（轮机工程专业论文）船用燃蒸联合动力系统的性能仿真研究.pdf

， ， 0 - c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g t h es i m u l a t i o ns t u d yo fp e r f o r m a n c eo nt h e m a r i n eg a s s t e a mc o m b i n e d p o w e rs y s t e m s c a n d i d a t e ：m i a oa n li s u p e r v i s o r ：p r o f l is h u y i n g a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ：m a r i n ee n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m is s i o n ：j a n ，2 0 1 0 d a t e o fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 j j j i i ir lflllri l liji ifi i i y 18 0 7 8 8 8 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：寄互 日期：砂f o 年3 月弓日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囱在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、 作者( 签字) ：窀争甏亚 导师( 签字) 日期： 秒f 口年弓月弓日 训p 年3 月 哈尔滨下稗人学硕十学何论文 于两要 燃气轮机动力装置正在世界各国船舶上大量使用，提高燃气轮机动力装 置的经济性也受到了越来越多的重视，燃气一蒸汽联合循环( c o g a s ) 就是一 种非常有效地手段。燃气一蒸汽联合循环在国外的船舶上已经有了应用，而 在我国只是在电站中有应用，在船舶上还是空白。因此，研究船用燃气一蒸 汽联合循环对我国船舶动力的发展有极其重要的意义。 本文分析了燃气一蒸汽联合循环两种常用的型式，并通过余热锅炉补燃 与否、余热锅炉的水循环、蒸汽系统循环方式等几个方面确定本文采用的余 热锅炉的方案。方案确定以后，根据余热锅炉主要参数的选择原则以及优化 原则，确定余热锅炉的参数。利用选定的参数完成余热锅炉的热力计算以及 烟气阻力计算，并且确定汽轮机的进出口的参数。蒸汽系统方案确定以后， 还对船舶上应用该燃气一蒸汽联合循环方案进行了可行性论证。 建立燃气轮机、余热锅炉和汽轮机三大部件的动态数学模型。并利用数 学模型，以m a t l a b s i m u l i n k 为仿真平台建立各个部件仿真模型。再根据各个 部件之间的联系，完成燃气一蒸汽联合循环整个系统的仿真模型。利用已完 成的仿真模型，基于燃气轮机负荷的变化，研究燃气一蒸汽联合循环的稳态 性能和变工况性能，验证仿真模型的合理性。最后以燃气轮机负荷变化及燃 油量的变化研究联合循环的动态性能。这为燃气一蒸汽联合循环在我国船舶 上的实际应用提供了一定的理论基础。 关键字：船用燃蒸联合循环；余热锅炉；设计计算；仿真实验；性能分析 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 a bs t r a c t g a st u r b i n e sa r ew i d e l yu s e do ns h i p sa r o u n dt h ew o r l d i m p r o v i n gt h e e c o n o m i c so fg a st u r b i n ep o w e r p l a n t sh a sa l s ob e e np a i dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n c o m b i n e dg a sa n ds t e a mc y c l e ( c o g a s ) i so n eo ft h ee f f e c t i v ew a y s g a s - s t e a m c o m b i n e dc y c l e sh a v eb e e na p p l i e do ns h i p si nf o r e i 班c o u n t r i e s h o w e v e r , t h i s t e c h n o l o g yh a sn o tb e e na p p l i e di nt h es h i p si nc h i n a , w h i c ho n