基于Modelica_Mw...用汽轮机主汽门性能仿真验证_刘忠诚.pdf

收稿日期：作者简介：刘忠诚（），男，河南信阳人，工程师，主要从事船用汽轮机的建模仿真研究。基于 的船用汽轮机主汽门性能仿真验证刘忠诚，张旭阳，张鲲羽，（中国船舶集团第七四研究所，上海；上海交通大学 机械与动力工程学院，上海）摘 要：基于面向对象的多领域统一建模开源规范 平台，通过研究船用汽轮机主汽门性能仿真数学模型，构建了针对船用汽轮机主汽门的图形化仿真模型，并开展了数据可视化仿真及验证。模型仿真结果表明，仿真模型具有良好的模块化特征和可重用性，能够正确地反映主汽门的全行程流量曲线等运行特性；充分验证了模型的有效性，为船用汽轮机主汽门和汽轮机整机仿真研究奠定了基础。关键词：规范；主汽门；建模；仿真中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：；引 言汽轮机是将蒸汽热能转换为机械功的能量转换单元，是多学科耦合的多介质多物理场设备，自身复杂度极高。在船用环境条件下，汽轮机具有安全性要求高、机动性及变工况速度快等运行特征。主汽门也称为速关阀，是新蒸汽进入汽轮机的第一道阀门，其主要功能之一是在采用主汽门冲转方式时，用于调节新蒸汽的进汽量，控制汽轮机转速，并在汽轮机转入调节阀控制后保持全开状态。同时，主汽门是汽轮机安全保护系统的关键环节，汽轮机在超速等危急情况下需要快速关闭主汽门以确保汽轮机安全。主汽门特性关系到整个汽轮机的安全性和经济性，对汽轮机效率和速关特性具有重要影响。船用汽轮机主汽门性能此前多是依靠结合经验系数的计算仿真确定，并结合实物试验测试进行修正校准。准确反映主汽门性能是实现整机的高精度仿真的基础。仿真技术目前被认为是理论研究和试验后的重要研究手段。在动力机械领域发展早期，设计人员通常利用一维设计工具配合三维流体仿真工具分别进行流动与强度的建模与校核。这种研究热能动力DOI:10.16189/ki.nygc.2023.01.004 年，第 期 方式仅能够用于实现局部部套的仿真模拟，无法掌握整机的运行状态，且这种方法具有变工况计算难度较大、精度较低、流动计算与强度计算耦合度较低的特点。随着系统仿真理论和应用技术的深入，仿真对象已经由单一领域逐步向多学科、多领域统一建模与协同仿真的方向发展。船用系统是多学科、多专业集成的复杂系统，由机械、热学、控制、液压等多个方面组成。在前人研究中已经大量采用 作为研究手段进行分析。汤雷，及 均在各类船用系统研究中运用，其船用系统中采用 规范能够充分利用 模型重用性能高、建模简便、无需符号处理等特点。汽轮机及燃气轮机均是旋转叶轮式热力发动机，是复杂且常用的动力机械装备。曹源与张杰等运用 和 编译器对于燃气轮机的各部套进行数字化建模和仿真。语言面对对象和非因果联系的特性使得模型库具有较好的通用性和重用性。仿真结果表明，模型仿真误差较小，具有很高的精确度。杨东勃等以泰州电厂 机组的汽轮机作为研究对象，以 作为仿真平台，建立仿真模型。其中建立了各个主要设备的数学模型，并对仿真结果和现场数据进行比较和分析，验证了模型的合理性以及 仿真平台在汽轮机模型仿真领域的可行性。等采用 语言构建了汽轮机的半实物仿真模型，该模型能够在仿真中用于控制汽轮机模型。船用动力机械是一个包含传热、传质、流动等热力过程的复杂系统，是船用系统中的重要组成部分。朱国情等人运用 对船用冷凝进行仿真。语言在该部套上的使用降低了建模难度，提高了模型的可读性，也为后续汽轮机建模和仿真打下了良好的基础。等在船用柴油发动机研究中采用 规范，分析了不同压缩比和供油提前角对柴油机主要性能参数的影响。综合上述研究结果发现，前人已经在船用系统领域及陆用动力机械装备领域采用规范进行了一定的研究，但是尚未有人采用 对船用汽轮机主汽门进行单独建模与仿真。