组件 6：蒸汽轮机/通用膨胀机

本主题中

组件 6：蒸汽轮机/通用膨胀机

规格

管道连接
1	蒸汽入口
2	蒸汽出口
3	中抽 1
4	中抽 2 蒸汽/无
5 (8)	轴入口轴/ "无" 如果轴入口 5 是激活的，那么要设置轴出口 8 =“无”。
6	轴出口
7	效率控制入口（H）控制入口/ 无
8	轴出口轴/ "无" 如果轴出口 8 是激活的，那么要设置轴出口 5 =“无”。

通用轴连接计算总效率 vs 静态等熵效率用户输入值用户输入值特征曲线应用物理公式结果显示示例

通用

组件6的目的是将过程流的热能/势能转换为轴的机械能。它可以应用于水（不可压缩流，水轮机），蒸汽或任何其他气体，如由气流类型定义的气体，烟气，通用流体，和两相蒸汽/液体（可压缩流，汽轮机）。因此，它是 EBSILON 中最通用的组件，通过过程流的膨胀来模拟能量转换。

组件6代表一个单一的膨胀级、一个级组或一个完整的膨胀部分的建模组件。沿着膨胀过程的任何抽取或注入都必须综合使用多个实例组件6进行建模。注入必须通过混合器加入到两个相邻组件6之间的连接过程流中。提取流可以使用端口3和4中的任意一个或两个端口来建模，这两个端口是为了方便而添加的，这样可以避免添加分流器。

轴连接

之前，组件6（汽轮机）的第二个轴端口是一个轴入口。因此，对于多个组件6，是将几个汽轮机盘串联起来，所以轴功率相加。

相反的情况（组件6的功率分布）到目前为止还不能用图形表示。然而，有一个用于计算的标志FQ（功率流），允许将其转换过来，尽管不尽人意之处是图形表示与计算不一致。

现在已经为三个组件创建了，用图形表示反向功率流。为此，添加了一个额外的轴端口：

组件6中的第8引脚作为轴出口

为了实现相应的显示，现在可将以前存在的引脚隐藏起来，新的引脚也被放置在相同的位置上。通常情况下，进口或出口都被使用，这时应将未使用的引脚隐藏。然而，作为一项规则，软件也允许同时使用两个引脚。

与以前的第二轴端口一样，也必须指定新引脚的功率。汽轮机只能计算主轴出口上的功率。

新引脚的引入实际上替代了标志 FQ 的作用。然而，出于兼容性的考虑，它仍然可用，但已经被标记为 "过时 "。此外，可以输出一个注释，指出应用的新引脚的选项。对于新的轴端口，该标志也会产生一个反向计算。

一个新的 QSHAFT 结果值在组件6中实施（也适用于组件23，58），它输出组件中产生的轴功率，不管它分布在哪个连接上，也不管哪个轴功率被添加。

计算

蒸汽轮机的计算有两个目的：（1）流量特性的确定，它描述了通流量和进口压力的相关性；（2）输出功率的确定，它通过效率模型确定为轴功率。

压力-流量特性

流量特性（入口压力作为质量流量的函数）是根据斯托多拉定律（Stodola's law）确定的，它本质上是指入口处的流量系数，如下定义

对于所有操作模式来说都是恒定的。其中 m1 = 入口流量，p1 = 入口压力，v1 = 入口比容。

在设计模式下，CF 将通过流量压力和比容的输入建立。用户有两种选择来指定入口压力：

FP1N = 0：通过参数 P1NSET 设置入口压力P1。该组件将在端口1为 P1 生成一个方程。
FP1N = 1：入口压力 P1 由外部组件定义。

出口压力 P2 总是由外部组件定义。外部组件可以是下一个膨胀级、凝汽器或组件33或46的直接输入。

P1 - 部分负荷的计算

在部分负荷下，组件6根据 Stodola 定律计算进口压力 p1 作为质量流量、出口压力及其比容的函数：

Stodola 定律的计算方法请参见：部分负荷 - 汽轮机

在"汽轮机部分负荷计算"一章中，M1N、P1N、P2N 和 V1N 分别表示设计情况下的标称值或 M1、P1、P2 和 V1 表示当前条件下的相应量。与设计情况中一样，出口压力 P2 始终由外部组件决定。

