（轮机工程专业论文）船舶空调系统建模与动态仿真的研究.pdf

中文摘要 摘要 国际海事组织i m o 在s t c w 公约中明确规定轮机员必须经过仿真模拟器的 培训，随着s t c w 7 8 9 5 公约的实施，对轮机员进行空调系统专业技术知识的培 训尤为重要，因此市场对船舶空调仿真模拟器需求量越来越大。 本文首先分析了国内外船舶空调仿真模拟器的发展现状，充分发挥计算机软 件的优势，遵循精简方便的原则，设计开发了一套基于p c 机的船舶空调仿真软 件。该套仿真软件非常适合学员自学，是一套很好的教学工具。 船舶空调是一个独立而且非常重要的系统，本文以大连海事大学教学实习船 的空调系统为仿真母型，综合了其他船舶空调的类型特征，首先分析了船舶空调 系统的一些特点，然后根据空调机组的动态运行过程建立其数学模型，并在计算 机上实现了空调系统的动态仿真。在仿真过程中，首要任务就是建立描述空调动 态系统的数学模型。仿真空调设备可分为两大部分：一是压缩机、冷凝器、蒸发 器及其附属设备；二是监视、保护、报警、操作和控制空调系统运行的设备。因 此，空调机组的数学模型也分为两大类：一类是动态数学模型，用来模拟压缩机、 冷凝器及其附属设备和系统状态的数学模型；另一类是逻辑和控制的数学模型， 用来模拟船舶空调保护、报警、操作和控制的数学模型。系统采用了微软最新 的n e t 技术，以v i s u a lc 徉作为开发语言、用g d i + 图形编程技术建立控件库、 m i c r o s o f ta c c e s s 作为数据库平台。经过几个月分析设计和开发，已初步实现了 空调仿真软件的框架。该软件具有完善的控制台功能、友好的人机界面。 仿真结果表明，仿真数据和实船数据基本相同，说明建立的模型与分析是正 确的。本系统具有很强的扩展性、很高的技术可行性和经济可行性。 关键词：船舶空调；模型；计算机仿真 英文摘要 m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no fs h i pa i rc o n d i t i o ns y s t e m a b s t r a c t i n t e m a t i o n a lm a r i t i m e o r g a n i z a t i o n ( 讧0 ) d e n o t e s i t c l e a r l y i ns t c w ( i n t e r n a t i o n a lc o n v e n t i o no ns t a n d a r d so ft r a i n i n gc e r t i f i c a t i o na n dw a t c h i n gf o r s e a f a r e r s ) t h a te n g i n e e r sm u s t b et r a i n e dw i t ha r t i f i c i a ls i m u l a t o r w i t ht h e i m p l e m e n t a t i o no fs t c w 7 8 9 5 ，i ti sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tt h a te n g i n e e r sm a s t e rt h e t e c h n o l o g i c a la n dp r o f e s s i o n a lk n o w l e d g eo fa i rc o n d i t i o ns y s t e m s ot h em a r k e ti s b e c o m i n gg r e a t e ra n dg r e a t e rf o rt h ed e n l a n do f s h i pa i rc o n d i t i o ns i m u l a t o r f i r s t l y , t h ew r i t e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n dc u r r e n ts i t u a t i o no ft h ed o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a ls h i pa i rc o n d i t i o ns i m u l a t o r s e c o n d l y , f o l l o w i n gt h ep r i n c i p l eo f s i m p l i c i t ya n dc o n v e n i e n c e ，t h ea u t h o rt a k e st h ea d v a n t a g eo ft h ec o m p u t e rs o f t w a r e a n dd e s i g n sas e to f p c b a s e ds i m u l a t o r b e c a u s ei ti sa