蒸汽輪機(jī)自1884年被發(fā)明以來,使得工業(yè)世界不停地運(yùn)轉(zhuǎn)。被稱為理想發(fā)動機(jī)的蒸汽輪機(jī)之所以能夠迅速地取代蒸汽機(jī)的地位,全憑其能夠以更高的效率將熱能轉(zhuǎn)換為動能,然后再將動能轉(zhuǎn)換為電能。此外,它們的旋轉(zhuǎn)功能也成為驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電的最主要動力來源。

    蒸汽輪機(jī)目前的發(fā)電量占全球發(fā)電量的80%,而且預(yù)計將來也會保持這一良好態(tài)勢。但鑒于能源市場的不斷變化,經(jīng)濟(jì)與環(huán)境對高效率和低二氧化碳排放量需求而造成的壓力,蒸汽輪機(jī)的性能需要在設(shè)計和優(yōu)化階段進(jìn)行嚴(yán)格的審查。對制造商與發(fā)電運(yùn)營商來說,從可用能源中最大限度地掘取電力才是首要目標(biāo)。

制勝電力競賽

    現(xiàn)代蒸汽輪機(jī)相比早期蒸汽輪機(jī)面臨著更大的壓力。蒸汽輪機(jī)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)入越快,其能夠發(fā)出的電力就越多。這樣的快速啟動將給輪機(jī)帶來巨大的熱應(yīng)力,因?yàn)闇囟葧诓坏揭粋€小時的時間內(nèi)上升數(shù)百度。在過去,供電商在啟動階段總是不緊不慢,通常一次啟動可能會花上4個多小時,由此產(chǎn)生的應(yīng)力也會低得多。現(xiàn)今的發(fā)電運(yùn)營商則需要大幅縮短啟動時間來最大限度地增加發(fā)電量并提高效率。

    此外,過去的發(fā)電廠能夠長時間連續(xù)不斷地運(yùn)行,而現(xiàn)代電廠和負(fù)責(zé)驅(qū)動發(fā)電機(jī)的蒸汽輪機(jī)則需要適應(yīng)如下不斷變化的運(yùn)行條件:供應(yīng)峰值用電的發(fā)電廠需要在用電高峰時段提高輸電能力,然后回歸日常水平;燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電廠(CCPP)需要在其同時采用的燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽輪機(jī)兩種能源之間定期轉(zhuǎn)換;為可持續(xù)能源提供后備電源的發(fā)電廠需要在天氣狀況發(fā)生變化時迅速聯(lián)機(jī)。

    由于這些可變的運(yùn)行條件,瞬態(tài)事件已成為常見現(xiàn)象。非常規(guī)運(yùn)行,比如兩班制運(yùn)行或者負(fù)荷跟蹤運(yùn)行,也成為常見現(xiàn)象。瑞士Alstom Power公司項(xiàng)目經(jīng)理Andreas Ehrsam表示:“蒸汽輪機(jī)必須能夠快速啟動,并以迅速、可預(yù)測的方式對負(fù)荷變化做出積極響應(yīng),同時還應(yīng)能夠承受這些運(yùn)行條件下的內(nèi)在壓力。對于現(xiàn)代發(fā)電廠和我們的工程團(tuán)隊來說,這些都是關(guān)鍵性的技術(shù)挑戰(zhàn)。”Ehrsam同時還表示:“新一代CCPP蒸汽輪機(jī)的熱啟動目標(biāo)是不及30分鐘。”Alstom Power在設(shè)計和制造蒸汽輪機(jī)方面已有上百年的經(jīng)驗(yàn),不斷尋求能最大限度地提高渦輪機(jī)性能和發(fā)電量的途徑,一直為全球25%的發(fā)電廠供應(yīng)主要設(shè)備。

    簡單來說,蒸汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子是由成行的旋轉(zhuǎn)葉片構(gòu)成的,其能夠捕獲從葉片行間的固定噴嘴中噴出的高速蒸汽所含的能量。在蒸汽輪機(jī)運(yùn)行過程中的瞬態(tài)事件中,熱應(yīng)力的出現(xiàn)會導(dǎo)致高疲勞負(fù)荷,而且這些應(yīng)力在厚壁組件中特別明顯。與此同時,高溫下的常規(guī)運(yùn)行也會造成渦輪機(jī)承受蠕變負(fù)荷。蠕變負(fù)荷和疲勞負(fù)荷相結(jié)合,長時間地給渦輪帶來應(yīng)力,最終可導(dǎo)致裂紋的萌生和發(fā)展,從而縮短渦輪機(jī)的壽命。

啟動仿真的自動化

    Alstom Power在優(yōu)化蒸汽輪機(jī)的啟動流程已有多年的歷史。他們之所以采用Abaqus FEA,是因?yàn)槠渚哂袕?qiáng)大的熱機(jī)械模擬功能。在此之前,Alstom Power的早期優(yōu)化分析都是基于有限差分編碼和簡化的組件模型。在采用FEA后,Alstom的工程人員會首先根據(jù)一系列預(yù)定義的流程參數(shù),來推算出整個啟動仿真的瞬態(tài)熱邊界條件。隨后他們會執(zhí)行有限元分析來對這些熱邊界條件進(jìn)行驗(yàn)證。這種順序執(zhí)行的方法需要反復(fù)進(jìn)行多次(而且是費(fèi)時費(fèi)力的手工流程),才能計算出理想的流程參數(shù)。

