船舶蒸汽动力系统仿真研究_文献综述

1、哈尔滨工程大学研 究 生 文 献 综 述 成 绩 报 告 单学号S313030026姓名史智俊指导教师宋福元专业动力工程及工程热物理研究方向热力系统仿真拟定论文题目船舶蒸汽动力系统仿真研究文献阅读时间2014年32014年10月指导教师评语文献 综述报告成绩专业外语阅读成绩总成绩参考文献1 于文轩. 船用增压锅炉动力系统的仿真研究D. 重庆: 重庆大学, 2008. 5.2 彭敏俊.船舶核动力装置M.原子能出版社.2008.123 李章.舰用增压锅炉装置M.北京：海潮出版社,2000年.2-9.4 程刚. 舰用热力系统的模块化建模与仿真研究D. 武汉: 华中科技大学, 1999. 11.5 林

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10、del for Long Term Power System Dynamic SimulationJ. IEEE Transactions on Power Systems, 1999, 14(1): 209-217.21 齐治国. 船用锅炉汽水系统数学建模及仿真的研究D. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2003, 02.22 范永胜, 程芳真, 眭喆, 等. 600MW超临界直流锅炉的动态特性研究J. 清华大学学报, 2000, 40(10): 104-107.23 田亮, 曾德良, 刘吉臻, 赵征. 简化的330MW机组非线性动态模型J. 中国电机工程学报, 2004, 24(8): 180

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17、dings of 2008 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, 392-397.42 冷欣. 船用增压锅炉汽包水位预测控制方法研究D. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学博士论文, 2009. 9.船舶蒸汽动力系统仿真研究综述1 研究背景船舶动力装置除了能为船舶的正常航行提供动力外，还能保证船舶在锚泊和靠岸情况下所必需的各种能源，是整个船舶的核心部分 1。蒸汽动力装置具有单机功率大、机组振动噪声小、工作可靠性高、使用寿命长等优点，蒸汽动力装置至今仍有着强大的生命力2。船舶蒸汽动力装置以蒸汽轮机作为推进主机，主要由增压

18、锅炉及其他设备组成，船用增压锅炉具有可靠性高、生命力强、耐久性好和维修方便等良好的性能，特别是重量轻、尺寸小和机动性好等特点 3。随着船舶建造技术的进步和行业的需要，动力装置逐渐向大容量、高参数和全自动化的方向发展，尤其是对大型船舶的动力系统来讲，因系统中设备众多、构成复杂，且彼此间相互作用、耦合，这给系统的设计及运行带来了极大困难，同时也从管理、操作以及对机组运行的可靠性、经济性等诸多方面都提出了更为严格的要求4。由于船舶动力系统使用的特殊性，传统的以静态校核计算为主的单一设计方法越来越明显地难以保证实际生产对设备性能的要求，因此作为指导蒸汽动力系统设计优化及安全运行的有效手段，动态性能仿真

19、已成为近年来船舶动力领域研究的热点5。建立蒸汽动力系统仿真软件平台有助于管理人员对整个热力系统地运行机理认识更加深刻，同时有助于从理论上优化热力系统的设计以提高其热效率以及改善控制系统性能以满足动态要求。因此对蒸汽动力系统动态性能的仿真研究，成为模拟实验以及蒸汽动力系统优化运行方案的有力手段。2 相关领域研究现状在科学技术高度发展的今天，计算机仿真已逐渐成为大型复杂动力系统研制开发的有效途径和方法，其在缩短研制周期、降低研制费用和提高技术性能等方面起到了至关重要的作用5。在交通领域6-8，多年来国内外同行一直在对各类重大运输设备的动、静态特性进行研究。从机车运行学分析到航海驾驶多自由度的船舶运

20、动模型9-11，如在船舶设备中，对主汽轮机带动螺旋桨做功，以改变船舶的航速、航向等进行仿真12。仿真系统可以用于机组运行的仿真试验，通过对负荷运行以及各类常见故障的模拟，来验证或预测设备在实际工作过程中的参数响应特性，对系统实际运行过程或装置结构的优化进行辅助研究。2.1 国外研究状况早期关于蒸汽动力系统仿真方面的研究主要是针对陆用电站，自上世纪60年代西方国家的相关科研人员对热力系统的数学模型以及仿真算法进行了深入研究，并以实际电站作为仿真对象率先开发出了脱离现场的电站培训用仿真设备。目前在工业发达国家，电厂热力系统计算机仿真技术已日臻完善，并取得了一些突出的研究成果。Mello13于199