功率计算

组件6采用等熵效率模型计算膨胀过程中的焓降。

图1：简单膨胀级的焓熵图

轴上的机械能输出评估如下：

利用等熵效率可转换为：

其中 m1 = 入口流量，h1 和 h2 = 入口和出口焓值，ηis = 等熵效率。机械损失，由 QlossM 在绝对条件下定义或由 ηmech 在相对条件下定义。在设计模式下，用户通过组件33或46直接在出口流上的组件6以外设置出口焓，或者通过参数 etain 直接输入等熵效率来指定出口焓。非设计模式通过修正曲线（特征线）估计非设计效率与标称效率的关系，修正曲线将效率的变化与质量流速比、容积流速比或膨胀压力比的变化联系起来。

识别模式

以前，蒸汽轮机的识别模式可以通过特征线类型（FCHR）标志的负值来激活。然而，这不仅对用户来说很难找到，而且还有一个缺点，就是在确定结果值 ETACL 时，不知道应该使用哪种特征线类型。以前由于历史原因，ETACL 是针对特征线类型 FCHR=0（质量流量相关特征线）计算的。

与其它组件类似，FIDENT 标志也被应用于蒸汽轮机。它有以下设置：

0：不识别
1：通过指定功率输出来识别效率（如之前的 FCHR = -1）
2：通过指定出口焓来确定效率（如之前的FCHR=-2）

为了防止已有模型不可用，识别模式仍然可以通过负 FCHR 设置激活。在这种情况下，FIDENT 设置将被忽略。通过注释进行通知。

当使用 FIDENT 时，FCHR 中设置的特征线类型现在用于计算 ETACL。

从输出功率计算质量流量

可以计算外部给定的轴功率所需的蒸汽质量流量。这就可以直接模拟一个汽轮机驱动的给水泵。必须用一个控制器来协调泵的所需功率和汽轮机的输出。

这种计算模式是通过设置新的标志 FSPECQ 为1来激活，然而，它只能用于单级汽轮机。如果存在多级和抽汽，则须使用一个控制器来设置所需的功率输出。

总效率 vs 静态等熵效率用户输入值

需要注意的是，在 EBSILON 中，属性调用是在不参考过程流的流速的情况下进行的，因此，所有的流属性都是基于总焓值或滞止焓值的。基本的惯例是 EBSILON 是以总焓值为基础来进行计算。

除非对流速和进出口涡流有确切的了解，否则透平机械只能在总焓值的基础上精确地达到物理学上的平衡。过程流的总焓值和静焓值的关系如下：

图2为焓熵图中相应的膨胀线，将静态和总属性按动能的份额联系起来。

图2：组件6的焓-熵图中的总属性和静态属性

等熵效率必须前后一致地使用静态或总属性来建立。

应用于电厂测量值

在 EBSILON 性能监控的应用中，计算结果与电厂实际测量值相关联，重要的是要认识到压力和温度测量值很少以总压力和总温度测量值的形式提供，而是以静态压力和静态温度测量值的形式提供。准确地说，需要利用上述关系，将这些静态测量值转换为滞止特性。图3是利用准确的关系，显示流上的总（滞止）属性的平衡。

图3：使用正确的静态属性vs总属性的定义，围绕组件6周边的能量平衡。

然而，关于测量点流速的确切信息很少。出于实际目的，这些静态测量值经常被直接用于评估焓值，作为EBSILON的输入。图4显示了同样的平衡，使用静态测量代替总属性，输入到组件6中。

图4：使用静态测量，围绕组件6的能量平衡。

在常规应用中，组件6用于评估级组效率，而不是逐级膨胀计算，这样计算的影响力很小，特别是相对于绝对数而言。蒸汽管道和汽轮机进、出口结构的典型流速设计值在50～70m/s范围内。这对于进、出口结构来说是大致相同的，因为出口轮缘的直径与进口轮缘的直径相比要大得多。

无论是根据静态值还是总值来评估性能，其影响在数值上都是相当小的。压力和温度测量的不确定性在大多数情况下比这种不确定性要大。图5显示了一个焓-熵图，按真实比例比较两者的膨胀线，一个是基于总属性，一个是基于静态属性。这清楚地表明，影响的数量级小得可以忽略不计。

图5：焓-熵图显示了基于静态属性和总属性真实比例的膨胀线。

在上面的例子中，使用静态特性的焓降估算为350.442千焦/千克，而使用总特性的焓降估算为350.135千焦/千克，相差不到千分之一。

组件6中的总等熵效率

然而，EBSILON 为用户提供了使用 FSPEC =总等熵效率的规格来说明动能含量的影响。CKIN1 和 CKIN2'（FSPEC =1）。图6显示了使用"总等熵效率"方法，围绕组件6的能量平衡。

