（动力工程及工程热物理专业论文）船用增压锅炉动力系统的仿真研究.pdf

study on simulation of marine supercharged boiler power system a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by wen-xuan yu supervisor: prof. sheng-li tang major: power engineering and engineering thermophysics college of power engineering of chongqing university , chongqing, china. april 2008 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 增压锅炉系统是利用涡轮增压机组向炉膛输送有一定压力助燃空气的蒸汽动 力装置，具有可靠性高、运行寿命长、重量尺寸小和易维护等特点，是大型舰船 常规动力系统的发展方向。由于我国在这方面的研究还处于起步阶段，目前还没 有一套完整的舰船增压锅炉动力系统的热力计算标准，也没有相应的试验方法。 因此，对系统进行深入研究有重要意义。 本文在分析增压锅炉动力系统特点的基础上，建立了增压锅炉动力系统的整 体仿真模型，应用计算机仿真的方法，分析增压锅炉动力系统的运行特性，对增 压锅炉动力系统的控制设计和系统运行有一定参考价值。 在机理分析的基础上，结合已有的数据，采用集总参数法建立系统模型。在 建立数学模型时，根据增压锅炉各部件的特点，采用了不同的处理方法进行简化 和假设，使得所建立的数学模型能够反映增压锅炉动力系统的基本特性。 为了使所建立的数学模型更具有通用性和扩展性，引入了模块化建模的思想， 将增压锅炉动力系统划分为燃烧模块、蒸发模块、受热面模块、涡轮增压模块、 主汽轮机模块、冷凝模块、回热模块和除氧器模块。各模块之间通过能量和质量 的传递关系进行连接。数学模型的求解选用变步长四阶龙格库塔算法，利用 fortran 90 计算机语言编制仿真模型的源程序。在模型的开发过程中，采用将算法 和模型分离的方法使仿真模块具有更强的拓展性、重用性和易修改性等优点。 通过静态特性分析和典型工况的动态仿真试验，对所建的数学模型进行了验 证。仿真结果表明所建增压锅炉动力系统的整体仿真模型能够正确反映其动态特 性。虽然只建立了动力系统本体的仿真模型，但整个数学模型能够方便的加入控 制系统。 关键词：舰船，增压锅炉，动力系统，模块化，仿真 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract supercharged boiler power system is a kind of steam-power equipment which use the turbocharged units to transport combustion pressured-air for furnace, and it is the develop direction of large powered ship systems, because of high reliability, high operational life, small size and the weight of good maintainability of characteristics and so on. so it is important to study on it there is not a complete thermodynamic calculate standards fit to ships supercharged boiler power system, there are not any corresponding test methods, too. it has been proved that the computer simulation is a convenience and fast way to analyze the dynamic characteristics of the supercharged boiler steam power systems. it is valuable to build a whole mathematic model to analyze