特性曲线计算分析，通过改变计算模型中单个高调阀阀门开度，获取得不同阀门开度与调节级流量所对应的函数关系式；
步骤六，利用所建立的数值仿真计算模型，开展阀点流量的计算分析，分别按照机组设计阀序，计算两阀点、三阀点及四阀点工况下调节级实际通流能力；
步骤七，基于CFD模型所获取的阀点流量及单个阀门流量特性，对各个阀门进行流量分配，并优化各阀门间的重叠度，最终综合生成汽轮机阀门配汽管理函数。
步骤一中，高调阀、导管、喷嘴进汽室、全尺寸三维整圈调节级喷嘴及动叶的实体三几何模型生成方法如下：
通过截面曲线组放样生成叶身实体，或通过对截面曲线采用三次B样条曲线来拟成；
其中k次B样条曲线方程为：
Figure GDA0003288301600000031
其中，di为控制顶点，Ni,k为k次规范B样条基函数。
步骤二中，多块结构化网格可以为四面体、六面体及多面体网格；
计算网格可以为O型、C型、L型及H型网格；
网格质量需满足正交角、长宽比及膨胀比的计算要求。
步骤四中，连续方程为：
Figure GDA0003288301600000032
其中，ρ为流体密度，U为速度矢量，t为时间；
动量守恒方程为：
Figure GDA0003288301600000033
能量守恒方程为：
Figure GDA0003288301600000034
其中，htot为总焓，λ为静焓，T为温度；
式中τ为应力张量，与各变量的应变率有关，定义为：
Figure GDA0003288301600000035
式中SM和SE分别为动量方程和能量方程的源项，δ为Kronecker Delta函数，定义为：
Figure GDA0003288301600000036
总焓htot与静焓hstat的关系为：
Figure GDA0003288301600000041
Figure GDA0003288301600000042
由粘性应力作用产生；U·SM由外部动量源项产出。
步骤四中，在直角坐标系下，RANS可压缩非定常方程组为：
连续方程：
Figure GDA0003288301600000043
动量守恒方程：
Figure GDA0003288301600000044
质量守恒方程：
Figure GDA0003288301600000045
其中，
Figure GDA0003288301600000046
为雷诺应力，htot为平均总焓，
Figure GDA0003288301600000047
为静焓的雷诺通量；
平均总焓htot为：
Figure GDA0003288301600000048
其中，k为湍动能，k的计算方法如下：
Figure GDA0003288301600000049
其中，u为速度矢量；
对于任一个附加变量φ，其雷诺时均方程为：
Figure GDA00032883016000000410
其中，Γ为涡扩散系数，Sφ为广义源项矢量。
步骤四中，为了预测湍流的影响，采用标准k-ω湍流模型，方程组为：
湍动能k输运方程：
Figure GDA00032883016000000411
湍流频率ω输运方程：
Figure GDA0003288301600000051
雷诺应力张量τ：
Figure GDA0003288301600000052
式中的一些自变量以及密度ρ，速度矢量U可看做是已知量，Pk为湍流产生项。
步骤五中，单个高调阀阀门开度计算模型设置如下：
a)阀门相对开度在0％～48％区间内，变动步长为2％；
b)阀门相对开度在50％～70％区间内，变动步长为5％；
c)阀门相对开度在70％～100％区间内，变动步长为10％。
步骤六中，计算模式设置的边界条件如下：
计算工质采用水蒸气，计算中主流进口给定总温总压，主流出口给定平均静压，其余壁面均给定绝热无滑移条件，当连续方程、动量方程、能量方程、湍流方程的均方根残差达到10-5级时，并且各计算域进出口流量不平衡率小于0.1％时，认为计算收敛。
步骤七中，优化各阀门间的重叠度的要求如下：
定义下一个调门开启时，前一个调门通流量占其最大通流量的百分比为流量重叠度，设置调门的流量重叠度，使得阀门升呈与总流量总体呈线性规律，达到最佳的配汽机构静态调节特性的技术要求。
