一种汽轮机低压通流区长叶片鼓风的多维度耦合模拟方法与流程

1.本发明属于发电领域，具体涉及一种汽轮机低压通流区长叶片鼓风的多维度耦合模拟方法。


背景技术：

2.随着可再生能源在能源结构中所占比例的逐渐提升，为解决电力系统中可再生能源的消纳问题，火电机组常常处于深度调峰运行工况中。随着火电机组负荷率降低机组进汽流量减小，工作于小容积流量工况条件下的汽轮机低压通流区域的流动形态将发生改变，气流以惰性形态被动叶扇动排挤出叶栅通道形成鼓风。鼓风摩擦现象会导致汽轮机叶栅通道局部出现高温区域，严重者将使得内缸受热变形，影响转静部件中心一致性，进而会威胁到机组的安全运行。
3.热力学建模组态分析软件目前已广泛地用于电站热力系统设计、优化、改造和运行过程。热力学建模组态分析软件通过积木式模块建模并采用一维系统参数分析计算，可以迅速设计各种方案，优化方案的参数，模拟热力系统变工况运行，计算系统一维热力参数。但这种方法无法获取热力系统设备内部，如汽轮机缸体内的三维物理场重要详细信息，将会导致计算结果出现不确定度。相对于一维热力学建模组态分析程序，计算流体动力学软件通过求解三维navier
‑
stokes粘性流动方程，可对三维几何区域内的流动传热现象进行精细的仿真计算分析。但是当系统结构与物理现象较为复杂时，计算流体动力学计算分析所需要消耗的计算量对当前的计算机的计算能力也提出了非常大的挑战。
4.综上，耦合热力学建模组态分析与计算流体动力学分析方法的多维度耦合模拟方法被开发采用，即通过热力学建模组态分析软件对蒸汽循环中的锅炉、主再热蒸汽管道、汽轮机高压缸、中压缸、低压缸、系统回热抽汽管道、高低压加热器、除氧器、给水泵、凝结水泵、凝汽器、轴封加热器等系统部件，进行建模组态并进行后续一维系统参数分析计算，获取循环基本参数，节约计算资源，并将热力学建模组态分析软件计算得出的低压缸进口及各低压区各个抽汽口处的压力、温度、流量及水蒸气热力特性参数值作为初始边界条件，提供至计算流体动力学计算分析模型，对低压缸体鼓风核心区域进行三维求解，获取该重要部件中精细的物理结果。
5.多维度准三维耦合模拟方法，既通过热力学建模组态分析软件出循环系统的变工况性能，又通过计算流体动力学分析软件同时获得重要设备中的详细物理场信息。因此，可以在汽轮机低压通流区域合理地确定小容量流量工况条件下鼓风最高温区的位置，精准地对鼓风发热温升进行评估，对保障火电机组常态化调峰运行的安全性具有重大的意义。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服上述不足，提供一种汽轮机低压通流区长叶片鼓风的多维度耦合模拟方法，既通过热力学建模组态分析软件出循环系统的变工况性能，又通过计算流体动力学分析软件同时获得重要设备中的详细物理场信息，从而对鼓风发热的位置进行
确定，使小容量流量工况条件下汽轮机低压通流区的鼓风发热温升可以得到精准的评估。
7.为了达到上述目的，
8.与现有技术相比，本发明采用了多维度准三维耦合模拟方法，既通过热力学建模组态分析软件进行一维热力计算得出了循环系统的详细的变工况性能，又通过计算流体动力学分析计算进行了三维数值仿真，同时获得重要设备中的详细物理场信息；本发明采用了系统耦合计算器，只要求在迭代计算中满足系统边界和流场边界上传递数据的收敛，计算稳定性较强，资源消耗量较小；本发明的系统模型建立方法简单，只需要在重点局部设备处建立三维复杂几何模型，而在系统其余区域可通过热力学建模组态分析软件进行积木式模块建模。
附图说明
9.图1为本发明的流程图。
具体实施方式
10.下面结合附图对本发明做进一步说明。
11.参见图1，本发明包括以下步骤：
12.步骤一，分别通过热力学建模组态分析软件及计算流体动力学分析计算软件对汽轮机热力系统进行建模；
13.步骤二，热力学建模组态分析软件通过积木式模块建模并采用一维系统参数分析计算，计算流体动力学软件通过求解三维navier
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stokes粘性流动方程，可对重点部件三维几何区域内的流动传热现象进行精细的仿真计算分析；
14.步骤三，根据所设计的汽轮机热力系统汽水热力平衡图，提供热力学建模组态分析计算所需要的初始边界条件，通过非线性方程组生成器和迭代求解器，计算得出不同工况下的汽水循环参数；
15.步骤四，将热力学建模组态分析软件计算得出热力特性参数值作为初始边界条件，提供至计算流体动力学计算分析模型进行重点区域低压缸通流计算分析；
16.步骤五，取得收敛后计算分析结果并进行后处理，进而获取低压通流区域子午面速度矢量分布、子午面温度分布、压力分布以及10～90％叶高处叶栅通道内速度矢量分布、温度分布、压力分布；
