一种计及调节汽门重叠度的汽轮机调节级全工况计算方法

本发明属于汽轮机，具体涉及一种计及调节汽门重叠度的汽轮机调节级全工况计算方法。

背景技术：

1、为实现汽轮机的经济运行，机组往往需要根据具体情况选择合适的运行条件，如选择喷嘴配汽或节流配汽、选择定压运行或滑压运行、选择合适的调节汽门重叠度等等。对于含有调节汽门的机组，汽轮机需要选择合适的调节汽门重叠度，实现调节汽门对流量的平滑的控制。传统对各类运行条件下的调节级全工况计算需要专门进行建模，如采用喷嘴配汽时进行全工况计算时，建立相关模型进行计算，当运行条件改变为节流配汽后，前述模型便不再适用，需重新建立节流配汽对应的调节级全工况模型。此外，传统的调节级计算对调节汽门特性进行了简化，特别是在重叠度的考虑中，各调节汽门采用同样的值，这忽略了各调节汽门的自身差异。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种计及调节汽门重叠度的汽轮机调节级全工况计算方法，能够实现多种运行条件下的调节级全工况计算，具备通用性，易于程序化。

2、为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种计及调节汽门重叠度的汽轮机调节级全工况计算方法，通过对调节汽门精细化建模并将所建模型考虑在调节级变工况计算当中，设定各调节汽门的重叠度，计算得到对应一系列各调节汽门开度值，然后建立调节汽门和调节级整体变工况非线性方程组，并将全工况下各调节汽门开度输入，最后求解方程组获得调节级全工况结果；

4、计及调节汽门重叠度的汽轮机调节级全工况计算方法，包括以下步骤：

5、步骤1：获取汽轮机机组设计参数、调节汽门参数、调节级设计参数和汽轮机机组运行条件；准备不同类的水物性函数fhpv、fpth和fphs；第一类水物性函数fhpv的作用是根据比焓和压力计算比容，第二类水物性函数fpth的作用是根据压力和温度计算比焓，第三类水物性函数fphs的作用是根据压力和比焓计算比熵；不同类型的水物性函数均从refprop库或coolprop库进行选取调用；将全部参数当中的物理量和无量纲量的单位统一处理如下：压力单位为mpa，温度单位为k，流量单位为kg s-1，比体积单位为m3 kg-1，比焓降单位为kj kg-1，压比单位为1，压损单位为1，开度单位为％，反动度单位为1，重叠度单位为1，速度单位为m/s，长度、宽度、高度单位均为m，角度单位为°，各调节汽门的行程的单位为m；

6、步骤2：建立调节汽门和调节级整体变工况非线性方程组；首先，根据调节级设计参数，按照汽轮机调节级特性曲线快速算法计算调节级喷嘴动叶特性曲线函数，包括反动度ω曲线函数fω(εnb)，流量系数μ曲线函数fμ(εnb)和轮周效率η曲线函数fη(εnb)；再根据汽轮机机组设计参数和调节汽门参数，建立调节汽门特性计算函数和调节级特性计算函数；汽轮机机组设计参数包括基准工况的主蒸汽流量d00、基准工况的主蒸汽压力p00、基准工况的主蒸汽温度t00、每个调节汽门对应的部分喷嘴的出口面积an,i、全部的喷嘴出口面积an,all、基准工况调节级后压力pgs0、基准工况调节级后温度tgs0、调节汽门入口蒸汽压力p0′、调节级喷嘴动叶对应的平均直径dm、调节级动叶高度hb、调节级动叶宽度b2和计算所需要的修正参数；调节汽门参数包括调节汽门蒸汽绝热指数kv、调节汽门开启面积av,i的计算关系式；

7、根据汽轮机机组变工况参数中的主蒸汽压力p0、主蒸汽温度t0、给定第l个主汽门压损δp,msv,l，计算主蒸汽比焓h0，比熵s0、调节汽门i的入口压力p′0,i、入口比体积v′0,i和、入口比焓h′0,i和入口比熵s′0,i：

