船舶蒸汽動力系統(tǒng)仿真研究_文獻綜述

1、哈爾濱工程大學研 究 生 文 獻 綜 述 成 績 報 告 單學號S313030026姓名史智俊指導教師宋福元專業(yè)動力工程及工程熱物理研究方向熱力系統(tǒng)仿真擬定論文題目船舶蒸汽動力系統(tǒng)仿真研究文獻閱讀時間2014年32014年10月指導教師評語文獻 綜述報告成績專業(yè)外語閱讀成績總成績參考文獻1 于文軒. 船用增壓鍋爐動力系統(tǒng)的仿真研究D. 重慶: 重慶大學, 2008. 5.2 彭敏俊.船舶核動力裝置M.原子能出版社.2008.123 李章.艦用增壓鍋爐裝置M.北京：海潮出版社,2000年.2-9.4 程剛. 艦用熱力系統(tǒng)的模塊化建模與仿真研究D. 武漢: 華中科技大學, 1999. 11.5 林

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10、Power System Dynamic SimulationJ. IEEE Transactions on Power Systems, 1999, 14(1): 209-217.21 齊治國. 船用鍋爐汽水系統(tǒng)數(shù)學建模及仿真的研究D. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2003, 02.22 范永勝, 程芳真, 眭喆, 等. 600MW超臨界直流鍋爐的動態(tài)特性研究J. 清華大學學報, 2000, 40(10): 104-107.23 田亮, 曾德良, 劉吉臻, 趙征. 簡化的330MW機組非線性動態(tài)模型J. 中國電機工程學報, 2004, 24(8): 180-184.24 田亮, 曾德良, 劉

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17、 International Conference on Mechatronics and Automation, 392-397.42 冷欣. 船用增壓鍋爐汽包水位預測控制方法研究D. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學博士論文, 2009. 9.船舶蒸汽動力系統(tǒng)仿真研究綜述1 研究背景船舶動力裝置除了能為船舶的正常航行提供動力外，還能保證船舶在錨泊和靠岸情況下所必需的各種能源，是整個船舶的核心部分 1。蒸汽動力裝置具有單機功率大、機組振動噪聲小、工作可靠性高、使用壽命長等優(yōu)點，蒸汽動力裝置至今仍有著強大的生命力2。船舶蒸汽動力裝置以蒸汽輪機作為推進主機，主要由增壓鍋爐及其他設備組成，船用增壓鍋爐具有

18、可靠性高、生命力強、耐久性好和維修方便等良好的性能，特別是重量輕、尺寸小和機動性好等特點 3。隨著船舶建造技術的進步和行業(yè)的需要，動力裝置逐漸向大容量、高參數(shù)和全自動化的方向發(fā)展，尤其是對大型船舶的動力系統(tǒng)來講，因系統(tǒng)中設備眾多、構成復雜，且彼此間相互作用、耦合，這給系統(tǒng)的設計及運行帶來了極大困難，同時也從管理、操作以及對機組運行的可靠性、經濟性等諸多方面都提出了更為嚴格的要求4。由于船舶動力系統(tǒng)使用的特殊性，傳統(tǒng)的以靜態(tài)校核計算為主的單一設計方法越來越明顯地難以保證實際生產對設備性能的要求，因此作為指導蒸汽動力系統(tǒng)設計優(yōu)化及安全運行的有效手段，動態(tài)性能仿真已成為近年來船舶動力領域研究的熱點5

19、。建立蒸汽動力系統(tǒng)仿真軟件平臺有助于管理人員對整個熱力系統(tǒng)地運行機理認識更加深刻，同時有助于從理論上優(yōu)化熱力系統(tǒng)的設計以提高其熱效率以及改善控制系統(tǒng)性能以滿足動態(tài)要求。因此對蒸汽動力系統(tǒng)動態(tài)性能的仿真研究，成為模擬實驗以及蒸汽動力系統(tǒng)優(yōu)化運行方案的有力手段。2 相關領域研究現(xiàn)狀在科學技術高度發(fā)展的今天，計算機仿真已逐漸成為大型復雜動力系統(tǒng)研制開發(fā)的有效途徑和方法，其在縮短研制周期、降低研制費用和提高技術性能等方面起到了至關重要的作用5。在交通領域6-8，多年來國內外同行一直在對各類重大運輸設備的動、靜態(tài)特性進行研究。從機車運行學分析到航海駕駛多自由度的船舶運動模型9-11，如在船舶設備中，對主

20、汽輪機帶動螺旋槳做功，以改變船舶的航速、航向等進行仿真12。仿真系統(tǒng)可以用于機組運行的仿真試驗，通過對負荷運行以及各類常見故障的模擬，來驗證或預測設備在實際工作過程中的參數(shù)響應特性，對系統(tǒng)實際運行過程或裝置結構的優(yōu)化進行輔助研究。2.1 國外研究狀況早期關于蒸汽動力系統(tǒng)仿真方面的研究主要是針對陸用電站，自上世紀60年代西方國家的相關科研人員對熱力系統(tǒng)的數(shù)學模型以及仿真算法進行了深入研究，并以實際電站作為仿真對象率先開發(fā)出了脫離現(xiàn)場的電站培訓用仿真設備。目前在工業(yè)發(fā)達國家，電廠熱力系統(tǒng)計算機仿真技術已日臻完善，并取得了一些突出的研究成果。Mello13于1991年提出了燃煤機組的簡化模型，給出了