图6：使用静态特性和总等熵效率方法，围绕组件6的能量平衡。

如果组件6作为凝汽器前的最后一级，就必须特别注意。在这个位置，离开膨胀阶段的蒸汽速度在100到260m/s之间，在某些部分负荷情况下甚至达到了声速，对于蒸汽来说，声速在410m/s左右，相关的动能在5到80kJ/kg之间。在这种情况下，不能忽视焓的动力组件，特别是它的能量不能被汽轮机回收。它必须被视为排气损失，是通过凝汽器散失到环境中的。

如果从 DC S数据中获得足够的信息，用户可能希望对特定膨胀汽轮机的效率特性进行逆向回推。在这种情况下，建议用户切换到组件122来完成冷凝段的建模任务。组件122使用工业标准来正确修正膨胀效率，以便向湿蒸汽区域膨胀，并考虑排气和通风损失。此外，组件122还将限制末级膨胀到马赫数Mach number 等于1，这实际上构成了蒸汽轮机末级膨胀的物理极限。

多变效率

标志 FETA 允许在等熵（ETAIN）和多熵（ETAPN）效率之间切换。（ETAI和ETAP）在任何时候都会作为结果值被计算。

注意：
以前，在逻辑引脚7上使用标志 FVALETAI 切换到外部规格设定的效率只有在使用等熵效率（FETA=0）时才能实现。现在，外部规格设定也适用于多变效率（FETA=1时）。

用于控制组件属性的逻辑入口（连接点7）

（另见 : 编辑组件 --> 端口）

为了使组件属性，如效率或传热系数（变化量）可以从外部访问（用于控制或调节），可以将相应的值作为指数测量值（规格值 FIND）放在辅助管道上。在组件中，同样的指数必须作为规格值 IPS 输入。

也可以将该值放在直接连接到组件的逻辑线上（请参见 FVALETAI =2，变化变量：ETAIN, 尺寸: 焓）。这样做的好处是在图形上可见，这样就避免了出现错误（比如在复制时）。

该逻辑线的激活也可以以计算模式为条件。这样，这个功能也可以用于设计，而不必一直手动切换。
为此，标志 FVALETAI 具有以下设置功能

FVALETAI=4：在设计模式下使用逻辑线，在非设计模式下使用规格值
FVALETAI=5：在设计模式下使用规格值，在非设计模式下使用逻辑线

该选项适用于组件2、6、8、13、18、19、23、24和94。

在热交换器的情况下，这些设置选项是不必要的，因为使用逻辑线指定 KAN 只能在非设计计算中进行。在设计模式下，KAN 当然是由 Ebsilon 计算的。

用户输入值

FP1N	压力定义类型的标志如父工况（子工况为可选项）表达式 =0：根据 P1NSET 计算出 P1（根据 Stodola 方程） =1：P1 - 从外部给定
P1NSET	进气压力（标称）
FIDENT	组件识别如父工况（子工况为可选项）表达式 =0：无识别 =1：通过指定功率输出来确定效率 =2：通过具体说明指定出口焓（H2给定）来确定效率）
FETA	效率类型如父工况（子工况为可选项）表达式 =0：等熵效率 =1：多变效率
FVALETAI	等熵效率校核如父工况（子工况为可选项）表达式 =0：未经校核即使用 ETAIN / ETAPN =1：（已过时）使用通过 IPS 替代 ETAIN / ETAPN（可验证） =2：由控制进口7给定（焓值）ETAIN / ETAPN =4：设计中使用控制进口7的焓值，非设计中规格值 ETAIN / ETAPN =5：设计中使用规格值，非设计中控制进口7的焓值
ETAIN	等熵效率（标称）
ETAPN	多变化效率（标称）
IPS	伪测量点的 IPS 指数
ETAMN	ETAMN 机械效率（标称）
QLOSSM	机械损失（恒定份额），限制在5%以内（警告，如果 QLOSSM >5%："QLOSSM 太高"）
DH1LN	入口处的比动能（标称）
DH2LN	出口处的比动能（标称） = 出口损失（标称）
FQ	点5的功率流标志如父工况（子工况为可选项）表达式 =0：将功率加到 HP 侧的轴功率上 Q6 = DQ65 + Q5 =1：将功率分配到两个轴上 Q6 = DQ65 - Q5
FSPECQ	用于设定功率或质量流量的开关如父工况（子工况为可选项）表达式 =0：外部给定流量，计算功率 =1：外部给定功率，计算流量
FSPEC	效率计算类型的标志如父工况（子工况为可选项）表达式 =0：EBSILON 标准形式（不使用 CKIN1 和 CKIN2），（使用 VM1N） =1：使用总等熵效率的特殊模式（使用 CKIN1 和 CKIN2 ）对于 FSPEC=1 的进一步说明： VM1N 由 M1N 和"标称总比容"决定，而"标称总比容"反过来又是由总压力和总焓计算而来。
FCHR	特征线类型的标志如父工况（子工况为可选项）表达式 =0: ETAI/ETAIN = f(M1/M1N) =1: ETAI/ETAIN = f((P1/P2)/(P1N/P2N)) =2: ETA/ETAN = f (VM1/VM1N) = 已弃用：-1：功率定义（Q6），识别模式 = 已弃用：-2：给定焓值（H2），识别模式
FMODE	计算模式的标志 =0：全局 =1：局部非设计 =-1：局部设计
FADAPT	适配多项式 / 适配函数的标志如父工况（子工况为可选项）表达式 =0：未使用，未评估 =1：校正系数[ETAI = ETAIN * 特征线系数 * 多项式] =2：替换[ETAI = ETAIN * 多项式] =1000：未使用，但 ADAPT 被评估为 RADAPT（减少计算时间） =-1：校正系数[ETAI = ETAIN * 特征线系数 * 函数] =-2：替换[ETAI = ETAIN * 函数] =-1000：未使用，但 EADAPT 被评估为 RADAPT（减少计算时间）
EADAPT	适配函数函数 evalexpr: REAL; begin evalexpr:= 1.0; end;
A2	出口截面（用于计算出口速度，而非出口损失）
P2N	出口压力（标称）
H1N	入口总焓值（标称）
H2N	出口总焓值（标称）
T1N	入口温度（标称）
M1N	入口质量流量（标称）
VM1N	入口体积流量（标称）
VM2N	出口体积流量（标称）

