（轮机工程专业论文）船舶制冷仿真系统的研究与开发.pdf

中文摘要 摘要 船舶制冷装置是远洋及沿海船舶上非常重要的辅助设备。学员通过在仿真模 拟器上的训练，能提高学员的实际操作技能和分析故障的能力，同时大大减少实 际设备的磨损。研发高性能的兼科学研究、工程设计论证与教学训练功能为一体 的船舶制冷系统仿真器具有重要的现实意义。 首先综述了国内外船舶制冷仿真模拟器的发展现状，分析论证了计算机软件 模拟的优势，遵循精简方便的原则，设计开发了一套基于p c 机的船舶制冷仿真软 件系统。该套仿真软件系统非常适合学员自学，是一套很好的教学工具。 以第五代集装箱船“c o s c or o t t e r d a m ”船舶制冷装置为仿真对象，基于 m a t l a b s i m u l i n k 的建模与仿真环境，建立了船舶制冷装置数学模型，实现动态 系统仿真。建立的数学模型主要分为两大类：一类是动态数学模型，用来模拟制 冷压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、冷库及其附属设备和系统状态变化过程的 数学模型；另一类是逻辑和控制的数学模型，用来模拟船舶制冷装置保护、报警、 操作和逻辑控制的数学模型。该仿真系统利用m a t l a b s i m u l i n k 实现编程仿真， 使用图形用户界面工具( g u i ) 设计仿真界面。用户只要操作界面上相应的按扭就 可进行船舶制冷装置的相关操作，实现装置的实际特性。 通过设置七个冷库的制冷、加热、融霜等三种工况进行仿真，对仿真结果进 行分析，并与实船数据进行对比，证明基于m a t l a b 的船舶制冷装置动态仿真是 可行的，所建立的船舶制冷装置的各部件模型和系统模型是准确的和可信的。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：船舶制冷装置；仿真系统；建模；m a t l a b 英文摘要 a b s t r a c t m a r i n er e f r i g e r a t i n g p l a n ti sa ni m p o r t a n ta u x i l i a r ye q u i p m e n to fs h i p f o r o c e a n - g o i n ga n ds e a t h r o u g ht r a i n i n go nt h es i m u l a t o r ，s t u d e n t sc a ne n h a n c et h e i r p r a c t i c a ls k i l l sa n da b i l i t yo fa n a l y z i n gf a u l t s a tt h es a m et i m e ，t h ew e a ro fe q u i p m e n t c a r lb ed e c r e a s e dg r e a t l y i ti sa l li m p o r t a n tr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c et or e s e a r c he m l u a t o ro f m a r i n er e f r i g e r a t i n gs y s t e m 谢t hh i g hc a p a b i l i t y a to n et i m e ，t h ee m l u a t o rh a v et h e s e f u n c t i o no fs c i e n c er e s e a r c h , e n g i n e e r i n gd e s i g na r g u m e n t a t i o n , t e a c h i n ge d u c a t ea n ds o 0 n f i r s t l y ，t h ew r i t e rs u m m a r i z 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 f t h em a r i n e r e f r i g e r a t i n gs 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 fs 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 ra n a l y s i sd e m o n s t r a t e st h ea d v a n t a g e so fc o m p u t e rs i m u l a t i o ns o r w a r ea n d d e s i g n sas e to fp 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 i nt h i sp a p e r , r e f r i g e r a t i o ns y s t e mo ft h ef i f t h - g e n e r a t i o nc o n t a i n e rs h i p “c o s c o r o r n 猿d a m ”a sas i m u l a t i o no b j e c t o r , b a s e do nm a t l a b s i m u l i n km o d e l i n ga n d s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t , t h ea u t h o rs e t su pam 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 e d y n a m i cs i m u l a t i o no fm a r i n er e f r i g e r a t i o ns y s t e m m a t h e m a t i c a lm o d e li sd i v i