【《船舶蒸汽动力系统数学模型建立分析》10000字】

船舶蒸汽动力系统数学模型建立分析目录TOC\o"1-3"\h\u12613船舶蒸汽动力系统数学模型建立分析 1190001.1船舶蒸汽动力系统组成及工作原理 2191981.1.1蒸汽动力系统工作原理 2320611.1.2蒸汽动力系统组成 2170181.1.1.1主动力装置 2127461.1.1.2辅助动力装置 3281451.1.1.3蒸汽锅炉或蒸发器 314461.1.1.4制冷和空调装置 4232281.1.1.5压缩空气装置 4176071.1.1.6船用泵和管路系统 4207211.1.1.7造水装置 4314861.1.1.8自动化系统 5186661.2蒸汽动力系统热线图 550891.1.1热线图基本介绍 525521.1.2热线图的分类 68121.3蒸汽动力装置热力设备数学模型 1091771.3.1蒸汽发生器 102321.3.2给水加热器 12165491.3.1.1表面式给水加热器 12321.3.1.2混合式给水加热器 14315611.3.3汽轮发电机 15317251.3.4泵 1617481.3.4.1电动泵 16220391.3.4.2汽动泵 1754001.3.5冷凝器 17蒸汽动力系统作为重要的能量转换系统，其在民用火力发电、核动力发电、太阳能发电、船舶动力推进系统等领域得到了广泛的应用。不同于民用发电，船舶蒸汽动力系统具有功率密度高、机动性运行要求高、空间尺寸限制严格等特点，但其工作蒸汽温度压力却不高，再热和回热结构与民用发电也存在较大差异。为此本章将针对船舶蒸汽动力系统特点，深度剖析船舶蒸汽动力系统的工作原理、组成设备及运行特性；并分析蒸汽动力系统热线图的基本特性，对典型热线图进行分类总结；结合船舶蒸汽动力系统的热力系统结构特点，建立蒸汽动力系统主要组件的数学模型，使得各组件数字化、可视化，为后续开展热力系统热平衡分析奠定坚实基础。1.1船舶蒸汽动力系统组成及工作原理1.1.1蒸汽动力系统工作原理船舶蒸汽动力装置可使用包括燃油在内的各种燃料，在蒸汽动力装置中利用燃料燃烧的热量产生蒸汽，供给主机做功以及辅机发出牵引力。蒸汽从锅炉或蒸发器进入汽轮机膨胀做功，将蒸汽的热能转变为机械能，经齿轮减速器和轴系驱动螺旋桨。蒸汽在汽轮机中膨胀做功后排入冷凝器，被舷外水冷却而凝结成水，由凝水泵送入给水预热器和除氧器中，再由给水泵将给水经给水预热器送回锅炉，重新在锅炉或蒸发器中受热蒸发成蒸汽，而形成一个闭合循环。为了提高循环效率，从汽轮机中抽出部分作过功的蒸汽加热给水，即实现回热循环。1.1.2蒸汽动力系统组成船舶必须配置一整套符合规范要求的动力装置和辅助设备后，才能航行。这些动力装置包括船舶主动力装置、辅助动力装置、蒸汽锅炉、制冷和空调装置、压缩空气装置、船用泵和管路系统、造水装置和自动化系统等，这些机电动力设备主要集中于机舱：1.1.1.1主动力装置船舶主动力装置又称“主机”，它是船舶的心脏，是船舶动力设备中最重要的部分，主要包括：（1）船舶主机能够产生船舶推进动力的发动机的一种俗称，包括为主机服务的各种泵和换热器、管系等。（2）传动装置把主机的功率传递给推进器的设备，除了传递动力，同时还可起减速、减震作用，小船还可利用传动设备来改换推进器的旋转方向。