改進(jìn)艦用增壓鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行特性的一種優(yōu)化方法研究

李東亮，程 剛，許 偉，詹國強(qiáng)

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改進(jìn)艦用增壓鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行特性的一種優(yōu)化方法研究

李東亮，程 剛，許 偉，詹國強(qiáng)

（海軍工程大學(xué)，武漢 430033）

在艦用增壓鍋爐系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，工作環(huán)境的改變會導(dǎo)致渦輪機(jī)組無法運(yùn)行在最佳功率匹配點(diǎn)，繼而導(dǎo)致增壓鍋爐系統(tǒng)偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行。為改進(jìn)該問題，提出采用壓氣機(jī)噴水方式優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行特性。首先分析了艦用增壓鍋爐的結(jié)構(gòu)及原理，依據(jù)艦用增壓鍋爐系統(tǒng)的特征建立了壓氣機(jī)、輔助汽輪機(jī)、煙氣渦輪、艦用鍋爐等相關(guān)系統(tǒng)的全工況數(shù)學(xué)模型，然后通過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了加濕度對鍋爐燃油耗量，渦輪機(jī)組煙氣進(jìn)汽量、煙氣溫度、做功能力和輔助汽輪機(jī)耗功等主要參數(shù)的影響，仿真結(jié)果表明壓氣機(jī)噴水是改進(jìn)艦用增壓鍋爐系統(tǒng)運(yùn)行特性的一種有效方式。

增壓鍋爐系統(tǒng) 壓氣機(jī)噴水 全工況動態(tài)數(shù)學(xué)模型

0 引言

艦用增壓鍋爐是蒸汽動力艦船主要動力形式之一，在可靠性、生命力、經(jīng)濟(jì)性、耐久性和維修性等方面的有著良好性能，尤其具備重量輕、尺寸小和機(jī)動性好的顯著特點(diǎn)，受到各國海軍的青睞。

關(guān)于艦用增壓鍋爐的研究我國起步較晚，但是近年來由于海軍的需求，艦用增壓鍋爐的相關(guān)研究日益豐富。胡繼敏, 金家善, 孫豐瑞等針對渦輪增壓機(jī)組的功率平衡計(jì)算難題進(jìn)行了研究，給出了適合于工程應(yīng)用的渦輪增壓機(jī)組的功率平衡計(jì)算流程和處理方法[1]；于文軒, 唐勝利等采用模塊化方法建立了船用增壓鍋爐的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行燃油量擾動的仿真試驗(yàn)[2]。劉云生、馮永明、陳華清等分析了環(huán)境溫度和鍋爐負(fù)荷變化等對增壓鍋爐與渦輪增壓機(jī)組的穩(wěn)動態(tài)匹配特性的影響[3]。同時還有大量研究人員針對增壓鍋爐的風(fēng)煙動態(tài)特性和控制特性等進(jìn)行了研究[4-8]。本文建立在該諸多研究的基礎(chǔ)之上，試圖采用壓氣機(jī)噴水方式優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行特性，解決在艦用增壓鍋爐系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中由于工作環(huán)境的改變會導(dǎo)致渦輪機(jī)組無法運(yùn)行在最佳功率匹配點(diǎn)，繼而導(dǎo)致增壓鍋爐系統(tǒng)偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行的問題。

1 渦輪增壓鍋爐系統(tǒng)

以前蘇聯(lián)某型增壓鍋爐系統(tǒng)為研究對象如圖1所示，從圖中可以看出，煙氣輪機(jī)與壓氣機(jī)同軸相連，蒸汽輪機(jī)與壓氣機(jī)經(jīng)減速器相連，使得鍋爐煙氣、蒸汽均對壓氣機(jī)產(chǎn)生作用，從而影響鍋爐的助燃空氣。由于煙氣出口沒有旁通，煙氣量直接決定了壓氣機(jī)功率，從而直接影響增壓鍋爐的燃燒。

