蒸汽轮机发电虚拟仿真实验项目设计

田 昌, 齐梦瑶

(上海理工大学 能源与动力工程学院, 上海 200093)

火力发电是用煤、天然气等燃料燃烧产生的热能来加热水,产生高温高压蒸汽,利用蒸汽推动汽轮机,汽轮机带动发电机生产电力[1]。目前,我国火力发电量占比超过70%,是我国电力生产的主要形式[2]。提高火力发电运行效率、降低污染物排放,依然是亟待解决的题难之一。

蒸汽轮机发电实验装置结构复杂,实验装置的运行需要较长时间准备,而且实验过程存在高温、高压等危险因素,每组实验人数还要受到场地的限制。近年来,虚拟仿真技术在传统火力发电领域得到了较多的应用[3-4],虚拟仿真实验的开发与应用快速发展[5-6]。教育部于2013年起开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作,2013—2015年共批准建设了300个国家级虚拟仿真实验教学中心,在2017年开展了更具有广泛性和共享性的示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作[7-11]。本文利用LabVIEW语言、数字仿真技术,依托实体蒸汽轮机发电实验装置,设计了蒸汽轮机发电虚拟仿真实验项目。在蒸汽轮机发电实验装置运行原理的基础上,对装置的运行工况、运行参数进行数据处理,建立了工况参数数据库,对实体装置进行虚拟化建模和工况运行仿真设计,实现了硬件功能虚拟化。

1 蒸汽轮机发电实验装置

蒸汽轮机发电的基本热力学原理是朗肯循环,其工作过程是：水在锅炉中被加热变为过热蒸汽后,流入汽轮机中等熵膨胀做功,排气在冷凝器中凝结放热,凝结水经水泵加压进入锅炉,从而构成一个热力循环。

实体蒸汽轮机发电实验装置系统如图1所示,由锅炉、汽轮机、发电机、冷却塔、风机、水泵、管道及阀门构成,配备有计算机及数据采集设备。本发电实验装置利用蒸汽轮机带动发电机发电,蒸汽轮机做功的基本单元为蒸汽轮机级,由喷嘴叶片和与它相配合的动叶栅所组成。当具有一定温度和压力的蒸汽通过蒸汽轮机级时,首先在喷嘴叶栅中将蒸汽所具有的热能转变为动能,然后在动叶栅中将其动能转变为机械能,从而完成蒸汽轮机利用蒸汽热能做功的过程。蒸汽轮机带动发电机发电,发电机发出的交流电经过端子整流变为直流电。

图1 实验装置系统图

本实验装置采用管式锅炉,配有多重燃烧运行安全及系统压力保护设备,外有透明玻璃液位计显示锅炉液位。锅炉最高运行压力为827 kPa,锅炉温度不超过250 ℃,发电机最高运行功率为30 W,所发电量通过阻尼电阻消耗掉。

实验过程中,以发电机转速的稳定作为整个实验系统稳定运行的标志。当发电实验装置达到稳定运行工况后,通过调节阻尼电阻的阻值模拟发电厂实际负荷的变化,并通过调整主气阀等部件进行电厂变负荷工况调节。由于蒸汽轮机发电机组运行时各部件是联动的,因而需要通过对蒸汽阀开度与阻力电阻大小的频繁调整来维持工况稳定。在实验过程中,实验装置存在烟气较重、不易操作等问题,而虚拟仿真实验可以解决这些问题。

2 虚拟仿真实验设计

虚拟仿真实验项目采用LabVIEW语言编写,用实体实验装置的实测数据作为虚拟仿真实验项目数据库的数据。该实验采用分模块设计,实验程序共有4个模块,其中装置运行模块和工况模拟模块为核心模块,实验简介模块和思考题模块为辅助模块。利用选项卡控件实现各模块面板间的切换。

2.1 数据库设计

采集实体实验装置运行时锅炉内温度、压力等参数数据,经过多次实验,在剔除了无效实验数据后,将样本整理划分为连续的工况数据样本。对于重复部分,在对比后选取转速更稳定的数据作为拟合用的数据样本,最终数据按工况分类。

以不同的锅炉温度为划分依据,分别用整体拟合公式法、部分拟合公式法和求均值法拟合出锅炉压力、汽轮机入口压力/温度、汽轮机出口压力/温度、燃气流量、发电机转速、发电机输出电压、发电机输出电流、发电功率与锅炉温度的关系曲线图,模拟实际实验装置的运行情况。分析数据的有效性,将有效数据作为模拟仿真程序的数据库内容导入程序内，作为显示、查询的数据来源。

2.2 程序界面设计

程序界面是实验人员与实验装置交互的窗口。良好的界面设计有助于实验人员快速掌握实验装置和实验内容。本文设计的仿真实验项目的界面采用标签页方式,将前面板中的选项卡控件作为程序的主界面,每个选项卡中插入子界面作为相应程序的显示面板,然后按顺序插入每个模块的程序,添加相应的控件，进一步完善程序界面。

(1) 实验介绍界面。介绍蒸汽轮机发电的系统构成、工作原理、实验装置操作步骤、实验数据处理等内容。

(2) 装置运行界面。模拟实验发电装置开始发电至高运行参数的过程,添加与实际相一致的仪表作为显示控件。

(3) 工况模拟界面。标注出实验时蒸汽的工作路径及各工作单元的运行结构,显示出实验装置的做功循环流程,合理布置仪器仪表与参数输入区域,清晰显示运行参数和查询工况(见图2)。

2.3 程序模块设计

(1) 实验介绍模块程序设计。制作4个子界面对应的子VI,利用引用函数打开子VI,然后利用节点属性设置调用方法为运行VI,再利用事件结构触发子VI的前面板显示。事件结构的触发事件是系统列表框值改变与停止键值改变,程序流程图见图3。

(2) 装置运行模块程序设计。采用函数节点模拟和编辑各状态参数的运行变化规律,添加while循环嵌套for循环控制程序的起始与结束,其中for循环从最低发电锅炉温度166.

图2 工况模拟界面

8 ℃开始运行,至226.8 ℃结束,运行规律来自数据样本中的趋势线,装置运行程序设计如下图4所示。

图3 实验介绍程序流程图

(3) 工况模拟模块程序设计。依次利用节点属性及调用节点打开源数据,并将数据格式转换为相应的LabVIEW数据类型,并将其输入到索引数组内。以for循环体作为循环结构,利用索引数组函数和数组最大值、最小值函数对各行各列进行查找比较,得到数据库中与查询工况点最接近的一组实际运行参数,将其输出显示。

图4 装置运行程序框图

3 结语

蒸汽轮机发电虚拟实验项目能够展现蒸汽发电的工作原理、系统构成,并能模拟实体实验装置的运行特性。虚拟实验项目即可设置为独立实验项目,又可作为实体实验装置的补充,帮助学生预习。虚实结合的实验方式很好地达到预期要求,提高了学生在实验过程中的主动性和思维能力,学生普遍反映较好。