传动设备因主机型式不同而略有差异，总的来说由减速器、离合器、偶合器、联轴器、推力轴承和船舶轴等组成。（3）轴系和推进器船舶推进器中以螺旋桨应用最为广泛，大多采用固定螺距或可调螺距的螺旋桨推进器；船舶轴系是将主机发出的功率传递给螺旋桨的装置。船舶主机通过传动装置和轴系带动螺旋桨旋转产生推力，克服船体阻力使船舶前进或后退。1.1.1.2辅助动力装置船舶辅助动力装置又称“辅机”，是指船上的发电机，它为船舶在正常情况和应急情况提供电能。由发动机组、配电盘等机电设备构成了船舶电站。（1）发电机组原动力主要是由柴油机提供，基于船舶安全可靠和维护管理简便的考虑，大型的船舶配置有不少于两台同一型号的柴油发电机，根据需要可多部同时发电。为了节能，航行中，有的船舶可利用主机的传动轴来带动发电机发电（轴带发电机）或利用主排出气的余热产生低压蒸汽来推动汽轮发电机组发电。（2）配电盘它进行电的分配、控制、输送、变压、变流以保证各电力拖动设备及全船生活、照明、信号及通讯等的需要。1.1.1.3蒸汽锅炉或蒸发器由辅助燃油炉和废气锅炉以及为其配套服务的管系、设备所组成。辅助燃油锅炉是供应船上辅助性蒸汽的需要，如加热燃油和滑油、暖气、生活用水、厨房、开水等，并满足一些辅机用蒸汽的需要。为节能，航行中废气锅炉利用柴油机排气中的余热来产生蒸汽，在停泊时只使用辅助燃油锅炉。蒸发器是很重要的制冷部件，低温的冷凝液体通过蒸发器，与外界的空气发生热交换，气化吸热，从而达到制冷的效果。蒸发器主要由加热室和蒸发室组成。加热室提供蒸发所需要的热量，促使液体沸腾汽化；蒸发室使气液两相完全分离。1.1.1.4制冷和空调装置船舶安装制冷装置的目的是冷藏运输货物、冷藏一定数量的食品以及改善船员和旅客的生活工作条件等。空气调节装置的任务在于保持舱室中具有适于人们工作和生活的气候条件，它包括夏季降温、除湿，冬季加热、加湿以及一年四季的通风换气工作。其主要设备有制冷压缩机、蒸发器、冷凝器、空调器及其自动化控制元件等。1.1.1.5压缩空气装置一般船上配置有多台空气压缩机和多个压缩空气瓶，以供应并存全船所需的压缩空气，如用压缩空气启动主、辅柴油机；主机换向；为气笛、甲板气动机械等设备提供气源。其主要设备有空气压缩机、贮气瓶、管系及安全、控制元件等。1.1.1.6船用泵和管路系统船上为了泵送海水、淡水、燃油、润滑油等液体，需要一定数量和不同类型的泵。一般在机舱中就必需设置舱底水泵、燃油和滑油输送泵、给水泵、冷却水泵、压载水泵、卫生水泵等主要的油泵和水泵。与泵相连接，船上设置了各种用途的管路。1.1.1.7造水装置造水装置又称造水机，是在真空状态下对海水进行加热产生蒸汽，然后将蒸汽凝结成淡水的设备。1.1.1.8自动化系统随着科学技术的进步以及在船上的广泛的应用，机舱控制系统越来越先进，船舶动力装置的远距离操纵与集中控制，大大改善了船员的工作条件，提高了工作效率，减少了维护修理工作量。对机舱的主、辅机及其它机械设备进行遥控、自动调节、监测、报警等设备所组成的自动化系统，是现代船舶必不可少的组成部分。1.2蒸汽动力系统热线图1.1.1热线图基本介绍蒸汽动力装置是由许多机械、容器、热交换器等单元组成。