方偉明 張鵬飛 許 建 彭學創(chuàng) 唐 瀅

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

船舶蒸汽動力系統(tǒng)設計方案的仿真驗證

方偉明 張鵬飛 許 建 彭學創(chuàng) 唐 瀅

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

為在設計初期對某船舶蒸汽動力系統(tǒng)的總體設計方案進行校核，提出了一種系統(tǒng)設計驗證仿真方法。首先，在系統(tǒng)初步設計方案的基礎上補充完善仿真系統(tǒng)開發(fā)所需的設計數(shù)據；然后，采用RINSIM仿真平臺工具進行模型開發(fā)，并通過建模與模型集成調試獲得系統(tǒng)仿真模型；最后，進行仿真計算。應用該方法開發(fā)了某船舶蒸汽動力系統(tǒng)設計驗證仿真平臺，并對系統(tǒng)的設計方案進行了校核。結果表明：該設計驗證仿真平臺的穩(wěn)態(tài)計算結果準確，動態(tài)趨勢合理，適于對船舶蒸汽動力系統(tǒng)進行設計驗證。

蒸汽動力系統(tǒng)；系統(tǒng)仿真；設計驗證

0 引 言

計算機技術的發(fā)展為復雜熱力系統(tǒng)運行特性的定量分析奠定了堅實的物質基礎，工程實際的迫切需求和現(xiàn)代計算機技術的進步則賦予了熱力系統(tǒng)建模與仿真研究新的活力，國內外大批科研人員在此方面進行了廣泛而深入的研究。近年來，仿真技術已逐漸成為國際上大型復雜系統(tǒng)研制開發(fā)的有效途徑和方法，其在縮短研制周期、降低研制費用和提高技術性能方面取得了重大成就。我國在火電、核電以及船用蒸汽動力系統(tǒng)領域也開展了大量的仿真研究，例如，有些核電站仿真機借助可信的熱力系統(tǒng)仿真模型，實現(xiàn)了全范圍的實時仿真系統(tǒng)，解決了儀控系統(tǒng)仿真測試和操縱員培訓等一系列問題；有的船用蒸汽動力系統(tǒng)在運行階段采用系統(tǒng)仿真的手段進行故障診斷與事故預報等研究。本文所開展的研究主要是在系統(tǒng)設計初期（方案設計階段）進行的一種仿真驗證研究。

某船舶蒸汽動力系統(tǒng)為低參數(shù)熱力系統(tǒng)，其系統(tǒng)原理、熱力設備、管路流網以及控制特性均與以往的大中型蒸汽動力裝置存在較大差異，是一項全新的設計，因此，工程設計人員對熱力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的運行特性，尤其是系統(tǒng)動態(tài)特性的掌握就顯得尤為重要。由于受到多方面條件的制約，大規(guī)模系統(tǒng)臺架試驗工程建設不可能在方案設計階段就投入實施，為了能在系統(tǒng)設計初期對船舶蒸汽動力系統(tǒng)的設計方案進行校核，更好地掌握系統(tǒng)熱力及控制特性，本文將采用系統(tǒng)設計驗證仿真計算方法對船舶蒸汽動力系統(tǒng)進行各種工況條件下的仿真計算。

1 數(shù)學模型分析

某船舶蒸汽動力系統(tǒng)的基本原理是：蒸汽發(fā)生器給水與一次側進行熱交換產生蒸汽，然后蒸汽帶動汽輪機做功，再由汽輪發(fā)電機組將熱能轉變?yōu)殡娔堋Ｍ瓿勺龉蟮姆ζ麜鞯嚼淠鬟M行冷卻，然后作為給水送到蒸汽發(fā)生器進行循環(huán)加熱（圖1）。系統(tǒng)建模主要分為蒸汽發(fā)生器模塊、汽發(fā)機組模塊、冷凝器模塊以及泵閥及管網等模塊。限于篇幅，本文將只簡要描述蒸汽發(fā)生器、汽發(fā)機組和冷凝器等主要模塊的數(shù)學模型。

