论文总字数：34049字

摘 要

为了提高汽轮机变工况运行的热经济性，研究机组滑压优化运行方式意义重大。本文针对不同循环水入口温度下的滑压曲线进行研究，主要内容如下：分析了汽轮机三大子系统的工作原理；建立了汽轮机系统的仿真模型，并利用机组的设计参数对模型的正确性和精度进行验证；借助所建模型进行了N600-24.2/566/566型汽轮机的仿真研究，仿真结果表明：循环水进口温度发生变化时，机组的最优滑压曲线必然与厂家提供的运行曲线存在不同程度的偏离；基于MATLAB/GUI开发了人机交互界面，通过该界面用户既能设置输入参数，又能直观的看到其它未知参数的计算结果，还能绘制多种曲线。

关键词：汽轮机，优化运行，滑压曲线，仿真模型，仿真研究

Optimal Operation Model and Simulation Calculation

of Steam Turbine

Abstract

In order to improve the operation efficiency of steam turbines in variable conditions, the research of the operation mode of the unit sliding pressure is of great significance. and the main contents are as follows. Firstly, analysis is employed on the working principle of steam turbine. Then, the simulation model of the steam turbine system is established, and the correctness and accuracy of the model are verified by the design parameters of the turbine. Next, simulation of N600-24.2/566/566 unit is carried on, the simulation results show that the optimal sliding pressure curve of the unit will inevitably deviate from the operation curve of the manufacturer when the inlet temperature changes. Finally, generating the using interface of turbine model by using Graphical User Interface Development Environment（GUIDE）provided by MATLAB. The model can set parameters, realize visualized calculation of common data and heat economy targets of turbine and curve drawing.

Keywords：steam turbine, optimized operation, sliding pressure curve, simulation model,

simulation study

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 选题背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 汽轮机建模及优化运行的研究 1