l ya p p l i e di nt h e p o w e rp l a n t s or e s e a r c h e so ng a s - s t e a mc o m b i n e dc y c l e sa r ev e r ym e a n i n g f u lf o r t h ed e v e l o p m e n to fc h i n a ss h i p b u i l d i n g t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h et w oc o m m o nt y p e so fc o m b i n e dc y c l e t h e f a c t o r so fw a s t eh e a tb o i l e rf u e ls u p p l e m e n t , w a s t eh e a tb o i l e rw a t e rc y c l e ，a n d s t e a mc y c l em o d eo ft h es y s t e ma r ec o n s i d e r e dt od e t e r m i n et h ew a s t eh e a tb o i l e r s c h e m e si nt h i sd i s s e r t a t i o n a f t e rt h es c h e m e sa r ee s t a b l i s h e d ，a c c o r d i n gt ot h e s e l e c t e d p r i n c i p l e o ft h em a i n p a r a m e t e r s a n do p t i m i z a t i o n p r i n c i p l e s ，t h e p a r a m e t e r so ft h ew a s t eh e a tb o i l e ra r ed e t e r m i n e d a c c o r d i n gt ot h es e l e c t e d p a r a m e t e r s ，t h e r m a lc a l c u l a t i o n sa n ds m o k er e s i s t a n c ec a l c u l a t i o no fw a s t eh e a t b o i l e ra r ew o r k e do 此a n dt h ep a r a m e t e r so ft h ei n l e ta n do u t l e to fs t e a mt u r b i n e a r ed e t e r m i n e d o nt h eb a s i so ft h es t e a md e t e r m i n e ds y s t e m ss c h e m e s ，t h e f e a s i b i l i t yo ft h eg a s - s t e a mc o m b i n e dc y c l e ss c h e m ei nt h es h i pi sc o n d u c t e d t h ed y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h eg a st u r b i n e ，w a s t eh e a tb o i l e ra n d s t e a mt u r b i n ea r ee s t a b l i s h e d t h e na c c o r d i n gt om a t h e m a t i c a lm o d e l s ，s i m u l a t i o n m o d e l so ft h ec o m p o n e n t sa r ee s t a b l i s h e do nt h em a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o n p l a t f o r m a c c o r d i n gt ot h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h e s ec o m p o n e n t s ，t h eg a s - s t e a m c o m b i n e dc y c l es i m u l a t i o nm o d e lo ft h ee n t i r es y s t e mi s c o m p l e t e d w i t ht h e s i m u l a t i o nm o d e l ，b