以N表示汽輪機(jī)的功率，N表示渦輪功率，N表示渦輪增壓機(jī)組損耗總功率。機(jī)組功率平衡可表示為N=N+N,在機(jī)組設(shè)計(jì)中，在低工況時，輔助汽輪機(jī)作為主要的動力來源，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定程度后煙氣渦輪的功率開始顯著增加，此時由輔助汽輪機(jī)和煙氣渦輪共同保證渦輪增壓機(jī)組的功率消耗。通過調(diào)節(jié)輔助汽輪機(jī)前的調(diào)節(jié)閥使機(jī)組轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，當(dāng)煙氣渦輪發(fā)出的功率逐漸加大至超過壓氣機(jī)消耗的功率后，汽輪機(jī)功率逐漸減少至零。渦輪增壓機(jī)組在鍋爐某一部分負(fù)荷下可存在功率平衡點(diǎn)，此時煙氣渦輪功率正好等于壓氣機(jī)消耗功率和各部件的機(jī)械損耗，輔助汽輪機(jī)剛好不工作。然而，由于工作環(huán)境的改變和系統(tǒng)的老化，進(jìn)排氣系統(tǒng)阻力、鍋爐煙風(fēng)阻力及渦輪排氣阻力損失較大，某些渦輪增壓機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中并不存在功率平衡點(diǎn)，即輔助汽輪機(jī)在渦輪增壓機(jī)組的全工況運(yùn)行中始終投入工作。為解決該問題，本文提出壓氣機(jī)噴水方式方案，首先由于渦輪增壓機(jī)組不能和鍋爐獨(dú)立開來，所以在分析增壓鍋爐的過程中，將渦輪增壓機(jī)組和鍋爐一并進(jìn)行分析，包含增壓鍋爐輸入端的助燃空氣、燃油及輸出端的煙氣和蒸汽。同時需要考慮到功率匹配和轉(zhuǎn)速計(jì)算問題，系統(tǒng)汽水循環(huán)中的給水、蒸汽、空氣、煙氣等的質(zhì)量動量和能量平衡問題。將增壓鍋爐系統(tǒng)模型劃分為鍋爐本體模型、蒸汽輪機(jī)模型、煙氣輪機(jī)模型、壓氣機(jī)模型、功率轉(zhuǎn)速模型、風(fēng)油水泵模型和流體網(wǎng)絡(luò)模型。各個系統(tǒng)模型及其連接關(guān)系如圖2所示。

2 數(shù)學(xué)模型

建模中考慮以下模型假設(shè)：

1）工質(zhì)通過渦輪增壓機(jī)組各部件進(jìn)排氣通道時與外界的熱交換忽略不計(jì)；

2）壓氣機(jī)與煙氣渦輪內(nèi)的流體為理想氣體，工質(zhì)定壓比熱是溫度的函數(shù)，根據(jù)空氣與燃?xì)獾臒崃π再|(zhì)表擬合計(jì)算。

2.1功率平衡數(shù)學(xué)模型

渦輪增壓機(jī)組中壓氣機(jī)是耗功部件，而煙氣渦輪和輔助汽輪機(jī)是做功部件，當(dāng)機(jī)組達(dá)到功率平衡時，則要求煙氣渦輪與輔助汽輪機(jī)發(fā)出的功率總和等于壓氣機(jī)耗功。渦輪增壓機(jī)組匹配計(jì)算是指對機(jī)組內(nèi)的壓氣機(jī)、煙氣渦輪和輔助汽輪機(jī)進(jìn)行功率平衡計(jì)算，其中壓氣機(jī)的耗功計(jì)算為：

（1）

渦輪發(fā)出的有效功率為：

輔助汽輪機(jī)需要發(fā)出的功率滿足整個系統(tǒng)平衡的要求，故輔助汽輪機(jī)的功率可由下式計(jì)算出：

（3）

根據(jù)輔助汽輪機(jī)功率計(jì)算的蒸汽耗量為

（4）

2. 2壓氣機(jī)模型

壓氣機(jī)特性都是以平面曲線形式表示的。根據(jù)相似理論，壓氣機(jī)工作特性可以用壓比、折合轉(zhuǎn)速、折合流量以及效率四個參數(shù)的關(guān)系來表示。在這四個參數(shù)中，只要其中任意兩個參數(shù)確定，就可以得到壓氣機(jī)一個完全確定的工作狀態(tài)。因此，為了利用壓氣機(jī)的特性圖，將壓氣機(jī)的特性圖通過描點(diǎn)、取值將壓氣機(jī)的特性組建成一個數(shù)組矩陣，通過插值計(jì)算即可確定壓氣機(jī)的工況點(diǎn)。插值公式可用二元三點(diǎn)插值或二元全區(qū)間插值，對于本模型中壓氣機(jī)的特性，二元全區(qū)間插值法更穩(wěn)定。

壓氣機(jī)總體氣動性能參數(shù)的計(jì)算：

1）壓比

（5）

其中， G為折合流量，n為折合轉(zhuǎn)速。

（6） （7）

2）效率

（8）

3）出口溫度

（9）

4）壓氣機(jī)耗功

(10)

5）壓氣機(jī)出口壓力

(11)