d e di n t o t w ot y p e s ：o n ei sad 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 ec o m p r e s s o r , c o n d e n s e r , e x p a n s i o nv a l v e ，e v a p o r a t o r , c o o lr o o ma n di t sa n c i l l a r ye q u i p m e n t ；t h e o t h e ri sl o g i c a la n dc o n t r o lm 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 ep r o t e c t i o n , a l a r m ， o p e r a t i o na n dl o g i c a lc o n t r o lo ft h em a r i n er e f r i g e r a t i n gs y s t e m t h ea u t h o rr e a l i z e s p r o g r a m m i n gw i t hm a t l a b s i m u l i n k , d e s i g n i n gs i m u l a t i o ni n t e r f a c eb yg r a p h i c a l u s e ri n t e r f a c e ( o t n ) a sl o n ga s t h eu s e rp r e s st h eb u t t o nc o r r e s p o n d l yo nt h ei n t e r f a c e ， h ec a l le a r l yo u tc o r r e s p o n d i n go p e r a t i o no fr e f r i g e r a t i n gp l a n t , r e a l i z i n gt h ea c t u a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep l a n t i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o ra n a l y s i ss i m u l a t i o nr e s u l t sb ys e t t i n gr e f r i g e r a t i o n ， h e a t i n g ，d e f r o s t i n go ft h es e v e nc o o lr o o m ，t h e nc o m p a r e dt oa c t u a ls h i pd a t a ，w h i c h p r o v e st h a tt h em o d e lo fr e f r i g e r a t i o np l a n tb a s e do nt h em a t l a bd y n a m i cs i m u l a t i o n i sf e a s i b l e ，t h ec o m p o n e n t sm o d e la n ds y s t e mm o d e lo fm a r i n er e f r i g e r a t i o np l a n ti s a c c u r a t ea n dc r e d i b l e 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 d t e c h n i q u e k e yw o r d s ：m a r i n er e f r i g e r a t i n gp l a n t ；s i m u l a t i o ns y s t e m ；m o d e l i n g ；m a t l a b 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， 撰写成硕士学位论文 ：殷艟剑捡值真丕统的研究皇珏筮：。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。 学位论文作者签名：犁必 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有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权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。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密i - 7 在年解密后适用本授权书。 不保密d ( 请在以上方框内打“4 一) 论文作者签名：念导师签名： 日期：钾年 一车沁 6 其o e l 船舶制冷仿真系统研究与开发 第1 章绪论 1 1 概述 国际海事组织( i m o ) 制定的s t c w 7 8 9 5 公约中，强调了船舶管理人员实际 工作能力的教学和培训。为满足国际海事组织( i m o ) 关于海员培训、发证及值 班标准国际公约s t c w 7 8 9 5 规定的“适任评估项目和“能进行持续熟练程度演 示”的要求，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 。，但制冷剂的质量流量g 减小， 因而不能直接判断。热力学分析表明，在达到某压力比a p d 时( 一般制冷剂该值 在3 左右) 压缩机轴功率最大。通常制冷装置工作时压力比都大于3 ，当蒸发温度 降低时轴功率是降低的。 1 4 船舶制冷仿真系缆研究与开发 声 霆2 。3 蒸发温度变纯慰理论循环豹影蝻 擎疆2 , 3 豫嘲蕊濑绺谯璐l 霉豪姆姆嚣礞鳓趣弩瓣 ( 2 ) 冷凝潋度的影响 蜜塑2 。凄露冕，穰设冷凝瀑度奎轰瑟骞劐，裂制冷橇酶理谂德环裁将壶 1 2 3 4 5 6 1 改交建圭2 83 凄s 8 9 薹+ 。