    基于對更高的運(yùn)行靈活性和更準(zhǔn)確的建模的需要,Ehrsam的工程團(tuán)隊選擇了Abaqus的自動化功能,進(jìn)而避開了費(fèi)時的反復(fù)模擬流程。為實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的自動化,該團(tuán)隊開發(fā)出了一個能夠?qū)baqus與Alstom內(nèi)部使用Python開發(fā)的熱動態(tài)代碼相互連接的設(shè)計工具。Python是Abaqus內(nèi)核腳本界面的腳本語言。據(jù)Ehrsam稱,該解決方案“可以實(shí)現(xiàn)我們的專有代碼和Abaqus/CAE之間直接、輕松的溝通。”最終開發(fā)出的工具能夠根據(jù)實(shí)時熱應(yīng)力確定理想的瞬態(tài)熱邊界條件,并且把通過使用反饋控制算法搜索出理想的流程參數(shù)的過程給自動化。Ehrsam還補(bǔ)充道:“有了該工具可以避免進(jìn)行以前必需的大量反復(fù)手工運(yùn)算,從而實(shí)現(xiàn)了效率更高的流程。”

    該自動化仿真的操作方法如下:Abaqus調(diào)用一個子程序來將熱邊界條件應(yīng)用到渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的模型上。然后Abaqus將查詢Alstom的熱動力程序,找出第一步的熱邊界條件。在此輸入基礎(chǔ)上,由Abaqus完成熱機(jī)械分析。為了計算下一步的熱邊界條件,Abaqus將從輸出數(shù)據(jù)庫中抽取關(guān)鍵位置的實(shí)際應(yīng)力,調(diào)用控制算法來確認(rèn)理想的質(zhì)量流量,根據(jù)該信息查詢Alstom代碼以了解熱邊界條件,最終執(zhí)行熱機(jī)械分析。該計算環(huán)路會每步重復(fù),時間根據(jù)應(yīng)用從10秒到60秒不等,然后將計算得出的關(guān)鍵位置的應(yīng)力與材料的應(yīng)力限制進(jìn)行比較,同時還需確保質(zhì)量流量接近但不超過應(yīng)力限值。

自動化取代反復(fù)仿真

    為了讓該工具投入實(shí)用,Alstom Power選擇模擬蒸汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在典型的60分鐘啟動過程中的情況。他們將Abaqus用于以下多個步驟:預(yù)處理;創(chuàng)建和網(wǎng)格簡單零部件的2D模型,比如軸對稱轉(zhuǎn)子模型;使用Python腳本對自動化進(jìn)行優(yōu)化。隨后在CATIA V5中創(chuàng)建更為復(fù)雜的3D模型,然后根據(jù)應(yīng)用,使用CATIA V5 Associative Interface for Abaqus或者CATIA V5的導(dǎo)入功能完成導(dǎo)入。團(tuán)隊隨后使用Abaqus進(jìn)行模型的網(wǎng)格化,然后完成轉(zhuǎn)子的有限元分析。質(zhì)量流量控制和自動化的時間被設(shè)定為60秒。

    為啟動仿真,Ehrsam的團(tuán)隊對啟動之前組件的初始溫度分布進(jìn)行了建模。首先,渦輪機(jī)需被加速到額定速度,以與電網(wǎng)同步。隨后,在60分鐘的啟動過程中,團(tuán)隊將對負(fù)荷梯度進(jìn)行優(yōu)化,讓轉(zhuǎn)子溫度最高部分的最大應(yīng)力恰好低于轉(zhuǎn)子材料(見圖1)的材料應(yīng)力限值,直到最終實(shí)現(xiàn)基本負(fù)荷下的穩(wěn)態(tài)溫度分布(見圖2)。該自動優(yōu)化可在標(biāo)準(zhǔn)的工程PC上運(yùn)行,自動優(yōu)化的過程需要大約16分鐘。雖然早期的手工計算每次大約只需要自動優(yōu)化運(yùn)行時間的三分之一,但前者需要消耗更長的設(shè)置時間,因?yàn)樗鼈兓诘墓浪阈枰看芜\(yùn)行時進(jìn)行手工調(diào)整。

    Ehrsam表示:“該自動化流程使得我們能夠在不超出應(yīng)力限值的情況下確定最快的啟動參數(shù)和流程。”這將導(dǎo)致需要根據(jù)整體形變和熱流情況對轉(zhuǎn)子溝槽進(jìn)行調(diào)整。Ehrsam還表示:“將順序法與自動化方法相比較,使用自動化工具體現(xiàn)出可節(jié)省時間和改善精度的兩大優(yōu)勢。”使用以前的手工方法完成啟動優(yōu)化需要大約10個工作日。而采用新工具后,時間則縮短為5個工作日。Alstom Power團(tuán)隊根據(jù)以往的流程對自動化分析進(jìn)行了驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)結(jié)果數(shù)據(jù)間有著良好的一致性。

實(shí)現(xiàn)最大發(fā)電量

    流程自動化的優(yōu)勢促使Alstom Power開始測試Isight的使用,因?yàn)镮sight能夠幫助他們更加深入地進(jìn)行渦輪機(jī)設(shè)計方面的研究工作。Ehrsam稱:“在發(fā)電行業(yè),效率的微小進(jìn)步即可每年節(jié)省數(shù)百萬美元的燃料成本。”由于能夠帶來如此大規(guī)模的節(jié)省,同時使用仿真和優(yōu)化還能使渦輪機(jī)實(shí)現(xiàn)最大發(fā)電量,因此這些對于未來的發(fā)電廠來說,將具有越來越重要的意義。
 

圖1(左):在60分鐘的啟動過程中轉(zhuǎn)子模型的非定態(tài)溫度分布。圖2(右):轉(zhuǎn)子模型在基本負(fù)荷下的穩(wěn)態(tài)溫度分布。圖片經(jīng)由阿爾斯通提供