增壓鍋爐與渦輪增壓機組匹配特性仿真分析

劉云生，馮永明，陳華清，劉祥源，宋漢江

(1.92537部隊，北京100161;2.哈爾濱工程大學能源與動力工程學院，黑龍江哈爾濱15001)

0 引言

增壓鍋爐裝置由增壓鍋爐和為其提供增壓助燃空氣的煙氣渦輪增壓機組組成。與常規(guī)鍋爐裝置相比，增壓鍋爐裝置在單機功率、體積、重量、經(jīng)濟性、機動性等方面占有較大優(yōu)勢，適用于大型水面艦船和偏遠地區(qū)的大型工廠電站，目前已經(jīng)在俄羅斯海軍和大型工廠的電站系統(tǒng)中得到廣泛應用。作為增壓鍋爐裝置的重要組成部分，增壓鍋爐和渦輪增壓機組的熱力耦合關系極其復雜:一方面，增壓鍋爐向渦輪增壓機組煙氣渦輪和輔助汽輪機提供的煙氣和蒸汽的熱力性能參數(shù)取決于鍋爐負荷狀態(tài)和性能;另一方面，鍋爐性能又受到煙氣渦輪和輔助汽輪機共同驅動的壓氣機的影響。煙氣渦輪增壓機組和增壓鍋爐相互聯(lián)系又相互影響，是一個有機整體。國內(nèi)在增壓鍋爐裝置研究方面研究較少，積累不多［1－6］，更缺乏從系統(tǒng)層面對增壓鍋爐和渦輪增壓機組匹配特性的深入分析。本文以船用增壓鍋爐裝置為研究對象，建立增壓鍋爐、渦輪增壓機組及相應控制系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)的仿真模型，對增壓鍋爐和渦輪增壓機組穩(wěn)動態(tài)匹配問題進行深入系統(tǒng)的仿真分析。

1 仿真模型及校驗

1.1 仿真模型及關鍵技術

渦輪增壓機組主要由壓氣機、煙氣渦輪和輔助汽輪機組成，增壓鍋爐主要由爐膛、過熱器、經(jīng)濟器等組成。上述設備或部件的數(shù)學模型都已比較成熟，限于篇幅這里不再一一列出。下面重點對部分仿真模型中需要解決的關鍵技術進行分析。本文在通用熱能動力系統(tǒng)仿真平臺SimuWorks上開發(fā)的渦輪增壓機組與增壓鍋爐協(xié)配性仿真程序組態(tài)圖如圖1所示(給水、燃油等輔助系統(tǒng)的組態(tài)圖略去)，其中鍋爐各部件、輔助汽輪機采用軟件模型庫中的模型搭建，部分鍋爐部件模型根據(jù)增壓鍋爐的特點進行了修正;壓氣機、煙氣渦輪、容積模塊等仿真模塊是在仿真平臺的基礎上利用Fortan語言2次開發(fā)得到。

圖1 渦輪增壓機組與增壓鍋爐協(xié)配性仿真程序組態(tài)圖Fig.1 Simulation program configuration figure of turbin charger and superboiler

在蒸汽動力裝置建模中，需要解決的難點之一是解算由蒸汽、水、油、煙氣等流體工質(zhì)所組成的流體網(wǎng)絡［7］。由于SimuWorks軟件模型庫中自帶的仿真模型已經(jīng)包含流體網(wǎng)絡計算功能，這就需要解決自編模塊的流體網(wǎng)絡計算問題。由于反映壓氣機容積慣性影響的容積模塊建模相對簡單，所以本文重點解決了煙氣渦輪模塊和壓氣機模塊的流體網(wǎng)絡計算問題。

蒸汽、空氣、煙氣等都是可壓縮流體，可壓縮流體支路(所謂支路就是流體流經(jīng)的一條通道)的線性化模型可由下式［7］表示:

因為1個蒸汽動力系統(tǒng)中有很多條流體支路，而不同的流體支路之間有交匯點(又稱節(jié)點)，通過交匯點的流量要符合質(zhì)量守恒方程，所以，流體網(wǎng)絡求解的本質(zhì)就是求解系統(tǒng)中所有節(jié)點按照質(zhì)量守恒方程建立起來的多個方程組，而由式(1)可見，質(zhì)量流量又取決于Rb1和Rb2。在本仿真平臺中，流體網(wǎng)絡方程組的解算由仿真平臺完成，支路特性參數(shù)需要各模塊計算。所以這里需要重點解決的就是煙氣渦輪和壓氣機的支路特性計算問題。

1)煙氣渦輪模塊

通過分析簡化，渦輪模塊的流網(wǎng)特性參數(shù)的計算式如下:

其中:GTp為渦輪流量特性曲線中的折合流量;G0為流量參考值。

根據(jù)式(2)，通過煙氣渦輪進口的壓力溫度值可以計算得到渦輪的膨脹比，根據(jù)渦輪特性圖可以通過插值獲得相應的折合流量，然后就可求得相應的Rb1值。

2)壓氣機模塊

壓氣機流體網(wǎng)絡處理的方法相對簡單，由于壓氣機的進口為外界大氣，壓力已知，因此壓氣機不參與流網(wǎng)計算，只作為一個邊界模塊(即其壓力已知)，計算壓氣機后的空氣壓力，提供給流體網(wǎng)絡，由流網(wǎng)計算出壓氣機所需要的空氣流量，然后再把這個流量直接賦給壓氣機進口。

仿真模塊運行時，各個部分間的運行關系如圖2所示，由控制系統(tǒng)控制輔助汽輪機閥門前的開度，以此來調(diào)節(jié)輔助汽輪機發(fā)出的功率，輔助汽輪機發(fā)出的功率傳遞給轉動慣量模塊，在轉動慣量模塊中，根據(jù)輔助汽輪機和煙氣渦輪機發(fā)出的功率以及壓氣機消耗的功率等關系，得到壓氣機的轉速和輔助汽輪機的轉速;壓氣機模塊根據(jù)得到的轉速和流網(wǎng)算出來的流量，通過插值得到壓氣機的壓比和效率，進一步計算出壓氣機消耗的功率，排氣溫度，最后將得到的計算值往下一級傳遞(物質(zhì)端口接容積慣性模塊，信息端口接轉動慣量模塊);容積模塊根據(jù)壓氣機的容積慣性，計算壓氣機實際出口的空氣值，然后經(jīng)壓氣機排氣管路進入鍋爐爐膛;完成鍋爐相關熱力計算后，鍋爐爐膛經(jīng)濟器出口接煙氣渦輪機，煙氣渦輪仿真模塊根據(jù)爐膛經(jīng)濟器出口的煙氣焓值、壓力、流量等，計算渦輪效率和渦輪發(fā)出的功率等，最后煙氣排入大氣，渦輪產(chǎn)生的功率信號傳遞給轉動慣量模塊。到此，整個渦輪增壓機組和增壓鍋爐包括輔助汽輪機在內(nèi)，完成整個的循環(huán)計算。

圖2 仿真計算流程圖Fig.2 Simulation calculation process

1.2 仿真模型校驗

為了準確評價仿真模型的準確性，本文將仿真值和測試數(shù)據(jù)進行了對比分析，根據(jù)對比分析結果可知，額定工況下各主要參數(shù)的仿真值與測試值相差不大;非額定工況下，燃油耗量、空氣耗量仿真值比設計值略大一些，煙氣渦輪功率增大，會導致輔助汽輪機需要功率減少，計算得到的輔助汽輪機蒸汽流量偏小?？傮w而言，所建立的仿真模型基本可信。

