基于Simscape的工业汽轮机建模与结垢故障的仿真.pdf
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1、第52 卷第3期2023年0 9 月文章编号:16 7 2-5549(2 0 2 3)0 3-0 190-0 4基于 Simscape 的工业汽轮机建模与结垢故障的仿真热力透平THERMALTURBINEVol.52No.3Sep.2023梁孝驰2,蔡萍(1.上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海2 0 0 2 40;2.上海汽轮机厂有限公司,上海2 0 0 2 40)摘要:结垢故障是工业汽轮机运行中的常见故障,对汽轮机的性能、安全性有着重大的影响。为了研究结垢的原因、过程以及影响因素,模拟结垢的产生,利用Simscape语言对汽轮机通用模块进行了修改,重构了朗肯循环模型,并对模型正确性进行
2、了验证。以此进行了结垢故障的仿真模拟,结果表明该模型可以对结垢的产生过程进行仿真。研究成果为后续结垢故障的检测研究提供了工具。关键词:汽轮机;建模;结垢;Simscape中图分类号:TK268Modeling of Industrial Steam Turbines and Simulationof Fouling Fault Based on SimscapeLIANG Xiaochil-2,CAI Ping(1.School of Electronic Information and Electrial Engineering,Shanghai Jiao Tong University,S
3、hanghai 200240,China;2.Shanghai Turbine Works Co.,Ltd.,Shanghai 200240,China)Abstract:Fouling is a common fault in operation of industrial steam turbines,and it has a significant impact onthe performance and safety of steam turbines.In order to study the cause,process and influencing factors of foul
4、ing,the Simscape language was adopted to modify the general module of steam turbine and reconstruct the Rankine cyclemodel.Based on this,the generation of fouling was simulated,and the correctness of the model was verified.Thefeasibility of this model has been verified by simulation results,and a to
5、ol for subsequert detection and research offouling fault is provided.Key words:steam turbine;modeling;fouling;Simscape结垢故障在小型工业汽轮机的运行中经常出现。汽轮机的通流结垢轻则影响机组的效率,降低汽轮机的做功能力,重则对轴系稳定性产生威胁。因此,研究通流结垢的过程及影响因素,为机组的运行提出合理的指导就显得尤为重要。然而,在实际生产过程中很难获得第一手的故障数据,尤其难以获得同类故障在不同机组中多次发生的数据。单独的故障数据具有偶发性,使得基于此数据进行的结垢故障分析有一定
6、的局限性。而汽轮机设备造价很高,系统复杂,几乎不可能通过搭建实验台来进行故障模拟。因此建立计算机仿真平台就成为非常重要的一项任务。MATLAB中的Simscape仿真系统提供了丰富的物理模块及仿真方法,能够对现实情况下的复杂物理现象直接进行仿真,相比于Simulink的收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 9修订日期:2 0 2 3-0 6-12作者简介:梁孝驰(1991一),男,毕业于重庆大学,本科,工程师,现从事汽轮机热力及系统设计工作。190文献标志码:Adoi:10.13707/ki.31-1922/th.2023.03.005纯信号仿真有更大的实践意义。其中的燃气轮机模块在重型燃气轮