标记为蓝色的数值是非设计计算参考量。在所使用的公式中，实际的非设计值参考这些量。如果识别值是流数据，那么值通常取自附属管道或计算值。

一般来说，所有的输入需要可见。通常会提供默认值。

更多关于输入域的颜色和描述的信息，请参见编辑组件\规格值。

关于设计值与非设计值以及标称值的更多信息，请参见通用\接受标称值。

特征曲线

特征线1：效率特征线

FCHR=0: ETAI/ETAIN = f(M1/M1N) =f(值)

FCHR=1: ETAI/ETAIN = f((P1/P2)/(P1N/P2N)) =f(值)

FCHR=2: ETAI/ETAIN = f (VM1/VM1N) =f(值)

特征线1：效率

     X-轴            1          值                           第一点
                        2          值                           第二点
                        .
                      N         值                           最后一点

Y-轴 1 ETAI/ETAIN 第一点
2 ETAI/ETAIN 第二点

.
N ETAI/ETAIN 最后一点

特征线2: 入口的动力学部分（特征线仅在"总等熵效率"模式时是相关的）

特征线2：入口动力学部分

     X-轴            1          VM1/VM1N               第一点
                        2          VM1/VM1N               第二点
                        .
                      N         VM1/VM1N               最后一点

Y-轴 1 DH1L/DH1LN 第一点
2 DH1L/DH1LN 第二点

.
N DH1L/DH1LN 最后一点

特征线3: 出口的动力学部分（特征线仅在"总等熵效率"模式时是相关的）

特征线3：出口动力学部分

     X-轴            1          VM2/VM2N              第一点
                        2          VM2/VM2N              第二点
                        .
                      N         VM2/VM2N               最后一点

Y-轴 1 DH2L/DH2LN 第一点
2 DH2L/DH2LN 第二点

.
N DH2L/DH2LN 最后一点

特征线4: 斯托多拉 Stodola 压力修正特征线

     X-轴           1          M1/M1N                 第一点
                        2          M1/M1N                第二点
                        .
                      N         M1/M1N                 最后一点

Y-轴 1 P1/P1_Stodola 第一点
2 P1/P1_Stodola 第二点

.
N P1/P1_Stodola 最后一点

该特征线定义了一个修正系数，根据 Stodola 的蒸汽轮机膨胀路径模型计算出的压力与之相乘。这样就使压力过程适实际电厂状态变得简单。

物理应用

方程式

设计工况仿真标志：GLOBAL = 设计工况并 FMODE = GLOBAL 当 FP1N = "P1 外部给定" 时
	P1 = P from outside (P inlet) (1)
当 FP1N = "P1N=P1NSET" 时
	P1 = P1NSET (1)

非设计工况仿真标志：GLOBAL = 非设计模式或 FMODE = 局部非设计模式当 FP1N = "P1 given from outside" 时
	P1 = P from outside (P inlet) (1)
当 FP1N = "P1N=P1NSET" 时
	根据设置根据设置理想气体还是真实气体进行 P1 计算（模型设置 -->模拟计算）并根据 Stodola 方程。参见：部分负荷 - 汽轮机

