李東亮，耿江華，程 剛，李 睿 ,劉曉明

(1.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033；2.中國人民解放軍92132部隊，山東 青島 266000； 3.華能伊敏電廠，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021134)

船舶主汽輪機(jī)模塊化建模方法及實驗研究

李東亮1，耿江華1，程 剛1，李 睿2,劉曉明3

(1.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033；2.中國人民解放軍92132部隊，山東 青島 266000； 3.華能伊敏電廠，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021134)

將某船舶主汽輪機(jī)作為研究對象，充分考慮船舶汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特性，基于機(jī)理建模原理對船舶汽輪機(jī)進(jìn)行模塊劃分。在MINIS仿真平臺上搭建汽輪機(jī)的仿真模型，并對其進(jìn)行穩(wěn)態(tài)實驗和動態(tài)實驗，其中動態(tài)試驗包含升速過程和減速過程。仿真結(jié)果表明，該模型具有較好的準(zhǔn)確性，且動態(tài)趨勢合理，與汽輪機(jī)的實際運行狀態(tài)相符。

主汽輪機(jī)；穩(wěn)態(tài)仿真；動態(tài)仿真

0 引 言

船舶動力裝置是船舶航行運輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，是船舶的動力核心。目前，主要的船舶動力裝置仍然是蒸汽輪機(jī)。艦船主汽輪機(jī)主要功能是利用蒸汽推動汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子做功，將熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能[1-2]。通過轉(zhuǎn)軸帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動，以改變船舶的航速和航向。目前，對于汽輪機(jī)這個典型工業(yè)對象，建模方法大致可分為2種：機(jī)理建模推導(dǎo)法和實驗測量確定法[2]。這兩類方法目前都存在一些問題，機(jī)理建模推導(dǎo)法表現(xiàn)在計算過程復(fù)雜、繁瑣。而實驗測量法相應(yīng)減少了一些計算量，但需要進(jìn)行大量測量工作，且精度較差[3-5]。為得到適合船舶主汽輪機(jī)的仿真模型，真實反映各個工況下的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，本文基于機(jī)理建模的原理，對汽輪機(jī)進(jìn)行模塊劃分。并采用集總參數(shù)法，從熱力學(xué)角度對汽輪機(jī)進(jìn)行分析，建立數(shù)學(xué)模型，并對汽輪機(jī)在不同工況下進(jìn)行仿真實驗。

1 仿真對象和仿真模型

1.1 仿真對象

主汽輪機(jī)分為高壓汽輪機(jī)、低壓汽輪機(jī)和倒車汽輪機(jī)3部分,如圖1所示。高壓汽輪機(jī)屬于內(nèi)旁通式艦用主汽輪機(jī)，由雙列復(fù)速調(diào)節(jié)級、沖動式全速級和沖動式低速級構(gòu)成；低壓汽輪機(jī)由2個沖動式汽輪機(jī)同軸對稱布置，從兩端進(jìn)汽、中間排汽。

蒸汽先在高壓汽輪機(jī)中做功，然后經(jīng)管路引入低壓汽輪機(jī)做功。高壓汽輪機(jī)的低速級只在動力裝置低工況時投入工作，以提高汽輪機(jī)的效率；在動力裝置高工況時，蒸汽再調(diào)節(jié)級做完功后，將通過開啟的內(nèi)旁通閥繞過低速級直接進(jìn)入全速級做功。

倒車汽輪機(jī)由2個雙列復(fù)速級同軸對稱布置，位于低壓汽輪機(jī)的內(nèi)側(cè)，中間進(jìn)汽。倒車汽輪機(jī)運行時，主汽輪機(jī)和螺旋槳反向旋轉(zhuǎn)，螺旋槳產(chǎn)生與正車航行相反的推力，可以使艦體逆向航行或使正在左右航行的艦體快速停止。

主汽輪機(jī)以主過熱蒸汽為工作蒸汽，在主汽輪機(jī)中做完功的蒸汽，其熱量已不再具有可利用的價值，稱為廢氣。廢氣排往冷凝器中。

圖1 主汽輪機(jī)系統(tǒng)圖Fig.1 Main steam turbine system diagram

主汽輪機(jī)采用滑參數(shù)調(diào)節(jié)和部分進(jìn)氣相結(jié)合的調(diào)節(jié)方式，在由低工況向高工況變化的過程中，依次開啟3個噴咀閥調(diào)節(jié)。低工況時，只開一組噴咀閥，旁通閥關(guān)閉，高壓缸中主蒸汽流經(jīng)調(diào)節(jié)級、低速級、全速級。全工況時，三組噴咀閥全開，旁通閥也全開，高壓缸中主蒸汽只流經(jīng)調(diào)節(jié)級和全速級。

1.2 仿真模型

采用模塊化建模方法對主汽輪機(jī)進(jìn)行劃分。根據(jù)汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)將高壓汽輪機(jī)分為調(diào)節(jié)級和非調(diào)節(jié)級，其中非調(diào)節(jié)級包含低速級以及全速級。低壓缸分為低壓汽輪機(jī)和倒車汽輪機(jī)。模型中加入轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)3個噴咀閥的開度和調(diào)車裝置中凸輪轉(zhuǎn)角的度數(shù)來控制主汽輪機(jī)的進(jìn)氣量，進(jìn)而控制主汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 調(diào)節(jié)級數(shù)學(xué)模型