由于妥善地安装了管路及附件，这许多不同的单元才联结成了一个统一的能量综合体，得以圆满地、不间断地满足多种类和条件复杂的船舶需要。在所连接的管路中，有些环节中工质以蒸汽形式流动着，而在另一些环节中，是以水的形式。这些管路及所联结的各种机械设备的略图，称为装置的热线图，即用以表示汽轮机推进动力装置中的基本组成部分在热力上联结关系的线图，包括所有热力设备以及汽水循环基本过程，有时也称为蒸汽——凝水循环线图。热线图在船舶动力系统设计、运行中都有非常重要的作用，要设计一个蒸汽动力系统，首要要做的就是要设计出动力系统的热线图，热线图设计出来后，整个热力循环功率、效率，蒸汽工作参数压力、温度等，以及设备配置的数量、性能要求等等就已确定，这些都是动力系统的核心。因此，热力系统热线图为蒸汽动力系统热功转换的核心部分，其不仅影响系统的出力、效率，而且影响着子系统和设备的合理配置、运行参数匹配，热线图优化设计能确保系统具有较高的可靠性、安全性和经济性，并可以尽最大可能优化利用舱室的有效空间。1.1.2热线图的分类包括工质所有流线的热线图，叫做完整热线图，完整热线图较为复杂。为了使线图有所简化，可将装置个别部分间的、次要程度的联系（例如管路、蒸汽和水的复设管路等）省去。根据热线图用作研究或计算的目的不同，省去的部分略有不同。这就构成了各种简化的热线图。如果在热线图中突出了装置各单元为实现其热力循环以及对装置热经济性指标有实质影响的联结关系时，则称之为原则热线图。原则热线图反映了装置各部分的本质连接方法，同名的或功能相同的单元只用一个功能单元来代表，对附件则仅表示出那些为了说明装置各部分间基本联系的功能单元（例如：将剩余辅机乏汽导入冷凝器的卸荷阀）。在装置研究及热力计算时一般采用原则热线图。它应表示出：——热力循环方式（不再生、再生、带中间过热等）；——蒸汽机械的供汽方式（过热、减温、饱和、撤汽等）；——利用辅汽轮机乏汽热量及热凝水热量的方法；——从主机中间级撤汽的蒸汽热量再生系统；——补充由蒸汽导管和凝水—给水管系漏泄的方法。从对装置工况的适用性来区分，热线图可分成单工况、多工况及全部工况的热线图。原则热线图、各种简化热线图均可以是单工况、多工况及全部工况的。实际上一般热线图均包括了装置某些范围的工况，即经常是多工况的热线图。热线图有很多种分类，我们只介绍常见的几种热线图。1.1.1.1最简单热线图图1.1表示汽轮机推进装置最简单的热线图。这种装置按郎肯循环工作，结构简单。主、辅汽轮机的排汽全部进入冷疑器，在其中凝结成水。在热交换器中，加热蒸汽的凝水流入热水井中；与冷凝器内的凝水一起被给水泵送进蒸发器。在这种类型的动力装置中，汽轮机中的废汽进入冷凝器，废汽在冷凝器中冷却并凝结。给水泵从冷凝器中吸取凝水并将其输送到蒸发器中，冷凝器完成了一个重要功能——闭合循环并将蒸汽的凝结热传送给周围介质。这种最简单的热线图中主、辅机的排汽全部排入冷凝器，大量的蒸汽热能被外部的冷却海水带走，导致装置的有效效率低。图1.1闭式动力装置的热线图1.1.1.2辅机废汽预热给水的热线图采用这种热线图时，装置中的辅蒸汽系统按回热循环工作。根据辅机排汽的利用情况，可区分为下列两种热线图：Ⅰ.辅机排汽全部加热给水（背压式）热线图图1.2所示是辅汽轮机（包括各种蒸汽辅机）排汽全部加热给水的热线图。