the variable condition characteristics of supercharged boiler steam power system, its purpose is provide some consult advices to develop. mathematical model is simplified and assumed by means of a suitable way, according to various parts of the system features, order to enable the establishment of models to reflect the pressurized boiler power systems basic characteristics. in order to make the mathematical model constructed by the more generic and scalability, it is divided into the combustion module, evaporation module, heating surface module, turbo module, the main turbine module, condensation module, extraction and heat recovery module and deaerator module, by modular idea. through a link by transmit energy and quality between the modules. variable step fourth order runge-kutta algorithm is chosen to solve the mathematic models, and choose fortran 90 to make a program. in the course of exploited models, algorithm is separated from the model, so that extended, reused and modified easily. order to validate the models, the static characteristics analyses and several typical running status dynamic-simulation experiments have been completed. the simulation results show that the whole simulation-model can basically reflect the dynamic characters of the supercharged boiler steam-power system. of course, it could be satisfy to the requirement of flexibility. although the simulation-model only fit to the equipment，but it be conveniently able to join the control system. keywords: marine, supercharged boiler, dynamic system, simulation. 重庆大学硕士学位论文 目录 iii 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . ii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 本文的研究背景本文的研究背景 . 1 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 . 2 1.2.1 增压锅炉研究 . 2 1.2.2 计算机仿真技术 . 3 1.2.3 增压锅炉的仿真研究 . 3 1.3 课题的研究意义课题的研究意义 . 4 1.4 本文的主要工作本文的主要工作 . 4 2 增压锅炉的热力系统及仿真对象介绍增压锅炉的热力系统及仿真对象介绍 . 6 2.1 增压锅增压锅炉的热力学特性炉的热力学特性 . 