7、机等设备的仿真平台搭建方面已经有较多的应用1-2 。Simscape 同样也集成了朗肯循环条件下的汽轮机系统的仿真模型样例,但该模型功率较小,部分组件数学模型不适用,结构与实际不一致,缺少可以植入故障状态的参量。为了解决上述问题,本文采用Simscape方法重新进行模型的构建,旨在为后续结垢故障的检测研究提供工具。1系统结构说明本文基于Simscape中的朗肯循环模型,根据电厂提供的实际运行机组的结构和结垢故障参数3,主要构建了额定功率为50 MW的垃圾发电基于Simscape的工业汽轮机建模与结垢故障的仿真汽轮机系统。为了简化模型,提升计算速率,该模型中的汽轮机并不拆分为单级的形式,而是根据
8、抽汽口将汽轮机分为4个级组。本次建模无再热器模块。第2 级组和第3级组汽轮机之间设有抽汽支路至除氧器,第3级组和第4级组之间设有抽汽支路至预热器(低加)。主蒸汽从锅炉流出,经节流阀通至汽轮机,在汽轮机内膨胀做功后经凝汽器转变为凝结水,经水泵加压送至预热器,预加热后流经除氧器与抽汽混合,再由另一水泵抽送至锅炉。2系统建模与验证Simscape中内置有汽轮机通用模块库,包含了汽轮机相关模块、换热器模块以及相关传感器模块等,可采用这些模块进行基本朗肯循环的搭建。但部分模块与工程实际有所不同,因此需要对模块进行重建。2.1透平模块重建在原有透平模块中,采用Stodola椭圆公式计算汽轮机非设计工况下流
9、量与进出口压力之间的关系。对于汽轮机单级,流量系数和进出口压比存在如下Stodola椭圆等效原则4:2PBPSc式中:为流量系数;PB为单级透平出口压力;P为人口压力;Sc为Stodola椭圆公式常数,可由设计工况下的进出口压力和流量算出。本文所划分的4个汽轮机级组,每个级组包含多个汽轮机级。对于单个级组而言,采用Stodola椭圆等效公式并不合适,应采用弗留格尔公式对变工况条件下级组前后压力与流量的关系进行改写5 SPAnUnS.GP.UAnC.SPAnUAnS.VPAAVA-P,XaX1式中:G为通过级组的蒸汽质量流量;S为级组平均面积;p为压力;u为比体积;X为排汽与进汽压力之比;下标n
10、、A、B分别表示额定工况、进口参数、出口参数。热力透平2.2除氧器模块建立除氧器及其回热抽汽回路的作用是让抽汽与给水混合,将给水加热到除氧器对应工作压力下的饱和温度,除去溶解于给水的氧及其他气体,减轻锅炉给水管、省煤器和其他附属设备的腐蚀。运行中除氧器也需保持一定的液位,才能使抽汽与给水充分混合。因此除氧器是两进一出,同时能够输出内部液位值的定容容器。为实现除氧器的功能,在原朗肯循环元件库中SaturatedFluidChamber元件的基础上定义1个新元件three_port_Saturated Fluid Chamber,增加1个饱和液体端口C,如图1所示。模块端口为A、B、C 和H,A为
11、饱和蒸汽端口,B、C 为饱和液体端口,H为与外界热交换端口。L指示除氧器内液体容积比。AC端口定义nodes中需增加语句:C=foundation.two_phase_fluid.two_phase_fluid。(1)在参数中需增加C口的面积和液位限制:A。=0.0 1(m),Lmin=0.01,Lmx=0.99。在变量配置中需增加液位初始值:L=0.5。除氧器内部变量需给定C口的初始质量流量以及能量流率:m。=0(k g/s),e。=0(k W)。在主程序代码中需对质量平衡以及C口的对流进行修改:C.=P。,_dm=ma+m,+me,conv_c.m=me,conv_c.e=ee,conv_
12、c.ht,=ulia+POvia+Vig lVigl(m/A.)/2。XABIn图2 稳压阀模型结构示意2.4锅炉模块由于此次建模主要分析汽轮机及其辅助系统,并不对锅炉及其系统的内核进行研究,且工业汽轮机主汽多采用母管制,因此为简化模型,减少干扰项,将锅炉简化为1个固定温度、压力的无限汽源和1个无限容量的水箱,其结构示意如图3 所示。OutIn蒸汽出口蒸汽出口参数基于Simscape 的工业汽轮机建模与结垢故障的仿真器补人。除氧器及其补水模块结构如图6 所示。Out6.94_dearator止回阀图5工业抽汽模块结构AOpumping.gas mdot流量6.998压力1.798InOutIn
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