当冷凝漱发升嵩簿，懑予德繇蘸萃挺黼冷量舔 减少，即q 。 越。， 蒸雾嫡超过霞输气系数天藏小褥导致戆潦剂蒺基流量甚翡减夺，鼓麓葫攀p 祷缮 大；显然q o # q j ( d 。，濑髓的制冷系数也会降低。威之，当t 。降低时，则情 况溉将耪爱。 ( s ) 过热摄筇耧装气避热嫠鲢影穗 如图2 5w 魁，过热度掩黼时冷剂单位谁冷量q o 增加yh l l l l ，革位烂缩功 也幽妯。= k - h ；增翱为。= h l ，它们对制冷系数的影晌墩决于冷剂性质，当 慕瘸r 1 2 舞，蘸气过热鏖缮太，鲻制冷系羧提蘸，露2 霎g 雾嫡苓太臻鸯下降) ， 耐懿制冷系数赢黼减小。 吸气过熟度增加虽然单位制冷量q o 增加，但吸气比容”，也加大，馒麟鳖流量 藏夸，薄装嚣铡冷量惫黧影嫡要看二考辫个影酶大。赛验表臻，过燕度霉提囊 l 心，戤2 、r 2 2 靴氨的流量g 减少侥4 冤，群啪财分掰增擞执5 篱、文嫡辩爵2 舞， 所以r 1 2 的制冷燃q o 提高，氯的制冷量q o 减小，而r 2 2 则影响不大。 l s 徽2 章仿真对擞檄述 土述冷裁蔽馘潼燕麦簧熹辩，攀霞莲蘩蕊耱嚣缮燕誉辩凄譬漾霎鑫瀑步浃， 故轴沩率p 是减少的。 脚煅 图2 。4 冷擞潞度变化对黼谶铺环的影嘀 f i g 2 4 粼瓣i m p a c to f t h e 删c a lc y c l eb y 稽姆代峨氐嫩姆蚓肆籼 匿最器黼捺循环在腻髓糌上簖表示 学i g 2 5h 辟谳c y d ei nt h e 刚i | ： 8 蝴r e e n t h a l p yd i 勰群r 戡龇 巢羹多麦爨篷避蓦囊会嚣熬鞣耋蓦囊羚綦装羹蓁穗蒸凌；奏嚣巡避婆麦 两献黼止噩缭枫嘁入液态冷潮瓣坐液击，憾麟谶少有害遂热，僵嚷气懑热澄太蹇 又惫使摊气温飚糊滑油温过礴。氮制冷装鹫徽发器出口的冷焖应尽可熊燧千饱和 蒸气，薹囊羲黎鼍避蒸囊虿囊越避s 8 c ；黧囊暴羹饕装燮蒸羹纂塞器避熬塞一 黻撵京g 在3 - - 6 c 姆过熬段酶簸热麓嘉禳蘩，潍了有蓑裁鬻蒸发藩获，蒸瀣嚣鑫簦 澈热度不宜过大* 船舶制冷仿真系统研究与开发 ( 4 ) 过冷循环和过冷度的影响 由图2 5 可见，其他条件不变，循环的过冷度增加，过冷温度由t 。降到t ， 单位制冷量q o 增加，装置制冷量由此而增加；由于压缩机轴功率不变，装置制冷 系数提高。实际装置靠增加冷凝器换热面积来提高过冷度，所能达到的过冷度很 有限，一般约为3 - 5 ，于是冷凝器到膨胀阀这段液管压降不宜超过4 0 7 0 k p a ， 否则过冷度可能会消失而提前闪汽，使制冷量降低。 由此可见，提高装置的过冷度有益于装置运行的经济性，同时也可防止液管 内冷剂提前闪汽，因此常设气液换热器。 利用气液换热器( 亦称回热器) 使节流前的制冷剂液体与压缩机吸入前的制 冷剂蒸气进行热交换，使液体过冷、气体过热，称为“回热。具有回热过程的 制冷循环称为回热循环。回热循环对制冷量、压缩功和制冷系数的影响与系统所 使用的制冷剂的关系，如同分析吸气过热度影响时所指出的一样，r 1 2 装置采用回 热循环能提高制冷量和制冷系数；r 2 2 装置设回热器对q o 、e 影响不大，但在膨胀 阀前的液管压降较大时，为防止“闪气”，以及为减少吸气管有害过热也可设回 热器；氨装置则不宜设回热器。 工况参数对压缩制冷的影响如表2 1 。 表2 1 工况对压缩制冷的影响 t a b 2 1t h ei m p a c to f c o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o nb yc o n d i t i o n 温度条件变化 制冷量轴功率制冷系数 冷凝温度fl ( q ol 入1 )t ( 。of g ；)l ( d of 、q o1 ) 当pk p o 3 左右 蒸发温度li ( 1 ，ifg )l ( of 、q o1 ) 时( gi o ” 供液过冷度t ( 。q of )不变f ( o 不变q of ) r 1 2t ( q ot df ) r 1 2t ( q 。f gi ) r 2 2 稍l 吸气过热度tr 2 2 不变( q 。t = 6 )i ( gl i ) of ) r 7 1 7 ；( q ot o r 7 1 7l ( 。q of gi ) t ) 1 7 第2 章仿真对象概述 2 1 6 船舶制冷系统制冷剂 制冷剂是制冷装置中的工作介质，又称制冷工质。制冷剂在制冷系统中循环 流动，与外界进行能量交换，从而实现制冷。对船用制冷装置来说，冷剂的安全 性往往是考虑的首要因素，同时一般船用制冷装置多属于单级压缩和中、高温制 冷，并多处于中、小制冷量的范围。r 2 2 是船舶制冷装置中广泛使用的一种制冷剂。 特别是某些氯氟烃( c f c ) 被禁止使用的今天，在尚未确定更适合于船舶制冷装置 使用的新型制冷剂之前，r 2 2 就成为主要的过渡性制冷剂。c o s c or o t t e r d a m 轮的 船舶制冷装置选用的冷剂就是r 2 2 。它主要有以下特点： ( 1 ) r 2 2 无毒、无味、不燃不爆、热稳定性好，单独存在时即使温度达5 0 0 仍然稳定，但和火焰( 8 0 0 c 以上) 接触时会分解产生卤化烃气体和微量有毒光 气及一氧化碳气体。氟利昂的比重都比空气大，在空气中浓度太大时人停留过久 会因缺氧而窒息。 ( 2 ) 微溶于水。水在液态r 2 2 中的溶解度，3 0 时为l4 7 0m g k g ，一3 0 时为1 8 0 m g k g ，而不发生显著腐蚀的限度是6 0 - - - , 8 0 m g k g 。为防止腐蚀，含水量 应以后者为限。 ( 3 ) 条件性溶油。在高于+ 8 的区域( 如曲轴箱、冷凝器、供液管等) 溶 油能力强，可完全溶解，而在+ 8 以下( 如蒸发器) 时则溶油能力会下降，致使 在蒸发器中回油比较困难。 制冷剂溶入滑油会使其粘度降低，所以氟利昂压缩机应选用粘度较高的滑油。 此外，起动时应防止发生“奔油”现象。 ( 4 ) 电绝缘性较差，而且会使聚乙烯纤维变软，引起绝缘下降。在封闭式压 缩机中，r 2 2 装置的电机绝缘需用丙烯晴树脂。 ( 5 ) 渗漏性很强，且无色无味，漏泄时不易察觉，故对装置的气密性要求高，