w f u l l ys u i t a b l ef o rs e l f - s t u d y , t h e s i m u l a t o rb e c o m e sf a v o r a b l et e a c h i n gt 0 0 1 a i rc o n d i t i o ns y s t e mi sa ni n d e p e n d e n ta n di m p o r t a n ts y s t e mi no n es h i p i nt h e t h e s i s ，b a s e do nt h et e a c h i n ga n dt r a i n i n gs h i po fd a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y , t h e a u t h o rs y n t h e s i z e sa n da n a l y z e st h et y p i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo t h e rs h i pa i r c o n d i t i o n s ，t h e na c c o r d i n gt ot h ed y n a m i cp r o c e s so fs h i pa i rc o n d i t i o ns y s t e n l ，s e t su p i t sm a t h e m a t i c a lm o d e la n dr e a l i z e st h es i m u l a t i o no f t h es h i pa i rc o n d i t i o no nc o m p u t e r d u r i n gt h ep r o c e s so fs i m u l a t i o n ，t h ep r i m a r yt a s ki st os e tu pt h em a t h e m a t i c a lm o d e l d e s c r i b i n gt h es y s t e mo ft h es h i pa i rc o n d i t i o ns y s t e n a t h es h i pa i rc o n d i t i o ns y s t e m c a nb ed i v i d e di n t ot w op a r t s ：o n ei st h ec o m p r e s s o r , c o n d e n s e r , e v a p o r a t o ra n d a c c e s s o r i e s ；t h er e s ti n c l u d e sm o n i t o r i n g ，p r o t e c t i o n ，a l a r m ，o p e r a t i o nd e v i c e sa sw e l la s d e v i c e s r e g u l a t i n g t h e o p e r a t i o no ft h e a i rc o n d i t i o n s y s t e m t h e r e f o r e ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es h i pa i rc o n d i t i o ns y s t e mh a sa l s ot w op a r t s ：o n ei sa d y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lu s e dt os i m u l a t et h ec o m p r e s s o r , c o n d e n s e r , e v a p o r a t o r , a c c e s s o r i e sa n dam a t h e m a t i c a lm o d e lf o rs y s t e md y n a m i cs t a t e ；t h eo t h e ri sal o g i c a l a n dm o n i t o r i n gm a t h e m a t i c a lm o d e ls i m u l a t i n gt h ep r o t e c t i o n ，a l a r mo p e r a t i o na n d m o n i t o r i n go f t h es h i pa i rc o n d i t i o ns y s t e m t h ea u t h o ru s e sv i s u a lc fc o m p u t e rl a n g u a g ea n dg d i + g r a p h i c sp r o g r a m m i n gt o d e v e l o pa