陳佐添，張志剛，蔡鵬飛，鹿 佳

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

0 引 言

眾所周知，船舶主機(jī)熱力系統(tǒng)組成復(fù)雜，設(shè)備眾多，系統(tǒng)之間相互聯(lián)系，熱量交換巨大。許多學(xué)者對船舶某一熱力系統(tǒng)的研究比較透徹，包括冷卻水熱力系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、蒸汽動力系統(tǒng)等[1–3]。然而，單純對船舶某一系統(tǒng)及單一設(shè)備的分析已不能滿足人們對熱量的需求。通常通過監(jiān)視與測量設(shè)備可以得到一些關(guān)鍵設(shè)備的溫度及壓力等關(guān)鍵參數(shù)，但很少能夠全面的掌握熱力系統(tǒng)熱量及介質(zhì)流量分布走向的量的情況。

在船舶能量整體利用情況的研究方面，國外學(xué)者對船舶運(yùn)輸行業(yè)進(jìn)行能源評估，提出?分析和能量相結(jié)合的方法，從交通運(yùn)輸角度看待能源的利用情況，為能量利用狀態(tài)提供一個大體的評價指標(biāo)[4]。進(jìn)一步分析鍋爐的蒸汽系統(tǒng)，通過應(yīng)用數(shù)值軟件進(jìn)行分析，研究環(huán)境溫度變化和煙氣流動對產(chǎn)生蒸汽溫度的影響[5]。研究增加渦輪發(fā)動機(jī)的熱力系統(tǒng)，通過建立的數(shù)學(xué)模型分析系統(tǒng)的熱效率，結(jié)果表明可以提高發(fā)動機(jī)的性能[6]。

隨著熱管理的提出[7–8]，船舶機(jī)艙熱管理技術(shù)的發(fā)展，對機(jī)艙熱量分布要求更加準(zhǔn)確。因而構(gòu)建船舶主機(jī)熱力系統(tǒng)的模型，對主機(jī)熱力系統(tǒng)的熱力特性進(jìn)行仿真計算有著重要的研究意義。本文將主機(jī)熱力系統(tǒng)簡化為4個子系統(tǒng)、多種熱交換儀器、連接管道網(wǎng)絡(luò)和其他輔助器械，這些系統(tǒng)之間能夠完成能量轉(zhuǎn)換和熱量傳遞，存在著傳熱傳質(zhì)和機(jī)械連接等方面的聯(lián)系。分析熱力系統(tǒng)能量的消耗及流向，建立熱力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用計算機(jī)仿真研究熱力系統(tǒng)的參數(shù)特性。通過分析熱力系統(tǒng)的子系統(tǒng)及主要設(shè)備的工作過程和子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，對各環(huán)節(jié)簡化和假設(shè)建立熱力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型用S i mulink編寫系統(tǒng)仿真程序，對該系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)仿真。仿真過程中，輸入邊界條件和原始參數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試分析，依次從模塊的調(diào)試到子系統(tǒng)的調(diào)試，最后完成對整個系統(tǒng)的調(diào)試。

1 熱力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成

圖1為主機(jī)熱力系統(tǒng)示意圖，其中簡化了系統(tǒng)中的閥門及附屬檢測與測量設(shè)備。由主機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)4個子系統(tǒng)組成，其中冷卻水系統(tǒng)又分為高溫淡水系統(tǒng)、低溫淡水系統(tǒng)和海水系統(tǒng)。主機(jī)的熱力系統(tǒng)雖然分成4個系統(tǒng)，但它們都不獨(dú)立存在，相互之間存在著耦合關(guān)系，4個系統(tǒng)相互交叉交融。

圖 1 主機(jī)熱力系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of main machine thermal system

冷卻水系統(tǒng)為熱量交換的核心，與其他系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的地方有以下幾點(diǎn)：