与现有技术相比，本发明建立了涵盖有高调阀、导管、喷嘴进汽室、全尺寸三维整圈调节级喷嘴及动叶的真实全三维数值仿真模型，通过求解三维粘性可压缩非定常控制方程组及湍流模型方程组获取了已知边界条件下的流体研究区域的性能参数，基于的数值仿真计算模型，开展了每个高调阀开展阀门流量特性曲线及阀点通流能力计算分析，因此能够直观获得更加准确获得各高调阀不同工况下的开度与阀体实际通流流量的函数关系。本发明适用于火电汽轮机顺序阀及单阀配汽管理函数的生成及优化，可以能够准确计算不同开度工况下高调阀流量特性规律，评估获取不同阀点工况下的机组通流能力，并有效校核给定重叠度条件下的阀门升呈与总流量总体线性度。通过本发明能够免于对运行机组进行高难度、高风险的试验，不仅结果准确，而且大大节约了人力成本和时间成本。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的实体几何模型CFD计算结果；
图3为本发明的高调阀流量特性曲线；
图4为本发明生成的汽轮机阀门配汽管理函数曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明包括以下步骤：
步骤一，根据汽轮机组的实际结构及装配图纸，通过三维设计软件，建立具有高调阀、导管、喷嘴进汽室、全尺寸三维整圈调节级喷嘴及动叶的实体几何模型。
所采用的三维设计软件可以为UG，SolidWorks，Pro/E，ANSYS Workbench等，其中高调阀、导管、喷嘴进汽室、全尺寸三维整圈调节级喷嘴及动叶的实体几何模型生成方法为，通过截面曲线组放样生成叶身实体，或通过对截面曲线采用三次B样条曲线来拟成。
其中k次B样条曲线方程为：
Figure GDA0003288301600000061
其中，di为控制顶点，Ni,k为k次规范B样条基函数；
步骤二，参见图2，基于三维实体几何模型，提取通流区流体域的边界，并建立流体计算域模型。采用多块结构化网格对流体计算域进行网格剖分，通过剖分拓扑块自顶向下建立拓扑块与几何的映射关系。
网格拓扑建立软件可以为ANSY ICEM、ANSYS MESH、TGRID、NUMECA AUTOGRID、GAMBIT、POINTWISE、GRIDPRO、HYPERMESH等。多块结构化网格可以为四面体、六面体及多面体网格。计算网格可以为O型、C型、L型及H型网格。网格质量需满足正交角、长宽比及膨胀比的计算要求。
步骤三，在网格剖分后的流体计算域模型的基础上，采用CFD软件建立数值仿真计算模型，并根据实际物理规律设置计算域的进口及出口边界条件；
CFD仿真计算软件可以ANSYS CFX、ANSYS FLUENT、NUMECA、PHOENICS、STAR-CCM+、OPENFOAM、OPENFOAM等。其中，求解器对控制方程的离散采用基于有限元的有限体积法。每个节点均被一组单元面包围，单元面组成了控制容积，所有的求解变量和流体参数均存储于单元节点上。
步骤四，通过三维粘性可压缩非定常控制方程组及湍流模型方程组求解已知边界条件下的流体研究区域的性能参数，三维粘性可压缩非定常控制方程组分别由连续方程、动量方程和能量方程所组成；
连续方程为：
Figure GDA0003288301600000071
其中，ρ为流体密度，U为速度矢量，t为时间；
动量守恒方程为：
Figure GDA0003288301600000072
能量守恒方程为：
Figure GDA0003288301600000081
其中，htot为总焓，λ为静焓，T为温度；
式中τ为应力张量，与各变量的应变率有关，定义为：
Figure GDA0003288301600000082
式中SM和SE分别为动量方程和能量方程的源项，δ为Kronecker Delta函数，定义为：
Figure GDA0003288301600000083
总焓htot与静焓hstat的关系为：
Figure GDA0003288301600000084
Figure GDA0003288301600000085
由粘性应力作用产生；U·SM由外部动量源项产出。
进一步，在直角坐标系下，RANS可压缩非定常方程组为：
连续方程：
Figure GDA0003288301600000086
动量守恒方程：
Figure GDA0003288301600000087
质量守恒方程：
Figure GDA0003288301600000088
其中，
Figure GDA0003288301600000089
为雷诺应力，htot为平均总焓，
Figure GDA00032883016000000810
为静焓的雷诺通量；
平均总焓htot为：
Figure GDA00032883016000000811
其中，k为湍动能，k的计算方法如下：