調(diào)節(jié)級的流量方程為：

式中:G1,G10為調(diào)節(jié)級入口蒸汽流量；P1,P10為調(diào)節(jié)級入口蒸汽壓力及壓力設(shè)計值；T1,T10為調(diào)節(jié)級入口蒸汽溫度及溫度設(shè)計值；P2為調(diào)節(jié)級出口蒸汽壓力；β1為流量修正系數(shù)；εcr=0.546為臨界壓比；ε=P2/P1為調(diào)節(jié)級出口壓力和入口壓力的比值；θ為速關(guān)閥凸輪轉(zhuǎn)角；αk為θ和流量的各個擬合因子。

忽略工質(zhì)初始溫度、壓力的影響，汽輪機(jī)機(jī)械效率是轉(zhuǎn)速和焓降的函數(shù)：

式中：η為汽輪機(jī)的級效率；n為推進(jìn)軸轉(zhuǎn)速；π為齒輪箱的減速比；ΔH為級的焓降。

忽略汽輪機(jī)的環(huán)境散熱，蒸汽在汽輪機(jī)中做功的過程可看做是一個等熵過程:

S1=fS(P1,H1)，
S2=S1，
H2S=fH(P2,S1)。

式中：H2S為理想排汽焓；S1和S2為蒸汽的入口、出口熵；H1和H2為蒸汽入口、出口焓。

根據(jù)上述公式，可得出調(diào)節(jié)級的實際排汽焓和輸出功率：

H2=H1-η(H1-H2S)，
P=G1ΔH=G1(H1-H2)。

2.2 非調(diào)節(jié)級數(shù)學(xué)模型

在反動度變化為Δγ時，非調(diào)節(jié)級流量公式為[7]

式中：Gf1,Gf10為非調(diào)節(jié)級的進(jìn)口蒸汽流量；Pf1,Pf10為進(jìn)口的蒸汽壓力及壓力設(shè)計值；Pf2,Pf20為出口的蒸汽壓力機(jī)壓力設(shè)計值；Tf1,Tf10為進(jìn)口蒸汽的溫度及溫度設(shè)計值；Δγ為反動度變化量；γ為級的反動度。

上述非調(diào)節(jié)級的流量公式中并沒有考慮漏氣現(xiàn)象，工程中一般將漏氣考慮進(jìn)去。若考慮漏氣因素，可近似忽略Δγ對流量G的影響，則上述流量公式可近似簡化為：

在船舶汽輪機(jī)組正常工作時，非調(diào)節(jié)級一般處于臨界狀態(tài)，此時：

考慮結(jié)垢對流量的影響：

變工況前后均處于臨界狀態(tài)，

變工況前后均處于非臨界狀態(tài)，

式中：χ為流通部分的結(jié)垢系數(shù)；ε為非調(diào)節(jié)級變工況下出口壓力與進(jìn)口壓力之比。

對于非調(diào)節(jié)級的排汽焓與輸出功率等參數(shù)的計算，與調(diào)節(jié)級的計算方法相同，故同理可求出相應(yīng)參數(shù)。

3 仿真結(jié)果分析

為驗證本文所建立汽輪機(jī)模型的準(zhǔn)確性，對其進(jìn)行靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗，其中動態(tài)試驗包括升速過程和減速過程。

仿真環(huán)境為MINIS，MINIS仿真軟件是一款基于面向過程的模塊化建模方法、可隨時在線調(diào)試的軟件?；跈C(jī)理建模原理，在MINIS上搭建汽輪機(jī)仿真模型。

3.1 靜態(tài)仿真結(jié)果

對汽輪機(jī)正車5個工況進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如表1所示。表中參數(shù)采用歸一處理方法，同時計算出仿真值與實際設(shè)計值之間的相對誤差。

表1 不同工況下的主要參數(shù)的仿真值及相對誤差Tab.1 The simulation value and relative error of main parametersunder different working conditions

從表1中的數(shù)據(jù)可看出，對于高工況時，蒸汽的參數(shù)仿真值與設(shè)計值相對誤差較低。而對于低工況時相對誤差較大。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因主要是汽輪機(jī)在低工況時效率較低。而汽輪機(jī)的效率主要受汽輪機(jī)參數(shù)的影響，因此開發(fā)出精度更高的汽輪機(jī)模塊，是減小誤差的主要方式。