a s e do nc h a n g e si ng a st u r b i n el o a d s ，g a s s t e a mc o m b i n e d c y c l e ss t e a d y - s t a t ep e r f o r m a n c ea n dv a r i a b l ew o r k i n gp e r f o r m a n c ea r es t u d i e d t h i si st oc o n f i r m et h a tt h es i m u l a t i o nm o d e li sr e a s o n a b l e a tl a s t ，w i t hg a s 哈尔滨丁稗人学硕十学何论文 t u r b i n el o a dc h a n g e sa n dc h a n g e si nt h ea m o u n to ff u e l ，d y n a m i cp e r f o r m a n c eo f the c o m b i n e d c y c l ei s s t u d i e d t h i sp r o v i d e sc e r t a i nt h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h e a p p l i c a t i o no fg a s s t e a mc o m b i n e dc y c l ei nt h es h i p si no u rc o u n t r y k e y w o r d s ：m a r i n eg a s s t e a mc o m b i n e dc y c l e ；w a s t eh e a tb o i l e r ；d e s i g n c a l c u l a t i o n s ；s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ；p e r f o r m a n c ea n a l y s i s 哈尔滨一i ：稗人学硕十学何论文 目录 第1 章绪论1 1 1 研究船用燃蒸联合循环的意义1 1 2 燃蒸联合循环装置的发展状况2 1 3 燃蒸联合循环装置的研究状况5 1 4 本文的主要内容6 第2 章船用燃蒸联合循环余热锅炉的方案确定8 2 1 船用燃蒸联合循环装置的概述8 2 1 1 燃蒸联合循环的原理9 2 1 2 燃蒸联合循环的型式1 0 2 2 船用燃蒸联合循环余热锅炉的方案确定1 2 2 2 1 补燃与不补燃的选择1 2 2 2 2 余热锅炉水循环方式的选择1 3 2 2 3 蒸汽循环系统的选择1 5 2 3 本章小结1 6 第3 章船用燃蒸联合循环蒸汽系统的设计计算1 7 3 1 余热锅炉的设计计算1 7 3 1 1 余热锅炉主要参数的选择1 7 3 1 2 余热锅炉的结构计算1 9 3 1 3 余热锅炉的热力计算2 1 3 1 4 余热锅炉烟气阻力计算2 4 3 2 汽轮机的参数确定2 6 3 3 船用燃蒸联合循环方案的可行性分析2 7 3 4 本章小结2 9 哈尔滨t 稗人学硕十学何论文 第4 章船用燃蒸联合循环系统的数学模型3 0 4 1 系统模块化划分3 0 4 2 燃气轮机数学模型3 1 4 2 1 压气机和透平数学模型3 1 4 2 2 燃烧室数学模型3 4 4 2 3 纯容积环节数学模型3 5 4 2 4 转子数学模型3 6 4 3 余热锅炉数学模型3 6 4 3 1 余热锅炉烟气侧数学模型3 6 4 3 2 单相区数学模型3 8 4 3 3 两相区数学模型4 2 4 3 4 除氧蒸发器数学模型5 0 4 4 汽轮机的数学模型5 1 4 5 本章小结5 2 第5 章船用燃蒸联合循环系统仿真及性能分析5 3 5 1 燃气系统仿真模型5 3 5 1 1 压气机仿真模型5 3 5 1 2 燃烧室仿真模型5 4 5 1 3 透平仿真模型5 4 5 1 4 转子和容积仿真模型5 4 5 2 蒸汽系统仿真模型5 5 5 2 1 单相区仿真模型5 5 5 2 2 蒸发器仿真模型；5 7 5 2 3 除氧蒸发器仿真模型5 7 5 2 4 汽轮机仿真模型5 8 5 3 仿真模型封装及整体仿真模型5 8 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 5 4 仿真实验及结果分析6 0 5 4 1 稳态仿真6 1 5 4 2 变工况仿真6 1 5 4 3 动态仿真6 4 5 5 本章小结7 5 结论与展望7 6 参考文献7 8 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果8 4 致谢8 5 哈尔滨t 稃人学硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 研究船用燃蒸联合循环的意义 船用燃气轮机由于其具有功率大，重量尺寸小、机动性能好等优点，能 满足船舶动力装置的需要而得到广泛的应用与发展。