6 2.1.1 烟气工作过程分析 . 6 2.1.2 空气和烟气参数特性 . 7 2.1.3 炉膛容积热负荷同炉内压力的关系 . 12 2.1.4 燃料负荷同增压比的关系 . 14 2.1.5 不同增压比下锅炉管束内外的换热情况 . 14 2.2 仿真对象介绍仿真对象介绍 . 18 2.3 本章小结本章小结 . 20 3 系统的建模方法和数学模型系统的建模方法和数学模型 . 21 3.1 热力系统模块化建模方法热力系统模块化建模方法 . 21 3.1.1 采用模块化建模原因 . 21 3.1.2 模块化建模的基本思路 . 21 3.1.3 增压锅炉动力系统模块化的实现 . 22 3.2 增压锅炉动力系统建模分析增压锅炉动力系统建模分析 . 22 3.2.1 增压锅炉动力系统的动态特点 . 22 3.2.2 增压锅炉动力系统的建模目的 . 22 3.2.3 增压锅炉动力系统建模方法 . 23 3.3 增压锅炉动力系统的数学模型增压锅炉动力系统的数学模型 . 23 3.3.1 燃烧模块的数学模型 . 23 3.3.2 蒸发模块的数学模型 . 25 重庆大学硕士学位论文 目录 iv 3.3.3 受热面模块的数学模型 . 29 3.3.4 涡轮增压模块的数学模型 . 32 3.3.5 主汽轮机的数学模型 . 33 3.3.6 凝汽器模块的数学模型 . 34 3.3.7 回热加热模块的数学模型 . 36 3.3.8 除氧器模块的数学模型 . 37 3.4 本章小结本章小结 . 39 4 增压锅炉动力系统的仿真模型增压锅炉动力系统的仿真模型 . 40 4.1 系统的计算机仿真系统的计算机仿真 . 40 4.1.1 仿真的定义 . 40 4.1.2 仿真的实现 . 40 4.1.3 仿真步骤 . 41 4.2 程序设计语言的选取程序设计语言的选取 . 42 4.3 模型的算法模型的算法 . 42 4.3.1 算法选择原则 . 42 4.3.2 变步长四阶龙格库塔算法简介 . 44 4.4 仿真模型的建立仿真模型的建立 . 45 4.4.1 程序结构 . 45 4.4.2 水蒸气的性质计算 . 45 4.5 本章小结本章小结 . 47 5 仿真试验及结果分析仿真试验及结果分析 . 48 5.1 模型的调试模型的调试 . 48 5.1.1 单个模块的调试 . 48 5.1.2 模块的整体调试 . 48 5.2 动态仿真试验动态仿真试验 . 48 5.2.1 燃料量变化的仿真试验 . 50 5.2.2 压气机压比变化的仿真试验 . 53 5.2.3 锅炉给水变化的仿真试验 . 58 5.3 实时性验证实时性验证 . 61 5.4 本章小结本章小结 . 61 6 结论及展望结论及展望 . 62 6.1 主要结论主要结论 . 62 6.2 课题展望课题展望 . 62 致致 谢谢 . 64 重庆大学硕士学位论文 目录 v 参考文献参考文献 . 65 附附 录录 . 68 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 本文的研究背景 动力装置是船舶的核心部分，其主要任务是保证船舶在航行、锚泊和靠岸等 工况下所需要的各种动力和能源。因此它决定着船舶的航速性、机动性和续航能 力等重要技术性能。在各种船用动力中，蒸汽动力系统以功率大、造价低、技术成 熟、研制周期短、使用寿命长、运行经验丰富而具有强大的竞争力和生命力。在 发展大型水面船舶时，蒸汽动力装置成为符合我国国情的一种选择。 蒸汽动力装置以水蒸汽作为工作介质1， 在该装置中蒸汽锅炉把燃料的化学能 转变成热能、把水转变成具有一定压力和温度的蒸汽，通过主汽轮机把蒸汽的内 能转变成机械能带动轴系和螺旋桨回转做功， 进而推动船舶运动2。 为此， 主锅炉、 主汽轮机组、各种动力系统、轴系和螺旋桨等总称为主动力装置。 增压锅炉是利用压气机替代汽轮鼓风机向锅炉炉膛输送具有一定压力和较高 温度助燃空气的锅炉。炉膛中空气压力和温度的提高，使燃料在较高温度及密度 的助燃空气下燃烧，从而达到强化燃烧的目的。同样的燃料量可以在较小的炉膛 容积中完全燃烧。炉膛压力的增加使得烟气的压力也在同一水平上增加，这就使 流过受热面的烟气质量流量增加，大大促进了对流换热，而烟气的阻力增加不大。 从锅炉排出的烟气具有一定的能量(温度和压力)，可供涡轮增压机组充分利用，减 少了锅炉或动力装置所产生蒸汽能量的消耗。 船用增压锅炉一直朝着具有较高的可靠性、长运行寿命、小重量尺寸和良好 的可维护性方向发展，其中尤以重量尺寸最为明显，同时也高度重视提高整个动 力装置的经济性。