8、

9、上式中，l为第l个主汽门编号，i为第i个调节汽门的编号，每个主汽门对应若干调节汽门，根据机组实际情况确定p′0,i、h′0,i、s′0,i、v′0,i；

10、然后计算调节汽门临界压比，计算如下：

11、

12、上式中，kv为绝热指数，对水蒸气取1.3，其它气体则根据气体自身性质取值；

13、根据输入的各个调节汽门压比εv,i，计算各个调节汽门出口压力p′v,i，比焓h′v,i，比熵s′v,i，比体积v′v,i，如下：

14、

15、根据调节汽门压比计算调节汽门彭台门系数βv,i，如下：

16、

17、调节汽门开启面积av,i计算需给定关系式，该关系式根据理论模型计算得出，或根据实际测量数据逆向推算得出；当通过开度计算开启面积时，该关系式为fa,v,i(vv,i)，关系式的自变量为开度vv,i；当通过行程计算开启面积时，该关系式为fa,l,i(lv,i)，关系式的自变量为行程lv,i；即，

18、

19、两类关系式的具体形式为：

20、

21、上式中，k1,k2,k3,k4,k5,k6,k7均为系数，lv,i,max,vv,i,max为分别第i调节汽门的最大行程和最大开度；lv,i,min,vv,i,min为分别第i调节汽门的最小行程和最小开度；

22、综上，调节汽门流量计算如下：

23、

24、将上述过程创建为函数，得第i个调节汽门特性计算函数fv,i：

25、dv,i＝fv,i(vv,i,εv,i,i,p0,t0,δp,msv,l)  (8)

26、根据迭代计算中的调节级压比εgs和调节汽门压比εv,i，计算喷嘴动叶压比εnb,i，然后在调节汽门参数的基础上根据调节级喷嘴动叶特性曲线μ＝fμ(εnb)计算调节级喷嘴动叶流量dn,i，将整个过程集成为函数，得到第i个调节汽门对应的调节级特性计算函数fn,i，即：

27、dn,i＝fn,i(vv,i,εv,i,i,p0,t0,δp,msv,l,εnb,i)  (9)

28、汽轮机机组变工况下的调节级后压力按函数fp,gs计算：

29、

30、建立n个调节汽门和调节级整体变工况非线性方程组，如下：

31、

32、上述方程组当中，式①为第i个调节汽门特性计算函数；式②为第i个调节汽门对应的调节级特性计算函数，在已知式①的输入参数后，加入调节级喷嘴动叶的前后压比εnb,i，结合调节级喷嘴动叶特性曲线进行计算；调节级喷嘴动叶特性曲线在计算当中始终满足喷嘴流量和动叶流量相等，故此处计算采用调节级喷嘴流量dn,i直接代表调节级喷嘴动叶的流量dnb,i；式③为关于调节汽门流量和调节级喷嘴动叶流量的守恒方程；式④为关于各调节汽门的流量与主蒸汽流量的守恒方程；式⑤为变工况调节级压力计算函数；式⑥为调节级压比计算公式；式⑦为第i个调节汽门对应的喷嘴动叶压比计算公式；

33、根据机组运行方式，确定调节汽门顺序，进而确定调节汽门序号i；在开度vv,i和行程lv,i当中选择开度vv,i衡量调节汽门的开启情况；机组主蒸汽压力p0和主蒸汽温度t0和相关运行边界条件参数按照计算需求给定；主汽门压损δp,msv,l取为主蒸汽流量的函数，按照工程经验选取；变工况下调节级温度tgs在计算获得调节级出口热力参数后计算获得，因此在迭代计算当中视为已知量；综合上述条件，将调节汽门和调节级整体变工况非线性方程组转化为如下简化方程组：

34、

35、上述方程组(12)是一个大型复杂非线性方程组，共5n+3个未知量，4n+3个方程；此基础上，给定各调节汽门开度vv,i，未知量数目将由5n+3个减少至4n+3，方程组封闭，理论上存在唯一解；

36、在给定除各调节汽门开度之外的其他运行条件的情况下，方程组(12)能够简化为：

37、f(v1,v2,…,vi,…,vn)＝0  (13)

38、求解上述方程(13)，获得方程当中的调节汽门和调节级的全部变量和参数；令ok代表需要求取的调节级第k个输出指标，ok可代表调节级效率、调节级流量、各个调节汽门的开度、各个调节汽门的行程；根据已获得的调节汽门和调节级的全部变量和参数，求出该指标ok；

39、步骤3：给定各调节汽门重叠度，根据各调节汽门自身行程和开启顺序，给定一系列全部调节汽门行程之和，计算计及重叠度的调节汽门总行程和各调节汽门开度；

40、首先，定义计及行程重叠度后的全部调节汽门行程总和l如下：

41、l＝li,start+lv,i  (14)