1）冷卻水系統(tǒng)與機(jī)體的耦合，通過冷卻氣缸套帶走主機(jī)機(jī)體部分的熱量；

2）冷卻水系統(tǒng)與進(jìn)排氣系統(tǒng)的耦合，通過空冷器冷卻增壓空氣，攜帶熱量；

3）冷卻水系統(tǒng)與潤滑系統(tǒng)的耦合，通過滑油冷卻器冷卻滑油，熱量也轉(zhuǎn)移到冷卻水中；

4）冷卻水系統(tǒng)與燃油系統(tǒng)的耦合，通過冷卻系統(tǒng)燃油冷卻器的海水冷卻燃油，對燃油降溫，帶走相應(yīng)的熱量。

冷卻水系統(tǒng)比較復(fù)雜，內(nèi)部高低溫淡水系統(tǒng)與海水系統(tǒng)存在耦合關(guān)系。

高低溫淡水系統(tǒng)是相對獨(dú)立的系統(tǒng)，然而它們不但有熱量的交換，還存在著物質(zhì)的交換，高低溫淡水在一定程度上可以相互轉(zhuǎn)換，通過恒溫閥的設(shè)定值來實現(xiàn)這個轉(zhuǎn)化。在缸套水小循環(huán)中，當(dāng)缸套出口水溫較高，一部分的高溫經(jīng)過恒溫閥，進(jìn)入大循環(huán)中而轉(zhuǎn)換為低溫淡水系統(tǒng)的一部分。另一方面，低溫水系統(tǒng)通過恒溫閥進(jìn)入高溫淡水系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換為高溫水冷卻缸套。

高低溫水系統(tǒng)所攜帶的熱量最終都會通過中央冷卻器與海水系統(tǒng)進(jìn)行熱量交換，由海水系統(tǒng)將淡水系統(tǒng)的熱量帶走。

滑油系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)從主機(jī)機(jī)體中帶走熱量，攜帶熱量的值與主機(jī)的功率成正相關(guān)的關(guān)系，其最終的熱量通過冷卻水系統(tǒng)帶走。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 離心泵的數(shù)學(xué)模型

冷卻水系統(tǒng)一般用離心水泵做為泵送冷卻水的動力來源，離心水泵的額定出口揚(yáng)程和流量的關(guān)系為：

2.2 燃油供給泵的數(shù)學(xué)模型

燃油供給泵臥式雙螺桿泵，從日用油柜吸入燃油并加壓后經(jīng)過燃油濾器供到高壓油泵。螺桿泵的理論質(zhì)量流量數(shù)學(xué)模型：

式中：A為過流面積，即為缸套內(nèi)腔橫截面積與螺桿端面橫截面積之差；t為導(dǎo)程，m；n為轉(zhuǎn)速，r/min。

2.3 傳熱系數(shù)

冷卻器的傳熱系數(shù)采用板式換熱器，在熱力學(xué)系統(tǒng)中，中央冷卻器、滑油冷卻器及缸套水冷卻器為板式換熱器。換熱器的總傳熱系數(shù)為：

2.4 發(fā)動機(jī)傳熱模型

通過對氣缸燃燒放熱的工作進(jìn)行數(shù)值模擬計算求得缸套冷卻水帶走主機(jī)的熱負(fù)荷，然而計算過程相當(dāng)復(fù)雜，并且需要眾多的試驗參數(shù)，本文就按照經(jīng)驗進(jìn)行估算。其中修正的經(jīng)驗公式為：

其中：z為氣缸數(shù)；D為氣缸直徑；S為活塞行程；n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速；λ為修正系數(shù)。

2.5 換熱器模型

流體經(jīng)過換熱器時的換熱量由下式求解：

2.6 流道阻力

粘性流體流過管路中都會有水頭損失，主要分為沿程水頭損失和局部水頭損失。沿程阻力主要來源于管道遠(yuǎn)距離輸送。在船舶流體管系中，系統(tǒng)管道的高程變化非常大，所以在考慮管道沿程損失的同時，還必須考慮流體位能對流動特性的影響。

1）沿程阻力計算模型為：

式中：Q為流體體積流量；L為直管長度；D為直管直徑；A為直管截面積；為流體密度；g為重力加速度；分別為管道進(jìn)出口的高程；為沿程損失系數(shù)，V為管流平均速度，稱為沿程損失系數(shù)，L為管道長度，d為管道直徑。

2）局部阻力損失模型

管道中有各種閥件、儀器儀表、各種角度的彎頭，通過這些器件都會使得流體有一定程度 的壓降。

其中，K為局部阻力系數(shù)。

3 邊界條件的確定

3.1 燃油與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

燃油質(zhì)量流量與噴油泵單缸循環(huán)噴油量有如下關(guān)系：

3.2 工作介質(zhì)和參數(shù)

本文選用型號為8L460C的瓦錫蘭主機(jī)。主機(jī)額定功率為8 400 kW，燃用輕質(zhì)柴油，按照熱量海域最高海水溫度設(shè)定為32 ℃，低溫淡水入口溫度為36 ℃。

4 仿真結(jié)果及分析

系統(tǒng)各部件的數(shù)學(xué)模型通過理論分析或?qū)嶒灁?shù)據(jù)、特性曲線擬合建立。此外,針對上述綜合熱管理系統(tǒng)，本文對其進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真建模時，作如下考慮：

1）本文所涉及的系統(tǒng)各設(shè)備數(shù)學(xué)模型是對整個系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行模擬,對部分參數(shù)的控制問題提供一定的指導(dǎo)，而不是針對每個部件的內(nèi)部情況作深入的研究，故所建立的數(shù)學(xué)模型主要能反映輸入、輸出參數(shù)之間的關(guān)系。