但是由于燃气轮机自身 排烟温度很大，使得很高一部分能量没有得到利用，而是直接排到空气中， 因而使得整个循环的热效率不是很高。因此如何提高燃气轮机动力装置的经 济性也受到了越来越多的重视，研制燃气一蒸汽联合循环( c o g a s ) 装置就是 其中的一个重要方面。 燃气一蒸汽循环动力装置就是在燃气轮机排烟通道中加装余热锅炉，利 用高温烟气的余热生产过热蒸汽推动一台汽轮机。其实质是把燃气轮机的“布 雷顿循环 与蒸汽轮机“朗肯循环 相结合，可以说它就是一种“朗肯循环 能量回收系统。因此燃气一蒸汽联合循环便成为了船用燃气轮机提高热效率 的一种可行发展方向。 并且在能源危机之后，余热锅炉一透平发电和推进的余热动力回收系统 作为船舶动力最有效的一种节能措施，在中、小型船舶中获得了广泛应用口1 。 对于采用燃气一蒸汽联合动力装置的船舶来说，在变工况时其经济性可以得 到明显改善。 燃气一蒸汽联合循环在电站中得到了广泛的应用，而在船舶上的应用还 不是非常多。这是因为与电站应用相比，船舶上应用的c o g a s 有其特殊的要 求： l 、重量轻、尺寸小； 2 、机动性要好； 3 、可靠性要高。 因此研究船用燃气一蒸汽联合循环动力装置对我国船舶动力的发展有着 极其重要的意义。 哈尔滨t 稗人学硕十学何论文 1 2 燃蒸联合循环装置的发展状况 在国外燃气一蒸汽联合循环已应用在船舶上。下面通过介绍前苏联和美 国应用燃气一蒸汽联合的历程，来阐述一下国外燃气一蒸汽联合循环在船舶 上的应用情况。 前苏联是利用c o g a s 装置的先驱，早在上世纪7 0 年代前苏联就研制成 功m 2 5 型船用c o g a s 装置，它是利用d 1 5 9 航改型燃气轮机排气余热的。 其系统图见图1 1 。图中可看到燃气轮机4 的排气直接进入直流式余热锅炉5 ， 而余热锅炉产生的蒸汽供入汽轮机2 做功，燃气轮机和汽轮机的功率通过减 速器3 并车输送给螺旋桨。 l 汽轮机冷凝器2 汽轮机3 减速器4 燃气轮机 5 一余热锅炉6 一蒸汽过热器7 一蒸发器8 一经济器 9 一汽水分离器1 0 一生活用抽汽ll 一余热锅炉循环水泵 1 2 一到汽轮发电机的抽汽1 3 给水泵l 仁热水井1 5 拎凝水泵 图1 1m 2 5 型燃蒸联合动力装置系统图 1 9 7 9 年，该动力装置装在前苏联排水量为2 2 6 9 1 吨“斯米尔诺夫船长”级 大型滚装式货船上。该船装有二套m 2 5 装置，功率为3 6 8 m w ，2 轴。采用 c o g a s 装置，通过燃蒸并车，可增加2 0 推进功率，并且也把来自余热锅 炉的蒸汽供给汽轮发电机和船舶服务设施用。在1 9 7 9 , - , 1 9 8 2 年期间共建造了 2 哈尔滨+ i ：科人学硕十学何论文 4 艘该级货船。 前苏联还基于m 3 7 型燃气轮机( 最大功率为5 8 8 m w ) 研制利用其排气余 热组成小尺寸、高效率的c o g a s 装置，可用于高速渡船和豪华游艇。据称， 这些装置可以成功地与具有同等功率、性能优良的柴油机相比较。 c o g a s 装置在商船上得到成功的应用并积累经验以后，前苏联马上展 开了在军舰上应用c o g a s 的研究工作。8 0 年代研制成基于8 m w f t 皿8 0 0 0 型船舶燃气轮机的c o g a s 装置。该c o g a s 装置已应用在前苏联海军排水 量为1 2 5 0 0 吨的“光荣级”大型导弹巡洋舰上。该级舰共装用6 台燃气轮机， 其中巡航机组由2 套基于r r 且8 0 0 0 的c o g a s 装置组成，而加速机组由4 台 额定功率为1 5 m w 的n 且1 5 0 0 0 型燃气轮机组成。2 轴装机总功率约为 8 8 2 m w ，自1 9 8 2 年至今该级舰已建成服役4 艘。 美国海军在8 0 年代也对c o g a s 装置用于d d g 5 1 型( “阿里伯克级 ) 导弹驱逐舰进行过可行性论证，但因其有燃气和蒸汽二套系统而增加了系统 复杂性等原因而举棋不定。“阿里伯克级驱逐舰原计划使用燃燃联合动力装 置，其前四艘舰采用燃燃联合动力装置，但从第五艘舰开始加装“朗肯循环” 能量回收系统，构成燃气一蒸汽联合动力装置。 1 9 9 7 年5 月美国海军采购一艘由m 2 5 装置驱动的“斯米尔诺夫船长”级滚 装船，对其动力系统进行了改造，也只不过是用新的高性能g t l 6 0 0 0 型燃气 轮机( 简单循环热效率超过3 6 ) 代替老的d 1 5 9 型燃气轮机，并为推进装 置更换上新的基于计算机的控制和监视系统，保留了原来的推进系统。 在8 0 年代末，g e 公司对采用l m 2 5 0 0 燃气轮机加上排气余热回收的 c o g e s ( 燃气轮机和汽轮机联合的综合电力驱动系统) 进行了可行性研究。 