一种船用核汽轮机组变工况仿真方法

本发明涉及船用核汽轮机级组变工况数值计算，特别是涉及一种船用核汽轮机组变工况仿真方法。

背景技术：

1、汽轮机又名“蒸汽透平”，是以水蒸气为工质，将热能转变为机械能的高速旋转式原动机。船用核汽轮机具有运行工况复杂、高机动性等特点，常处于非设计工况。汽轮机在变工况条件下工作时，沿流通部分各级的蒸汽流量、喷嘴前后工质的温度、压力及湿度将偏离设计值，使各部件的受力情况、效率、出力、热应力发生变化。因此变工况热力计算成为了解机组运行情况、预测设备变化效果的重要手段。开展船用核汽轮机变工况的热力计算工作，获取汽轮机内各级状态参数对保证汽轮机安全可靠和经济运行具有重要意义。

2、当前汽轮机的模型大多基于集总参数法，使用弗留格尔公式对汽轮机进行变工况计算。然而弗留格尔公式大部分论述都进行了假定，有计算精度较低的缺点，无法展现汽轮机内部的物理过程。同时，原有的湿气损失基于简单的baumann系数进行计算，无法揭示湿气损失的原理，与汽轮机的真实物理过程具有较大区别，会对模拟结果的准确性产生不可忽视的影响。本模型根据汽轮机级的工作过程，对湿气损失进行合理计算，依据速度三角形法建立核汽轮机的变工况计算机理模型。模型仅需要少量运行参数，可简便快速进行变工况计算。

技术实现思路

1、为了解决上述背景中的技术存在的问题，本发明提供了一种船用核汽轮机组变工况仿真方法，仅需要少量运行参数，能够更加真实地反映变工况时汽轮机内各级的详细数据，可保证机组的安全可靠和经济运行。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种船用核汽轮机组变工况仿真方法，包括：

4、s1、获取核汽轮机的运行参数；

5、s2、基于所述核汽轮机的运行参数，获取核汽轮机的结构参数；

6、s3、利用步骤s2计算得到的结构参数，使用速度三角形法倒序和顺序计算所述核汽轮机热力学参数的分布情况，获取wilson点湿度，根据所述wilson点湿度判断得到核汽轮机的凝结情况；

7、s4、根据s3得到的分布情况中的汽轮机入口参数并与步骤s1的运行参数判断第三误差条件，获取核汽轮机热力学参数分布并对步骤s3重新计算，修正湿气损失成分及热力学参数分布情况，获取核汽轮机的最新凝结情况。

8、可选地，获取所述核汽轮机的结构参数包括：

9、s2.1、设置核汽轮机第一级的喷管出口压力，根据所述喷管出口压力依据热力过程线，获取喷管出口速度，基于所述喷管出口速度，获取喷管出口面积，根据第一级入口参数，即所述汽轮机入口参数获取喷管临界流量；

10、s2.2、根据所述喷管临界流量与彭台门系数，获取喷管实际流量，判断所述喷管实际流量与已知实际流量是否相等，若相等，则输出根据所述喷管出口压力，获取的喷管出口面积，若不相等，则改变所述喷管出口压力，重复步骤s2.1，直至所述喷管实际流量与已知实际流量相等，输出根据改变后的喷管出口压力，获取喷管出口面积；

11、s2.3、设置所述喷管出口面积与动叶出口面积的面积比例，根据所述面积比例与所述喷管出口面积，获取动叶出口面积。

12、可选地，获取动叶出口面积后包括：

13、s2.3.1、设置第一核汽轮机级数的动叶出口压力，基于所述动叶出口压力和所述动叶出口面积，获取动叶实际流量；

14、s2.3.2、判断所述动叶实际流量与已知实际流量是否相等，若相等，则输出动叶出口压力，若不相等，则改变所述动叶出口压力，重复步骤s2.3.1，直至所述动叶实际流量与已知实际流量相等，输出改变后的动叶出口压力；

15、s2.3.3、判断步骤s2.3.2所获取的动叶出口压力是否符合第一误差条件，若符合第一误差条件，则获取当前核汽轮机的级数，若不符合第一误差条件，则改变核汽轮机的级数，以当前动叶出口压力作为喷管入口压力并重复步骤s2，直至符合所述第一误差，获取改变后的核汽轮机的级数；

16、s2.3.4、基于步骤s2.3.3所获取的核汽轮机的级数，确定核汽轮机末级的动叶出口压力是否符合第二误差条件，若符合所述第二误差条件，则输出所述核汽轮机的结构参数，若不符合所述第二误差条件，则改变动叶出口面积和平均直径，重复步骤s2，直至符合所述第二误差，获取改变后的核汽轮机的结构参数；

