蒸汽輪機發電虛擬仿真實驗項目設計

田 昌, 齊夢瑤

(上海理工大學 能源與動力工程學院, 上海 200093)

火力發電是用煤、天然氣等燃料燃燒產生的熱能來加熱水,產生高溫高壓蒸汽,利用蒸汽推動汽輪機,汽輪機帶動發電機生產電力[1]。目前,我國火力發電量占比超過70%,是我國電力生產的主要形式[2]。提高火力發電運行效率、降低污染物排放,依然是亟待解決的題難之一。

蒸汽輪機發電實驗裝置結構復雜,實驗裝置的運行需要較長時間準備,而且實驗過程存在高溫、高壓等危險因素,每組實驗人數還要受到場地的限制。近年來,虛擬仿真技術在傳統火力發電領域得到了較多的應用[3-4],虛擬仿真實驗的開發與應用快速發展[5-6]。教育部于2013年起開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作,2013—2015年共批準建設了300個國家級虛擬仿真實驗教學中心,在2017年開展了更具有廣泛性和共享性的示范性虛擬仿真實驗教學項目建設工作[7-11]。本文利用LabVIEW語言、數字仿真技術,依托實體蒸汽輪機發電實驗裝置,設計了蒸汽輪機發電虛擬仿真實驗項目。在蒸汽輪機發電實驗裝置運行原理的基礎上,對裝置的運行工況、運行參數進行數據處理,建立了工況參數數據庫,對實體裝置進行虛擬化建模和工況運行仿真設計,實現了硬件功能虛擬化。

1 蒸汽輪機發電實驗裝置

蒸汽輪機發電的基本熱力學原理是朗肯循環,其工作過程是：水在鍋爐中被加熱變為過熱蒸汽后,流入汽輪機中等熵膨脹做功,排氣在冷凝器中凝結放熱,凝結水經水泵加壓進入鍋爐,從而構成一個熱力循環。

實體蒸汽輪機發電實驗裝置系統如圖1所示,由鍋爐、汽輪機、發電機、冷卻塔、風機、水泵、管道及閥門構成,配備有計算機及數據采集設備。本發電實驗裝置利用蒸汽輪機帶動發電機發電,蒸汽輪機做功的基本單元為蒸汽輪機級,由噴嘴葉片和與它相配合的動葉柵所組成。當具有一定溫度和壓力的蒸汽通過蒸汽輪機級時,首先在噴嘴葉柵中將蒸汽所具有的熱能轉變為動能,然后在動葉柵中將其動能轉變為機械能,從而完成蒸汽輪機利用蒸汽熱能做功的過程。蒸汽輪機帶動發電機發電,發電機發出的交流電經過端子整流變為直流電。

圖1 實驗裝置系統圖

本實驗裝置采用管式鍋爐,配有多重燃燒運行安全及系統壓力保護設備,外有透明玻璃液位計顯示鍋爐液位。鍋爐最高運行壓力為827 kPa,鍋爐溫度不超過250 ℃,發電機最高運行功率為30 W,所發電量通過阻尼電阻消耗掉。

實驗過程中,以發電機轉速的穩定作為整個實驗系統穩定運行的標志。當發電實驗裝置達到穩定運行工況后,通過調節阻尼電阻的阻值模擬發電廠實際負荷的變化,并通過調整主氣閥等部件進行電廠變負荷工況調節。由于蒸汽輪機發電機組運行時各部件是聯動的,因而需要通過對蒸汽閥開度與阻力電阻大小的頻繁調整來維持工況穩定。在實驗過程中,實驗裝置存在煙氣較重、不易操作等問題,而虛擬仿真實驗可以解決這些問題。

2 虛擬仿真實驗設計

虛擬仿真實驗項目采用LabVIEW語言編寫,用實體實驗裝置的實測數據作為虛擬仿真實驗項目數據庫的數據。該實驗采用分模塊設計,實驗程序共有4個模塊,其中裝置運行模塊和工況模擬模塊為核心模塊,實驗簡介模塊和思考題模塊為輔助模塊。利用選項卡控件實現各模塊面板間的切換。

2.1 數據庫設計

采集實體實驗裝置運行時鍋爐內溫度、壓力等參數數據,經過多次實驗,在剔除了無效實驗數據后,將樣本整理劃分為連續的工況數據樣本。對于重復部分,在對比后選取轉速更穩定的數據作為擬合用的數據樣本,最終數據按工況分類。

以不同的鍋爐溫度為劃分依據,分別用整體擬合公式法、部分擬合公式法和求均值法擬合出鍋爐壓力、汽輪機入口壓力/溫度、汽輪機出口壓力/溫度、燃氣流量、發電機轉速、發電機輸出電壓、發電機輸出電流、發電功率與鍋爐溫度的關系曲線圖,模擬實際實驗裝置的運行情況。分析數據的有效性,將有效數據作為模擬仿真程序的數據庫內容導入程序內，作為顯示、查詢的數據來源。

2.2 程序界面設計

程序界面是實驗人員與實驗裝置交互的窗口。良好的界面設計有助于實驗人員快速掌握實驗裝置和實驗內容。本文設計的仿真實驗項目的界面采用標簽頁方式,將前面板中的選項卡控件作為程序的主界面,每個選項卡中插入子界面作為相應程序的顯示面板,然后按順序插入每個模塊的程序,添加相應的控件，進一步完善程序界面。

(1) 實驗介紹界面。介紹蒸汽輪機發電的系統構成、工作原理、實驗裝置操作步驟、實驗數據處理等內容。

(2) 裝置運行界面。模擬實驗發電裝置開始發電至高運行參數的過程,添加與實際相一致的儀表作為顯示控件。

(3) 工況模擬界面。標注出實驗時蒸汽的工作路徑及各工作單元的運行結構,顯示出實驗裝置的做功循環流程,合理布置儀器儀表與參數輸入區域,清晰顯示運行參數和查詢工況(見圖2)。

2.3 程序模塊設計

(1) 實驗介紹模塊程序設計。制作4個子界面對應的子VI,利用引用函數打開子VI,然后利用節點屬性設置調用方法為運行VI,再利用事件結構觸發子VI的前面板顯示。事件結構的觸發事件是系統列表框值改變與停止鍵值改變,程序流程圖見圖3。

(2) 裝置運行模塊程序設計。采用函數節點模擬和編輯各狀態參數的運行變化規律,添加while循環嵌套for循環控制程序的起始與結束,其中for循環從最低發電鍋爐溫度166.

圖2 工況模擬界面

8 ℃開始運行,至226.8 ℃結束,運行規律來自數據樣本中的趨勢線,裝置運行程序設計如下圖4所示。

圖3 實驗介紹程序流程圖

(3) 工況模擬模塊程序設計。依次利用節點屬性及調用節點打開源數據,并將數據格式轉換為相應的LabVIEW數據類型,并將其輸入到索引數組內。以for循環體作為循環結構,利用索引數組函數和數組最大值、最小值函數對各行各列進行查找比較,得到數據庫中與查詢工況點最接近的一組實際運行參數,將其輸出顯示。

圖4 裝置運行程序框圖

3 結語

蒸汽輪機發電虛擬實驗項目能夠展現蒸汽發電的工作原理、系統構成,并能模擬實體實驗裝置的運行特性。虛擬實驗項目即可設置為獨立實驗項目,又可作為實體實驗裝置的補充,幫助學生預習。虛實結合的實驗方式很好地達到預期要求,提高了學生在實驗過程中的主動性和思維能力,學生普遍反映較好。