n dc o m p l e t et h es y s t e m t h ed a t a b a s eo ft h i ss y s t e mi s c o n s t r u c t e dw i t h m i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 0 a f t e rs e v e r a lm o n t h s a n a l y s i s ，d e s i g na n dc o d i n g ，t h ea u t h o r h a sa l r e a d ya c h i e v e dt h eg o a lo fi n i t i a ld e s i g n t h i ss o f t w a r eh a sb e e nc o m p l e t e dw i t h 英文摘要 c o n s o l ef u n c t i o na n df r i e n d l yi n t e r f a c e t h er e s u l to ft h es i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a tt h ed a t ao fi m i t a t i n gi sc o n s i s t e n tw i t h t h ed a t ao ft h ea c t u a ls h i p ，w h i c hp r o v e st h a tt h em o d e lw es e tu pa n do u ra n a l y s i sa r e c o r r e c t t h es y s t e mh o l d si t se x p a n s i b i l i t ya n df e a s i b i l i t yi ne c o n o m ya n dt e c h n i q u e k e yw o r d s ：s h i pa i rc o n d i t i o n ；m o d e l ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文：盥照窒迥丕统建撞当麴查鱼真的盟塞：。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：歹膳略矽萨多月垆r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：万泼魔 日期： 导师签名：璇南 奔弓月垆曰 船舶空调系统建模与动态仿真的研究 第1 章绪论 1 1 概述 目前，我国己加入了世界海事组织( i m o ) ，遵守 s t c w 7 8 9 5 ”公约 即 1 9 7 8 年海员培训、发证和值班标准国际公约( 1 9 9 5 年修正) 】。s t c w 7 8 9 5 公约强调船 舶管理人员实际工作能力的教学和培训。由于履约的需要，国家海事局明确规定， 海运院校的海上专业的教学与船员培训必须按公约的要求进行。船员技术证书的 发放严格按 中华人民共和国海船船员适任考试、评估和发证规则进行。应用 计算机仿真技术进行教学是一种既能满足公约要求，又具有高效率的教学方式。 因此，对轮机员进行技术专业知识的培训尤为重要。船舶空调仿真系统就是一种 用于轮机员“精通船舶技术业务”培训的重要教学工具。船舶空调仿真【l 】系统有硬 件和软件两部分组成，船舶空调仿真系统的运行依赖于船舶空调仿真系统软件的 运行，因此，对船舶空调仿真系统软件的研究显得更加重要。 1 2 开发船舶模拟器的意义 现代船舶自动化程度越来越高，而船舶空调的正常运行有效地保证了船员的 工作环境，为船员的生活提供了可靠的保障。为此，现代船舶除了要装备性能优 良，工作可靠的空调机组外，还应该提高管理人员的技能水平。要培养出具备较 强能力的管理人员，单靠学习理论知识是远远不够的，还必须加强实践环节。显 然采用真实的船舶空调设备训练需大量投资，维修保养困难等诸多问题，旦操 作错误，还可能导致系统设备损坏。船舶空调模拟器作为一种经济、安全、高效 的培训手段，成为船员训练中心和航海类院校教育训练现代远洋轮机人员的必备 设施。 船舶空调模拟器【2 , 3 ( s h i pa i rc o n d i t i o ns i m u l a t o l 一s a c s ) 就是用计算机仿真 技术模拟船舶空调系统的实时动态过程，来培训轮机管理人员的仿真训练器，是 计算机仿真技术在教育与训练方面的应用。 利用船舶空调模拟器对轮机员进行训练有很多优点： ( 1 ) 使受训人员能在较短的时间得到实船积累多年才能得到的工作经验； ( 2 ) 在不损坏实机的情况下，总结因为操作不当或失误而损坏机器的教训； 第1 章绪论 ( 3 ) 某些故障的排除演练在航行中是不可能进行的，但模拟器能给我们提供这 样的一个训练平台； ( 4 ) 用模拟器熟悉高度自动化空调系统的各种设备及其系统的操作； ( 5 ) 可节省或降低实际船舶空调系统的维修和保养费用； ( 6 ) 与国际海运公约、海运法规接轨。 