圖1 船舶蒸汽動力系統(tǒng)原理簡圖Fig.1 Schematic diagram of marine steam power system

1.1 主要熱力設備數(shù)學模型分析

1.1.1 蒸汽發(fā)生器模塊

1）給水腔［1］

連續(xù)方程：

能量守恒：

水位方程：

式（1）～式（3）中，Gf為蒸汽發(fā)生器給水流量；x0為蒸汽干度；Gbo為沸騰段出口流量；Gd為下降段過冷水流量；mfv，ρfv，F(xiàn)fv，hfv分別為給水腔室水的質量、密度、截面積和焓值，hf，hd分別為給水的焓值和下降段過冷水的焓值；Ld為下降段高度；L為蒸汽發(fā)生器水位。

2）下降段

能量守恒：

式中，hdo為下降段出口的焓值；Vd，ρd分別為下降段過冷水的容積和密度。

3）預熱段

能量守恒：

式中，Qp為換熱管向預熱段傳遞的總熱量；h′，hp分別為上升段飽和水的焓值和預熱段過冷水的焓值；ρp為預熱段水密度；Lp為預熱段高度；F為上升段截面積。

4）沸騰段

連續(xù)方程：

能量守恒：

式（6）～式（7）中，Qb為換熱管向沸騰段傳遞的總熱量；hb，ρb分別為沸騰段蒸汽的焓值和密度；Lb為沸騰段換熱高度。

5）蒸汽區(qū)

連續(xù)方程：

式中，Qs為單臺蒸汽發(fā)生器的蒸汽產量；ρ″為飽和蒸汽的密度；Vs為蒸汽容積。

一次側與二次側的總換熱量：

1.1.2 汽輪機發(fā)電機組模塊

1）汽輪機模塊

能量方程［2］：

連續(xù)方程與轉子運動方程［3］：

流量特性方程（非臨界狀態(tài)與臨界狀態(tài)）：

功率與熱力參數(shù)計算方程［4］：

式（10）～式（13）中，N，n，η分別表示汽輪機的功率、轉速和效率；G，T，P，h分別表示蒸汽的流量、溫度、壓力和焓；下角標g表示generator；st表示steam turbine。

2）發(fā)電機模塊

將發(fā)電機作為一種能量轉換器看待，用效率來反映轉換效果［5］。發(fā)電機的輸出參數(shù)有電流Ig，電壓Ug和功率 Ng，可以認為效率ηg=ηg(Ng，Ug)。經分析發(fā)現(xiàn)，可以忽略電壓對效率的影響，近似地認為其只與輸出功率有關。通過結合發(fā)電機的實驗測試結果，可以回歸出發(fā)電機效率ηg與電機輸出功率Ng或汽輪機輸出功率NT間的關系，其中，C1~C4，D1~D4為回歸系數(shù)。

1.1.3 冷凝器模塊

冷凝器接受汽輪機的排汽，并使其在一定真空度的負壓條件下通過自然冷卻水冷卻而凝結為凝水，冷卻水在管束內流動。忽略冷凝器殼體與外界大氣之間的熱交換、軸向熱傳導和冷卻管的吸熱量，假設工質沿管道的流動截面均勻且軸向為一維流動［6］。冷凝器的簡化物理模型如圖2所示。

圖2 冷凝器簡化物理模型Fig.2 The simplified physical model of condenser

熱平衡計算方程：

冷卻水溫度的變換是由于蒸汽的放熱量與冷卻水的吸熱量不平衡而引起，其插值即為冷卻水出口溫度的變化梯度。動態(tài)熱平衡方程為：

傳熱途徑為：熱量由蒸汽到傳熱管，再由傳熱管到冷卻水，換熱方式分別為蒸汽側對流換熱、導熱和水側對流換熱。以傳熱管外側表面為基準計算傳熱面積時的傳熱系數(shù)為［7］：

式中，di和do分別為傳熱管的內、外徑；k為總換熱系數(shù)；λw為凝結水和冷卻管材的導熱系數(shù)；αi為冷卻水側對流換熱系數(shù)；αo為蒸汽側對流換熱系數(shù)；Rw為管壁導熱熱阻；Rf為污垢熱阻。

1.1.4 水箱模塊

將水箱簡化為規(guī)則形狀的容器，且容積參數(shù)已確定。根據質量平衡方程，得到水箱水位數(shù)學模型：

式中，L為水位；ρ為密度；A為水箱截面積；Grin為進入水箱的水量；Grb為向水箱的補水量；Gh為水箱加熱蒸汽耗量；Gcb為向冷凝器的補水量。

1.2 控制系統(tǒng)數(shù)學模型分析

依據系統(tǒng)的控制方案，控制系統(tǒng)仿真模型的開發(fā)主要包括蒸汽發(fā)生器給水控制、汽發(fā)機組轉速調節(jié)與功率控制，以及冷凝器水位/真空度/過冷度等綜合控制，限于篇幅，這里將只列舉蒸汽發(fā)生器給水控制系統(tǒng)的控制方案。