要求船用增压锅炉在恶劣的工作条件下能够稳定正常的工作， 对增压锅炉的热力特性、稳定性、响应速度均有较高要求，对增压锅炉动力系统 的这些要求是普通船用锅炉难以达到的。国内外专家对增压锅炉有很高的评价， 一致认为：增压锅炉的出现使船用锅炉的各项指标发生根本性的革新，并认为它 是船用蒸汽锅炉发展的必然方向。由于我国在这方面的研究起步较晚，目前还没 有一套完整的计算船用增压锅炉动力循环的计算方法和行业标准，也没有相应的 试验手段，因此对其增压锅炉的研究工作就显得极其重要和迫切。 船用增压锅炉动力系统主要由锅炉本体、涡轮增压系统、主汽轮机系统和给 水系统组成。锅炉本体由炉膛、蒸发管束、过热器和经济器组成。涡轮增压系统 由烟气轮机、压缩机和附加汽轮机组成。主汽轮机系统由推进汽轮机、凝汽器、 循环泵、低压加热器、除氧器组成。给水系统由给水泵、高压加热器组成。 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 2 1.2 国内外研究现状 1.2.1 增压锅炉研究 从二十世纪 30 年代至今，各国都在努力研究船用增压锅炉，以提高性能及整 个装置的经济性。世界上第一台增压锅炉是 1929 年瑞士勃朗-波维利公司研制的 “凡洛克斯”型锅炉3，其主要运用在陆用电站中。随即苏联、法国等国相继把增压 锅炉运用到舰船上， 由于结构上的一些缺陷， “凡洛克斯”型锅炉并未广泛运用到舰 船上。 法国对船用增压锅炉的研究相对比较早，上世纪 40 年代就把他们研制的“拉 舒尔”型增压锅炉应用于海军战舰上。由于该锅炉可靠性强、结构简单、热效率高， 因此被法国广泛应用于主力舰和驱逐舰的动力装置中，其运用规模在各国的造舰 史上，也是非常罕见的。 美国于 1956 年开始研制舰用增压锅炉，1963 年装于护卫舰，总计 50 台。代 表型号是福斯特-惠勒自然循环增压锅炉，美国一些专家认为在军舰上不宜采用强 制循环锅炉。另外美国一些公司对增压锅炉在陆用电站方面的应用也进行了研究。 前苏联对增压锅炉的应用和研究开展得也比较早。自 1945 年起，前苏联就开 始围绕增压锅炉及其应用的蒸汽-燃气联合循环进行一系列的理论设计和试验研究 工作。前苏联的研究工作主要是从陆用的基础上进行分析修改，60 年代末，前苏 联特种锅炉制造设计局(ckbk)研制并在实验台上试验了自动化舰用主增压锅炉， 并在海军舰队战舰上运行。至今约 300 台舰用增压锅炉已建造并处于运行中。随 着运行经验的积累，基于提高增压锅炉的工艺性和可靠性，对其结构进行了改进， 并建造了这些锅炉的改型。现有四种改型的舰用增压锅炉 kb2, kb3, kb4, kb4-1 处于批量生产中，它们的设计是比较成功的4。至上世纪 90 年代俄罗斯特 种锅炉制造设计局一直致力于改进增压锅炉的工作，其目的是使安装在现代军舰 上的船用增压锅炉参数明显改进以便提高锅炉效率，从而提高整个动力装置的经 济性和可靠性5。 英国在增压锅炉方面的研究报道很少。1960 年英国派生公司曾为商船队设计 一型帕米柴油增压锅炉，但至今对这种锅炉的制造及运行试验等情况未见报道。 我国对增压锅炉的研究始于上世纪五十年代，随后曾中断过。期间一些单位 在理论研究和方案探讨方面有了一定的进展6，其中以西安交大、上海交大和清华 大学为首。在哈尔滨、北京、上海、武汉、西安等地均曾开展增压锅炉设计和试 验研究。哈尔滨锅炉厂和哈工大还曾联合研制小型陆用电站增压锅炉，华中科技 大学也曾建造小型试验性增压锅炉，开展试验研究。但以上研究多偏重于应用在 陆用电站方面，达不到舰船应用的要求。 到目前为止，我国在船用增压锅炉技术方面的研究还是比较落后。近年来， 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 3 为适应未来发展的需要，船用增压锅炉的研制受到了关注，其研究气氛日趋浓厚， 学术论文时有发表，各研究部门抓紧展开了舰用增压锅炉的基础理论研究工作。 1.2.2 计算机仿真技术 仿真技术是以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专 用物理效应设备(模拟再现真实世界环境)为工具， 借助系统模型对实际的或设想的 系统进行动态试验研究的一门综合性技术。近二十年来，随着系统科学与工程的 迅速发展，仿真技术得到广泛的重视，在航空航天、能源系统、生物医学系统、 教育训练系统也得到了广泛的应用，同时，仿真技术在社会经济系统、环境生态 系统的研究中也扮演着重要的角色。