21、簡化過程中所涉及的部分參數(shù)的推導方法，并考慮了制粉過程的動態(tài)變化以及過熱器的壓力損失對爐膛燃燒和傳熱的影響，使模型更接近實際機組。荷蘭Delft科技大學的P. Colonna和H. van Putten14,15采用集總參數(shù)和模塊化建模的方法，開發(fā)出了一種新的關于能量轉換系統(tǒng)的動態(tài)仿真軟件SimECS，在此基礎上對電廠熱力系統(tǒng)進行了動態(tài)仿真研究，仿真結果與實驗測量數(shù)據相比具有較高的精確度。E.J. Adam和J.L. Marchetti16于1999年對自然再循環(huán)水管鍋爐建立了較為復雜的動態(tài)模型，包括上升管內汽液兩相流和汽包環(huán)節(jié)中汽水分離等非線性模型，并將此類模型應用在了30MW電站鍋爐系統(tǒng)的

22、仿真試驗中，所得重要運行參數(shù)的動態(tài)仿真結果與實際值相符，為進一步研究和分析鍋爐運行時的動態(tài)特性以及控制策略的可行性提供了有利條件。為了獲得較大變化范圍內汽包水位的動態(tài)特性，K.J. strm和R.D. Bell17在采用集總參數(shù)法的基礎上，綜合系統(tǒng)辨識、機理建模和模型簡化等方法，建立了經典的汽包鍋爐水位非線性動態(tài)模型，考慮了液面下汽泡隨壓力變化而產生的膨脹和收縮現(xiàn)象對水位的影響，并給出了汽包內穿過液面蒸汽流量的經驗公式。雖然保證了動態(tài)仿真曲線與實驗曲線在趨勢上相近，但由于模型中存在著過多簡化，使得穩(wěn)態(tài)精度不是很理想。H. Kim和S. Choi18在strm的基礎上，基于質量、動量和能量守恒以

23、及一些熱力學的基本方程，進一步深化了自然循環(huán)汽包鍋爐蒸發(fā)回路的水位動態(tài)模型。模型中將汽包內的汽水混合物分成了三部分，即飽和水、液面上的蒸汽和液面下的蒸汽。其中關于液面下蒸汽量的計算考慮了蒸汽的冷凝速率以及上升速度，并認為汽包內水的表面流速為零，液面下汽泡的平均大小為一定值。仿真結果與以往文獻中應用經驗模型所得的結果相比，在精度上有所提高，不過該模型忽略了汽包內部結構對冷凝量的影響，因此仍具有一定的局限性。F.J. Gutirrez Ortiz19利用Matlab軟件對燃油火管鍋爐的煙氣側與汽水側進行了建模與仿真研究，為方便計算出各受熱面換熱量的大小，將爐膛按煙氣流程劃分成了不同的區(qū)域，并忽略了

24、金屬蓄熱的影響。該模型可以實現(xiàn)對鍋爐啟動過程、汽包水位和壓力變化的動態(tài)仿真，也可用于設計或檢測系統(tǒng)運行時的相應控制策略。M. E. Flynn和M. J. OMalley20利用Matlab/Simulink軟件對某長期運行的電站蒸汽動力系統(tǒng)進行了實時仿真研究，由于系統(tǒng)中過熱器和再熱器金屬管長的原因，建模時考慮了工質的輸運和存儲現(xiàn)象。在求解模型中的微分方程時采用了4階龍格-庫塔法，并應用實際運行數(shù)據對仿真模型進行了驗證，結果表明該模型對系統(tǒng)關鍵參數(shù)（如汽包壓力、水位、蒸汽溫度等）具有一定的預測功能。計算機仿真技術在船舶領域的應用較晚，直到20世紀80年代才作為一門較為成熟的技術，而逐漸被許多知

25、名的研究機構和公司，如英國yard公司、美國GE公司、挪威Norcontrol公司等用于船舶的論證、設計、試驗和試航等方面。目前所能查閱到的關于船舶蒸汽熱力系統(tǒng)仿真方面的國外文獻很少。為此，自主設計開發(fā)一套適用于船舶蒸汽熱力系統(tǒng)的仿真平臺，以解決用汽負荷發(fā)生大幅波動時，設備穩(wěn)定性、系統(tǒng)協(xié)調匹配性、控制方案的可行性等關鍵技術，具有很大的實際意義。2.2 國內研究狀況在國內，近十幾年來以建立火電機組仿真培訓系統(tǒng)為契機，在熱力系統(tǒng)建模與仿真方面完成了大量卓有成效的研究工作。但從總體上講，熱動力裝置模塊化建模及仿真系統(tǒng)的研究在我國還剛剛起步21。具有代表性的范永勝等人于1998年采用模塊化建模的方法建