1）蒸汽發(fā)生器水位控制

蒸汽發(fā)生器水位控制主要采用蒸汽發(fā)生器水位、蒸汽流量和給水流量的三沖量調節(jié)，依據汽水失配信號和給水流量需求信號對給水調節(jié)閥的開度實施控制［8-9］，控制原理如圖3所示，控制系統(tǒng)的仿真模型依據控制邏輯圖進行開發(fā)。

圖3 蒸汽發(fā)生器水位控制原理圖Fig.3 Schematic diagram of the steam generator feedwater control system

2）給水泵轉速控制

給水泵轉速調節(jié)依據蒸汽總管與給水總管壓差隨負荷變化的定值曲線和實測壓差值對給水泵的轉速實施自動控制，以確保給水調節(jié)閥前后壓差恒定，其控制原理如圖4所示。

2 系統(tǒng)仿真模型開發(fā)及邊界處理

2.1 系統(tǒng)仿真模型邊界處理

系統(tǒng)仿真模型以蒸汽發(fā)生器一次側為邊界，其邊界處理的關鍵是船舶蒸汽動力系統(tǒng)運行方案的確定以及蒸汽發(fā)生器的靜態(tài)特性數(shù)據。在蒸汽發(fā)生器仿真模型的開發(fā)過程中，主要依據確定的運行方案（圖5，其中橫坐標為輸出功率與額定功率的比值，縱坐標為對應參數(shù)與額定參數(shù)的比汽壓力和流量，以及蒸汽發(fā)生器一次側的進出口溫度、壓力和流量等。

圖4 給水泵轉速控制原理圖Fig.4 Schematic diagram of the feedwater pump speed control system

圖5 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行特性Fig.5 Steady state characteristic of marine steam power system

2.2 系統(tǒng)仿真模型開發(fā)

船舶蒸汽動力系統(tǒng)仿真模型的開發(fā)包含兩種建模方式：圖形化建模和非圖形化建模。其中，蒸汽發(fā)生器采用非圖形化建模，用FORTRAN程序編寫，其它的系統(tǒng)、設備、熱力管網及控制邏輯則采用RINSIM仿真平臺工具進行圖形化建模。熱力系統(tǒng)仿真模型主要包括蒸汽系統(tǒng)、凝給水系統(tǒng)、汽發(fā)機組、造水補水系統(tǒng)和泄放水系統(tǒng)等，系統(tǒng)控制邏輯模型主要包括蒸汽發(fā)生器給水控制（含水位控制和給水泵轉速控制）、汽發(fā)機組功率控制、蒸汽排放控制、冷凝器綜合控制（含水位、真空度及過冷度控制）、均衡水箱液位與水溫控制，以及造水補水控制等。

3 系統(tǒng)過程模型測試

為保證過程模型的準確性，對系統(tǒng)動態(tài)過程（選取部分測試工況）進行了測試，系統(tǒng)主要熱工參數(shù)測試結果如下所示。限于篇幅，仿真結果中的其它參數(shù)變化在此將不再贅述。

1）工況1：100%負荷工況參數(shù)檢查。

啟動并保持仿真系統(tǒng)運行在100%負荷工況下，將船舶蒸汽動力系統(tǒng)熱工設計參數(shù)（含蒸汽發(fā)生器出口蒸汽壓力、流量、蒸汽發(fā)生器液位、汽輪機進口蒸汽壓力、流量等）與仿真系統(tǒng)計算值進行了比較，誤差小于1%。

2）工況2：100%負荷降至30%負荷。

啟動并保持仿真系統(tǒng)運行在額定負荷工況下，然后按10%額定功率每分鐘的速度逐級降功率至30%額定功率，如圖6、圖7所示（其中橫坐標表示時間，縱坐標表示系統(tǒng)負荷占額定功率的比值）。隨著負荷的逐漸降低，系統(tǒng)蒸汽壓力上升至30%負荷對應的壓力，蒸汽產量與給水流量逐漸下降，最終穩(wěn)定至30%負荷。由于受假水位的影響，蒸汽發(fā)生器的水位是先降低后上升，然后恢復至整定值。