17.步骤六，重复步骤三到步骤五，完成预设的全工况的计算，实现低压通流区长叶片鼓风工况的多维度耦合计算，最终找出鼓风最高温度区间及流动稳流区，对低压通流区长叶片鼓风进行精准预测评估。
18.实施例：
19.本发明包括以下步骤：
20.步骤一、分别通过热力学建模组态分析软件及计算流体动力学分析计算软件对汽轮机热力系统进行建模，其中，采用热力学建模组态分析软件对蒸汽循环中的锅炉、主再热蒸汽管道、汽轮机高压缸、中压缸、低压缸、系统回热抽汽管道、高低压加热器、除氧器、给水泵、凝结水泵、凝汽器、轴封加热器等系统部件，进行建模组态并进行后续一维系统参数分析计算；采用计算流体动力学软件对汽轮机低压缸、低压缸区域的回热抽汽口进一步进行
三维建模并进行后续流动可视化分析计算。
21.步骤一中通过热力学建模组态分析软件进行建模的主要方法如下：
22.(1)、根据热力系统结构选用对应组件建立框架；
23.(2)、根据系统设计参数对框架模型进行参数输入；
24.(3)、输入锅炉元件参数如主蒸汽压力、主蒸汽温度、主蒸汽压损、再热蒸汽温度及再热蒸汽压损等；
25.(4)、在主蒸汽管路中增加流量边界组件并设置主蒸汽流量；
26.(5)、建立汽轮机各级组组件模型并输入各级抽汽压力及抽汽焓值；
27.(6)、在抽汽管段增设压损元件并设置压损参数；
28.(7)、在汽轮机排汽管路中增加压力边界组件并设置排汽压力；
29.(8)、在汽轮机排汽管路中增加焓值边界组件并设置排汽焓；
30.(9)、建立汽水系统中的高低压加热器组件模型并设置加热器端差；
31.(10)、建立凝汽器及循环水等冷端组件模型并设置循环水进水压力、温度及出水温度或凝汽器端差；
32.步骤一中通过计算流体动力学软件进行建模的主要方法如下：
33.(1)、根据几何图纸通过三维建模软件参照汽轮机低压缸真实通流结构，建立低压通流区域整圈多级模型，并生成模型流体计算域；
34.(2)、依据模型实际物理边界，将模型中的转静部件分别设置于静止及旋转计算域；
35.(3)、进行网格刨分，生成多块结构化网格，计算网格需满足最大长宽比小于30，正交角均在45度以上的技术要求，以保证其具有较好的正交性；
36.(4)、网格生成时通过在壁面进行网格加密，以满足y <1的要求；
37.(5)、网格生成时设置o型贴体网格位于通流级动、静叶片表面，h型网格位于主流道进出口延伸段；
38.步骤二、根据所设计的汽轮机热力系统汽水热力平衡图，提供热力学建模组态分析计算所需要的初始边界条件，并根据设计工况初始边界条件，通过非线性方程组生成器和迭代求解器，计算得出设计工况下的低压缸进口压力、温度、流量、水蒸气热力特性参数及各低压区各个抽汽口处压力、温度、流量、水蒸气热力特性参数；
39.步骤三、将热力学建模组态分析软件计算得出的低压缸进口及各低压区各个抽汽口处的压力、温度、流量及水蒸气热力特性参数值作为初始边界条件，提供至计算流体动力学计算分析模型，其中低压缸进口主流进口根据所传输的数据设置总温总压边界，低压缸排汽导流环出口设置静压边界，旋转域设置旋转速度，动静交接面设置混合面模型，其余固体壁面设置为光滑、绝热条件。
40.步骤四、计算流体动力学计算分析软件通过流动求解器数值求解湍流计算雷诺时均navier
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stokes方程组，其具体形式如下：
41.[0042][0043][0044]
式中，i和j指标取值范围为(1,2,3)；为雷诺应力。
[0045]
并引入boussinesq湍流模型假设，使湍流计算雷诺时均navier
‑
stokes方程组封闭，其具体形式如下：
[0046][0047][0048]
求解器的离散格式为高精度二阶差分格式。
[0049]
步骤五、通过计算获得取得收敛后计算分析结果并进行后处理，进而获取低压通流区域子午面速度矢量分布、子午面温度分布、压力分布以及10～90％叶高处叶栅通道内速度矢量分布、温度分布、压力分布。以及计算域中网格节点处的压力、温度以及速度值等物理量绝对值。
[0050]
步骤六，重复步骤二到步骤五，完成预设的全工况的计算，获取100％tha至5％tha工况下的计算结果，实现低压通流区长叶片鼓风工况的多维度耦合计算，最终通过对不同进汽流量工况及不同叶高位置叶栅通道的速度矢量分布、温度分布以及压力分布进行分析，找出鼓风最高温度区间及流动稳流区，对低压通流区长叶片鼓风进行精准预测评估。
[0051]
本发明提供了一种系统到局部设备的耦合仿真计算方法，通用性较强适用于多数计算流体动力学软件如cfx、numeca、fluent等。