用于旅游船的典型的l m 2 5 0 0 船用动力系统热平衡和流程图示于图1 2 。 3 哈尔滨+ ：榭人学硕十学付论文 余 热 锅 炉 个 空气入* 亲 燃气轮机h 发 下一 埔科人口 图1 2l m 2 5 0 0 船舶总能系统热平衡和流程图 一般来说，汽轮发电机组的输出功率约为燃气轮发电机组的输出功率的 3 6 - - 4 0 ，可以使系统的热效率达到4 5 5 0 。如果考虑使用低压蒸汽，则整 个系统燃料能量的利用率能达到8 0 。 该系统中燃气轮发电机功率为2 1 5 m w ，利用燃气轮机排气余热的汽轮 发电机功率为7 6 5 m w ，从而使系统的总功率达2 9 1 5 m w ，此外每小时还能 为生活设施提供9 0 7 2 k g 蒸汽，从而使整个装置的燃油能量利用率高达8 0 。 g e 公司还针对典型的2 0 0 0 客位旅游船装用c o g e s 动力装置和柴油机 动力装置所进行了比较。据投资回收研究表明：c o g e s 的能量利用率高，运 行维护人员少、维护费用少、节省的大量空间可用于增加客舱、可以拥有较 高的航速，其投资回收率明显高于柴油机口1 。 在我国，燃气一蒸汽联合动力装置主要应用在发电厂中，而且已积累了 很多的经验，但是，在船舶上还未有实际的应用。燃气轮机及其联合循环已 经成为世界电力工业的一个重要组成部分，并且已获得了飞速发展。由于缺 电和调峰的需要近年在一些地区引进了一大批燃气轮机和联合循环机组。如 深圳市燃机及其联合循环的发电厂总装机容量超过2 0 0 0 m w ；广东省的总装 机容量已接近8 0 0 m w ；海南省接近6 0 0 m w ；上海市已达5 2 0 m w ；江苏省 拟与外资联合建立一座2 4 0 0 m w 的烧液化天然气的燃气一蒸汽联合循环电 站；浙江省正在建设7 0 0 m w 烧重油的燃气一蒸汽联合循环电站。此外在上 4 一一一撇三 | l 雩 兰 哈尔滨丁稃人学硕十学何论文 海、南京等地正在同外商谈判进一步引进这些发电设备项目，其装机容量将 不小于1 0 0 0 m w 。 1 3 燃蒸联合循环装置的研究状况 由于联合循环的复杂性和多样性，以及研究对象的所能提供的资料的不 同，很难保证对于不同类型的机组采用相同的建模方法。但现在绝大多数联 合循环的建模方案都是按照联合循环各部件物理上的相对独立性，将整个循 环分成压气机、燃烧室、透平、余热锅炉、蒸汽轮机等几个部分分别建模， 将这些部件的模型组合起来就构成了整个联合循环的模型，这就是模块化建 模的思想。模块化建模克服了以往过程型建模方法灵活性不强，变工况时精 确性难以保证的缺点，可以根据具体需要方便地对模型进行扩充和简化，实 用性强h 1 。 目前在模块化建模的基础上对燃气一蒸汽联合循环机组建模的方法主要 有：非线性热动力学模型法、线性化模型法、准非线性化模型法和实验建模 法。几类建模方法各有特点，其中非线性热动力学模型最精确，但难于实现； 线性化模型法易于建模，但只限于在稳态工况点附近比较准确；准非线性化 模型法是介于前两者之间折中的方法， 求解，对联合循环机组而言难以达到； 但必须依赖对系统准稳态运行线簇的 实验建模法从实验和实测的结果出发 得到机组运行的外特性参数模型，模型的近似程度与对数据的拟和方法的近 似程度一致，具有精度较高的优点，缺点是完成试验的工作量很大，花费的 代价巨大。 近年来国外的一些关于重型燃气轮机建模的研究成果在机理建模和试验 建模相结合的方法上有了新的突破，将灰箱的思想引入到建模中来，灰箱建 模方法分为实验型灰箱法与机理型灰箱法两种，与纯粹的机理或实验方法相 比较，灰箱的思想兼顾实用性和理论性，这种方法最主要贡献在于克服了由 于压气机流通部分的逆压力梯度分柿使得气体流动情况复杂所造成的建模困 难疆1 。但是无论是实验型灰箱法还是机理型灰箱法，都需要或多或少建立在 哈尔滨i ：种人学硕十学位论文 试验的基础上。 另外一些文献如【6 】【7 】，尝试了采用人工神经网络的方法对燃气轮机进行 建模。神经网络具有知识的分布存储、并行处理、强容错性、强非线性映射 能力以及很强的自学习、自适应、自组织能力，且简单易用，是处理非线性 系统的有效手段之一。将神经网络方法引进燃气轮机的建模不仅可以获得更 高的计算精度，而且能保持系统原有的光滑性。但是目前用神经网络的方法 对动力系统部件建模的相关研究还不是很成熟。 随着计算机水平的提高和当前仿真计算方法的发展，为我们研究船用燃 气一蒸汽联合提供了一种简便的研究方法。经过多年的努力，我国在火电仿 真系统和核电仿真方面取得了长足的进步，并已经积累了很多很好的经验， 但是在燃气一蒸汽联合循环仿真方面与国外相比还存在很大的差距。国外已 有众多的仿真机成品，而且开发出了如a s p e np l u s 一类的专门用于联合循 环仿真的平台，以及g tp r o 和g tm a s t e r 等专门用来进行燃气轮机联合循环 发电机组的方案设计和性能计算( 包括变工况计算) 的软件。