圖6 蒸汽壓力、機組功率和轉速變化特性曲線（工況2）Fig.6 Steam pressure，turbine power and speed characteristic（work condition 2）

圖7 蒸汽產量、給水流量及蒸汽發(fā)生器水位變化特性曲線（工況2）Fig.7 Steam production，feedwater flow and steam generator water level characteristic（work condition 2）

3）工況3：30%負荷升至100%負荷。

保持仿真系統(tǒng)穩(wěn)定運行在30%額定功率工況下，然后按10%額定功率每分鐘的速度逐級提升功率至100%額定功率，如圖8、圖9所示。隨著負荷由30%逐漸提升至額定負荷，系統(tǒng)蒸汽壓力下降到額定值，蒸汽產量與給水流量逐漸上升，最終穩(wěn)定至額定值。由于受假水位的影響，蒸汽發(fā)生器的水位是先上升后降低，最后恢復穩(wěn)定。

圖8 蒸汽壓力、機組功率和轉速變化特性曲線（工況3）Fig.8 Steam pressure，turbine power and speed characteristic（work condition 3）

圖9 蒸汽產量、給水流量及蒸汽發(fā)生器水位變化特性曲線（工況3）Fig.9 Steam production，feedwater flow and steam generator water level characteristic（work condition 3）

4 典型故障工況模擬與分析

為了驗證仿真系統(tǒng)的有效性，對船舶蒸汽動力系統(tǒng)的幾種典型故障工況進行了模擬，典型故障工況下系統(tǒng)主要參數(shù)的仿真結果如下所示。限于篇幅，仿真結果中的其它參數(shù)變化在此將不贅述。

1）汽輪機跳機

啟動并保持仿真系統(tǒng)運行在額定負荷工況下，手動啟動緊急停機命令，以模擬汽輪機故障停機，如圖10所示。隨著機組功率降為零，蒸汽產量迅速下降，汽輪機耗汽量的突降，導致蒸汽壓力逐漸上升并觸發(fā)蒸汽旁路排放，當壓力降低至設定值時，蒸汽旁路排放閥回座，直到蒸汽壓力重新上升后再次打開。給水流量隨著機組的故障停機會迅速下降，但由于受蒸汽壓力的影響，給水流量出現(xiàn)了波動。

圖10 汽輪機跳機工況各參數(shù)變化的特性曲線Fig.10 Some parameters characteristic of steam turbine trip

2）蒸汽隔離閥關閉

啟動并保持仿真系統(tǒng)運行在額定負荷工況下，手動啟動關閉蒸汽隔離閥指令，以模擬蒸汽隔離閥故障關閉的惡劣工況，如圖11所示。手動觸發(fā)隔離閥關閉后，蒸汽流量會迅速降為零，汽發(fā)機組停機，給水流量逐漸降低，蒸汽壓力逐漸上升并觸發(fā)蒸汽排放。

圖11 蒸汽隔離閥關閉時各參數(shù)變化的特性曲線Fig.11 Some parameters characteristic of closing the steam isolation valve

5 仿真試驗

應用仿真系統(tǒng)對系統(tǒng)設計過程中的若干問題進行了測試和分析，下面將舉例說明。

5.1 蒸汽發(fā)生器給水控制系統(tǒng)

方案1 將蒸汽母管與給水母管的壓差曲線作為壓差整定值。

由于給水母管與蒸汽母管間的壓降隨負荷的變化呈拋物線，因而控制系統(tǒng)用一條折線代替拋物線近似地作為給水母管與蒸汽母管間的程序壓差定值（圖4），該程序壓差定值信號是蒸汽發(fā)生器蒸汽流量平均值的函數(shù)［10-11］。啟動并保持仿真系統(tǒng)運行在額定負荷工況下，然后按10%額定功率每分鐘的速度逐級降功率至30%額定功率（將蒸汽母管與給水母管壓差曲線作為整定值計算得到的結果如圖6、圖7所示）。