本文对船用汽轮机的主汽门进行建模与仿真验证研究，建立起描述主汽门流量 阻力特性的数学模型和图形化仿真模型，并开展仿真研究工作，以期为船用汽轮机整机仿真奠定基础。平台 规范 是一种基于方程的多领域统一建模规范，按照面向对象和组件化的思想，对不同领域物理系统（电导、液压、控制、热流等）的模型进行统一表述以构建不同学科的标准库。类是该规范的基本结构元素，是构成 模型的基本单元。类包含了三种类型的成员：变量、方程和成员类。规范通过继承机制和变形机制实现代码的重用和扩展。规范是非因果关系建模规范。方程指定类的行为，表述变量之间的数值约束关系。规范使用通用的公式、对象和接口来建立模型，允许从物理的角度而不是数学的角度来进行建模，通过将微分代数方程映射为常微分方程，通过求解常微分方程实现系统建模。规范的这些特性使得对多领域复杂系统建模变得简便。建模仿真平台 基于国际多领域统一建模规范，支持工业设计知识的模型化表达和模块化封装，实现基于物理拓扑的快速系统模型集成与仿真验证。具有多领域统一建模表达能力，能在同一模型中融合相互作用的多个工程专业子模型，构建描述一致的系统级模型，适应机械、液压、控制、电子、气压、热力学、电磁等众多专业；可提供丰富的多领域工业模型库，包括标准模型库、商业模型库等，并具备开放定制第三方模型库功能，以满足不同建模需求，便于模型资源的重用。模型构建汽轮机主汽门受调速安保系统控制，用于改变汽轮机进汽参数和流量控制汽轮机冲转转速，并在超速等危急情况下快速关闭以确保汽轮机安全。在汽轮机运行过程中，主汽门保持全开状态，其压力损失在所有工况下影响着汽轮机的热效率。汽轮机主汽门的结构如图 所示，主汽门多采用大小阀的结构，小阀型线的设计需要保证其具有较高的调节精度，而大阀一般不用于控制流热能动力 量，因此，其设计对调节精度要求不高。大小阀需要匹配设计，以形成良好的流量 升程特性以及提升力 升程特性，满足汽轮机全工况运行要求。图 汽轮机主汽门结构示意图汽轮机主汽门的工作原理如图 所示，由系统来的蒸汽进入主汽门，在冲转过程中主汽门对高温高压的蒸汽起到节流作用，从而控制汽轮机的转速。并根据调速安保系统对于转速等参数的实时追踪对主汽门进行控制，以保证机组安全稳定运行。图 主汽门工作原理示意图本次采用面向对象的建模方法，主要对汽轮机主汽门的热力性能建立数学模型，并在 中转化为图形化的模型单元，作为汽轮机整机仿真的一部分。主汽门建模针对主汽门热力性能分析建模，主要应考虑主汽门暖机冲转过程中的节流损失变化以及阀门全开的节流损失。主汽门内的流动在由全关到全开的过程中，由超音速逐渐变化为亚音速，并在全开时维持亚音速流动状态。假设蒸汽在阀门内为绝热等熵流动，只考虑进出口压差产生的流量。动量方程简化为：|（）式中：为入口蒸汽密度，；为入口压力，；为阀门压力损失比：（）式中：为出口压力，。为临界压力损失比：|（）式中：为绝热指数，过热蒸汽取 。为阀门特性修正系数：（）式中：为阀门最大面积，。（）为阀门特性系数：慢开特性：（）（）快开特性：（）（）直线特性：（）（）式中：为阀门相对开度，取值 。忽略阀门质量能量的存储特性：，（）（）上述数学模型对于介质为可压缩流体的蒸汽阀门可以通用，通过选择不同的设计参数和开关特性，即可针对不同形式和结构的主汽门建立仿真模型。热能动力 年，第 期 图 主汽门图形化模型单元 主汽门接口及介质物性模型接口模型用于规定仿真对象的对外接口设置，在主汽门中，涉及到的接口主要包括蒸汽进出口和固定参数（见表）。表 主汽门接口模型设置类型名称数值单位描述蒸汽入口蒸汽出口 过热蒸汽绝热指数 阀门最大面积介质模型用于不同的温度和压力状态下，通过调用 外部工具或读取自定义插值表数据等形式，获取涉及介质的主要物性参数。主汽门的介质及物性参数如表 所示。表 主汽门介质模型设置介质种类流体介质水（蒸汽）固体介质马氏体不锈钢物性参数密度、比焓、内能、定压比热容、定容比热容、声速 体积弹性模量、动力粘度 运动粘度等 主汽门仿真验证主汽门由来自控制系统的外部信号进行控制，实现冲转过程对进入汽轮机的蒸汽流量和蒸汽参数的控制，从而控制汽轮机转速。