国内研究燃气 一蒸汽联合循环仿真的学者并不多，而研究船用燃气一蒸汽联合循环仿真的 就更少。这固然与燃气一蒸汽联合循环在我国的发展有关，另一方面也可以 看出人们对此重视仍然不够。在此领域努力的学者的研究方向大致上可分为 两类：一类是着眼于仿真通用软件及仿真平台的开发阻m 】，另一类是着眼于燃 气一蒸汽联合循环本身的特性的研究n 们n 。前一类学者的研究往往对燃气一 蒸汽联合循环本身的特性重视不够，后一类学者则往往立足于控制角度去研 究燃气一蒸汽联合循环的特性，由于采用了传递函数的形式，而且仿真过程 中假设条件过多，最后得到的特性往往是较为简化的，对对象的真实物理特 性表达不够。鉴于此，本文以m a t l a b s i m u l i n k 作为仿真平台，采用微分方程 的方法，对燃气一蒸汽联合循环进行建模和仿真，深入了解其动态特性。 1 4 本文的主要内容 l 、对燃气一蒸汽联合循环的原理以及型式进行分析，并通过补燃与否、 6 哈尔滨1 ：程人学硕十学何论文 余热锅炉的水循环、蒸汽系统循环方式等几个方面确定本文船用燃气一蒸汽 联合循环中采用的余热锅炉的方案。 2 、循环系统方案确定以后，根据余热锅炉主要参数的选择原则以及优化 原则，确定余热锅炉的参数。根据选定的参数完成余热锅炉的结构计算、热 力计算以及烟气阻力计算，并且确定汽轮机的进出口的参数。 3 、对燃气一蒸汽联合循环方案在船舶上的应用进行可行性的论证。根据 已应用在船舶上的动力装置，与燃气一蒸汽联合循环应用在该类型船舶上进 行比较。 4 、确定系统的模块化划分，建立燃气轮机、余热锅炉和汽轮机的数学模 型。利用数学模型，以m a t l a b s i m u l i n k 为仿真平台建立各个部件仿真模型。 根据各个部件之间的联系，完成燃气一蒸汽联合循环整个系统的仿真模型。 5 、在完成的仿真的模型的基础上，完成仿真实验。根据稳态的仿真实验 结果和变工况性能实验结果验证仿真模型的正确性。而后基于燃气轮机负荷 的变化和燃油量的变化，研究燃气一蒸汽联合的动态性能。 7 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 第2 章船用燃蒸联合循环余热锅炉的方案确定 2 1 船用燃蒸联合循环装置的概述 燃气轮机动力装置正在被世界各国大量使用在船舶上。如何提高燃气轮 机动力装置的经济性也受到了越来越多的重视，研制燃气一蒸汽联合循环 ( c o g a s ) 装置就是其中的一个重要方面。燃气一蒸汽联合循环( c o g a s ) 装置 和蒸汽一燃气联合( c o s a g ) 装置是不同的，它们之间的最大区别在于 c o g a s 装置中在热力循坏上燃气和蒸汽两种工质是联合的。由余热锅炉所 产生的蒸汽可以作主推进用，也可用作辅机、发电机的动力，或用于加热、 生活等其它用途。用于主推进的蒸汽进入蒸汽轮机作功，蒸汽轮机和燃气轮 机的功率通过减速齿轮一并输出。而c o s a g 装置则仅是燃气轮机和蒸汽轮 机二者机械的联合。 。【 一一i 水 图2 1 联合循环系统 c o g a s 装置简单的系统图如上图2 1 所示。在燃气轮机中作过功后的 燃气，先通过余热锅炉然后再排入大气。在余热锅炉中，给水由除氧器经给 水泵进入经济器，在其中加热到接近或达到饱和温度，再在蒸发器中蒸发， 并在过热器中过热到额定参数，然后进蒸汽轮机作功。作功后的乏汽排入冷 凝器凝结，再由凝水泵把它打入除氧器，经加热、除氧后再由给水泵送入余 8 籍舱盘融 - 精冷 0 ，o 一 哈尔滨一l j 稗人学硕十学位论文 热锅炉。在蒸汽轮机中有时还考虑有一个撤汽点，把一部分蒸汽抽出供船上 生活之用嘲。 2 1 1 燃蒸联合循环的原理 一 憋 踊 貅 r 禚 熵s 图2 2 燃气一蒸汽联合循环温熵图 燃气一蒸汽联合循环由三个主要部件组成：燃气轮机、余热锅炉、蒸汽 轮机。其中燃气轮机又由压气机、燃烧室、燃气透平三大部件组成。外界空 气由压气机连续吸入并使之增压，同时空气温度也相应提高；并由压气机压 送到燃烧室中，在燃烧室中空气与燃料混合燃烧成为高温、高压的燃气；燃 气在透平中膨胀做功，透平带动压气机和外负荷转子一起高速旋转；而从透 平中排出的乏气直接排至大气。由于燃气轮机循环的排气温度还很高，约4 5 0 - - 6 0 0 。且大型机组排气流量高达1 0 0 一- - 6 0 0 k g s ，因而有大量的热能随 着高温燃气排入大气。这时，倘若在燃气轮机的后面安装一台余热锅炉，利 用燃气透平的排气余热去加热蒸汽系统的给水，使其产生高温、高压的水蒸 汽，送到蒸汽透平中去做功，这样就能发出一部分机械功，相应地必然可以 提高燃料的化学能与机械能之间的转化效率。这实质是把燃气轮机的“布雷 顿( b r a y t o n ) 循环”与蒸汽轮机的“郎肯循环”叠置在一起，如图2 2 所示， 组合成一个总的循环系统。