这种动力装置所有汽轮辅机排汽压力相同。因这些辅助汽轮机的排汽压力大于大气压力，可称之为背压式汽轮机。辅机排汽全部在给水加热器中加热给水，冷凝器水经过给水加热器后送进蒸发器。这样，辅机排汽的热量全部被给水吸收而回收循环中，推进装置的有效效率随之提高。图1.2辅机排汽全部加热给水的热线图这种热线图，整个推进装置比较简单，有效效率比较高。但实际难以实现，因为所有蒸汽辅机的汽耗量比较大，它约占主汽轮机汽耗量的20％左右，所以辅机全部排汽量总是大于给水加热器能凝结的蒸汽量。Ⅱ.具有背压式和凝汽式辅机的热线图图1.3所示是具有背压式和凝汽式的热线图。在这种装置中，部分辅汽轮机为背压式，其排汽进入给水加热器加热给水；部分辅汽轮机的排汽全部排入主冷凝器凝结成水，称之为凝汽式汽轮机。显然，这种热线图装置的有效效率介于前述二种热线图之间，是能够实现的热线图。图1.3具有背压式和凝汽式辅机的热线图图1.4为典型简单热力系统的热线图，其中主汽轮机和发电汽轮机为凝汽式汽轮机，而循环水泵汽轮机、滑油泵汽轮机和给水泵汽轮机均为背压式汽轮机。在此热线图中可以分出两种循环：主循环和辅循环。在主循环中，蒸汽的膨胀过程发生在主汽轮齿轮机组中；在辅循环中，蒸汽的膨胀过程发生在辅助机械的汽轮机装置中。图1.4简单热力系统1.1.1.3带换热器的热线图在船舶汽轮机推进装置的组成中，除了水预热器外，还有其它一些热交换器：海水淡化装置、滑油预热器、蒸汽供暖器、厨房、沐浴间等等。这些装置的工作要耗费新鲜蒸汽或废汽。不是所有的热交换装置自身工作都需要锅炉或蒸发器全参数的蒸汽。例如，蒸汽供暖器、海水淡化装置、预热器等等就可以用比蒸发器中出来的蒸汽压力和温度低的蒸汽工作。因此，可以利用辅助机械的废汽来保证这些用户的工作。废汽在热交换装置中的利用会影响到效率的提高，因此，只有在这种蒸汽过剩时利用辅助机械的废汽来保证热交换装置的工作才是合理的。1.3蒸汽动力装置热力设备数学模型1.3.1蒸汽发生器蒸汽发生器是利用核能产生的热能把水加热成为热水或蒸汽的机械设备，也称蒸汽锅炉，是蒸汽动力装置的重要组成部分。船用蒸发器装在各种船舶上，所产生的蒸汽用于驱动蒸汽动力机械。蒸汽发生器的传热方程为 Qsg=式中F——蒸汽发生器有效传热面积，m2K——蒸汽发生器总换热系数，W/(m2﹒K)∆T蒸汽发生器中的传热过程由传热管内一回路冷却剂对管壁的强制对流换热、传热管壁和污垢层的导热以及传热管外壁面对二回路工质的沸腾放热等几部分组成。将传热管看作薄壁圆筒，则总换热系数为 K=11式中α1——一次侧对流换热系数，W/(m2Rw，Rα2——二次侧沸腾换热系数，(m2dsidca——传热管计算直径，通常取传热管外径为计算直径，即d当工质按顺流或逆流方式工作时，传热温差由下式确定： ∆Tm=式中，∆Tmax与如果∆Tmax ∆Tm=设蒸汽发生器二次侧工作压力为ps，据此条件计算总换热系数K，然后根据蒸汽供应系统分配到单台蒸汽发生器的热负荷Q ∆Tm=蒸汽发生器进、出口冷却剂的温差为 ∆Tc=已知系统中冷却剂的平均温度为Tm Tsi=根据蒸汽发生器一、二次侧对数平均温差公式，可以确定二次侧工质的蒸发温度为Ts=T式中，A为系数，A=∆与Ts相对应的饱和压力p'ps−p则热平衡计算结束，否则重新设定ps 