事实上，运用船舶空调仿真器来经济、高效、灵活地培训船员早已成为国内 外航海教育界的共识。i m o ( i n t e m a t i o n a lm a r i n eo r g a n i z a t i o n ，国际海事组织) 在 1 9 9 5 年新修订的s t c w ( s t a n d a r d so f t r a i n i n g ，c e r t i f i c a t i o na n dw a t c h k e e p i n gf o r s e a f a r e r s ) 公约已明确提出了将船舶机舱仿真培训系统( 航海界通常称为轮机模拟器) 应用于机舱管理级、操作级轮机人员培训的要求，并且对轮机模拟器的功能作了 具体的规定。因此，作为轮机模拟器的一个重要组成部分船舶空调仿真系统已 成为必不可少的教学和轮机员培训设施。 我国是一个航运大国，每年有大量的高等院校轮机专业学员需进行岗前培训， 还有众多的在职船员要求进行技能提高培训，具有很大的需求市场。因此，开展 对包括船舶空调系统在内的轮机模拟器的建模研究，研制适合市场需要的新一代 轮机模拟器是必要的。 1 3 国内外研究动态 船舶空调系统仿真技术1 在多年的发展过程中，其系统的实现方法依据模型 选取类型的不同分为三大类： ( 1 ) 实物仿真：按照真实系统的物理性质来构造系统的物理模型，对实际行为 和过程进行仿真。早期的仿真大多属这一类。 ( 2 ) 混合仿真：又称数学物理仿真，是将系统的部分模型用数学模型描述， 并在计算机上运算，而其它的模型直接使用实物，然后将它们连接成系统。这种 仿真系统主要用于操作人员的培训、设备的分析和研究、运行特性分析和控制系 统研究等。这种仿真系统接入的实物部分则必须是实时的。 ( 3 ) 数学仿真：按照真实系统的数学关系构造系统的数学模型，也就是将实际 系统的运动规律用数学形式表达出来，以再现系统的特性并在数学模型上进行试 验。数学仿真可在实时、超实时和欠实时环境下运行。计算机为数学模型的建立、 船舶空调系统建模与动态仿真的研究 运算和试验提供了有力的工具。 随着计算机软、硬件的发展，船用空调仿真系统的研发工作也经历了三个不 同的发展阶段，它们分别是： ( 1 ) 基于u n i x 或v m s 操作系统的仿真技术； ( 2 ) 基于u n i x 或v m s 操作系统的图形化仿真技术： ( 3 ) 基于w i n d o w s 操作系统的图形化仿真技术。 将虚拟现实技术引用到船舶空调仿真系统中，动态仿真得以实现，仿真系统 可以提供虚拟现实的能力，空调系统可以用三维的虚拟世界加以描述。大连海事 大学轮机自动化实验室正着力于相关研究。 随着国际航运业的发展和科学技术的不断提高，大型船舶及全自动操纵船舶 的操作难度不断增加，对船舶管理人员的技术要求也越来越高；世界海事组织( i m o ) 以及国家海事局对船舶管理人员的培训要求也越来越高。采用先进的仿真系统来 培训是一种非常理想的方法，可以保证船员在培训中掌握要求的技能。 研发实物仿真或混合仿真类型的船舶空调仿真系统成本高，可扩展性差，开 发基于软件的船舶空调仿真系纠6 1 势在必行。采用基于软件的虚拟设备代替实际设 备，则增强了系统的灵活性和可扩展性，能够在保证较好的逼真度的前提下大幅 度地提高仿真训练的辅助教学功能。软件仿真系统既能够适合有实船操作经验又 适合无实船操作经验的轮机管理人员的培训需要。这类仿真系统成本低、升级快， 目前大多数仿真器均属此类。 1 3 1 模拟器类型 船舶空调仿真软件是轮机模拟器的一个要组成部分。国外对船舶空调系统的 计算机仿真研究始于上世纪六十年代，七十年代出现了较成熟的产品，此后不断 完善。特别是近年来，随微机技术和计算机仿真技术的迅猛发展，船舶空调系统 的仿真也有了很大改观。目前船舶空调模拟器可分为以下两种类型：一类是纯软件 的船用空调模拟器，在独立的p c 机上运行，船舶空调设备都虚拟到计算机上，训 练时操作人员通过键盘或鼠标调用存储在内存中的船舶空调设备的图形，在显示 图形的控制屏上实施操作。另一类是硬件、软件相结合的船舶空调模拟器( 包含在 轮机模拟器中) ，这类模拟器在软件的支持下，用硬件全部或部分模拟了实船上的 第1 章绪论 空调系统的外形及其操作与显示功能，因而有相同的外部形状、结构、尺寸的控 制面板，真实模拟了实船设备及其操作环境。以便学员像操作实际设备一样直接 操作模拟器，达到高质量的训练要求。 前一种船舶空调仿真软件可存于一张光盘中，便于携带，可运行于操作系统 的p c 机，对硬件和使用环境没有特殊要求，基本上不需要进行维护，在岸上和船 上都可进行学习训练，非常适合学员自学和随时训练；缺点是真实感不足，缺乏 实时动态性。后一种船舶空调仿真器采用大量硬件模拟空调系统实际设备，操作 真实性强，特别适合于海员培训中心和航海类院校用于对大量学员进行高质量的 集中培训和考核。缺点是价格高，不像软件仿真器一样便于携带。 从掌握的资料来看，目前后一种船舶空调仿真系统市场占有率较大，但随计 算机技术的飞速发展，p c 机上运行的软件船舶空调仿真系统以其方便、廉价、便 于升级的优势逐渐受到用户的青睐，所占市场份额也必将逐年上升，具有极大的 发展前景。 