利用简单燃气轮机循环吸热平均温度高和纯蒸汽 9 哈尔滨下程人学硕+ 学位论文 轮机循环放热平均温度低的特点，各取所长，这样既增加了总输出功率，又 利用了燃气轮机和蒸汽轮机各自的优点，使整个循环的热效率得以提高。这 是燃蒸联合循环的最基本原理。这种循环也可概括地称为总能系统n 2 i 。 2 1 2 燃蒸联合循环的型式 目前电站用的燃气一蒸汽联合循环有以下2 种基本方案： ( 1 ) 不补燃的余热锅炉型； ( 2 ) 有补燃的余热锅炉型n 羽。 燃气一蒸汽联合循环在船上的应用也不外乎于这两种方案。为了研究船 用燃气一蒸汽联合，分别对这两种方案进行分析。 1 、不补燃的余热锅炉型 摊气 空气 l 一压气机：2 燃烧室；3 燃气透平；4 一发电机；5 余热锅炉； 6 一蒸汽轮机；7 一发电机：8 一凝汽器；9 一锅炉给水泵 图2 3 不补燃的余热锅炉型联合循环系统 不补燃的余热锅炉型联合循环系统如图2 3 所示。不补燃的余热锅炉型 联合循环的实施方法就是在燃气轮机的后面安装一台余热锅炉，在其中利用 燃气透平的排气余热将给水加热成蒸汽驱动汽轮机故称余热( 废热) 锅炉型联 合循环。把燃气轮机排气送入余热锅炉加热水，生产过热蒸汽进而送到汽轮 机中去膨胀做功，汽轮机排汽再送入凝汽器中放热。这样既增加了总输出功 率，又利用燃气轮机余热，使整个循环的热效率得以提高。 l o 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 由图2 2 燃气一蒸汽联合循环的弘心图看。图中的1 2 3 斗l 表示 燃气轮机的实际循环过程；6 _ - 7 8 _ 旺1 0 _ 一6 则表示蒸汽轮机的实际循环 过程。在非补燃式的余热锅炉型方案中，由燃气轮机排气的冷却过程仁5 释放出来的热能，被用来使蒸汽轮机循环系统中的给水，从工况点6 起始加 热升温，经历过程仁1 1 _ 7 8 9 ，变为具有一定压力的过热蒸汽。显然， 该方案中蒸汽的初温乃必然受制于燃气透平的排气温度乃，即豕乃，而且 在余热锅炉中产生的蒸汽量也是有限的，因而不补燃的联合循环机组的总输 出功率不可能超过燃机功率的1 3 1 4 倍。 2 、有补燃的余热锅炉型 有补燃的余热锅炉型联合循环系统如图2 4 所示。除燃气轮机的排气引 入余热锅炉外，还可以补充部分燃料( 可在燃气轮机排气通道中，也可在余热 锅炉中) 引入燃烧，随着补燃量的增加，汽轮机容量的比例随之增大。根据燃 气轮机的排气温度，可确定使机组效率最高的最佳补燃量，补燃可用煤或其 它廉价燃料。 捧气 补燃燃烧曩 l 一压气机：2 燃烧室；3 燃气透平；4 一发电机；5 一余热锅炉； 6 一蒸汽轮机；7 一发电机；8 一凝汽器；9 一锅炉给水泵 图2 4 有补燃的余热锅炉型联合循环系统 由图2 2 所示的温熵图上可以发现，在这种联合循环中，温度为乃的燃 气透平排气在进入位于其后的余热锅炉时，被继而喷入的燃料补充燃烧升温 到乃2 ，随后被冷却降温到乃，由此释放出来的热量被用来加热给水，使之 哈尔滨一t ：程人学硕十学何论文 也经历过程6 1 卜7 8 9 ，变成压力和温度更高的过热蒸汽。在该方案中由于 乃2 乃，因而蒸汽的初温乃可以高于乃( 即蒸汽初温度不受燃气轮机排气温 度乃的限制) ，而蒸汽产量则可以大幅度地增加。显然，蒸汽轮机发电的功 率可以剧增n 钔n 明。 2 2 船用燃蒸联合循环余热锅炉的方案确定 余热锅炉作为联合循环系统中的能量交换设备，同时连接着燃气轮机和 蒸汽轮机，在系统中起着承上启下的作用，是系统整体优化的一个关键设备， 对联合循环的效率产生重要影响。因此，余热锅炉方案的确定是研究燃蒸联 合循环的基础n 6 1 。 根据余热锅炉现有的成熟技术，结合船用动力装置的一些特点，将会从 补燃与不补燃、余热锅炉水循环方式、蒸汽循环方式三个方面，来选择一种 适合于船舶燃气一蒸汽联合循环的余热锅炉方案。 2 2 1 补燃与不补燃的选择 上一节已经对燃气一蒸汽联合的两种方案进行了介绍，通过对两种方案 循环过程的比较可知：有补燃的余热锅炉型联合循环并不是纯粹能量梯级利 用意义上的联合循环，其中或多或少地有一部分热量只参与了蒸汽轮机循环； 对于不补燃的余热锅炉型联合循环和系统，又可概括地称为总能系统，在系 统中能源从高品位到低品位被逐级利用，形成能源的梯级利用，将大大提高 了能源的利用率，为节约能源提供了一条极为有效的途径n 引。 补燃式余热锅炉型联合循环是指在余热锅炉中还需补充燃烧一定数量的 燃料，这样就可以增大在余热锅炉中产生的蒸汽量，并能提高主蒸汽的热力 参数，由此可以增大联合循环的单机功率。通常，在这种循环中，蒸汽轮机 的功率可以是燃气轮机功率的3 - 4 倍。但是当燃气轮机初温超过9 0 0 后， 补燃方式不仅不能改善联合循环的热效率，还会减小蒸汽轮机功率与燃气轮 机功率的比例。目前，燃气轮机的初温己经很高，补燃方式只会使联会循环 1 2 哈尔滨t 稃人学硕十学何论文 的热效率恶化，因而除了热电联产机组外，这种联合循环已经很少采用了。 