蒸汽发生器的蒸汽产量与热负荷、新蒸汽参数相关，通过上述迭代计算确定给定负荷下的新蒸汽参数后，即可按下式确定单台蒸汽发生器的蒸汽产量： Gs1式中hfhh's——蒸发压力pξphfw整个蒸汽供应系统的新蒸汽产量为 Ds=G1.3.2给水加热器回热循坏可以提高热力循环效率，给水回热系统与汽轮机抽汽系统共同构成回热循环，由多级给水加热器以及疏水冷却器、疏水箱、疏水泵等设备和相应的管系组成。给水加热器分为低压加热器、除氧器和高压加热器，低压加热器位于凝水泵与除氧器之间，高压加热器位于给水泵与蒸发器之间。从冷凝器来的凝结水依次通过低压加热器、除氧器和高压加热器，被加热到一定温度后送入蒸汽发生器，加热蒸汽主要来自汽轮机高、低压缸的各级抽汽。根据加热蒸汽与给水接触方式的不同，给水加热器可分为混合式和表面式两种类型。1.3.1.1表面式给水加热器 低压给水加热器和高压给水加热器均为表面式加热器，通过金属受热面来实现热量传递。根据给水加热器中汽水介质传热方式的不同，一般将给水加热器分为串流疏水式加热器和疏水汇流式加热器两种类型。 串流疏水式加热器前端串联一个疏水冷却器，汽轮机抽汽、辅助蒸汽以及下游加热器的疏水在加热器中对给水加热，形成的汽水混合物排入疏水冷却器，对进入加热器的给水进行预热，然后作为该级加热器的疏水排走。 假设给水加热器为第k级，单位质量流量的汽轮机抽汽在加热器中放出的热量为 qh,k单位质量流量的辅助蒸汽在加热器中放出的热量为 q'h,单位质量流量的疏水在加热器中放出的热量为 γk=h单位质量流量的给水在加热器中的焓升为 τk=根据给水加热器的工作流程，其质量平衡方程为 Gd,式中，ηk为第k辅助加热器蒸汽的流量和焓值通常是给定的，则给水加热器所消耗的抽汽量为 Ge,对于没有疏水冷却器的给水加热器，计算方法也完全相同。疏水汇流式给水加热器的汽轮机抽汽、辅助蒸汽的疏水在加热器出口与给水汇流到一起，送往下游的给水加热器。单位质量流量的汽轮机抽汽在加热器中放出的热量为 qh,单位质量流量的辅助蒸汽在加热器中放出的热量为 q'h单位质量流量的疏水在加热器中放出的热量为 γk=单位质量流量的给水在加热器中的焓升为 τk=根据疏水汇流式给水加热器的工作原理，其质量平衡方程、热平衡方程为 Gf, Ge,则给水加热器所消耗的抽汽量为 Ge,给水加热器进口给水流量为 Gf,1.3.1.2混合式给水加热器混合式加热器没有金属材料构成的传热面，加热蒸汽与给水直接混合并进行传热。热力除氧器属于混合式加热器，其作用是将给水加热到除氧器运行压力下的饱和状态，以除去水中溶解的氧和其他气体。根据运行压力的大小，除氧器可以分为真空式、大气压式和高压式三类。真空式除氧器由于凝结水在经过部分处于真空的设备和管道时仍有漏入空气的可能，因此只是一种辅助装置。在中参数机组中一般采用0.12MPa或0.25MPa的大气压式除氧器，在高参数机组中一般采用0.6MPa的高压除氧器，在超高压机组中，为保证良好的给水品质，有时还把冷凝器作为真空式除氧器使用，作为高压除氧器的补充。进入除氧器的给水通常包括低压给水加热器输送来的给水、汽水分离再热器和高压给水加热器的疏水，加热蒸汽则来自汽轮机高压缸的抽汽。