3.2 動態(tài)仿真結(jié)果

3.2.1 升速過程

船舶汽輪機(jī)的入口參數(shù)保持為全工況參數(shù)。將模型中凸輪轉(zhuǎn)角配汽角度進(jìn)行了歸一化處理，使其變化范圍為0%～100%。調(diào)節(jié)調(diào)車裝置中配汽凸輪的角度，使其由0%階躍上升4次到100%。階躍升速過程中，汽輪機(jī)功率的仿真曲線如圖2所示(1-凸輪配汽角度；2-高壓缸調(diào)節(jié)級功率；3-高壓缸非調(diào)節(jié)級功率；4-低壓缸功率；5-汽輪機(jī)總的輸出功率)；汽輪機(jī)入口流量的仿真曲線如圖3所示。由汽輪機(jī)功率曲線可看出，隨著凸輪配汽角度的增大，汽輪機(jī)總的輸出功率由0%升到了100%，汽輪機(jī)各部分功率變化趨勢符合實際運行情況。由汽輪機(jī)入口流量曲線可看出，隨著凸輪配汽角度的增大，汽輪機(jī)流量逐漸增大。

圖2 汽輪機(jī)功率隨凸輪角度變化曲線Fig.2 The curve of steam turbine power with angle change of cam

圖3 汽輪機(jī)入口流量隨凸輪角度變化曲線Fig.3 The curve of inlet flow of steam turbine with angle change of cam

3.2.2 減速過程

船舶汽輪機(jī)的入口參數(shù)保持為全工況參數(shù)。將模型中凸輪轉(zhuǎn)角配汽角度進(jìn)行了歸一化處理，使其變化范圍為0%～100%。調(diào)節(jié)調(diào)車裝置中配汽凸輪的角度，使其由100%階躍下降4次到0%。階躍降速過程中，汽輪機(jī)功率的仿真曲線如圖4所示(1-凸輪配汽角度；2-高壓缸調(diào)節(jié)級功率；3-高壓缸非調(diào)節(jié)級功率；4-低壓缸功率；5-汽輪機(jī)總的輸出功率)；汽輪機(jī)入口流量的仿真曲線如圖5所示。由汽輪機(jī)功率曲線可看出，隨著凸輪配汽角度的減小，汽輪機(jī)總的輸出功率由100%降到了0%，汽輪機(jī)各部分功率變化趨勢符合實際運行情況。由汽輪機(jī)入口流量曲線可看出，隨著凸輪配汽角度的減小，汽輪機(jī)流量逐漸減小。

圖4 汽輪機(jī)功率隨凸輪角度變化曲線Fig.4 The curve of steam turbine power with angle change of cam

圖5 汽輪機(jī)入口流量隨凸輪角度變化曲線Fig.5 The curve of inlet flow of steam turbine with angle change of cam

由以上仿真結(jié)果可知，無論是升速過程還是減速過程，汽輪機(jī)的輸出功率與進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽參數(shù)成正比，呈現(xiàn)對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)汽輪機(jī)的輸入功率與輸出功率達(dá)到平衡態(tài)時，汽輪機(jī)狀態(tài)會穩(wěn)定，也就是說汽輪機(jī)是一個可自穩(wěn)定的模型，且響應(yīng)速度快。這是由于汽輪機(jī)是將蒸汽熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，且本身存儲蒸汽的能力有限，因此動態(tài)響應(yīng)慣性不大，能量轉(zhuǎn)化迅速。

對于汽輪機(jī)中高壓缸調(diào)節(jié)級、非調(diào)節(jié)級功率輸出曲線的波動情況，也是受汽輪機(jī)自身的慣性所影響。由于高壓缸入口流量和壓力參數(shù)是由流網(wǎng)方程計算所得，響應(yīng)速度比汽輪機(jī)模塊壓力計算快，故在升速時高壓缸功率會存在小幅波動。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合船舶汽輪機(jī)的工作特點，對船舶汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)及運行工況進(jìn)行研究。并基于MINIS平臺，采用集總參數(shù)的方法，基于機(jī)理建模原理對汽輪機(jī)進(jìn)行模塊化建模。最后通過計算機(jī)仿真，進(jìn)行了靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗。通過典型工況的靜態(tài)仿真，結(jié)果表明該汽輪機(jī)模型具有較高的精度；通過動態(tài)試驗仿真，結(jié)果表明動態(tài)響應(yīng)趨勢符合實際運行情況。兩實驗進(jìn)一步驗證了模型的準(zhǔn)確性，以及建模方法的可行性。

[1] 張葆華，查其愷.船舶汽輪機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)裝置[M].北京：人民交通出版社,1982.

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Modeling method and simulation experiments of main steam turbine of ship

LI Dong-liang1,GENG Jiang-hua1,CHENG Gang1,LI Rui2,LIU Xiao-ming3

(1.Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China;2.No.92132 Unit of PLA,Qingdao 266000,China;3.Huaneng Yimin Power Plant,Hulunbeier 021134,China)

In this paper, considering the structure characteristics of steam turbine, a main steam turbine as the research object was modeled and simulated.Based on the simulation platform of MINIS, the simulation model of turbine was set up for the static experiments and dynamic experiments.The dynamic experiments include speed test and deceleration test.The simulation results show that the model has high accuracy and dynamic trend is reasonable.The simulation model is consistent with the actual running condition of steam turbine.

main steam turbine;static simulation;dynamic simulation

2014-12-01；

2014-12-14

李東亮(1981-)，男，講師，主要研究方向為蒸汽動力裝置建模與仿真。

TH137

A

1672-7649(2015)12-0079-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2015.12.016