基于汽机流网一体化的辅助汽轮机建模与仿真

李东亮，程 刚，耿江华



基于汽机流网一体化的辅助汽轮机建模与仿真

李东亮，程 刚，耿江华

（海军工程大学装备仿真技术研究所，武汉 430033）

针对基于节点法的辅助汽轮机流体网络传统建模中，在动态过程中存在质量不平衡的问题，不能满足辅助汽轮机组变工况和故障工况特性研究的要求。本文提出了汽机流网一体化建模方法，依据质量守恒和能量守恒原理，采用可变出口导纳模拟不同背压下辅助汽轮机的流网运行情况。以某船舶汽轮燃油泵及其进出口蒸汽管网为研究对象，在MINIS环境下采用汽机流网一体化方法建立了其仿真模型。通过该方法下仿真结果与实际运行数据对比，验证了模型的准确性。仿真结果与传统模型仿真结果进行对比分析，表明了变工况和故障工况下汽机流网一体化模型具有更好的稳定性和动态适应性。

辅助汽轮机 汽机流网 一体化模型 传统模型 可变出口导纳

0 引言

在动力系统中，辅助汽轮机拖动各种泵、风机、压缩机等设备运输风、油、水等工质，直接影响整个机组的安全和经济性运行。因此，对辅助汽轮机及其管路系统建立贴切合适的模型，对研究整个机组的动态静态特性尤为重要[1]。

在辅助汽轮机及其管路系统建模过程中，一般将其抽象成流体网络，把流体的传输和瞬变问题转化成流体网络节点的压力和支路内的流量问题[4]。目前，流体网络建模方法主要包含节点法[2,3]、图形建模方法[6-7]、矩阵法[5]、键合图法[8]等。其中节点法和矩阵法是最常用的两种模块化流体网络建模方法。节点法是建立节点压力和设备各自独立的计算模块，各模块间变量相互关联并往复迭代。矩阵法是将所有节点的压力方程、流量方程列出后，用矩阵进行统一求解。

以上方法在大型火电仿真培训系统的研制工作中得到了广泛应用，但对于工况变化较为频繁且背压波动较大的船舶辅助汽轮机[9]，此方法在稳定工况和正常工况中运行良好，在变工况和故障工况中却存在动态趋势不明显和部分极限工况下趋势错误的现象，不适用特殊工况和故障工况研究。

本文基于质量守恒和能量守恒原理，提出了汽机流网一体化建模方法。在基于该方法的建模过程中，背压采用实时运行数据，设置辅助汽轮机出口导纳设为可变出口导纳，将辅助汽轮机与其所在流体网络作为一个整体进行建模。本文应用某舰船汽轮燃油泵及其进出口蒸汽管网运行数据，基于辅助汽轮机流网一体化建模原理，建立了汽轮燃油泵流网模型，并将仿真结果与实际运行数据作对比，验证模型的准确性；与传统模型仿真结果作对比，观察汽轮机流网一体化建模方法的稳定性和动态适应性。

1 模型概述

1.1 汽轮燃油泵系统

船舶汽轮燃油泵用来从燃油柜吸入燃油，然后给锅炉燃烧装置提供一定压力、一定流量的燃油，以保证锅炉装置的正常运行。汽轮燃油泵主要由汽轮原机、双螺杆螺杆泵、工况给定器、油开关、新蒸汽阀、手动启动阀、管路及附件等组成。由汽轮燃油泵汽轮原机、阀门及管路构成的蒸汽流体网络如图1所示。

图1 汽轮燃油泵系统图管

微过热蒸汽总管提供微过热蒸汽，经过油开关和手动启动阀/新蒸汽阀，进入汽轮燃油泵汽轮原机，排汽经废汽阀排至废汽总管。其中，在汽轮燃油泵启动过程中，油开关打开仅启动手动启动阀；在正常运行的过程中，手动启动阀关闭，通过调节新蒸汽阀的开度调节汽轮原机的进汽量。汽轮燃油泵通过汽轮原机的转动带动双螺杆螺杆泵转动，输送燃油。

1.2 辅助汽轮原机模型

汽轮原机模型由调节级模型和非调节级模型组成，遵循能量守恒定律和质量守恒定律。

1）调节级数学模型

调节级的流量方程为：

忽略工质的初始温度、压力的影响，汽轮机机械效率是转速和焓降的函数：

忽略汽轮机的环境散热，蒸汽在汽轮机中做功的过程可看做是一个等熵过程:

根据上述公式，可得出调节级的实际排汽焓和输出功率：

2）非调节级数学模型

1.3 流体网络模型

不可压缩流体支路的流量为：

令线性导纳:

对于可压缩流体支路的流量为：

令线性导纳：

则

在计算支路导纳时，对于可压缩和不可压缩流体时分别采用下列公式：

1）不可压缩流体

2）可压缩流体

在实际的流体管系中工质压力具有双向传播的特点，任何一处的压力或流量的波动，都会波及到整个系统。为了模拟真实情况，组成流网的任意节点压力或支路流量发生变化，也应该传播到整个网络，使系统中工质的热力参数重新分布[15]。建立流网模型通用矩阵，借助矩阵同时求解流网模型中所有节点压力和支路流量，使流网模型更真实的反映压力传播的同步双向性特点，提高整个仿真系统的动态精度。

以矩阵形式表示的流网方程为：

1.4 汽轮燃油泵仿真模型

根据汽轮燃油泵系统的蒸汽流动过程，建立对应的汽轮原机和阀门模块。对辅助汽轮机进行等效处理，将汽轮原机抽象为调节级等效阀门和非调节级等效阀门串联组成的支路。其中非调节级等效阀为进出口压力，为调节级出口压力和汽轮原机排汽压力，流量为等效阀门的汽轮机流量，其计算导纳为可变导纳。

调节级等效阀门导纳：

非调节级等效导纳：

2 仿真研究与分析

MINIS仿真软件是一款基于面向过程的模块化建模方法、可随时在线调试的软件。基于机理建模原理，在MINIS上采用节点法将汽轮原机模块计算的出口流量直接作为微小流量输入到流体网络模块中，建立汽轮燃油泵传统仿真模型。并根据汽机流网一体化建模方法搭建汽轮燃油泵一体化仿真模型。设置初始条件，包含稳态运行工况、变工况和故障工况三个初始条件，并在三个初始条件下进行仿真试验。

图2 汽轮燃油泵汽机流网一体化建模系统图

2.1 稳态运行工况

投入工况一的初始条件，观察汽轮燃油泵汽轮原机进口蒸汽压力、进口蒸汽温度、新蒸汽阀开度和汽轮燃油泵转速。并与设计值进行比较，计算各个参数的误差，如下表所示。

表1 在工况一下主要运行参数的仿真结果

由上表1可知，在工况一条件下，汽轮燃油泵主要运行参数与实际运行参数误差在3%以内，符合质量守恒定律和能量守恒定律，表明一体化模型具备较高的准确性。

2.2 变工况

机组在工况一下稳定运行，转速控制方式处于自动调节模式，在=170 s时，大幅降低汽轮燃油泵转速的设定值，观察一体化模型和传统模型下进出口流量的变化情况，并计算进出口流量的误差验证模型的动态准确性。

在=0 s~170 s时，一体化模型和传统模型进口流量波动范围小，进出口流量误差在3%以内。在=170 s~340 s期间，对比阀门的动态变化趋势，两模型进出口流量动态趋势与阀门动态变化趋势一致，一体化模型在变工况过程中误差小于10%，传统模型误差最高可达-102%。由此表明在变工况过程中，一体化模型变工况过程中动态趋势变化正确且符合质量守恒定律，传统模型动态趋势变化正确，但进出口流量误差较大。结果表明，一体化模型较传统模型在变工况过程中具备良好的动态适应性。

2.3 故障工况

机组在工况一稳定运行，转速控制方式处于手动调节模式，在=60 s时，突然开大废气总管补汽阀开度，增大废汽总管压力，后在废汽总管压力调节器的调解下，废汽总管压力恢复正常。

当废汽压力升高时，一体化模型下汽轮燃油泵转速和进口流量降低，而传统模型汽轮燃油泵转速保持稳定运行状态；当废汽压力降低时，一体化模型下汽轮燃油泵转速和进口流量升高，而传统模型汽轮燃油泵转速依然保持稳定运行状态。试验结果表明，一体化模型较传统模型在背压发生突变的故障工况中能更好的体现辅助汽轮机组的动态特性，验证了所建模型的有效性。

4 结论

本文针对船舶辅助汽轮机传统建模不能满足变工况和故障工况研究需求的问题，提出汽机流网一体化建模方法。并以某船舶汽轮燃油泵及其流体网络为研究对象，在MINIS仿真环境下，采用可变出口导纳对其进行建模研究。通过与实际运行数据作对比，验证了模型的准确性；本文研究成果提供了一种新的有效建模方法，可推广到其他辅助汽轮机中。

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Modeling and Simulation of Auxiliary Turbine Based on Integration Method of Turbine and Fluid Network

Li Dongliang, Cheng Gang, Geng Jianghua

(Institute of Naval Power Plant Simulation, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM311

A

1003-4862（2019）03-0021-05

2018-10-19

李东亮（1981-），男，讲师。研究方向：动力机械及热力系统的设计、仿真与优化。E-mail: gengjianghua@yeah.net