一种工业汽轮机排汽系统优化方法与流程

本发明涉及一种工业汽轮机，尤其是针对汽轮机排汽缸的排汽优化方法。
背景技术：
：提高汽轮机经济性可以从下列的两个方面中改进。一是通过提高新蒸汽的参数，例如提高压力、温度，来改善汽轮机热力过程，增大单个机组的做功能力，如超临界以及超超临界汽轮机；第二个途径是优化汽轮机结构，比如进汽阀、各级叶片和排汽缸等通流部件，来提高汽轮机的通流能力、热效率，从而提高整个机组的效率。凝汽式汽轮机中，低压排汽缸主要包括扩压器和蜗壳，排汽缸连接汽轮机末级动叶和冷凝器。排汽缸的作用是将汽轮机末级叶片出口的余速动能变成压力能，同将湿蒸汽从末级叶片导流到冷凝器中。汽轮机末级余速动能为45KJ/kg～60KJ/kg，排汽损失比较大，排汽缸能量损失降低0.1，可使汽轮机整机效率提高0.15％左右。降低低压排汽缸损失系数可以有效提高机组效率，带来可观的经济效益。排汽缸内部流动复杂，呈三维、粘性、非定常流动，受到上游叶片出口速度分布的影响，准确预测排汽缸的性能较为困难。一般，排汽缸的优化设计，将扩压器作为二维处理，没有考虑到切向流动。如何准确预测排汽缸的气动性能，通过控制扩压器的结构，三维优化排汽缸的气动性能，是一个具有现实意义的课题。技术实现要素：本发明的目的在于：提供一种相对于现有技术更准确，优化速度较快的优化工业汽轮机排汽系统气动性能的方法。一种工业汽轮机排汽系统的优化方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1、设叶轮机械内部流动服从N-S方程，考虑粘性和间隙泄露等实际的影响，将排汽缸扩压器部分进行三维结构特征参数化；以便后期调用宏文件修改排汽缸扩压器的结构。根据排汽缸加工制造限制，和排气缸的强度和刚度要求，确定好扩压器结构的尺寸限制；步骤2、对排汽缸前的低压级组进行建模，网格划分和气动计算；边界条件为设计参数，进口给定总温、总压、水蒸汽的干度，出口给定静压，计算工质为水蒸汽。应用三维流体数值计算软件分析低压叶片的气动性能，计算得到低压叶片组出口的压力、温度、气流角和其他气动参数的分布；步骤3、应用网格划分软件对结构参数化后的排汽缸进行网格划分，对边界层进行加密，使得网格质量符合选用湍流模型的Y+值要求。记录网格划分过程，录制为宏，在后期优化过程中调用该宏，实现网格的自动划分；步骤4、将步骤2得到的低压叶片组出口的气动参数加入到排汽缸进口，作为排汽缸进口条件，排汽缸出口给定背压，应用三维流体数值计算软件对排汽缸气动性能进行分析；选择合适的湍流模型来计算排汽缸的气动特性，计算残差小于10E-5，且稳定，则视为流场收敛；步骤5、提取排汽缸数值计算的结果(排汽缸进出口总温、总压、速度)，计算得到排汽缸的静压恢复系数和总压损失系数；步骤6、将上述步骤1～步骤5集成在软件优化平台SiPESC.OPT上，并应用优化算法对排汽缸的静压恢复系数和总压损失系数进行寻优。即：将排汽缸的扩压器角度和长度作为控制变量，改变控制变量的大小，得到不同的目标函数值。本发明基于三维CFD计算的最优化理论，提供一种相对于现有技术更准确，优化速度较快的工业汽轮机排汽系统优化方法。为实现这一目的，本发明采用求解N-S方程的方法，来计算排汽缸的气动性能；并通过优化算法来对排汽缸扩压器结构进行自动修改，提高排汽缸气动性能，目标是控制排汽缸内部汽体流动，减小流动分离，将汽流的余速动能更多地转化为压力能。附图说明图1是本发明设计变量在几何模型中位置图；图2是本发明优化前后几何结构对比；图3是本发明优化前内部三维流线图；图4是本发明优化后内部三维流线图。具体实施方式下面将结合附图对本发明做详细的介绍：以一台排汽质量流量为70t/h，冷凝压力为0.09bar的工业汽轮机低压排汽缸优化为例，排汽缸包括扩压器、蜗壳，扩压器局部结构如图1、图2所示，对本发明的具体实施方式作进一步的描述。按以下步骤进行优化设计步骤1.根据二维图纸，对排汽缸进行三维建模。