Figure GDA0003288301600000091
其中，u为速度矢量；
对于任一个附加变量φ，其雷诺时均方程为：
Figure GDA0003288301600000092
其中，Γ为涡扩散系数，Sφ为广义源项矢量。
进一步，为了预测湍流的影响，采用标准k-ω湍流模型，方程组为：
湍动能k输运方程：
Figure GDA0003288301600000093
湍流频率ω输运方程：
Figure GDA0003288301600000094
雷诺应力张量τ：
Figure GDA0003288301600000095
式中的一些自变量以及密度ρ，速度矢量U可看做是已知量。Pk为湍流产生项，式中的各常数取值为：α＝5/9，β＝0.075，β′＝0.09，σk＝2，σω＝2。
步骤五，利用所建立的数值仿真计算模型，依次针对每个高调阀开展阀门流量特性曲线计算分析，通过改变计算模型中单个高调阀阀门开度，获取得不同阀门开度与调节级流量所对应的函数关系式。
其中，单个高调阀阀门开度计算模型设置如下：
a)阀门相对开度在0％～48％区间内，变动步长为2％；
b)阀门相对开度在50％～70％区间内，变动步长为5％；
c)阀门相对开度在70％～100％区间内，变动步长为10％；
进一步，不同阀门开度与调节级流量所对应的函数关系式的拟合计算方法可以为：准牛顿方法、差分进化法、遗传算法、模拟退火法、麦考特方法、简面体爬山法、最大继承法、粒子群法、自组织融合法、共轭梯度法、禁忌搜索法等；
步骤六，利用所建立的数值仿真计算模型，开展阀点流量的计算分析。分别按照机组设计阀序，计算两阀点、三阀点及四阀点工况下调节级实际通流能力。
计算工质采用水蒸气，计算中主流进口给定总温总压，主流出口给定平均静压，其余壁面均给定绝热无滑移条件。当连续方程、动量方程、能量方程、湍流方程的均方根残差达到10-5级时，并且各计算域进出口流量不平衡率小于0.1％时，认为计算收敛。
步骤七，基于CFD模型所获取的阀点流量及单个阀门流量特性，对各个阀门进行流量分配，并优选各阀门间的重叠度，最终综合生成汽轮机阀门配汽管理函数，如图4所示。
定义下一个调门开启时，前一个调门通流量占其最大通流量的百分比为流量重叠度。设置调门的流量重叠度，使得阀门升呈与总流量总体呈线性规律，达到最佳的配汽机构静态调节特性的技术要求。
本发明适用于火电汽轮机顺序阀及单阀配汽管理函数的生成及优化，本技术的应用可显著提高改善火电机组调节品质，对提升机组安全经济运行具有重要的工程应用价值。并能够达到以下效果：
参见图3，本发明能够准确计算不同开度工况下高调阀流量特性规律，评估获取不同阀点工况下的机组通流能力，并有效校核给定重叠度条件下的阀门升呈与总流量总体线性度。
采用本发明对机组进行阀门配汽管理函数的优化，可以免于对运行机组进行高难度、高风险的试验，本方法不仅结果准确,而且将大大节约人力成本和时间成本。

Claims (9)

1.一种基于CFD方法的汽轮机阀门配汽管理函数生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，根据汽轮机组的实际结构，建立具有高调阀、导管、喷嘴进汽室、全尺寸三维整圈调节级喷嘴及动叶的三维实体几何模型；
步骤二，基于三维实体几何模型，提取通流区流体域的边界，并建立流体计算域模型，采用多块结构化网格对流体计算域进行网格剖分，通过剖分拓扑块自顶向下建立拓扑块与几何的映射关系；
步骤三，在网格剖分后的流体计算域模型的基础上，采用CFD软件建立数值仿真计算模型，并根据实际物理规律设置计算域的进口及出口边界条件；
步骤四，通过三维粘性可压缩非定常控制方程组及湍流模型方程组求解已知边界条件下的流体研究区域的性能参数，三维粘性可压缩非定常控制方程组分别由连续方程、动量方程和能量方程所组成；
步骤五，利用所建立的数值仿真计算模型，依次针对每个高调阀开展阀门流量特性曲线计算分析，通过改变计算模型中单个高调阀阀门开度，获取得不同阀门开度与调节级流量所对应的函数关系式；
步骤六，利用所建立的数值仿真计算模型，开展阀点流量的计算分析，分别按照机组设计阀序，计算两阀点、三阀点及四阀点工况下调节级实际通流能力；
步骤七，基于CFD模型所获取的阀点流量及单个阀门流量特性，对各个阀门进行流量分配，并优化各阀门间的重叠度，最终综合生成汽轮机阀门配汽管理函数。
2.根据权利要求1所述的一种基于CFD方法的汽轮机阀门配汽管理函数生成方法，其特征在于，步骤一中，高调阀、导管、喷嘴进汽室、全尺寸三维整圈调节级喷嘴及动叶的实体三几何模型生成方法如下：