2 渦輪增壓機組與增壓鍋爐協(xié)配性分析

本文利用上述仿真模型，對渦輪增壓機組和增壓鍋爐進行穩(wěn)、動態(tài)仿真分析。圖3是30℃環(huán)境溫度(夏季工況)和10℃環(huán)境溫度(冬季工況)2種穩(wěn)態(tài)工況情況下，隨著鍋爐負荷變化渦輪增壓機組主要性能參數(shù)的變化規(guī)律。從圖中可以看出，無論是夏季工況還是冬季工況，輔助汽輪機始終需投入運行，即渦輪增壓機組不存在功率平衡點;其次，夏季工況，隨著鍋爐負荷增加即鍋爐空氣流量增大，壓氣機消耗的功率逐漸增大，盡管煙氣渦輪發(fā)出的功率也逐漸增大，但二者的差值逐漸增大，從而導致輔助汽輪機需補充的功率逐漸加大，在機組全工況運行時，輔助汽輪機需補充的功率達到最大值;而在冬季工況，隨著鍋爐空氣流量增大，壓氣機消耗的功率逐漸增大，但由于煙氣渦輪發(fā)出的功率逐漸增大的更快，導致二者的差值先增大后減小，即較高負荷時，輔助汽輪機需補充的功率達到最大值。實際上根據(jù)壓氣機折合流量計算公式

圖4給出了機組升工況加速過程渦輪增壓機組主要性能參數(shù)和工作參數(shù)隨鍋爐負荷變化的瞬態(tài)變化規(guī)律。由圖4～圖7可以看出，在機組加速過程中，為滿足鍋爐空氣流量的需要，壓氣機的空氣流量增大，由于系統(tǒng)超調(diào)，其間參數(shù)波動劇烈:在鍋爐參數(shù)切換過程中，壓氣機空氣流量首先急劇增大，隨后再減小并又增大，產(chǎn)生這種復雜波動的原因為加速指令使輔助汽輪機功率增大，壓氣機流量增大鍋爐負荷升高，渦輪做功能力增強，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)關小輔助汽輪機進氣閥門以避免機組超速，鍋爐達到系統(tǒng)滑參數(shù)運行的汽包壓力目標，主汽輪機調(diào)節(jié)閥門開大其消耗的蒸汽流量相對瞬時增加，輔助汽輪機的蒸汽流量減小，其做功能力下降，機組轉速下降壓氣機空氣流量減小，煙氣渦輪的做功能力下降，當機組提供的空氣不能滿足鍋爐運行的需要時，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制輔助汽輪機進氣閥門開大，機組轉速升高壓氣機空氣流量再次增大，最終機組穩(wěn)定運行，且提供滿足鍋爐需要的空氣。此外，煙氣渦輪的進口壓力、溫度、流量的變化趨勢與壓氣機的也基本一致，而且在整個鍋爐負荷渦輪增壓機組加速過程，輔助汽輪機需補充的功率遠大于穩(wěn)態(tài)工況的功率平衡計算值，而這主要是由于加速過程中煙氣渦輪發(fā)出功率滯后，機組轉子加速過程也要消耗功率造成的。這表明僅僅依靠穩(wěn)態(tài)功率平衡計算是不能準確確定渦輪增壓機組功率平衡即輔助汽輪機需補充的功率及其蒸汽消耗量的，足夠精度的動態(tài)匹配計算是渦輪增壓機組與增壓鍋爐匹配設計所必需的。

3 結語

本文重點解決了壓氣機、渦輪模塊的流體網(wǎng)絡計算與仿真平臺SimuWorks流體網(wǎng)絡計算方法的匹配問題，在仿真平臺上完成了渦輪增壓機組與增壓鍋爐二者聯(lián)合工作仿真系統(tǒng)的開發(fā)和集成，通過實驗數(shù)據(jù)驗證了仿真模型的正確性，并在此基礎上研究分析了環(huán)境溫度和鍋爐負荷變化等對增壓鍋爐與渦輪增壓機組的穩(wěn)動態(tài)匹配特性的影響，得出的結論可用于指導增壓鍋爐渦輪增壓機組的研制和試驗。

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