1.2.2 仿真支撑系统研究现状 1

1.2.3热力系统计算模型及模块化建模思想与方法 2

1.3 本文主要工作 2

第二章 汽轮机系统的机理分析和简化 3

2.1 引言 3

2.2 汽轮机本体 3

2.2.1 汽机本体级组划分 3

2.2.2 各级组压力与流量的关系 4

2.2.3 变工况时各级比焓降的变化 4

2.3 给水回热系统 4

2.3.1 回热系统的组成 5

2.3.2 回热加热器的热力计算 5

2.4 凝汽系统 5

2.4.1 凝汽器内压力的确定 6

第三章 汽轮机系统建模 8

3.1 引言 8

3.2 汽轮机本体的模型 8

3.2.1 调节级的数学及仿真模型 8

3.2.2 压力级的数学及仿真模型 11

3.2.2.2 压力级仿真结果 12

3.3 给水回热系统的模型 12

3.3.1 回热系统的数学模型 12

3.3.2 回热系统的仿真模型 14

3.3.3 辅助汽水及热量的处理方法 16

3.4 凝汽器的模型 17

3.4.1 凝汽器的数学建模思路 17

3.4.2 凝汽器的仿真模型 17

3.5 汽轮机各子系统模型的对接 18

第四章 汽轮机仿真模型的应用 21

4.1 引言 21

4.2 仿真模型的基本功能 21

4.3 机组最优运行初压的研究 23

4.3.1 可行的主蒸汽压力区间 23

4.3.2 工况的定义 24

4.3.3 测试工况点 24

4.3.4 仿真测试中各种工况的实现 24

4.3.5 最优运行初压 25

4.4 最优初压研究应用实例 25

4.4.1 机组不同条件下的最优初压 25

4.4.2 机组滑压曲线 27

4.5 结语 29

第五章 汽轮机模型用户界面 30

5.1 引言 30

5.2 汽轮机模型界面设计 30

5.2.1 GUI窗口的布局 30

5.2.2 GUI中控件的属性设置 31

5.2.3 GUI界面功能的实现 32

5.3 汽轮机用户界面的使用 33

第六章 总结与展望 35

6.1 总结 35

6.2 展望 35

致谢 36

参考文献 37

第一章 绪 论

1.1 选题背景和意义

自改革开放以来，我国电力工业发展迅猛，总规模已居世界首位，基本实现了电能的供需平衡。在电网容量和用电需求与日俱增的同时，用电结构悄然变化，电网负荷峰谷差逐渐增大，已由原来的20%上升到40%左右，高参数大容量机组参与电网调峰已成为不可避免的事实。电能供需矛盾的缓和使得火电机组的年平均运行时间在逐年缩短，运行在低负荷段的时间相对增加。一般情况下，火电机组在设计工况下具有较高的热经济性，偏离设计工况的变负荷运行势必导致其效率降低。如何在以机组安全为前提的情况下尽可能保证机组变负荷运行的经济性是电企亟待解决的问题。进入新世纪以来，煤炭等自然资源日益消耗、环境日趋恶化，为了保证经济的稳定和可持续发展，节能减排势在必行。寻求机组的优化运行方案无疑是解决机组变负荷调峰以及实现节能减排的可行方法，针对大容量火电机组优化运行的研究和相关技术改造问题的探索越来越受到人们的重视。汽轮机是火电厂三大主机之一，其工作状况将直接对整个机组的热经济性、安全性及可靠性产生影响。为了全面、可靠地研究电厂汽轮机的经济运行方式，建立完整的汽机模型十分必要、意义重大。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 汽轮机建模及优化运行的研究

建立合理准确的汽机模型有助于实时预测掌握机组全工况运行的各参数变化，并具有成本低、安全性高的优点，国内外已有很多专家学者做了大量的有关汽轮机建模及优化运行的研究工作，且取得了一些成果。文献[1]介绍了研究机组短期动态特性的汽轮机模型，文中详细描述了简化模型的具体物理意义，通俗易懂，至今仍被很多电力系统仿真软件沿用。此后，文献[2]在文献[1]的基础上加入了锅炉的影响并添加了一些专门的速度控制逻辑。文献[3]提出了一种参数识别方法，即仅仅依靠热平衡数据获取汽轮机模型参数。文献[4]则建立了可用于进行汽轮机长期动态特性研究的模型。为了合理地反映长期动态过程中回热抽汽质量流量、压力、比焓等随汽轮机功率、锅炉压力、给水流量的变化规律，文献[5]建立了汽轮机本体及其回热系统全面、简化的数学模型，该数学模型能较为准确、全面、直观地反映长期动态过程中抽气量、机组负荷、回热系统加热器蓄热量之间的相互作用关系，以便更好地满足汽机进行长期动态特性研究的需要。

汽机模型逐渐成为寻求汽机优化运行方式的重要基础。例如，文献[6]以万有引力搜索算法及最小二乘回归算法为基础建立了汽机系统动态预测模型，可在线确定汽轮机变工况运行时的最优初压。文献[7]在热力计算的基础上，利用遗传算法来搜索汽轮机调峰运行时的最优初压。文献[8]以BP神经网络技术为基础对采用复合滑压方式运行的机组进行寻优。

1.2.2 仿真支撑系统研究现状

随着计算机技术和仿真技术的飞速发展，仿真系统的开发也逐步发展壮大。仿真系统平台具有自动建模、模型调试、分析以及二次开发等功能。在国外，仿真支撑软件主要S3 软件、Modelica／Dymola 仿真软件、SACDA 软件、MMS 软件、NLOOP 软件、ROSE 软件、APROS软件^[9],这些软件均由欧美等国的研究所或公司从最底层开发测试。在国内仿真支撑平台有ASCA 软件、GNET 软件、PROSIMS 软件等^[10]。MATLAB/simulink 能够支持各种动态系统的建模，用户可根据自身需要选择合适的模块，添加模块输出与输入间的关系算法，逐步进行系统建模，最终实现复杂系统的建模工作，在科学计算和工程应用领域被广泛使用。本文就是基于MATLAB中的simulink进行汽机模型的建立，并通过GUI建立良好的人机交互界面。