设叶轮机械内部流动服从N-S方程，考虑粘性和间隙泄露等实际的影响，对扩压器结构(导叶持环部分)，结构进行参数化建模，如图1所示，对扩压器结构的导叶持环部分参数化建模，导叶持环分为两段，定义四个参数化变量，分别为D8是扩压器第一段起始角度，D9是扩压器第一段长度，D10是扩压器第二段起始角度，D11是扩压器第二段长度。然后根据排汽缸的工艺和强度刚度要求，确定这四个变量的上限和下限，其余缸体部分结构不变。这些参数可以方便后期调用宏文件修改排汽缸扩压器的结构，排汽缸设计变量取值范围D8(rad)D9(m)D10(rad)D11(m)初始值0.4537860.06575510.6952850.397202上限0.34906580.060.6108650.25下限0.785398150.121.04719750.4初始值为原始设计值。步骤2.对排汽缸前的低压级组进行建模，网格划分采用Turbogrid软件，进行单通道网格划分，保证Y+在11.7-100之间。数值计算的边界条件为设计参数，进口给定总温、总压、水蒸汽的干度，出口给定静压，采用高雷诺数湍流模型：标准k-ε两方程模型进行计算，使用CFX-Pre添加边界条件和载荷，计算工质选用IAPWS-97里面的Steam3Vl湿蒸汽模型，该模型的压力范围为：0.1KPa～200KPa，温度范围为：273K～550K；对于近壁区流动选用scalable壁面函数法，残差收敛到1×10-5；计算得到低压级组出口的压力、温度、气流角和其他气动参数的分布。步骤3.应用网格划分软件ICEM对结构参数化后的排汽缸进行网格划分，采用三棱柱网格对边界层进行加密，使得网格质量符合选用湍流模型的Y+值要求。记录网格划分过程，录制为宏，在后期优化过程中调用该宏，实现网格的自动划分，保证在每次优化计算，排汽缸的网格分布一致。步骤4.将步骤二步计算得到的低压级组出口的汽流参数赋予到排汽缸的进口，排汽缸出口给定压力边界条件。计算工质为水蒸汽，采用高雷诺数湍流模型：标准k-ε两方程模型进行计算，使用CFX-Pre添加边界条件和载荷，计算工质选用IAPWS-97里面的Steam3Vl湿蒸汽模型，该模型的压力范围为：0.1KPa～200KPa，温度范围为：273K～550K；计算残差小于10E-5，且稳定，则视为流场收敛。保存计算过程的设置，来保证每次优化计算的计算设置一致性。通过此步骤，会得到排汽缸所有气动参数，如排汽缸进口压力、出口压力、出口速度分布、进口温度、出口温度，等等所有的气动参数。步骤5.计算结果提取，将上一步计算结果中，排汽缸进出口总温、总压、速度提取出来。计算排汽缸的静压恢复系数、总压损失系数。每一次优化计算，CFD-Post执行存放在cse文件中预先录制操作，读取计算结果，计算压力恢复系数等数据，并写入文件。步骤6.将上述步骤1～步骤5集成在软件优化平台SiPESC.OPT上，SiPESC.OPT通过文件解析工具读取文件中静压恢复系数和总压损失系数，提供给优化算法，并将排汽缸的扩压器角度和长度作为控制变量，改变控制变量的大小，得到不同的目标函数值。如此循环，实现整个优化设计系统的自动化。优化算法采用蚁群算法，蚁群算法原理是蚂蚁搜寻食物过程。蚁群从初始点出发，每一只蚂蚁随机选取一条路线搜索食物；如果找到食物会返回蚁巢，返回蚁巢的过程中会沿路留下信息激素；信息激素会吸引其它蚂蚁随机向有激素的路线搜寻；线路短的路径上，蚂蚁寻找食物花费的时间短，走过蚂蚁的概率会增大，当更多的蚂蚁走相同的路线时，此路线信息激素的浓度会加强，其它路线的会减少，直至消失。最后蚁群找到最短路线即最优解。并应用优化算法蚁群算法对排汽缸的静压恢复系数和总压损失系数进行寻优，如图2，2指示的是优化前扩压管的状态，1指示的是参数D10、D11得到优化后的扩压管状态。经验证，优化后，静压恢复系数由0.06提高到0.15，整体提高了150％。图3是本发明优化前内部三维流线图，图4是本发明优化后内部三维流线图。从图中可以看出，由于优化了扩压器导叶持环，导叶持环扩压管设计更合理，汽流在扩压器中的扩压更充分。排汽蜗壳流动损失小当，未出现大范围的汽流加速区，所以该方案排汽缸的静压恢复能力较以前方案更优。当前第1页1 2 3