2）吸取模塊化建模思想，將系統(tǒng)分塊，分別建立數(shù)學(xué)模型。該系統(tǒng)仿真在Matlab仿真平臺上進(jìn)行，從而組成基于Matlab仿真平臺的可視化、可移植、可重復(fù)使用的圖形仿真模塊。將整個系統(tǒng)分成若4個子系統(tǒng)，分別建立各子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，再將各個子系統(tǒng)連接成整個系統(tǒng)。

針對所建立的主機(jī)熱力系統(tǒng)仿真模型，對系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，把系統(tǒng)初始邊界條件輸入到系統(tǒng)模型中，并等到輸出結(jié)果處于一個穩(wěn)定的狀態(tài)，下面對主機(jī)熱力系統(tǒng)分別進(jìn)行主機(jī)負(fù)荷為100，90%，75%時的穩(wěn)態(tài)計算。圖中節(jié)點(diǎn)的編號取圖1中各設(shè)備的首字母的簡稱，在此羅列一些重要節(jié)點(diǎn)的參數(shù)。

圖2是主機(jī)熱力系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的溫度隨主機(jī)負(fù)荷取不同值的變化情況。當(dāng)主機(jī)負(fù)荷工況減少的時候，各個熱交換器的流體節(jié)點(diǎn)出口的溫度有所降低，但降低程度不大，缸套冷卻水的進(jìn)出口溫度都有較為明顯的降低，主機(jī)排氣溫度降低的幅度最為明顯，這是因為主機(jī)功率的降低會直接影響到排氣溫度，系統(tǒng)中其他各節(jié)點(diǎn)間的溫度均有不同程度的降低。系統(tǒng)中各子系統(tǒng)在主機(jī)功率變化時帶走的熱量也不一樣，但通過流體溫度的變化可以調(diào)整，進(jìn)而都會穩(wěn)定在一個新的平衡狀態(tài)下。

圖3是主機(jī)熱力系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)間的流量隨船舶主機(jī)負(fù)荷工況不同值的變化情況。當(dāng)船舶主機(jī)負(fù)荷減少的時候，氣缸內(nèi)燃油燃燒放熱量就會減少，從而冷卻水帶走的熱量會相應(yīng)減少，從而導(dǎo)致經(jīng)過主機(jī)缸套的高溫冷卻淡水流量減少。同樣，在滑油系統(tǒng)中，滑油從氣缸內(nèi)帶走的熱量在減少，進(jìn)出主機(jī)的滑油的溫度會降低，因而通過滑油冷卻器的流量也相應(yīng)減少，按照柴油機(jī)推進(jìn)特性，主機(jī)轉(zhuǎn)速會隨著功率的降低大幅度降低，因而主機(jī)的渦輪增壓器中壓氣機(jī)、空冷器的氣體流量和燃油噴射量都會相應(yīng)減少。系統(tǒng)中其他各節(jié)點(diǎn)間的流量均有不同程度的降低。

圖4是主機(jī)熱力系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)間的壓力隨船舶主機(jī)負(fù)荷工況不同值的變化情況。分析圖中曲線的變化趨勢可得到：當(dāng)船舶主機(jī)功率減少的時候，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速降低時，直接受到影響的增壓器壓氣機(jī)的排氣壓力和中冷器后氣體壓力會有一定程度的降低，系統(tǒng)的其他節(jié)點(diǎn)壓力幾乎沒有什么變化。

圖5是流體網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)間的換熱量隨船舶主機(jī)負(fù)荷工況不同值的變化情況。當(dāng)船舶主機(jī)負(fù)荷工況減少的時候，經(jīng)過各個熱交換器的換熱量均有一定程度的減少，主機(jī)各子系統(tǒng)所帶走的熱量均有不同程度的降低。

圖5很好地展示了在3種穩(wěn)態(tài)工況的結(jié)果，能夠模擬主機(jī)熱力系統(tǒng)的在主機(jī)穩(wěn)態(tài)工況運(yùn)行的各熱交換器進(jìn)出口和其他熱力設(shè)備的重要節(jié)點(diǎn)的溫度、壓力和流量的穩(wěn)定值，揭示了船舶主機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定參數(shù)值。通過穩(wěn)態(tài)仿真出來的各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的特性參數(shù)，對船舶的運(yùn)行管理提供較大的指導(dǎo)意義。通過穩(wěn)態(tài)分析可以得到主機(jī)運(yùn)行各參數(shù)值，這可以判定船舶是否在運(yùn)行的安全穩(wěn)定的狀態(tài)，為船舶安全高效可持續(xù)的營運(yùn)提供理論依據(jù)和決策指導(dǎo)方向。通過不同工況的節(jié)點(diǎn)溫度的分析，可以找出主機(jī)部件的節(jié)能潛力，充分合理的運(yùn)用主機(jī)燃燒放熱所發(fā)出的熱能，提高能量的利用水平。

