给水泵汽轮机建模和仿真分析 - 李海涛

第50卷第1期2008年2月

汽　轮　机　技　术TURBINETECHNOLOGY

Vol.50No.1Feb.2008

给水泵汽轮机建模和仿真分析

李海涛,宋百玲,杨　瑞

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(1哈尔滨汽轮机厂有限责任公司,哈尔滨150046,2东北林业大学交通学院,哈尔滨150040)

摘要:介绍了给水泵汽轮机的运行工作原理,分析了给水泵汽轮机的工作特点,建立了给水泵汽轮机的数学模型,

并建立了给水泵汽轮机调节回路模型和仿真模型,分析给水泵汽轮机在转速给定发生阶跃扰动时的稳定性能。关键词:给水泵汽轮机;建模;仿真;稳定性分类号:TK267　　　文献标识码:A　　　文章编号:1001-5884(2008)01-0072-02

AnalyzingoftheModelingandSimulatingfortheFeedWaterPumpTurbine

LIHai-tao,SONGBai-ling,YANGRui

(1HarbinTurbineCompanyLimited,Harbin150046,China;

2SchooloftheTraffic,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Abstract:Thispaperintroducestherunningprinciple,analysesthecharacteristicofthefeedwaterpumpturbine.Thispa-perestablishesthemathematicalmodelofthefeedwaterpumpturbine.Thispaperalsoestablishestheadjustingloopmodel

andsimulationmodelofthefeedwaterpumpturbine.Thispaperanalysesthefeedwaterpumpturbine'sstabilitytostepperturbationonthespeedassigns.Keywords:thefeedwaterpumpturbine;modeling;simulation;stability.

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0　前　言

给水泵的作用是向锅炉供水,供给锅炉的水在锅炉加热成高温高压蒸汽,高温高压蒸汽在汽轮机内膨胀做功,最后进入冷凝器再凝结成水,冷凝水被水泵再一次送入锅炉。为了提高发电厂的效率,冷凝水在进入锅炉前先被汽轮机的回热抽汽加热,称为回热系统。

锅炉的给水实际上是分两级进行的,首先由凝结水泵将冷凝水由冷凝器经低压加热器送入除氧器,其次由给水泵将水由除氧器送入锅炉。当给水泵由小汽轮机拖动时,给水流量的改变是通过改变汽轮机的转速来实现的,和采用阀门节流的方法相比,减少了节流损失,因此经济性较好。给水泵汽轮机的调节系统(包括汽轮机在内),不再是一个独立的系统,而是锅炉给水调节系统的一部分。如果把锅炉看成调节对象,给水泵看成是改变给水量的调节元件,那么汽轮机和它的调节系统就可以看成是给水调节器的执行元件。它的调节系统除了要保证本身的稳定性等基本要求以外,还必须满足锅炉给水调节系统的要求,属于随动系统。给水调节回路模型如图1所示。

给水泵汽轮机由于其特殊的运行方式,具有以下几方面的特点:

(1)给水泵汽轮机汽源一般来自大汽轮机的抽汽,当大汽轮机的功率下降时,给水流量减少,压力降低,小汽轮机的负载也相应降低;但是另一方面,小汽轮机的进汽压力也下降,小汽轮机的功率(阀门开度不变时)也随之下降,所以在

　收稿日期:2007-10-16　　　　　

　作者简介:李海涛(1975-),男,汽轮机控制,工程师。图1　给水调节回路模型

大汽轮机功率降低时,小汽轮机的进汽阀门的开度不但不关小,反而开大;

(2)当大汽轮机功率下降至某一值时,小汽轮机的阀门已开至最大,所以给水泵小汽轮机一般有两个汽源,当大汽轮机的功率低于某一值时,要把小汽轮机的汽源切换到另一个压力较高的抽汽点上去,即由低压抽汽切换到高压抽汽;

(3)给水泵小汽轮机一般不存在甩负荷问题;(4)给水泵的功率与转速近似为3次方的关系,自平衡能力强,所以调节系统稳定性比较好;

(5)工作点(转速)变化范围大,难以建立一个统一的数学模型,调节系统参数整定要照顾到所有工况,调节器的线性度要好。

1　给水泵汽轮机数学模型

汽轮机基本方程如下:

第1期

Jw李海涛等:给水泵汽轮机建模和仿真分析

dw

=PT-PpdtndxTα=x-xPTPP

dt

(1)(2)

　　73

在仿真时未考虑转速给定与大汽轮机负荷之间的内在关系。由于给水泵汽轮机工作点变化范围较大,故分别对不同的工

作点做阶跃扰动稳定性分析。

对于3组不同工作点处的阶跃扰动信号(在仿真时,转速给定信号发生阶跃的时间分别取为5s、20s,这是为了让系统自动寻求不同工作点的稳态值),仿真结果如下。

(1)转速给定从1变化到0.98:转速给定变化和汽轮机在此给定转速变化下的输出转速变化如图4、图5所示。

PHh(3)T=QT0ηT=QT0

式中,PPHT为小汽轮机功率;p为给水泵功率;0为小汽轮机进汽焓降;h0为小汽轮机进汽有效焓降。

给水泵汽轮机的汽源来自大汽轮机的抽汽,随着大汽轮机功率的改变,进汽的压力也随之改变,所以小汽轮机的进汽量QT不仅是阀门开度的函数,而且也是大汽轮机功率PA的函数[1,2]:

Q·cPZT=c1ZT2PA=kAT

h=ηH=f(P)=f(P)00TA

　　当0.8≤

(4)

(5)

PPA

≤1时,h=h=常数,A≤0.8时,h=00HPPA0A0

h(0.546+0.5680H

PA

)。PA0

给水泵的特性由泵的特性和管道的特性两部分组成:给水泵:

pp=PQTA

ηp

dv2

+c3vpdt

(6)

图4　转速给定的变化(1到0.98)

　　管道:

pp=pb+gb+m(7)

式中,ppp为泵出口压力;b为锅炉汽包压力。

2　仿真模型及仿真结果

根据对给水泵汽轮机特点及数学模型的分析,建立给水

泵汽轮机稳态运行的原理框图和Matlab仿真模型如图2、图3所示[3]。

图5　转速给定在1到0.98之间变化时给水泵

汽轮机输出转速变化

(2)转速给定从1到0.96再到0.94:转速给定变化和汽

图2　给水泵汽轮机控制原理图

轮机在此给定转速变化下的输出转速变化如图6、图7所示。

图3　给水泵汽轮机阶跃扰动下稳定性分析Matlab仿真框图

给定模型参数,输入阶跃扰动,用图3进行仿真,分析给水泵汽轮机在转速给定发生阶跃扰动时的稳定性能。

需要指出的是,由于没有建立锅炉对象及其水位调节器的模型,此处所建的仿真模型并没有构成完整的调节回路,

图6　转速给定的变化(1到0.96再到0.94)

(下转第80页)

80汽　轮　机　技　术　　

　表2　

孔径 16 19 22.6 25

图2　两种油隙的压力变化比较图

进给量

f,mm/r0.03～0.040.03～0.040.070.070.07～0.080.10～0.11

第50卷

工艺参数

切削速度

v,r/min490+410(工件)(刀具)490+300(工件)(刀具)490+140(工件)(刀具)490+110(工件)(刀具)

490178

冷却液流量

Q,L/min

8080125125180225

冷却液压力

p,MPa2.5～2.72.5～2.72.5～2.72.5～2.72.5～2.72.5～2.7

态。如图2所示。最终确定钻杆外侧进油间隙为2mm,且进油面积与排屑面积相等。

2.3　选择合理的切削参数

(1)切削用量一般v≥40m/min、f=0.05mm/r。

(2)经试验,切削速度v影响刀具寿命,当v=40m/min～60m/min时,每个钻头可加工3.5m～4m;进给量f影响切屑的形成,从而决定了切屑能否排出,当f=0.05mm/r～0.10mm/r时切削比较稳定。但实践中影响f的最大因素为钻杆的刚度和强度。根据试验,得出相应直径中心孔时切削参数如表2。

2.4　冷却液压力的选择

由于机床原设计冷却调压系统不灵敏,曾造成试切削时多次发生跑油事故,后来总结经验,应用齿轮泵最高压力<25ata的原理,只用II档规范,从而保证了加工的正常进行。(上接第73页)　　(3)转速给定从1到0.88再到0.86:转速给定变化和汽轮机在此给定转速变化下的输出转速变化如图8、图9所示。

29 38

3　结　论

通过采用BTA系统,改善了通过“钻+扩”产生的零件精度降低,机床磨损严重,加工效率低等一系列问题;通过导

向支撑块,提高了内孔的表面粗糙度;通过增加导向块的长度,降低了孔的直线性偏差;通过选择适当的泵压,使排屑能力和密封要求能够同时达到使用要求;通过选择合理的工艺参数,达到单位刀具所能加工的最大内孔深度。

图9　转速给定在1到0.88再到0.86之间变化时

给水泵汽轮机输出转速变化

图7　转速给定在1到0.96再到0.94之间变化

时给水泵汽轮机输出转速变化

3　结　论

由仿真结果可见,在阶跃扰动信号下,给水泵汽轮机转速输出能够在10s～25s的时间内达到稳态值,具有较好的稳定性,同时这一过渡时间远远小于锅炉的时间常数,完全可以满足对锅炉给水流量的变化要求。

参考文献

[1]　陈　钢,吕泽华,等.热力系统优化调度中热电联供汽轮机建

模方法研究[J].电站系统工程,2003,19(4):10-12.[2]　吕崇德.大型火电机组系统仿真与建模[M].北京:清华大学

出版社,2002.

[3]　张志涌.精通MATLAB5.3[M].北京:北京航空航天大学出

版社,2000.

图8　转速给定的变化(1到0.88再到0.86)