1 3 2 国际现状 上世纪七十年代以来，挪威的挪控公司( n o r c o n t r 0 1 ) 、英国船商公n ( t r a n s s ) 、 德国西门子公司( s i e m e n s ) 、日本三菱公司( m i t s u b i s h l ) 、意大利的菲亚特等大 公司均开始研制和生产包括船舶空调系统在内的轮机模拟器。其中以n o r c o n t r o l 公司最为著名，产品居世界领先水平，已有近5 0 0 部模拟器交付商船公司、海军 及航海院校、研究所和职业培训中心使用，约占整个市场份额的8 0 。下面将介 绍n o r c o n t r o l 公司的最新产品p p t 2 0 0 0 及t r a n s a s 公司的1 9 9 7 年产品 t e r s 一2 0 0 0 。 p p t 一2 0 0 0 型轮机模拟器【刀( 含空调系统) 是f u l lm i s s i o np r o p u l s i o n p l a n t t r a i n e r 的简称。由教练员室、模拟机舱( 无模拟主机) 、学员练习室( 包括若干学员 练习终端) 等组成。p p t 2 0 0 0 由集中式计算机网络系统构成，网络为以太网，网 络有h p 工作站2 台、微处理器若干。该系统运行于u n i x 操作系统之上，使用二 维流程图来显示系统流程结构，基本上为字符界面，人机界面不友好。没有配置 示教板系统，只有一个c r t 对整个动力装置系统进行集中监控。t e r s - 2 0 0 0 型轮 机仿真模拟器( 含空调系统) 是t r a n s a se n g i n er o o ms i m u l a t o r 的简称。该产品具有 一4 一 船舶空调系统建模与动态仿真的研究 多级别，模块化、通用性、开放性、组合性等腰三角形独特风格，具有较高的性 能价格比。t e r s 2 0 0 0 保留了机舱集中控制室的全部硬件，取消了模拟机舱，模 拟主机以及大型示教板等硬件设施，代之以软件型点触式屏幕控制面板，多台学 员练习终端以及大屏幕投影仪全部使用微机，运行于w i n d o w s 9 5 n t 环境之 上，使用伪三维流程图和软控制面板，人机界面友好。其主机模型和空调模型可 根据用户要求进行定制，并可与该公司生产的航海模拟器相互连接。t e l l s - 2 0 0 0 中的s t a n d - a l o n gp c 型属于纯软件模拟器。 总的来说，进口模拟器虽然性能优良，但价格昂贵，维修不便，可升级性差， 加上外国公司对我国用户技术保密，且不能满足海事局的“轮机员训练要求”， 使得进口模拟器在我国难以普及和发展。 1 3 3 国内现状 我国的轮机模拟器研究工作起步较晚，总体技术水平落后于发达国家。在上 世纪7 0 年代末，大连海运学院率先从n o r c o n t r o l 公司引进了轮机模拟器。上世纪 8 0 年代中期，青岛远洋船员学院也从该公司进口了同类产品。这些产品目前已显 得陈旧落后。1 9 9 4 年武汉交通科技大学和亚洲仿真控制系统工程有限公司共同研 制了以杂货船舶为仿真对象的国产轮机模拟器。上海海运学院自1 9 9 7 研制了大型 集装箱船舶机舱系统为仿真对象的国产轮机模拟器。上世纪9 0 年代末大连海事大 学开始启动新一代轮机模拟器研制项目，现已完成并投入使用。 1 4 课题的提出及本文所做的工作 本课题主要是针对软件的开发流程，作详细阐述，其思路和设计过程如图1 1 所示。本课题的研发详细思路如下： ( 1 ) 采用“模型一视图一控制器”框架结构( m o d c l v i e w c o n 的l l e r m v c ) ，即用模块化开发方法开发图形用户界面的结构。在m v c 结构里，交互式 仿真程序可并行的分为以下三部分： 模型：包含了应用范围的数学模型； 视图：包含了用户图形及详细说明； 控制器：包含了用户与基本模型对话的详细说明。 ( 2 ) 选取w i n d o w s 操作系统作为软件开发的支持系统。w i n d o w s 操作系统具 第1 章绪论 有集成度好、性能高、可管理3 2 位的网络体系结构，有较好的网络扩展性；对动 态连接库的调用与执行简单可靠，图形功能强大等优势。在该操作系统下，可方 便的进行软件编程的函数调用、模型建立和图形开发。 ( 3 ) 选取微软( m i c r o s o f t ) 公司的v i s u a l s t u d i o n e t 开发平台作为仿真软件的开 发环境。v i s u a l s t u d i o n e t 提供了功能强大的框架n e tf r a m e w o r k ，以及面向 对象( o o p ) 的编程语言环境v i s u a lc 撑 8 、v i s u a lc + + 【9 ，1 0 】、v i s u a lb a s i c 等。n e t f r a m e w o r k 包含了一个非常庞大的代码库，支持客户语言( c 撑、c + + 等) 的面向对象 编程( o o p ) 技术的实现，它涵盖了当今使用的绝大多数程序设计方案。 ( 4 ) 使用基于组件的开发方法，利用传统的两层结构应用软件模型的设计方 法，对仿真系统中的各个对象进行抽象，编制出功能各异的组件。充分利用n e t f r a m e w o r k 提供的图形设备接n ( g d i + ) 、a e t i v e xd a t ao b j e c t s n e t ( a d o n e t ) 、 c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ( c o m ) 等类库资源，完成组件设计并整合成仿真系统。 图1 1 计算机仿真软件设计流程图 f i g 1 1s o f t w a r ed e s i g n 其计算机仿真软件流程图如图1 1 所示。 ( 5 ) 获取实际船舶空调系统的相关参数，建立仿真对象的数学模型( 包括压缩 机，冷凝器，蒸发器等) ，并检测模型。编制模型的组件，将模型组件嵌入仿真软 件系统中。完善船舶空调软件仿真系统的其它功能。 本文是新一代基于p c 机的轮机模拟器研制工作的一部分。承担的主要任务是 船舶空调系统建模与动态仿真的研究 建立轮机模拟器的重要部分船舶空调模块的动态过程模型、与空调动态过 程密切相关的数学模型及相应软件，并根据空调仿真器训练操作的需要，设计和 编制空调信息流的部分人机交互界面。研制中，本文主要作了如下部分工作：以 大连海事大学教学实习船作为母型船，对仿真母型船的空调系统进行了较详细的 分析研究，并结合当前国外先进船舶的特点及海事局的培训大纲【1 1 】要求，对其进 行简化及优化设计，确定了仿真船舶空调应达到的功能。在此基础上完成了船舶 空调及机组系统数学模型的建立。具体内容包括：压缩机系统，冷凝器系统，蒸 发器系统，控制及报警系统。其中，压缩机系统包括各压缩机的冷却水系统，滑 油供给系统；冷凝器系统包括冷凝器的冷却系统。 结合所建立的船舶空调及机组系统数学模型，利用高级仿真支撑软件，开发 了一套船舶空调系统仿真软件。该套仿真训练软件完成后将实现以下功能： ( 1 ) 操作训练功能。仿真船舶空调具有现代自动化船舶空调系统绝大多数功 能，学员可对其进行各种正常的手动或自动操作，尽快掌握自动化船舶空调的基 本原理及工作过程。 ( 2 ) 参数设置功能。通过软件权限对空调系统的部分参数进行设置或更改。 ( 3 ) 模拟实验功能。在各个模拟控制板上，可以模拟压缩机的启动、压力检测、 温度检测、滑油油位检测等工作过程。 ( 4 ) 特性测试功能。在仿真软件的特性测试区内，可以得到空调机组在不同工 况下的工作曲线。 ( 5 ) 操作评估功能。仿真软件可实时跟踪记录学员的每一步操作，操作结束后 可自动评分，并打印报表。 该软件将设计成为能够仿真船舶空调的绝大部分工作及操作过程，并能模拟 数十种故障，达到了较真实地模拟船舶空调的要求。 第2 章船舶空调系统仿真概述 第2 章船舶空调系统仿真概述 2 1 船舶空调系统组成概述 船舶空调系统由压缩机，冷凝器，膨胀阀，蒸发器组成。根据船舶自身的特 点，船用空调器一般都采用中央空调器。中央空调器是集中式或半集中式空调装 置对空气进行集中处理的设备，在船舶上，它通常是置于上层甲板部的专门舱室 空气调节站里。 2 1 船用空调工作原理 船用空调的工作原理【1 2 】是靠不断向空调舱室内送入经过处理的空气，同时排 除等量的室内空气，从而维持适宜的室内空气的温、湿度。并从经济角度出发， 从舱室排出的空气将有一部分以回风的形式与新风混合后通过风机再送入舱室， 其空调的送风状况就是一直这样循环，从而维持了舱室所需的新鲜空气量。空气 的流向图如图2 1 所示： 图2 1 空气流向图 f i g2 1a i rf l o wd i r e c t i o nd i a g r a m ( 1 ) 空气的吸入、过滤、消音 外界新风和空调舱室的回风分别经新风进口和回风进口被风机吸入。在新风和 回风进口处装有铁丝网或百叶窗，以防吸入较大的异物。新风量和回风量的比例 一8 一 船舶空调系统建模与动态仿真的研究 可用手动调风门进行调节。回风量和风量总和之比称为回风比，设计时已经确定( 一 般取5 0 ) 。 空调器中的空气滤器用于滤除空气中的灰尘，以净化舱室的送风，并保持空 气换热器表面的清洁，从而避免降低换热的效果。为了增大空气通流面积，降低 阻力和减少集尘量的增加，空调器常采用斜置抽屉式过滤元件。清洁滤器空气阻 力约为2 0 1 0 0 p a 。如阻力上升到2 5 0p a 左右则说明滤器可能脏堵，即应拆下清洗。 若滤器阻力过低，则说明滤层破损，应检查换新。 ( 2 ) 空气的冷却和除湿 一般当外界气温高于2 5 ( 2 时，就应该使空调装置按降温工况运行。空气的冷 却和除湿在空调器中是由空气冷却器和挡水板来完成的。 为了防止凝水被气流携入空调器后部和风管中，引起锈蚀，在加湿段后装有 挡水扳，用以防止水汽进入空调送风系统。通过挡水板的风速以2 5 m s 左右为宜。 若超过2 8 m s ，则可能会失去挡水作用。 有回风的集中式空调系统的降温工况参数的变化过程如图2 2 ，在图2 2 所 示的是空气h - d 图。