圖 2 節(jié)點(diǎn)溫度隨主機(jī)工況負(fù)荷變化Fig. 2 Node temperature changing with the load of main engine

圖 3 節(jié)點(diǎn)間流量變化Fig. 3 The flow diagram changing between nodes

圖 4 節(jié)點(diǎn)間壓力變化Fig. 4 Pressure changing between nodes

圖 5 節(jié)點(diǎn)間換熱量變化Fig. 5 The heat exchange changing between nodes

5 動態(tài)仿真

船舶在海上航行時功率不是穩(wěn)定不變的，尤其是在大風(fēng)浪或者在穿越臺風(fēng)區(qū)域時，主機(jī)的功率因為船體橫縱傾斜很大，導(dǎo)致螺旋槳可能在水面來回切換造成主機(jī)負(fù)荷發(fā)生很大的變化。因此，在這種狀態(tài)下，船舶主機(jī)、輔助設(shè)備都是經(jīng)常在變工況下工作的。因此，在這種狀況中研究船舶主機(jī)在變工況下顯得尤為重要，可以得出主機(jī)在極端工況下的運(yùn)行參數(shù)，從而預(yù)測主機(jī)各設(shè)備能否在極限工況下正常運(yùn)行。圖6和圖7分別為當(dāng)船舶主機(jī)負(fù)荷從100%突變到了80%主機(jī)排氣溫度和缸套冷卻水出口溫度的變化情況。

圖 6 主機(jī)排煙溫度變化曲線Fig. 6 The exhaust gas temperature change curve of the main engine

圖 7 主機(jī)缸套冷卻水出口溫度變化曲線Fig. 7 The change curve of cylinder cooling water outlet temperature of main engine

在圖6中可以看到在100%負(fù)荷工況時，主機(jī)排煙溫穩(wěn)定在680 K，負(fù)荷在20 s時發(fā)生突變，從100%降到了80%，主機(jī)的排煙溫度緊接著降低，因為主機(jī)的功率變化時會引起的主機(jī)轉(zhuǎn)速的變化，因此主機(jī)的排氣溫度下降到最低值的時候，會慢慢增加回到新的穩(wěn)態(tài)值，從而達(dá)到80%新工況的溫度。主機(jī)的轉(zhuǎn)速變化直接影響到主機(jī)燃油的噴射量，因此在主機(jī)功率發(fā)生變化時，燃油的噴射量也會隨之發(fā)生變化。

從圖7中可以看出，缸套冷卻水的溫度變化在主機(jī)功率變化時經(jīng)常會隨之發(fā)生變化，在主機(jī)功率下降時，缸套水溫度緊接著降低，因為氣缸燃燒室傳給缸套水的熱量減少了，因此缸套冷卻水的溫度會降低，這時候高溫淡水系統(tǒng)的三通閥會有相應(yīng)的變化，根據(jù)水溫的變化調(diào)整閥門的大小。因此，缸套水經(jīng)過一段時間的下降后會慢慢升高，最終達(dá)到一個新的穩(wěn)定工況。

6 結(jié) 語

通過對上述建模計算和結(jié)果分析可以得到以下結(jié)論：

1）船舶主機(jī)負(fù)荷發(fā)生變化時，熱力系統(tǒng)中各設(shè)備和節(jié)點(diǎn)流體的流量、溫度、壓力和換熱量均有不同程度的變化。

2）由于各系統(tǒng)的進(jìn)行熱量交換的能量均來源于發(fā)動機(jī)燃燒釋放的熱量，主機(jī)負(fù)荷降低時，流過各換熱器的節(jié)點(diǎn)溫度均有一定程度降低，對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)流量也會降低，因而這些節(jié)點(diǎn)的換熱量就會降低。

3）通過這個主機(jī)熱力系統(tǒng)模擬，可以模擬出主機(jī)的各種工況條件下，流體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的溫度、壓力、流量的變化情況，為船舶運(yùn)行時故障診斷提高方向，為船舶運(yùn)營節(jié)能管理提供了思路和方向。

針對船舶主機(jī)熱力系統(tǒng)能量的綜合利用，本文建立主機(jī)熱力系統(tǒng)的流體網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型，并計算求解了熱力系統(tǒng)網(wǎng)路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的溫度、壓力、流量和換熱器的換熱量。這些節(jié)點(diǎn)的特性參數(shù)與實際變化趨勢相符。

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