2. 3煙氣輪機(jī)模型

煙氣渦輪特性以單曲線型式給出，煙氣渦輪的總體氣動性能參數(shù)計(jì)算如下：

1）膨脹比

（12）

2）折合流量

（13）

此公式為表示煙氣渦輪單曲線氣體動力特性的函數(shù)關(guān)系，即可根據(jù)渦輪膨脹比的計(jì)算得到煙氣渦輪的折合流量。

3）效率

（14）

此公式為表示煙氣渦輪單曲線氣體動力特性的函數(shù)關(guān)系，即可根據(jù)渦輪膨脹比的計(jì)算得到煙氣渦輪的效率。

4）出口溫度

（15）

（16）

5）輸出功率

（17）

2. 4蒸汽輪機(jī)模型

煙氣渦輪增壓機(jī)組需要功率補(bǔ)償量，即輔助汽輪機(jī)應(yīng)輸出的功率

（18）

式中，G為輔助汽輪機(jī)蒸汽耗量（kg/s）；h為輔助汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽焓值（kJ/kg）；h為輔助汽輪機(jī)出口蒸汽焓值（kJ/kg）；為輔助汽輪機(jī)的機(jī)械效率，=0.98。

2. 5阻力損失模型

空氣由進(jìn)氣道進(jìn)入增壓機(jī)組的壓氣機(jī)，經(jīng)壓縮后，通過壓氣機(jī)排氣蝸殼和鍋爐殼體夾層進(jìn)入增壓鍋爐，在爐膛中燃燒。煙氣經(jīng)對流蒸發(fā)管束、過熱器和經(jīng)濟(jì)器進(jìn)入煙氣渦輪膨脹做功，最后通過渦輪排氣蝸殼和排氣管道排至大氣。因此，將壓力損失分為三段：1）壓氣機(jī)進(jìn)氣阻力（從大氣到壓氣機(jī)進(jìn)口）；2）鍋爐煙風(fēng)阻力（從壓氣機(jī)出口到煙氣渦輪進(jìn)口）；3）渦輪排氣阻力（從煙氣渦輪轉(zhuǎn)子出口截面到大氣環(huán)境）。阻力模型通過轉(zhuǎn)速插值取得，這里不再贅述。

2. 6慣性容積模型

為分析增壓鍋爐與壓氣機(jī)連接之間管路的容積慣性對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，在壓機(jī)的出口處設(shè)一個慣性容積，其入口變量為流量G、進(jìn)口壓力P和溫度T，出口變量為流量G、出口壓力P和溫度T。假定在慣性容積中速度是可以被忽略的，則同一截面上壓力和溫度是均勻的，則有

（19）

式中，V為容積（m3）；為多變指數(shù)；為氣體常數(shù)；G為慣性容積的進(jìn)氣流量（kg/s）；G為慣性容積的進(jìn)氣流量（kg/s）。

特征時間可表示為

（20）

進(jìn)一步假定慣性容積是絕熱的，則

（21）

在模型實(shí)際計(jì)算中，利用每次計(jì)算步長的壓力變化率即可得到dP/dt，進(jìn)而可計(jì)算得到壓氣機(jī)進(jìn)口流量和出口流量的關(guān)系，即反映出壓氣機(jī)的容積慣性。

2. 7 轉(zhuǎn)速模型

（1）根據(jù)模型Logistic(P)=5+10*X1+10*X2，P=exp(logit(P))/(1+exp(logit(P)))產(chǎn)生樣本量為2n例患者，每個患者的二分類結(jié)局變量用Yi=rbinom(1,1,Pi)獲得。并將這2n例患者隨機(jī)等分為A，B兩組，每組有n例患者。

壓氣機(jī)和煙氣渦輪共用一個轉(zhuǎn)子，而輔助汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子通過減速器（減速比為1.915）與之聯(lián)接，因此渦輪增壓機(jī)組轉(zhuǎn)子的動力學(xué)方程是

（22）

（23）

在解微分方程時，利用二階龍格-庫塔法求解轉(zhuǎn)速。

2. 8 其他系統(tǒng)模型

本文研究所涉及的其他模型包含鍋爐本體模型，流體網(wǎng)絡(luò)模型，風(fēng)油水泵模型等可參考相關(guān)文獻(xiàn)[9-11]，這里不再贅述。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1汽量恒定不同溫度下壓氣機(jī)噴水實(shí)驗(yàn)

采用仿真手段在鍋爐額定最大負(fù)荷下，保持鍋爐蒸汽量不變，分別在大氣壓力0.101325Mpa，壓比3.4,環(huán)境溫度30℃，35℃和40℃等三個環(huán)境下，逐漸增加噴水量（假設(shè)噴水均勻不冒白煙），待機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后記錄燃油耗量。結(jié)果如圖所示。

3.2恒溫下壓氣機(jī)噴水對渦輪機(jī)影響

在實(shí)驗(yàn)4.1前提下，重點(diǎn)測試30攝氏度情況下（其他溫度結(jié)果類似），逐漸增加噴水量，對煙氣渦輪主要參數(shù)，包括進(jìn)口煙氣質(zhì)量，煙氣溫度和單位時間做功的影響。