新风状态点为1 ，回风状态点为2 ，新风和回风在进风混合室 内混合，混合后的状态点3 在1 - 2 两点的直线上。点3 距新风状态点和回风状态点 的距离与新风量g 1 和回风量g 2 成反比，l i p ( 3 一l 线段长) ( 3 - 2 线段长) = g 2 g i 。3 4 为空气经过风机时的等湿加热过程，点4 为空冷器进口状态点，空冷器出口的空 气状态点可取驴= l o o 的饱和空气线上温度相当于冷却管壁温的0 点与点4 连线上 的某点5 。冷却越充分，点5 越靠近点o 。一般空冷器管数为4 8 排，迎面风速2 3 m s ， 其冷却效率( 接触系数) ： e o = o - t s ) ( t 4 一t o ) = 0 7 o 9 5 ( 2 1 ) 过程和_ 5 即为空气流过空冷器时的冷却减湿过程。送风管虽然包有隔热层， 但也难免会有渗入热。因此，送风过程空气流过风管会有一定温升( 一般为 l 1 5 ) ，在图上由5 6 过程表示，6 _ - 7 位送入舱室的空气在舱室内按舱室热式 比线吸热、吸湿的过程，7 二2 为回风在走廊里的等湿吸热过程。对与机舱接触 的走廊来说，回风经过走廊的温升约为3 0 ，与常温舱室接触的走廊温升约为 1 2 第2 章船舶空调系统仿真概述 图2 2 有回风的集中式单风管空调系统夏季降温工况空气参数变化过程 f i g 2 2p a r a m e t e rc h a n g i n gp r o c e s si ns l i m m e ro f a i rc o n d i t i o nw i t hs i n g l ea i rd u c t 图中：1 - 新风进口状态点；2 - 回风进口状态点；3 新风、回风混合后的状态点； 4 一风机出口( 空冷器进口) 状态点；5 - 空冷器出口状态点；6 舱室送风状态点；7 室 内空气状态点；空调器单位显热负荷( h 4 - h j ) ，空调器单位全热负荷( h 4 一h 5 ) ， 空调器单位潜热负荷( “h s ) ，单位风机热( h 4 h 3 ) ，单位新风全热负荷 0 1 3 h 2 ) ，单位回风吸热( h 2 - h 7 ) ，舱室单位全热负荷0 1 7 h 6 ) ，单位送 风吸热( h 6 一h s 、。 ( 3 ) 空气的加热和加湿 一般当外界气温低于1 5 1 2 时，就应该使空调装置按取暖工况运行。在空调器 中空气的加热和加湿是由空气加热器和加湿器来完成的。 有回风的完全式集中空调系统的取暖工况空气参数的变化过程，如图2 - 3 所 示。 船舶空调系统建模与动态仿真的研究 图2 3 中：1 新风进口状态点；2 回风进口状态点；3 新风、回风混合后的状 态点；4 一风机出口状态点；5 加热器出口状态点；6 - 蒸汽加湿器出口状态点； 图2 3 有回风的集中式单风管空调系统取暖工况空气参数变化过程 f i 醇3p a r a m e t e rc h a n g i n gp r o c e s si nw i n t e ro f a i rc o n d i t i o nw i t hs i n g l ea i rd u c t 7 舱室送风状态点；8 室内空气状态点；单位送风量( h 6 一h 7 ) ，舱室单位全热 负荷( h 7 一h 8 ) ，单位回风热( 1 1 8 - h 2 ) ，单位新风全热负荷0 1 2 - h 3 ) ，空调器 单位潜热负荷0 1 6 h s ) ，空调器单位显热负荷0 1 5 一h 4 ) ，单位风机热( 1 1 4 - h 3 ) 。 外界新风( 状态点1 ) 和回风( 状态点2 ) 在混合后的状态点为3 。3 4 为流过通风 机的等湿加热过程；4 _ 5 为流过加热器的等湿加热过程；孓_ 6 为流过加湿器的等 温加湿过程( 蒸汽加热) ；6 _ o 为送风管中的等湿降温过程；7 _ 为送风在舱室内 按舱室热湿比线降温吸湿过程；8 - - 2 为走廊回风的等湿降温过程。 船用集中式空调采用蒸汽加湿的较多。加湿器放置在加热器后比较合适，因 为此处空气温度较高，相对湿度较小，喷入的蒸汽( 或水) 容易被空气吸收，同时还 可以防止加湿器在进风温度太低时冻结，但应防止加湿过多而造成舱内壁面结雾。 q 8 第2 章船舶空调系统仿真概述 2 1 2 空调的制冷剂 制冷剂是制冷机中的工作介质，它在制冷机系统中循环流动，通过自身热力 状态的变化与外界发生能量的交换，从而实现制冷的目的。 图2 4 制冷装置原理图 f i 9 2 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f r e f r i g e r a t i o nd e v i c e 空调制冷装置的蒸发温度不低于0 1 0 。c ，因此，船上采用的压缩式制冷装置 大都使用中、高温制冷剂。制冷机中的制冷剂在低温下汽化，从低温热源中吸取 热量，然后在高温下凝结，向高温热源排放热量，所以只有在工作温度范围内能 够汽化和凝结的物质才有可能作为制冷剂使用。多数制冷剂在大气压力和环境温 度下呈气态。 实习船空调系统中的制冷剂选用的是r 4 0 4 。