21、1年提出了燃煤机组的简化模型，给出了简化过程中所涉及的部分参数的推导方法，并考虑了制粉过程的动态变化以及过热器的压力损失对炉膛燃烧和传热的影响，使模型更接近实际机组。荷兰Delft科技大学的P. Colonna和H. van Putten14,15采用集总参数和模块化建模的方法，开发出了一种新的关于能量转换系统的动态仿真软件SimECS，在此基础上对电厂热力系统进行了动态仿真研究，仿真结果与实验测量数据相比具有较高的精确度。E.J. Adam和J.L. Marchetti16于1999年对自然再循环水管锅炉建立了较为复杂的动态模型，包括上升管内汽液两相流和汽包环节中汽水分离等非线性模型，并将此

22、类模型应用在了30MW电站锅炉系统的仿真试验中，所得重要运行参数的动态仿真结果与实际值相符，为进一步研究和分析锅炉运行时的动态特性以及控制策略的可行性提供了有利条件。为了获得较大变化范围内汽包水位的动态特性，K.J. Åström和R.D. Bell17在采用集总参数法的基础上，综合系统辨识、机理建模和模型简化等方法，建立了经典的汽包锅炉水位非线性动态模型，考虑了液面下汽泡随压力变化而产生的膨胀和收缩现象对水位的影响，并给出了汽包内穿过液面蒸汽流量的经验公式。虽然保证了动态仿真曲线与实验曲线在趋势上相近，但由于模型中存在着过多简化，使得稳态精度不是很理想。H. Kim和S.

23、 Choi18在Åström的基础上，基于质量、动量和能量守恒以及一些热力学的基本方程，进一步深化了自然循环汽包锅炉蒸发回路的水位动态模型。模型中将汽包内的汽水混合物分成了三部分，即饱和水、液面上的蒸汽和液面下的蒸汽。其中关于液面下蒸汽量的计算考虑了蒸汽的冷凝速率以及上升速度，并认为汽包内水的表面流速为零，液面下汽泡的平均大小为一定值。仿真结果与以往文献中应用经验模型所得的结果相比，在精度上有所提高，不过该模型忽略了汽包内部结构对冷凝量的影响，因此仍具有一定的局限性。F.J. Gutiérrez Ortiz19利用Matlab软件对燃油火管锅炉的烟气侧与汽水侧进行

24、了建模与仿真研究，为方便计算出各受热面换热量的大小，将炉膛按烟气流程划分成了不同的区域，并忽略了金属蓄热的影响。该模型可以实现对锅炉启动过程、汽包水位和压力变化的动态仿真，也可用于设计或检测系统运行时的相应控制策略。M. E. Flynn和M. J. OMalley20利用Matlab/Simulink软件对某长期运行的电站蒸汽动力系统进行了实时仿真研究，由于系统中过热器和再热器金属管长的原因，建模时考虑了工质的输运和存储现象。在求解模型中的微分方程时采用了4阶龙格-库塔法，并应用实际运行数据对仿真模型进行了验证，结果表明该模型对系统关键参数（如汽包压力、水位、蒸汽温度等）具有一定的预测功能。

25、计算机仿真技术在船舶领域的应用较晚，直到20世纪80年代才作为一门较为成熟的技术，而逐渐被许多知名的研究机构和公司，如英国yard公司、美国GE公司、挪威Norcontrol公司等用于船舶的论证、设计、试验和试航等方面。目前所能查阅到的关于船舶蒸汽热力系统仿真方面的国外文献很少。为此，自主设计开发一套适用于船舶蒸汽热力系统的仿真平台，以解决用汽负荷发生大幅波动时，设备稳定性、系统协调匹配性、控制方案的可行性等关键技术，具有很大的实际意义。2.2 国内研究状况在国内，近十几年来以建立火电机组仿真培训系统为契机，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。但从总体上讲，热动力装置模块化建