圖3 不同加濕度和不同溫度下的燃油耗量曲線

圖4 不同加濕情況下的煙氣鍋爐主要參數(shù)曲線

可見隨著加濕度的增加煙氣溫度，煙氣流量和單位時間內(nèi)煙氣渦輪做功能力均大幅升高。該現(xiàn)象非常有利于渦輪增壓機(jī)組進(jìn)入較好的功率平衡點(diǎn)。

3.3不同加濕度和不同負(fù)荷情況下的輔助汽輪機(jī)耗功實(shí)驗(yàn)

在大氣壓力0.101325 Mpa，環(huán)境溫度30℃，環(huán)境下，分別在鍋爐最大負(fù)荷的30%，60%和100%情況下，逐漸增加噴水量（假設(shè)噴水均勻不冒白煙），測試輔助汽輪機(jī)所需的耗功。結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同加濕度和不同負(fù)荷情況下的耗功曲線

可見在不同負(fù)荷下加濕度的增加均使得輔助汽輪機(jī)耗功降低，該效果使得渦輪增壓機(jī)組更貼近于設(shè)計(jì)工況運(yùn)行。同時可見在加濕度0.1%范圍內(nèi)效果明顯，且這個范圍的噴水不至于致使鍋爐冒白煙，所以在該范圍內(nèi)壓氣機(jī)噴水是安全有效改善渦輪增壓機(jī)組運(yùn)行特性的手段之一。

4 總結(jié)

本文采用模塊化建模方法建立了完整的渦輪增壓機(jī)組動態(tài)數(shù)學(xué)模型，通過仿真實(shí)驗(yàn)證明了小范圍壓氣噴水能有效改善渦輪增壓機(jī)鍋爐系統(tǒng)由于環(huán)境變化和系統(tǒng)老化引起的運(yùn)行工況點(diǎn)偏移和運(yùn)行特性不良等問題。同時該實(shí)驗(yàn)在完全數(shù)字仿真的情況下進(jìn)行，距離設(shè)備改造還需要進(jìn)一步的實(shí)裝實(shí)驗(yàn)。

[1] 胡繼敏，金家善，孫豐瑞. 渦輪增壓機(jī)組的功率平衡計(jì)算方法[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2008,(01): 108-112.

[2] 于文軒，唐勝利. 船用增壓鍋爐的模塊化仿真研究[J]. 機(jī)電設(shè)備, 2008,(03): 48-51.

[3] 劉云生，馮永明，陳華清，等. 增壓鍋爐與渦輪增壓機(jī)組匹配特性仿真分析[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2012,(01): 50-54.

[4] 任立永. 船舶動力裝置機(jī)爐協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究[D]. 哈爾濱工程大學(xué), 2008.

[5] 費(fèi)景洲，馬修真. 船用增壓鍋爐風(fēng)煙系統(tǒng)的流體網(wǎng)絡(luò)模型[J]. 熱能動力工程, 2011,(03): 323-327.

[6] 蔡潔. 船用增壓鍋爐渦輪增壓機(jī)組動態(tài)仿真研究[D]. 哈爾濱工程大學(xué), 2007.

[7] 房桐毅. 基于流體網(wǎng)絡(luò)的渦輪增壓機(jī)組匹配特性仿真研究[D]. 哈爾濱工程大學(xué), 2012.

Optimization Method of Operating Characteristics in Improving Supercharged Boiler System

Li Dongliang, Cheng Gang, Xu Wei, Zhan Guoqiang

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

In actual operation of the ship in supercharged boiler system, the change of the working environment leads the power turbine not to run in the best matching point, which in turn leads to supercharged boiler system to deviate from the design conditions. In order to solve the problem, the paper puts forward optimization of the system running characteristics by using wet compression. Firstly it analyzes the structure and principle of the supercharged boiler, and establishes the full conditions dynamic mathematical model related to the compressor, auxiliary steam turbine, gas turbine, ship boiler system. And then, through the simulation experiment, it verifies the influence of moisture content on the main parameters such as the boiler fuel oil consumption, mass of steam turbine flue gas, flue gas temperature, power capability and auxiliary steam turbine power consumption. The results of simulation show that the wet compression method is an effective way to improve the working characteristic of the supercharged boiler system.

supercharged boiler; wet compression; full conditions dynamic mathematical model

TK224

A

1003-4862（2017）01-0072-05

2016-08-15

李東亮（1981-），男，講師，博士。研究方向：動力機(jī)械及熱力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化。Email: xw_1000@126.com\noangry@163.com