仿真技术正是从其广泛的应用中获得了日益 强大的生命力，而仿真技术的发展反过来使其得到越来越广泛的应用。 在我国，仿真技术的发展经历了被人认识、被人重视的过程。仿真技术的研 究与应用发展迅速，并且越来越受到国家的重视。目前系统仿真已经日益深入到 人们工作和生活的各个领域。电站热力系统是仿真技术应用的一个十分重要的领 域。随着科学技术的发展，系统及设备的人性化和复杂化是必然趋势。现代电站 的生产过程高度自动化，各项技术指标要求十分严格，生产过程不但要求高度可 靠性，对经济性的要求也越来越高。为了保证生产中热力系统的安全经济性，在 它的设计、制造、调试、控制、运行、技术改造、管理、科学研究和人员培训教 育方面，均应充分应用仿真技术。除此之外，冶金、化工、船舶、汽车、核能、 通讯、铁路、教育、经济等许多部门都先后应用系统仿真，并且结出了许多丰硕 的成果。 1.2.3 增压锅炉的仿真研究 仿真技术运用到舰船领域始于 20 世纪 60 年代，70 年代取得重大进展。美国 海军舰船研究发展中心、美国 ge 公司、英国 yard 公司等在此方面都开展了深入 的研究工作，目前为止与舰船有关的各个系统中，计算机仿真成为重要且必不可 少的工具和手段。我国是从 20 世纪 80 年代开始在舰船领域进行计算机仿真运用 研究的，并在短期内完成了理论研究向实用化的过渡。近几年，随着增压锅炉的 研究工作不断深入，对增压锅炉整个热力系统性能、热平衡、增压机组、燃烧过 程数值模拟等研究都取得了阶段性成果，对增压锅炉动态仿真研究也在不断深入。 这些研究都代表了我国增压锅炉仿真技术的最新发展，其中将整个增压锅炉依据 热力性能分为几个环节，采用集总参数、分布参数、分布参数系统的集总参数法 建立数学模型，能够很好的满足增压锅炉动态特性仿真研究的需要，是今后研究 工作的重点。 但是关于船用增压锅炉的仿真研究到现在为止还没有广泛的开展。在获得的 资料当中，大部分是关于电站锅炉的。在国内，以建立火电机组仿真培训系统为 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 4 契机，在热力系统建模与仿真方面完成了大量卓有成效的研究工作。考虑到电站 锅炉的工作原理和船用增压锅炉的相似性，我们以借此来建立舰用增压锅炉的数 学仿真模型，只是所建模型略有不同。 1.3 课题的研究意义 增压锅炉作为船舶(尤其是大型舰船)动力装置的核心部分， 它实现了将燃料的 化学能转化为内能，同时将能量传递给水，使水吸热后变成具有一定温度和一定 压力的水蒸汽，驱动汽轮机做功实现能量的进一步转化。舰用增压锅炉除了具有 上述作用外，还能更好提高能量的利用效率，符合舰船动力装置的特殊性。 本文主要是建立船用增压锅炉动力系统的整体数学模型及动态仿真分析，从 动态和静态两个角度来分析整个系统的热力特性，并研究系统的整体动态特性。 通过系统的动态仿真，研究在不同工况下增压锅炉动力系统中物质和能量的储存、 释放、传递、迁移及流动过程在时间-空间域中的变化规律以及各种非稳定过渡过 程中系统热力环节的输入量和输出量之间的相互关系。从动态分析中揭示出增压 锅炉动力系统内部复杂的热力学机理。 增压锅炉动力系统的仿真研究是动力装置实时、全范围、全功能仿真研究工 作的重要组成部分。对船用增压锅炉动态过程的仿真不仅经济、方便，而且能够 提供具有一定准确性和可靠性的数据。通过建立符合系统实际的数学模型，求得 各热力参数随时间变化的规律，用以分析整个动力系统的性能及其影响因素；掌 握动态过程中热力环节的输入量和输出量之间的相互依赖关系，为增压锅炉的设 计、试验和性能分析及性能改进提供参考。 综合上述，通过对增压锅炉动力系统的动态仿真分析，能充分了解增压锅炉 动力系统的热动力学特性，为改善设备的动态、静态品质和负荷适应能力的有效 途径提供重要的数据依据，同时希望为整个系统的运行提供参考意见，这对提高 动力系统安全性、可靠性和经济性都具有十分重要的意义。 1.4 本文的主要工作 本文以前苏联舰用增压锅炉动力系统为研究对象，利用模块化的方法对增压 锅炉动力系统适当划分模块，然后利用集总参数法建立增压锅炉动力系统的数学 模型，对系统的实际运行过程进行动态仿真分析。 本文主要完成以下几个方面的工作： 将增压锅炉动力系统划分为若干子系统。在建立动态模型时，首先按介质 性质或过程特点把整个系统划分成若干子系统，再把每个子系统分成若干环节。 