1.2.3热力系统计算模型及模块化建模思想与方法

火电厂热力系统的计算方法有常规热平衡法、循环函数法和等效焓降法。其中，常规热平衡法的实质是能量守恒，易于理解，被广泛使用，常规热平衡法可分为串联法和并联法，相较于可采用计算机编程求解的并联法，串连法计算可靠 ^[11]。采用“循环函数法”建立的通用数学模型，虽然有利于系统计算通用化的实现，但不易理解，使用范围受到限制^[12]。文献[13]结合等效焓降法和常规热平衡法推导出了火电机组热力循环系统的通用计算模型，它既能进行热力系统经济性能的定量计算，又能用于汽水流量分布计算。文献[14]中介绍的通用矩阵计算模型，因其将回热加热器换热效率以及各种辅助汽水均纳入考虑范畴，对辅助汽水系统、外加热量等进行了灵活处理，所以模型的通用性得到拓展。

综上所述，用于火电机组热力系统优化设计计算和经济性分析计算的模型已经较为成熟。但是，这些模型大多不能直接体现同一负荷在采取定压、滑压或复合滑压不同运行方式的区别，也就不能体现如调门开度、主汽压力、冷却水温度等参数的变化对汽轮机组热经济性的影响。针对这一问题，本文将在对实际系统进行机理分析和简化的基础上构建汽机系统整体的simulink模型，将主汽压力、冷却水温等设置为输入变量，进而应用于机组的变工况计算。

为了建立起一套能够全面分析机组热经济性的计算模型，就必须根据所研究任务的内容、要求以及汽机系统的组成特点，把汽轮机组划分成不同的子系统，进而分别进行研究和建模，即所谓的模块化建模，最后根据机组实际工作过程将各模块进行联接装配，得到整个复杂的汽轮机对象的数学模型。具体建模过程是以环节划分为基础，抓住各个环节的工作机理，根据能量守恒、质量守恒以及传热学等基本原理，用数学方程式描述出环节中各变量的联系，然后进行整合得到整体系统的数学模型。

1.3 本文主要工作

论文工作的主要目标是：建立汽轮机本体、回热系统、凝气系统的整体模型，并以此为工具对上汽N600-24.2/566/566型机组进行仿真研究，通过改变运行方式、运行初参数以及冷却水进口温度进行大量的仿真计算，得到足够的分析所需数据，进而分析探讨汽轮机优化运行的途径。

本文的技术路线是：以MATLAB为基础平台，通过合理的机理分析和简化，逐步建立汽机各系统的模型，用simulink实现仿真计算。然后利用GUI设计较好的人机交互界面，既可设置参数变化，又可计算汽机热耗、汽耗等指标，还能绘出曲线，实现所有计算参数可视化。变工况因素有蒸汽初参数、运行方式、冷却水温度等。结合设计工况的热力数据，对模型的待定系数进行修正，使仿真计算达到较高的精度。

论文完成的主要工作包括：

1. 学习汽轮机系统的工作原理及变工况运行特点，并对其进行机理分析和简化。
2. 建立汽轮机本体、回热系统以及凝汽系统的数学模型。
3. 在MATLAB环境下将上述模型整合起来成为完整的汽轮机计算模型，并为汽轮机模型设计方便使用的界面。
4. 利用已建好的汽轮机模型，对某型号超临界机组的运行特性进行仿真研究，分析汽轮机优化运行的具体途径。

第二章 汽轮机系统的机理分析和简化

2.1 引言

电站汽轮机是十分复杂的蒸汽能量转换设备，要建立起一套全面的分析计算模型，就必须了解整个系统，根据研究的任务、要求以及各部分的功能特点，将庞大复杂的汽机整体划分成不同的子系统分别进行研究和建模，最后根据整体系统的实际流程进行总体联接封装，以此来建立整个复杂对象的数学模型。因此，本文首先将汽机系统划分为汽轮机本体、回热系统、凝汽系统等子系统，就其工作机理和相关简化进行介绍说明，为下一步建模与计算奠定基础。

2.2 汽轮机本体

本文所研究的对象为上汽的N600-24.2/566/566型机组，该机组采用喷嘴配汽的超临界、一次中间再热、八级回热抽汽、单轴、三缸的凝汽式汽轮机。

图2-1 汽轮机本体结构示意图

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