图2 4 制冷机装置原理图描述了 制冷剂在工作中的走向，1 蒸发盘管；2 制冷压缩机；3 冷凝器；4 膨胀阀。 液体制冷剂经膨胀阀4 节流进入蒸发盘管l 中，制冷剂就会在较低的压力下 吸热汽化，从中吸取热量，使温度降低，从而实现制冷。 为了使蒸发盘管及蒸发器中的压力不致因制冷剂的不断流入、气化而升高， 就需用压缩机2 将制冷剂及时抽出，以维持蒸发器中稳定的低压，同时将气态制 冷剂压缩到高温高压送入冷凝器，使气态制冷剂造成对外放熟的条件。这样，就 可在冷凝器中利用舷外海水对制冷剂气体进行冷却冷凝，以使重新液化，然后再 经膨胀阀节流送入蒸发管中再次气化吸热，以实现连续的制冷。 制冷剂在流动过程中的状态也是在不断的发生变化，图2 5 为单级压缩式制冷 理论循环原理图，准确地反映了制冷剂状态变化情况【1 4 】。 船舶空调系统建模与动态仿真的研究 图2 5 单级压缩式制冷理论循环 f i 9 2 5r e f r i g e r a t i o nt h e o r e t i cc i r c l eo f s i n g l ec o m p r e s s o r 图中，点l 表示制冷剂离开蒸发器进入压缩机时的状态，它是在蒸发压力p o ( 蒸 发温度的等压线与吸气温度t l 等温线的交点。 点2 表示制冷剂出压缩机和进冷凝器时的状态。过程线l 一2 表示制冷剂蒸汽在 压缩机中的等熵压缩过程，压力由蒸发压力p o 提商到冷凝压力取。因此，点2 即 可由通过点l 的等熵线和压力为p k 的等压线的交点来确定。压缩过程中外界对制 冷剂做功，制冷剂温度升高，点2 处于过热蒸汽状态。 点3 表示制冷剂离开冷凝器时的状态，它是压力为p k 的等压线和制冷剂在冷 凝器出口温度t 3 的等温线的交点，过程线2 3 表示制冷剂在冷凝器内的冷却、冷凝 和过冷过程。进入冷凝器的过热蒸汽在等压下首先放热冷却成饱和蒸汽，然后在 等压、等温( 冷凝温度t l c 是相应于p l 【的饱和温度) 下继续放热而冷凝，然后温度进 一步降低至过冷。 点4 表示制冷剂出膨胀阀时的状态，亦即进入蒸发器的状态。过程线3 - 4 表示 冷剂通过膨胀阀时的节流过程。在此过程中，制冷剂的压力由p k 降到p o ，温度由 t k 降到t o ，并进入两相区。由于节流前后制冷剂的焓值不变，由此，由点3 作等焓 线与等压线p o 的交点即为状态点4 。 过程线4 1 表示制冷剂在蒸发器中汽化过程。这一过程是在等压下进行的，在 这一过程中，制冷剂湿蒸汽吸取被冷却物体的热量而不断汽化，使制冷剂的状态 第2 章船舶空调系统仿真概述 沿等压线p o 不断向干度增大的方向变化( 在湿蒸汽区内相应于p o 的蒸发温度t o 不 变) ，直到变为带有一定过热度的过热蒸汽为止。这样，制冷剂的状态又重新回到 进入压缩机前的状态点1 ，从而也就完成了一个理论制冷循环。 2 1 3 船用空调的工作要求 船舶各空调室的热负荷是各不相同的，即使是同一空调室，其热负荷也会发生 变化；此外，各舱室人员对气候条件的要求也可能不同。 船舶空调装置应能在规定的舱室空气设计参数下，使室内空气条件满足以下 要求。 ( 1 ) 温度 我国船舶空调舱室的设计标准是：冬季室温为1 9 2 2 ；夏季室温为2 4 2 8 1 2 ；室内各处温差不超过3 5 ；夏季室内外温差不超过6 1 0 c 。 ( 2 ) 湿度 人对空气的湿度并不十分敏感。相对湿度在3 0 7 0 的范围内人都不会感 到不适。夏季空调采用冷却除湿法，室内湿度一般控制在4 0 5 0 ；冬季室内 湿度以3 0 4 0 为宜，以便减少送风加湿量，并防止舷侧舱壁结露。 ( 3 ) 清新程度 所谓清新程度是指空气清洁( 少含粉尘和有害气体) 和新鲜( 有足够含氧量) 的程 度。如果只从满足人呼吸对氧气的需要出发，新鲜空气的最低供给量2 4m 3 h 人 即可；然而要使空气中二氧化碳、烟气等有害气体的浓度在允许的程度以下，则 新风量就需达到3 0 5 0 m 3 h 人。 ( 4 ) 气流速度 在室内活动区域，要求空气能有轻微的流动，以使室内温度、湿度均匀以便 人员不感到气闷。室内气流速度以0 1 5 o 2 0 m s 为宜，最大不超过0 3 5 m s ，否则 人会感到不适。表2 1 是实习船中空调系统的具体要求【1 5 1 。 2 2 船舶空调仿真系统模型常量 在空调仿真系统中常量有额定范围值和报警值以及船检规范要求的值。各种 工况如下列表2 2 及表2 3 所示。 船舶空调系统建模与动态仿真的研究 表2 1 实习船空调系统的具体要求 t a b 2 1s p e c i f i cr e q u i r e m e n to f a i rc o n d i t i o ns y s t e mo ne x a c i t a t i o ns h i p s p a c e 舱室 a cs u p p l y 空调送 m e c h a n i c a ls u p p l ym e c h a n i c a le x h a u s t 风 机械送风机械排风 c a b i n ，居住舱室 8 1 0 p u b l i cs p