42、式中，li,start为第i个调节汽门开始开启时，对应的计及行程重叠度后的全部调节汽门行程总和；lv,i为第i个调节汽门的自身行程；

43、定义全部调节汽门行程之和l′如下：

44、

45、对于含有n个调节汽门的情形，存在n-1个重叠度，该重叠度能够通过行程重叠度ξl,j、开度重叠度ξv,j或压力重叠度ξp,j来表示，此处选择行程重叠度ξl,j用于全工况计算，其定义如下：

46、

47、式中，j和i有区别，i用于代表每个调节汽门，j用于代表涉及到重叠度计算的调节汽门，最后一个调节汽门不存在下一个调节汽门，不存在和下一个调节汽门的重叠度，j当中不包第n个调节汽门；lv,j,max为第j个调节汽门的自身最大行程；

48、在给定行程重叠度ξl,j和第j个调节汽门的自身最大行程lv,j,max的条件下，计算li,start；

49、给定某工况下的l，该工况下各调节汽门自身行程lv,i计算如下：

50、

51、l在取值中不超过lmax，lmax为计及行程重叠度后的全部调节汽门行程总和能够达到的最大值，按下式计算：

52、lmax＝ln,start+lv,n,max  (18)

53、若采用开度重叠度或压力重叠度，则根据行程重叠度与它们的对应关系进行推算，然后进行后续相关计算。

54、根据lv,i计算各开度vv,i，如下：

55、

56、步骤4：将步骤3获得的各调节汽门开度vv,i带入方程(13)并进行求解，根据获得的方程组的解，计算全工况下的任意指标ok。

57、建立调节汽门和调节级整体变工况非线性方程组时，将调节汽门特性进行了考虑，通过设定全部的调节汽门重叠度ξl,j，计算最大的计及行程重叠度后的全部调节汽门行程总和lmax，每个调节汽门开始开启时对应的计及行程重叠度后的全部调节汽门行程总和li,start计算如下：

58、

59、上式中，lv,j,max第j个调节汽门的自身最大行程，根据测量的调节汽门行程获得，在计算当中为已知。

60、当机组处于定压运行条件时，主蒸汽压力p0和主蒸汽温度t0设定为基准工况的常数值；当机组处于滑压运行条件时，根据运行条件给定主蒸汽压力p0变化规律，主蒸汽温度t0设定为基准工况的常数值；当采用节流配汽时，各行程重叠度ξl,j设定为1，当采用喷嘴配汽时，对于不存在调节汽门重叠的情况，各行程重叠度ξl,j设定为0，对于存在重叠情况，各行程重叠度ξl,j按照具体情况取值。

61、各调节汽门行程和开度的关系采用线性或非线性函数进行计算；在简化计算中，调节汽门行程和开度设定为线性关系，建立对应的开度-行程线性映射函数；在精准化计算中，按照实际情况建立调节汽门行程和开度的非线性关系，建立对应的开度-行程非线性映射函数；在此基础上，进行计及调节汽门重叠度的汽轮机调节级全工况计算。

62、对含有任意数目的调节汽门的汽轮机机组，通过计及各调节汽门重叠度，将各调节汽门的准确重叠特性考虑在调节级全工况计算之中，输出机组采用不同运行策略时全工况的调节级效率和流量，并同时输出全工况下各调节汽门的阀位。

63、该方法适用于各种变运行条件下的调节级全工况计算，包括定压运行、滑压运行、定温运行、滑温运行。

64、在已知各调节汽门重叠度的情况下，给定计及行程重叠度后的全部调节汽门行程总和，计算出各调节汽门的行程，进而计算各调节汽门开度；除行程重叠度外，也能够采用开度重叠度，或采用压力重叠度，进行计算。

65、调节级喷嘴动叶特性曲线的自变量均为调节级喷嘴动叶压比。

66、和现有技术相比，本发明具有以下优点：

67、(1)本发明能够充分考虑调节汽门重叠度，为调节汽门配汽曲线和阀位管理优化提供指导。

68、(2)本发明给出了一种调节级全工况标准计算框架，在该框架之下，只需设置关键条件参数，即可对采用喷嘴配汽、节流配汽、定压运行、滑压运行等不同条件下的调节级全工况进行计算。

69、(3)本发明的计算方法适用范围广，易于软件化。