26、模及仿真系统的研究在我国还刚刚起步21。具有代表性的范永胜等人于1998年采用模块化建模的方法建立了超临界直流锅炉机理模型22，该模型能够较全面地反映电站机组的各种运行工况及主要参数的变化，但由于具有相对复杂的结构和较多的参数，给机组的自动控制带来了一定的困难。田亮，曾德良等人23,24依据基本的质量平衡、容积平衡和能量平衡关系，采用机理分析和实验数据拟合的方法，建立了火电机组大范围变工况运行下的简化数学模型。结果表明，模型能够反映机组主要参数的动态特性，具有较好的复现性。李斌等人25以强制循环和自然循环锅炉为研究对象，依据质量、能量和动量守恒的原则对其建立了数学模型，针对锅炉的启动特性开发了

27、一套计算机仿真程序DBSSP，该程序可以详细的反映出锅炉各部件的流动和热力学特性，因程序的开发仅基于设计数据，所以它可用于任何临界、强制或自然循环锅炉。通过对600MW强制循环锅炉冷启动过程的仿真与实验研究，发现二者之间具有良好的一致性，从而验证了仿真程序的正确性。该程序除了对强制循环和自然循环锅炉在启动过程期间的性能进行预测外，也可以被用来优化启动系统的最小启动时间。初云涛，周怀春等人26-28在对炉膛内烟气传热、工质流动等物理过程分析的基础上，开展了电站锅炉分布参数建模的研究，并利用实时的炉内三维温度场以及颗粒黑度等燃烧检测信息，提出了独特的火焰温度图像检测方法，从而创立了炉内燃烧三维温度

28、场实时可视化监测技术。通过该技术，不但可以直接地观察到燃烧进行的过程，而且还可以更全面的了解锅炉热力参数的分布特性。随着国内陆用电站仿真技术的日益成熟，计算机仿真在船舶领域的应用研究也逐步开展起来。哈尔滨工程大学、海军工程大学和武汉理工大学等高校及科研院所都相继从不同的侧面和角度对船舶推进、动力系统控制设计等方面进行了深入研究，并达到了较高的水平。增压锅炉作为船用蒸汽动力装置中的重要部件，其运行的可靠性和经济性是对现代船用锅炉提出的最基本的技术要求。周国义，秦健伟等人29-31通过在增压锅炉上安装火焰监测采集装置，利用辐射图像计算机处理技术以及辐射传热理论方法，对所采集的火焰辐射图像进行分析，

29、得到了炉内温度分布和表征炉内燃烧强度的辐射能信号与上升管吸热量、燃油耗量的对应关系。在此基础上就上升管吸热量（炉膛辐射能信号）脉动对汽包水位的影响进行了仿真研究，所得结果为炉内温度场重建、燃烧与水位控制技术优化、在线实时监测和故障诊断以及增压锅炉的设计等奠定了一定的基础。陶虹等人32利用模块化建模的方法，将船用锅炉划分为汽包、水冷壁、炉膛燃烧、对流蒸发管束以及对流受热面等模块，认为水冷壁和对流管束内的蒸汽干度不同，并充分考虑了蒸汽带水以及虚假水位的影响后，采用集总参数法和一些经验公式，对船用锅炉的各子模块建立了较为详细的数学模型。所得汽水侧的仿真结果与实验值的吻合性较好、精度较高。李彦军等人3

30、3-35以前苏联设计的舰用增压锅炉装置为研究对象，依据烟气侧以及汽水侧的工作特点，得到不同工况下的增压锅炉装置热力性能参数并总结了其变化规律。在Matlab/Simulink仿真软件的支持环境下，对增压锅炉的升降负荷与启动特性进行了动态仿真研究，为增压锅炉的优化设计、运行控制以及故障诊断提供了重要的依据。马武学36基于Thermoflex和Matlab软件，结合增压锅炉动力装置数学模型，建立了该动力装置的仿真模型，所得仿真结果与理论计算值进行了比较分析，从而验证了仿真模型的正确性。此外，作者还研究了变工况时增压机组和锅炉之间的匹配性能，并探讨了提高增压锅炉总体性能的途径。宋玉文37采用模块化建模技术和集总