并且不补燃的余热锅炉还具有以下特点n 钔： l 、热功转换率高。 2 、结构简单、锅炉本身尺寸很小。 3 、运行可靠性高。 4 、启动快。 因此结合船舶动力装置要求装置排水量要小、机动性要好以及可靠性要 高的特点，在此选用不补燃余热锅炉。 2 2 2 余热锅炉水循环方式的选择 余热锅炉既可以设计为强制循环方式，也可以设计成为自然循环方式。 从国际上来看，自然循环余热锅炉在北美比较普遍，而在欧洲强制循环较为 广泛。两类余热锅炉各有其优缺点和局限性，通过下表的比较以及在船舶上 应用的综合考虑选取余热锅炉的循环方式。 由表2 1 和表2 2 的比较可知：在空间允许的情况下，我们会选取自然循 环的方式，但是由于船舶空间的有限性，我们选取强制循环。 表2 1 两种循环方式对余热锅炉性能等的影响 变量自然循环强制循环 传热面积相同相同 可用率( 约值) 9 9 9 59 7 5 0 水循环的自平衡性有有限 循环泵的设置 无有 外部耗功无有循环泵耗功 占地面积较多较少 钢结构与管道轻而多重而少 基础与撑脚轻而多重而少 安装所需设备轻重 表2 2 两种循环方式的比较 自然循环强制循环 l 、蒸发受热面为立式1 、蒸发受热面可如同 水管，常布置卧式烟道。过热器、省煤器受热面一 2 、锅炉型式成熟，锅样，根据需要，灵活布置， 炉工作安全可靠，不必装设或直立，或水平，或倾斜， 高温锅水循环泵。均无不可。 3 、结构简单，制造加2 、锅水强制循环，受 工不具任何困难。热面可采用较小直径，重量 4 、锅炉容水量大，适轻，尺寸小，结构紧凑。 应负荷变化能力强。3 、常布置于立式烟道， 5 、散装受热面在现场烟囱与锅炉合二为一，节省 安装的工作量相对不大，故地位，占地面积小。 锅炉受热面可以散装出厂。4 、锅炉容水量小，启 优缺点 6 、锅水自然循环，受动速度快，机动性好。 热面通常采用较大管径，故5 、组装出厂，有利在 锅炉重量尺寸指标较差。用户工地的安装 7 、对锅炉自动控制要6 、必须装设高温锅水 求相对较低循环泵，工作可靠性差，且 8 、锅炉重心低，稳性需增加电耗，增加运行费 好，抗风抗震性强。用。 7 、必须采用小弯头， 制造工艺复杂。 8 、锅炉重心较高，稳 性较著，不利抗风抗震。 综上所述，并且结合船舶对于动力装置的应用性及可靠性的要求，因此 在船用余热锅炉的水循环方式上选用强制循环方式，并且受热面采用立式布 置的方式。 1 4 哈尔滨i i 稃人学硕十学何论文 2 2 3 蒸汽循环系统的选择 一般根据燃气轮机排烟烟气流量和进入余热锅炉的燃气温度来确定汽水 系统是单压、多压以及是否有再热，并进行综合经济比较。国外的经验是： 当燃气轮机排烟气流量大于1 2 0 k g s 和进入余热锅炉的燃气温度高于5 1 0 时，可选择双压或三压的汽水系统，当进入余热锅炉的烟温高于5 6 0 时， 可考虑采用三压循环的汽水系统n 引。然而本文的余热锅炉的设计参数为：排 气流量为8 5 k g s ，排气温度为5 0 0 ，所以本文就采用单压汽水系统。为了 保证给除氧器的供汽，并且避免从汽轮机抽汽，在本文中采用低压蒸发除氧 器，也就是说用低压汽包作为除氧器。低压蒸发器仅为除氧器提供蒸汽而不 连接汽轮机，高压蒸发器为汽轮机提供高压高温过热蒸汽，这样可以进一步 利用余热，降低排烟温度。 以上通过几个方面对余热锅炉的方案进行了比较分析，综合这几个方面 对锅炉的要求，在本文中余热锅炉将采用不补燃单压式强制循环的方式。采 用的余热锅炉的原理图，如图2 5 所示： 一一一承 一一一气 图2 5 余热锅炉工作原理图 1 5 哈尔滨下科人学硕+ 学位论文 2 3 本章小结 本章介绍了燃气一蒸汽联合的原理和两种基本的燃气一蒸汽联合的型 式，并对燃气一蒸汽联合循环的两种型式进行了分析比较。通过补燃与否、 余热锅炉的水循环方式、蒸汽系统循环方式等几个方面确定本文采用的余热 锅炉的方案。为下一章燃气轮机后面所匹配的余热锅炉的设计计算奠定了基 础。 1 6 哈尔滨+ i ：稗人学硕十学何论文 第3 章船用燃蒸联合循环蒸汽系统的设计计算 本文所采用的燃气轮机已经在船舶上有广泛的应用，而与之相匹配的蒸 汽系统还没有。蒸汽系统主要包括余热锅炉和汽轮机两大部分，故本章对所 选用的燃气轮机的蒸汽系统进行设计计算。完成设计计算以后，并对该燃气 一蒸汽联合循环方案在船舶上的应用进行可行性分析。 3 1 余热锅炉的设计计算 3 1 1 余热锅炉主要参数的选择 在本文中所采用的燃气轮机它的进气温度2 7 ，进气与排气压力损失分 别为2 0 0 m mh ，o 及3 0 0 m mh ，o ，持续功率2 4 2 6 0 k w ，额定转速3 2 7 0 r m i n ， 空气流量为8 5 k g s ，排气温度为5 0 0 c ，效率3 6 n 引。虽然船用的燃气轮机 不会一直处于额定工况下运行，但是如果以船舶巡航负荷设计余热