主汽门模型在汽轮机中，最主要功能是实现阀门内部的流阻流量计算。对于主汽门的模型采用类似于 的仿真方法进行验证，即在设计结构参数确定的基础上，通过给定边界条件，仿真主汽门的性能。模型验证方案主汽门模型的测试方案为通过与设计数据进行对比测试。按照设计数据，给定三组工况不同的主汽门进口压力、出口压力，在阀门全开工况下计算阀门的流量。每一组测试工况下，阀门均设置为全开，在进口压力恒定的情况下，改变出口压力，观察流量的变化情况。）测试工况 压力边界条件（见图）图 工况 阀门进、出口压力时变曲线）测试工况 压力边界条件（见图）图 工况 阀门进、出口压力时变曲线）测试工况 压力边界条件（见图）图 工况 阀门进、出口压力时变曲线 模型验证配置在 软件中，对主汽门构建起完整的测试用例，如图 所示，包括主汽门的进、出口边界，以及控制系统模型。按照表 所示，完成模型参数设置；按照表 所示，配置模型仿真参数，包括计算起止时间、积分算法、积分步长等，之后对部件模型进行仿真计算；热能动力 I0 图 主汽门测试用例表 工况 主汽门模型参数设置组件名参数名单位参数值 表 工况 主汽门模型参数设置仿真参数参数值计算开始时间 计算终止时间 仿真输出步长 各工况仿真验证方案一致，参数配置根据工况进行调整，不再一一列举。模型验证结果在主汽门使用过程中，主汽门试验中的表现与设计情况符合性较高。因此能够认为主汽门设计值与实验值具有一致性。根据仿真测试结果，主汽门模型在三种工况下的计算结果与设计数据趋势一致（见图 图），各工况下其平均误差分别为 、以及 ，能够真实反映主汽门的流动特性，准确地反映主汽门的运行状态和规律，为理论分析、产品设计和试验验证提供重要依据。图 工况 测试结果图 工况 测试结果图 工况 测试结果 结 论本文针对船用汽轮机主汽门，基于面向对象的多领域统一建模语言 和国内自主研发的 仿真平台，构建了主汽门的数学模型，并在 平台上完成了对主汽门流量特性的仿真验证研究，得出主要结论如下：）采用 平台，可以有效建立颗粒度适宜的多学科多物理场耦合设备的图形化模型，且模型可重用性强，能够有效支撑汽轮机建模仿真；）所建立的主汽门数学模型仿真计算效率较高，不同工况下流量曲线计算结果与设计数据趋势一致，各工况下其平均误差分别为 、以及 ，能够真实反映主汽门的流动特性，准确地反映主汽门的运行状态和规律，为理论分析、产品设计和试验验证提供重要依据。参考文献：鲍 文，于达仁，胡清华，等 汽轮机主汽阀、调节阀常见故障分析及诊断 汽轮机技术，（）：（下转第 页）热能动力 年，第 期 I7 卢 祺，黄 锋，郭 逊 合金化对 系合金储氢性能的影响：综述 材料导报，（）：丁 鑫，陈瑞润，陈晓宇，等 镁基储氢合金吸放氢机理及组织与性能调控 自然杂志，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：丁志强，李俊峰，黄存可，等 基于（，）单质原位球磨合成的 储氢性能 广西科学，（）：（责任编辑 周洁）（上接第 页）汤 雷，董仁义 浅谈 在船舶领域建模的应用 第八届中国 工程分析技术年会暨 全国计算机辅助工程（）技术与应用高级研讨会论文集 出版者不详，：，（）：曹源，金先龙，杜朝辉，等 基于 的航空燃气涡轮仿真研究 热力透平，（）：张杰，张雪梅，沈岑，等 基于 的小型燃气轮机建模与仿真 机电工程，（）：杨东勃 基于 的汽轮机系统建模与仿真 北京：华北电力大学，（），朱国情，程 刚，孙丰瑞 基于 的船用冷凝系统图形化建模与仿真 第 届中国系统仿真技术及其应用学术年会论文集：，（）：贺剑辉 基于 面向对象语言的汽轮机系统建模与仿真 北京：华北电力大学，黄 华，周凡利 语言建模特性研究机械与电子，（）：（责任编辑 周洁）新能源与储能