通过截面曲线组放样生成叶身实体，或通过对截面曲线采用三次B样条曲线来拟成；
其中k次B样条曲线方程为：
Figure FDA0003288301590000021
其中，di为控制顶点，Ni,k为k次规范B样条基函数。
3.根据权利要求1所述的一种基于CFD方法的汽轮机阀门配汽管理函数生成方法，其特征在于，步骤二中，多块结构化网格可以为四面体、六面体及多面体网格；
计算网格可以为O型、C型、L型及H型网格；
网格质量需满足正交角、长宽比及膨胀比的计算要求。
4.根据权利要求1所述的一种基于CFD方法的汽轮机阀门配汽管理函数生成方法，其特征在于，步骤四中，连续方程为：
Figure FDA0003288301590000022
其中，ρ为流体密度，U为速度矢量，t为时间；
动量守恒方程为：
Figure FDA0003288301590000023
其中，▽p为压力梯度；
能量守恒方程为：
Figure FDA0003288301590000024
其中，htot为总焓，λ为静焓，T为温度；
式中τ为应力张量，与各变量的应变率有关，定义为：
Figure FDA0003288301590000025
式中SM和SE分别为动量方程和能量方程的源项，δ为Kronecker Delta函数，定义为：
Figure FDA0003288301590000031
总焓htot与静焓hstat的关系为：
Figure FDA0003288301590000032
▽·(U·τ)由粘性应力作用产生；U·SM由外部动量源项产出。
5.根据权利要求1所述的一种基于CFD方法的汽轮机阀门配汽管理函数生成方法，其特征在于，步骤四中，在直角坐标系下，RANS可压缩非定常方程组为：
连续方程：
Figure FDA0003288301590000033
动量守恒方程：
Figure FDA0003288301590000034
质量守恒方程：
Figure FDA0003288301590000035
其中，
Figure FDA0003288301590000036
为雷诺应力，htot为平均总焓，
Figure FDA0003288301590000037
为静焓的雷诺通量；
平均总焓htot为：
Figure FDA0003288301590000038
其中，k为湍动能，k的计算方法如下：
Figure FDA0003288301590000039
其中，u为速度矢量；
对于任一个附加变量φ，其雷诺时均方程为：
Figure FDA00032883015900000310
其中，Γ为涡扩散系数，Sφ为广义源项矢量。
6.根据权利要求1所述的一种基于CFD方法的汽轮机阀门配汽管理函数生成方法，其特征在于，步骤四中，为了预测湍流的影响，采用标准k-ω湍流模型，方程组为：
湍动能k输运方程：
Figure FDA0003288301590000041
湍流频率ω输运方程：
Figure FDA0003288301590000042
雷诺应力张量τ：
Figure FDA0003288301590000043
式中的一些自变量以及密度ρ，速度矢量U可看做是已知量，Pk为湍流产生项。
7.根据权利要求1所述的一种基于CFD方法的汽轮机阀门配汽管理函数生成方法，其特征在于，步骤五中，单个高调阀阀门开度计算模型设置如下：
a)阀门相对开度在0％～48％区间内，变动步长为2％；
b)阀门相对开度在50％～70％区间内，变动步长为5％；
c)阀门相对开度在70％～100％区间内，变动步长为10％。
8.根据权利要求1所述的一种基于CFD方法的汽轮机阀门配汽管理函数生成方法，其特征在于，步骤六中，计算模式设置的边界条件如下：
计算工质采用水蒸气，计算中主流进口给定总温总压，主流出口给定平均静压，其余壁面均给定绝热无滑移条件，当连续方程、动量方程、能量方程、湍流方程的均方根残差达到10-5级时，并且各计算域进出口流量不平衡率小于0.1％时，认为计算收敛。
9.根据权利要求1所述的一种基于CFD方法的汽轮机阀门配汽管理函数生成方法，其特征在于，步骤七中，优化各阀门间的重叠度的要求如下：
定义下一个调门开启时，前一个调门通流量占其最大通流量的百分比为流量重叠度，设置调门的流量重叠度，使得阀门升呈与总流量总体呈线性规律，达到最佳的配汽机构静态调节特性的技术要求。
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