所有情况

X1 = f (P1,H1)

S1 = f (P1,H1)

V1 = f (P1,H1)

VM1 = M1 * V1

S2S = S1

H2S = f (P2,S2S)

DHS = H1 - H2S

if GLOBAL= 设计模式 and FMODE = GLOBAL, then

ETAI = ETAIN

else {

if FCHR = 0

FAK = M1/M1N

ETAI = ETAIN * f (FAK)

来自特征线

if FCHR = 1

FAK = (P1/P2)/(P1N/P2N)

ETAI = ETAIN * f (FAK)

来自特征线

if FCHR = 2

FAK = VM1/VM1N

ETAI = ETAIN * f (FAK)

来自特征线

}

Outlet 出口损失

If GLOBAL= 设计 and FMODE = GLOBAL, then

DH2L = DH2LN

else {

FAK = VM2/VM2N

DH2L = DH2LN*FAK*FAK

}

DH = DHS * ETAI

H2 = H1 - DH + DH2L

X2 = f (P2,H2)

T2 = f (P2,H2)

M1 = M2 + M3 + M4

P3 = P2

T3 = T2

H3 = H2

Q3 = M3 * H3

P4 = P2

T4 = T2

H4 = H2

Q4 = M4 * H4

M2 = M1 - M3 - M4

Q2 = M2 * H2

If FQ1 = 0, FAKT = 1

If FQ1 = 1, FAKT = -1

H6 = (M1*(H1-H2)*ETAM + M5*H5*FAKT)/M6

总等熵效率

设计工况

已知： P1_static, H1_total, (c_1N)²/2

P2_static, ETA_N, (c_2N)²/2

其中：

c₁ = 进口速度

c₂ = 出口速度

(c_1N)²/2 = DH1LN

(c_2N)²/2 = DH2LN

H1_{static =}H1_total - (c_1N)²/2

S1=f(P1_static, H1_static)

P1_total=f(H1_total ,S1)

H2_{isentropic_total}=f(S1,P2_total) xxx)

总等熵效率 :

ETA_N = H1_total - H2_total_____

H1_total - H2_{isentrop_total}

ETA_N 设计模式下给定

H2_total = H1_total - ETA_N* (H1_total-H2_{isentrop_total})

S2=f(P2_static, H2_total -(c_2N)²/2)

P2_total=f(H2_total,S2)

迭代：go to xxx)

非设计工况

已知： H1_total, (c_1N)²/2 - 特征线， M1

P2_static,h_t - 特征线，

(c_2N)²/2 - 特征线

P1_total=f(Stodola) xx)

V1_total=f(P1_total,H1_total)

迭代：go to xx)

S1=f(P1_total,H1_total)

H2_{isentrop_total} =f(S1,P2_total) xxx)

h_t 来自特征线

H2_total = H1_total - h_t* (H1_total-H2_{isentrop_total})

H2_static =H2_total -(c_2N)²/2

S2=f(P2_static, H2_static)

P2_total=f(H2_total,S2)

迭代：go to xxx)

H1_static =H1_total -(c_1N)²/2

P1_static=f(S1, H1_static)

识别模式：

对于 FCHR=-1 或 FCHR=-2，效率是倒退过来计算的。例如，如果给定功率（焓），则计算 ETAI。在这种情况下，ETAIN 和指定的特征线将被忽略。

结果

等熵效率	ETAI	-
多变效率	ETAP	-
机械效率（包括 QLOSSM）	ETAM	-
进口蒸汽含量	X1	-
出口蒸汽含量	X2	-
进口处动能	DH1L	kJ/kg
出口损失	DH2L	kJ/kg
进口处总压力	P1T	bar
出口处总压力	P2T	bar
进口处熵	S1	kJ/kgK
出口处熵	S2	kJ/kgK
进口体积流量	VM1	m3/s
出口体积流量	VM2	m3/s
出口速度	WAX	m/s
相对质量流量	M1M1N	-
相对压力比	P1P2N	-
相对体积流量	VM1VM1N	-
标称等熵效率的使用值	ETAINR	-
标称多变效率的使用值	ETAPNR	-
相对效率	ETAETAN	-
特征效率	ETACL	-
ADAPT / EADAPT 结果值	RADAPT	-
对于 FSPEC=0；用于适配性计算的虚拟 P1N	P1NST	bar
产生的机械功率	QSHAFT	kW
已过时。只从 5 和 6 产生的机械功率	DQ65	kW