由于锅炉的增压燃烧使得炉膛的传热过程发生了巨大的变化，而汽水侧跟 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 5 普通锅炉没有太大的区别，所以应对增压锅炉烟气侧的热力学特性进行分析。 涡 轮增压部分则利用多元逐步回归法拟合压气机与涡轮机特性曲线。 根据质量守恒、 能量守恒、 动量守恒等定律列出的基本方程式和传热方程、 工质热力学状态参数方程，以及各状态变量之间的静态和动态关系式，建立增增 压锅炉动力系统各部件的数学模型。方程式的建立一般是分通道、分环节地进行， 对于每一个通道或环节所列出的方程式都是线性不相关的，不相互矛盾的。 根据增压锅炉动力系统所具有的特殊性，对所建的数学模型进行适当的简 化和假设，应用模块化的方法建立增压锅炉动力系统的仿真模型，各模块之间根 据相互间的质量和能量的传递关系进行连接。 仿真模型的求解采用变步长四阶龙格-库塔法，并用 fortran 语言编写仿真 程序，即时地反映增压锅炉和主汽轮机运行参数的动态特性。 对动态仿真结果进行分析，揭示系统动态过程的物理机理。 重庆大学硕士学位论文 2 增压锅炉的热力系统及仿真对象介绍 6 2 增压锅炉的热力系统及仿真对象介绍 2.1 增压锅炉的热力学特性 本节主要分析增压锅炉烟气侧的热力循环过程，介绍压气机和涡轮机的工作 原理与性能参数，这是建立增压锅炉数学模型的重要部分，也是常规锅炉的主要 不同之处，本文研究对象的烟风流程图如图 2.1 所示。 图 2.1 增压锅炉的烟气流程图 fig2.1 smoke and air flow chart of supercharged boiler 2.1.1 烟气工作过程分析 增压锅炉与普通锅炉的不同之处在于：增压锅炉炉膛进口空气是被压缩的， 因而燃料的燃烧是在较高温度、较高密度的空气中进行的，燃烧过程进行得更加 迅速。涡轮增压机组通常由烟气轮机、压气机、附加汽轮机等设备组成7。压气机 是涡轮增压装置的组成部分之一，其出口空气压力比涡轮机进口烟气压力大 0.02-0.05mpa。压气机出口压力与增压比、烟气质量流量和锅炉蒸汽的产量有关。 图 2.1 表示烟气和空气从压气机进口到烟气轮机出口工作的全过程： 空气的压 缩过程在压气机中进行，空气进入压气机后温度与压力均有所提高，这部分压缩 空气然后沿空气通路不断地送入锅炉炉膛内与燃料混和，在接近等压的状况下燃 烧，炉膛压力对于锅炉的容积热负荷影响很大。从理论的角度看，炉膛内部的温 度不仅取决于燃烧所产生的焓，而且还与辐射换热的大小有关，但实际上炉内烟 锅 炉 炉 膛 燃油 给水 空气 蒸 汽 过热器 经济器 烟 气 轮 机 附 加 汽轮机 压气机 空 气 蒸 汽 乏 汽 压缩 空气 烟气 排空 重庆大学硕士学位论文 2 增压锅炉的热力系统及仿真对象介绍 7 气的温度和浓度的分布是极不均匀的。由于辐射换热的复杂性，到目前为止还没 有准确概括炉内辐射换热的理论和计算公式，所以在很大程度上还得依靠经验公 式等近似方法来描述和求解。 从炉膛出来的高温高压烟气冲刷锅炉的对流管束，促使管内工质吸收热量产 生饱和蒸汽，随后在过热器管束进行对流换热，同时还有一部分热量通过辐射的 方式传递给过热器，在过热器内将饱和蒸汽加热成过热蒸汽，以供给主汽轮机使 用。最后烟气与经济器管束发生对流换热，将锅炉给水加热到一定温度以提高锅 炉的效率。在此过程中对流管束中蒸汽的产量、过热蒸汽的温度和经济器出口烟 气的温度是增压锅炉极为重要的参数。 从经济器出来的烟气经净化装置净化除尘，然后进入烟气轮机，在烟气轮机 内膨胀做功，为压气机的运行提供必要的动力支持。船用增压锅炉中烟气轮机进 口的烟气压力较低，烟气温度相对来讲也不是很高，一般将其布置在内经济器之 后或内外经济器之间，它的运行主要取决于几个主要参数，即增压比、锅炉效率、 压气机效率和附加汽轮机的功率。例如当增压比相当大时，涡轮机进口烟气温度 达到 700-800，此时涡轮机出现剩余功率；当进口烟气温度较低时，涡轮机可能 会出现功率不足，功率不足的部分由附加汽轮机提供。附加汽轮机、烟气轮机与 压气机同轴连接，烟气轮机输出功率并带动压气机工作，最后从烟气轮机出来的 烟气直接排入大气中。 2.1.2 空气和烟气参数特性 增压锅炉的空气、烟气参数特性与常压锅炉相比，有很大的区别。并且在不 同的负荷下，相同空间内的空气、烟气参数特性也是不同的。炉膛进口空气的温 度、压力、流量对于炉膛内的燃烧、传热都有很大的影响。由于增压，进口空气 的参数发生了改变。在不同的负荷时，对空气流量的要求不同，因此压气机的功 率也发生了相应的变化，从而影响进口