17、其中，步骤s2.3.4所获取的核汽轮机的结构参数包括：核汽轮机的级数、各级喷管和动叶的出口面积、各级平均直径以及各级喷嘴和动叶的进、出口角。

18、可选地，设置所述第一误差条件的方法为：

19、pout-pop|/pop＜0.2

20、设置所述第二误差条件的方法为：

21、pout-pop|/pop＜0.05

22、其中，pout为动叶出口压力，pop为已知的排汽压力。

23、可选地，根据所述wilson点湿度判断得到核汽轮机的凝结情况包括：

24、s3.1、设置核汽轮机末级的各项损失数值和排汽焓，基于所述各项损失数值、所述排汽焓以及所述核汽轮机的结构参数，获取动叶出口速度，并建立动叶出口的速度三角形；所述各项损失数值包括：叶轮摩擦损失、叶高损失、漏气损失、湿气损失、撞击损失及余速损失；

25、s3.2、判断所述动叶出口是否超临界，若为亚临界，则步骤s3.1计算的动叶出口速度为实际速度，不进行修改，得到动叶出口各项参数；若为超临界，则设置超临界状态下的动叶入口参数，将热力过程线性化，利用二分法计算速度临界点的位置，基于所述速度临界点的位置，获取动叶出口速度，根据所述动叶出口速度，设置动叶进口相对速度；

26、s3.3、判断步骤s3.2获取的动叶进口相对速度与喷管出口相对速度是否相同，若相同，则利用速度三角形法顺序计算所述核汽轮机的所有损失项，若不相同，则改变步骤s3.2获取的动叶进口相对速度，直至步骤s3.2获取的动叶进口相对速度与喷管出口相对速度相同，进一步利用速度三角形法顺序计算所述核汽轮机的所有损失项。

27、可选地，获取所述wilson点湿度的方法为：

28、

29、

30、

31、

32、其中，y为湿度；t为蒸汽流至wilson点处的时间；t为温度；ma为马赫数；γ为比热容比；tf为引入的常数，具有温度量纲；cp为定压比热容；hlg为潜热。

33、可选地，确定所述wilson点湿度后包括：

34、根据所获取的wilson点的湿度判断喷管是否发生凝结，若喷管出口湿度小于wilson点的湿度，则认为不发生凝结，湿气损失由过饱和损失组成；若喷管出口湿度大于wilson点的湿度，则认为发生凝结，湿气损失由过饱和损失和凝结损失组成。

35、可选地，顺序计算所述核汽轮机的所有损失项后包括：

36、判断所述所有损失项与预设的各项损失值是否符合误差条件，若符合误差条件，则继续进行上游级的计算，即重复步骤s3.1-s3.3，直至完成汽轮机入口处第一级的计算，并判断基准点是否符合第三误差条件；若不符合误差条件，则替换损失预设的各项损失值，重复步骤s3.1-s3.3，直至符合误差条件。

37、可选地，判断基准点是否符合第三误差条件包括：

38、通过重复s3，完成一系列汽轮机级的计算，获取核汽轮机第一级的实际喷管入口压力及焓值，判断设置的汽轮机运行参数中的入口焓与所述实际喷管入口焓是否符合所述第三误差条件，若符合所述第三误差条件，则获取核汽轮机的最新凝结情况，若不符合所述第三误差条件，则改变预设的末级出口焓值，重复步骤s3，直至符合所述第三误差条件；

39、其中，所述第三误差条件包括：

40、|hin-hip|/hip＜0.002

41、其中，hin第一核汽轮机级的实际喷管入口焓为，hip为汽轮机运行参数中的入口焓。

42、可选地，获取所述核汽轮机的最新凝结情况包括：

43、判断当前级数的核汽轮机是否发生凝结，若所述当前级数的核汽轮机发生凝结，则湿气损失中加入动力学损失，重复步骤s3，直至若干次重复中发生凝结的位置均重合，结束重复，获取所述核汽轮机的最新凝结情况；若所述当前级数的核汽轮机不发生凝结，则在当前级的湿气损失中不加入动力学损失，若所述当前级数的核汽轮机还不发生凝结，则重复步骤s3，直至若干次重复中发生凝结的位置均重合，结束重复，获取所述核汽轮机的最新凝结情况。

44、本发明的有益效果为：

45、本发明可以依靠少量运行数据对汽轮机工作过程中的各种运行参数进行仿真，依据汽轮机工作过程的机理，对湿气损失进行详细计算，考虑了不同类型的物理过程对湿气损失的影响，揭示不同条件下汽轮机的工作情况，反映不同设计参数及运行参数对汽轮机效率的影响，可用于模拟汽轮机的工作过程及优化汽轮机结构以提高工作效率。