26、立了超臨界直流鍋爐機理模型22，該模型能夠較全面地反映電站機組的各種運行工況及主要參數(shù)的變化，但由于具有相對復雜的結構和較多的參數(shù)，給機組的自動控制帶來了一定的困難。田亮，曾德良等人23,24依據基本的質量平衡、容積平衡和能量平衡關系，采用機理分析和實驗數(shù)據擬合的方法，建立了火電機組大范圍變工況運行下的簡化數(shù)學模型。結果表明，模型能夠反映機組主要參數(shù)的動態(tài)特性，具有較好的復現(xiàn)性。李斌等人25以強制循環(huán)和自然循環(huán)鍋爐為研究對象，依據質量、能量和動量守恒的原則對其建立了數(shù)學模型，針對鍋爐的啟動特性開發(fā)了一套計算機仿真程序DBSSP，該程序可以詳細的反映出鍋爐各部件的流動和熱力學特性，因程序的開發(fā)僅

27、基于設計數(shù)據，所以它可用于任何臨界、強制或自然循環(huán)鍋爐。通過對600MW強制循環(huán)鍋爐冷啟動過程的仿真與實驗研究，發(fā)現(xiàn)二者之間具有良好的一致性，從而驗證了仿真程序的正確性。該程序除了對強制循環(huán)和自然循環(huán)鍋爐在啟動過程期間的性能進行預測外，也可以被用來優(yōu)化啟動系統(tǒng)的最小啟動時間。初云濤，周懷春等人26-28在對爐膛內煙氣傳熱、工質流動等物理過程分析的基礎上，開展了電站鍋爐分布參數(shù)建模的研究，并利用實時的爐內三維溫度場以及顆粒黑度等燃燒檢測信息，提出了獨特的火焰溫度圖像檢測方法，從而創(chuàng)立了爐內燃燒三維溫度場實時可視化監(jiān)測技術。通過該技術，不但可以直接地觀察到燃燒進行的過程，而且還可以更全面的了解鍋爐

28、熱力參數(shù)的分布特性。隨著國內陸用電站仿真技術的日益成熟，計算機仿真在船舶領域的應用研究也逐步開展起來。哈爾濱工程大學、海軍工程大學和武漢理工大學等高校及科研院所都相繼從不同的側面和角度對船舶推進、動力系統(tǒng)控制設計等方面進行了深入研究，并達到了較高的水平。增壓鍋爐作為船用蒸汽動力裝置中的重要部件，其運行的可靠性和經濟性是對現(xiàn)代船用鍋爐提出的最基本的技術要求。周國義，秦健偉等人29-31通過在增壓鍋爐上安裝火焰監(jiān)測采集裝置，利用輻射圖像計算機處理技術以及輻射傳熱理論方法，對所采集的火焰輻射圖像進行分析，得到了爐內溫度分布和表征爐內燃燒強度的輻射能信號與上升管吸熱量、燃油耗量的對應關系。在此基礎上就

29、上升管吸熱量（爐膛輻射能信號）脈動對汽包水位的影響進行了仿真研究，所得結果為爐內溫度場重建、燃燒與水位控制技術優(yōu)化、在線實時監(jiān)測和故障診斷以及增壓鍋爐的設計等奠定了一定的基礎。陶虹等人32利用模塊化建模的方法，將船用鍋爐劃分為汽包、水冷壁、爐膛燃燒、對流蒸發(fā)管束以及對流受熱面等模塊，認為水冷壁和對流管束內的蒸汽干度不同，并充分考慮了蒸汽帶水以及虛假水位的影響后，采用集總參數(shù)法和一些經驗公式，對船用鍋爐的各子模塊建立了較為詳細的數(shù)學模型。所得汽水側的仿真結果與實驗值的吻合性較好、精度較高。李彥軍等人33-35以前蘇聯(lián)設計的艦用增壓鍋爐裝置為研究對象，依據煙氣側以及汽水側的工作特點，得到不同工況下的增壓鍋爐裝置熱力性能參數(shù)并總結了其變化規(guī)律。在Matlab/Simulink仿真軟件的支持環(huán)境下，對增壓鍋爐的升降負荷與啟動特性進行了動態(tài)仿真研究，為增壓鍋爐的優(yōu)化設計、運行控制以及故障診斷提供了重要的依據。馬武學36基于Thermoflex和Matlab軟件，結合增壓鍋爐動力裝置數(shù)學模型，建立了該動力裝置的仿真模型，所得仿真結果與理論計算值進行了比較分析，從而驗證了仿真模型的正確性。此外，作者還研究了變工況時增壓機組和鍋爐之間的匹配性能，并探討了提高增壓鍋爐總體性能的途徑。宋玉文37采用模塊化建模技術和集總參數(shù)方法，