方案2 將給水調節(jié)閥前后的壓差作為整定值（保持壓差不變）。

蒸汽發(fā)生器的水位調節(jié)單靠控制給水調節(jié)閥的開度是難以實現(xiàn)的，由于給水泵揚程隨流量的增加反而降低，所以在控制給水調節(jié)閥的開度時，閥門上游的水壓存在著相反的變化，不利于水位調節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，設置了給水泵轉速控制系統(tǒng)，以保持調節(jié)閥上游水壓的穩(wěn)定，因而也就保證了各種工況下給水調節(jié)閥前后的壓差基本不變。啟動并保持仿真系統(tǒng)運行在額定負荷工況下，然后按10%額定功率每分鐘的速度逐級降功率至30%額定功率，將給水調節(jié)閥前后的壓差作為整定值計算得到的結果如圖12所示。

圖12 保持給水調節(jié)閥前后壓差不變時各參數(shù)的特性曲線（方案2）Fig.12 Some parameters characteristic of maintain a constant differential pressure of the feedwater control valve（program 2）

對比圖7和圖12可以看到，在相同的運行工況下，采用方案1和方案2這兩種不同的控制邏輯，仿真計算得到的蒸汽發(fā)生器水位、蒸汽產量及給水流量的變化趨勢與穩(wěn)定時間基本一致，理論上這兩種控制邏輯的控制效果差異并不明顯。

5.2 冷凝器鼓泡除氧與均衡水箱水溫控制調節(jié)閥選型分析

冷凝器鼓泡除氧和均衡水箱水溫的控制是通過調節(jié)進入冷凝器熱阱和均衡水箱的蒸汽流量來實現(xiàn)的，蒸汽流量的調節(jié)主要是根據溫度的變化情況來控制調節(jié)閥的開度。分別針對開關型和調節(jié)型這兩種控制方式進行了仿真試驗，啟動并保持仿真系統(tǒng)運行在100%負荷工況下，其計算結果（冷凝器鼓泡除氧）如圖13所示。

圖13 兩種控制方式對比Fig.13 Comparison of two different control methods

由圖可以看到，蒸汽流量調節(jié)閥采用兩種不同的控制方式所得到的水溫控制效果差異并不大。為避免執(zhí)行機構過度磨損，降低控制系統(tǒng)的復雜度，在水溫控制精度要求不高的情況可以考慮采用開關型控制方式。

6 結 語

船舶蒸汽動力系統(tǒng)設計驗證仿真系統(tǒng)考慮了熱力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的特性，對船舶蒸汽動力系統(tǒng)的正常運行與事故工況進行了仿真計算，定量描述了船舶蒸汽動力系統(tǒng)正常運行的動態(tài)過程以及典型事故工況的特性，并對部分系統(tǒng)采用不同的控制方案進行了仿真。仿真系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結果準確，動態(tài)趨勢合理，適用于船舶蒸汽動力系統(tǒng)的設計驗證，可為船舶蒸汽動力系統(tǒng)的方案設計提供有效的分析工具，以及為系統(tǒng)的運行操作提供一定的試驗條件。

本文提出的設計驗證仿真方法可用于對船舶蒸汽動力系統(tǒng)的初步設計方案進行校核，對船舶蒸汽動力系統(tǒng)的設計具有一定的工程應用價值。

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［責任編輯：盧圣芳］

The Simulation Verification for the Design Scheme of Marine Steam Power Systems

FANG Wei-ming ZHANG Peng-feiXU Jian PENG Xue-chuang TANG Ying
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

To calibrate the overall design scheme of marine steam power systems at an early stage，a simu?lation and verification process of the system design was proposed.Firstly，the data required for comple?menting the simulation system was collected on the basis of the preliminary design scheme.Next，the simu?lation model for marine steam power systems was established through modeling and module debugging，where the modeling portion resorted to the RINSIM platform.Finally，the simulation calculation was con?ducted.To verify the feasibility of the above described procedures，a simulation platform for marine steam power systems was constructed accordingly，and the design scheme of power systems was then calibrated. The results demonstrate the reliability of the simulation platform for its accurate steady state calculation and reasonable dynamic tendency，and prove that the proposed platform is suitable for the validation of the marine steam power system design.

steam power system；system simulation；design validation

U664.11

A

1673－3185（2012）05－71－08

10.3969/j.issn.1673－3185.2012.05.013

2012－04－09

中國艦船研究設計中心研發(fā)基金（11071101）

方偉明（1981－），男，碩士，工程師。研究方向：系統(tǒng)仿真與控制。E?mail：williamfang701@sina.com

許 建（1963－），男，研究員，博士生導師。研究方向：艦船總體研究與設計。

方偉明。