除氧水箱中的水由给水泵抽出，逐级流经各级高压给水加热器，被加热至最终给水温度，然后进入蒸汽发生器。设除氧器为给水回热系统中的第k级加热器，则单位质量流量的汽轮机抽汽在除氧器中放出的热量为 qh,单位质量流量的给水在加热器中的焓升为 τk=根据除氧器工作原理，忽略除氧器排气造成的蒸汽损失和除氧器本体的散热损失，则除氧器的质量平衡方程、热平衡方程为 Gf, Ge,联立以上两式，可得 Ge, Gf,1.3.3汽轮发电机汽轮发电机是实现热能转换为电能的重要设备。在工作过程中，汽轮机将蒸汽发生器产生的蒸汽所具有的热能转变为蒸汽流的动能，再转换为机械能，驱动发电机发电。由于排汽容积流量大，为了提高汽轮机的效率，需要增加低压缸的数目，提高汽轮机末级叶片的高度，或增加排汽口数量。汽轮机在运行时存在着各种内部能量损失，除去喷嘴损失、动叶损失、余速损失之外，还有摩擦鼓风损失、级内漏汽损失、湿汽损失及节流损失等。汽轮机的内部损失造成汽轮机内部蒸汽做功能力下降，部分蒸汽的动能耗散为热能并被蒸汽流所吸收，使蒸汽的焓增加。如果忽略汽轮机的轴封损失和散热损失，则蒸汽在汽轮机通流部分的膨胀过程没有热量损失。汽轮机的内功率为 Ni=式中，Nih，N Nih=汽轮机产生的机械能在传送过程中，由于轴承摩擦等原因使得部分机械能耗散为热能，被滑油吸收并带走。这部分能量损失可用汽轮机的机械效率表示： ηmt=式中，Nt电机在汽轮机的驱动下产生电能，由于机械损失和电气损失使部分能量转变为热能，被冷却用的氢气带走，其能量损失用发电机的有效效率表示： ηmt=式中，Ne因此，汽轮发电机组中的能量损失主要是汽轮机功率传输过程及发电机内的损失，其值可表示为 ∆Nte=1.3.4泵热力系统中主要的泵有主冷却剂泵、给水泵、凝水泵、循环水泵等，根据使用条件的不同，泵采用电动机驱动或者辅汽轮机驱动。一般认为，泵在工作时存在以下几种损失：由于流体在流道中的摩擦和局部阻力造成的水力损失；由于密封不严及液体回流造成的流量损失；由于部件摩擦损耗造成的机械损失。这些损失实际上是泵在工作过程中由于存在不可逆因素而使部分机械能耗散为热能，由于泵的工作部件直接与流体相接触，耗散的能量基本上被流体所吸收，使流体的温度升高，根据能量平衡原理，可以近似认为泵的能量在数量上基本没有损失。通常用泵效率来评价泵的能量利用的完善程度： η=N式中NpNpe Npe=式中QfHf1.3.4.1电动泵对于电动泵，如主泵、凝水泵等，驱动电机在工作时，由于电枢绕组中的铜损、铁损和机械损耗造成了能量的损失，损失的能量转化为热能或者被设备冷却水带走或者散失到周围空气中。电动机的效率为 ηm=式中，Nm因此电动泵在工作过程中的能量损失主要是电动机的损失： ∆Nmp1.3.4.2汽动泵汽动泵由功率较小的汽轮机驱动，给水泵普遍采用汽动。汽轮机在工作过程中，由于蒸汽绝热膨胀过程不可逆，部分机械能耗散为热能并被蒸汽所吸收，如果忽略漏泄和散热损失，则蒸汽在汽轮机内的膨胀过程没有热量损失；机械功在传递过程中由于轴承、齿轮减速器的摩擦使热量耗散为热能并被滑油带走，这部分能量损失可用机械效率来表示： ηmt=式中NiGsHi由此可见，汽动泵在工作时的能量损失为 ∆Ntp在这一回路冷却剂系统中，主泵对冷却剂做功，主泵对冷却剂的加热功率等于主泵电机