艦船燃-蒸聯合循環的穩態與動態特性分析

楊 東，李淑英，苗安利，王志濤

（1.海軍駐西安地區航空軍事代表室，西安 710021；2.哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，哈爾濱 150001）

0 引言

目前，燃氣輪機在世界船舶上大量使用，并因可以提高經濟性而受到越來越多的重視。在能源危機之后，余熱鍋爐-透平發電和推進系統的余熱回收成為船舶動力裝置最有效的1種節能措施[1]。因此，對船舶燃氣-蒸汽聯合循環(COGAS)進行研究和性能分析，可以為其在中國船舶中的實際應用提供一定的參考[2]。

1 艦船COGAS裝置工作原理

COGAS裝置循環系統原理如圖1所示。利用燃氣輪機排出的燃氣加熱廢氣鍋爐中的水，在完成余熱回收后排入大氣。在廢氣鍋爐中，水由除氧器經給水泵進入經濟器，在其中加熱到接近或達到飽和溫度，進入蒸發器中蒸發，并在過熱器中過熱到額定參數，然后進入蒸汽輪機作功；作功后的乏汽排入冷凝器凝結，再由凝水泵將其排入除氧器加熱、除氧后，經給水泵送入廢氣鍋爐。在蒸汽輪機中有時還設置1個撤汽點，將部分蒸汽抽出用于船上生活[2]。

2 艦船COGAS的仿真建模

國外開發出ASPENPLUS一類的專門用于聯合循環仿真的平臺，以及GTPro和GTMaster等專門用來進行燃氣輪機聯合循環發電機組的方案設計和性能計算（包括變工況計算）的軟件。國內對艦船COGAS研究得很少[3]，原因是沒有通用仿真軟件平臺。為此，本文以Matlab/Simulink作為仿真平臺，采用微分方程的方法，對COGAS進行建模和仿真，并深入了解其穩態與動態特性。模塊化仿真是近年來發展起來的1種計算機仿真建模方法。其核心思想是按照一定規則對大系統進行模塊劃分，各模塊相互獨立，實現特定的功能，模塊具有通用性，可重復使用。COGAS系統模塊劃分如圖2所示。

根據如圖2所示的COGAS系統模塊的劃分，分別建立各部件的數學模型，并以Matlab/Simulink作為仿真平臺，根據其數學模型建立該系統的整體仿真模型，如圖3所示。

3 COGAS的特性分析

影響COGAS機組變工況性能的因素很多，主要包括機組負荷、環境條件(包括大氣溫度、大氣壓力和大氣濕度)、機組燃料、余熱鍋爐蒸汽循環方式、燃氣輪機進出口壓損等[4]。本文以燃氣輪機的負荷變化為變量研究COGAS的穩態與動態特性。

3.1 COGAS的穩態性能分析

COGAS總體設計的首要工作就是進行COGAS總體性能分析，得到燃氣輪機在設計工況及變工況下的余熱鍋爐所能產生的蒸汽流量、溫度、壓力以及汽輪機發出的功率等。因此，利用所編制COGAS整體仿真軟件，進行COGAS穩態特性仿真分析，為COGAS總體設計提供設計基礎。

在燃氣輪機設計點即100%負荷工況下進行COGAS性能分析，結果見表1。表中機組主要參數的仿真計算值與額定設計參數的相對誤差都不超過2%；若要進行其他負荷工況下的穩態計算，只要將負載輸入量改成相應的負荷即可。因此，用部件通用仿真模塊搭建的COGAS系統整體模型能夠較好地滿足穩態仿真的要求。

表1 機組100%負荷工況下穩態仿真結果與設計工況參數值比較

COGAS參數在不同工況下的變化如圖4所示。從圖中可見，隨著燃氣輪機負荷的減小，蒸汽流量、蒸汽溫度、聯合效率、汽輪機功率和機組總功率都減小。這是由于燃氣輪機負荷減小，使燃氣流量和燃氣溫度都降低，導致燃氣側放熱量減少，可回收的余熱量減少，使蒸汽側吸熱量也減少，從而使蒸汽產量降低。雖然燃氣溫度降低不會使蒸汽出口溫度降低，但是燃氣流量降低會導致燃氣對流放熱系數減小，燃氣在過熱區放熱量減少。因此，在過熱區，出口蒸汽溫度降低。由于蒸汽出口的流量和溫度都降低，則汽輪機的輸出功率也降低。而機組功率是汽輪機功率和燃氣輪機功率的總和，所以機組功率也降低。從圖4（c）、（d）中可見，采用COGAS后，在額定工況下，機組功率增加31%，效率增加到47%；在50%工況下，機組功率增加29%，效率增加到39%。由此可知，無論是在高工況還是低工況下，燃氣輪機采用COGAS后，其效率都會顯著提高。

3.2 COGAS的動態仿真

為了更深入研究COGAS系統的運行特性，分析燃氣輪機負荷變化時，COGAS各參數的動態特性。燃氣輪機由100%負荷突降到80%負荷時,各主要參數變化規律如圖5所示。

從圖5中可見，由于燃氣輪機的負荷突然減小，使燃氣輪機的輸出功率和噴油量減小，并且經過一段時間后達到新的平衡。這是由于燃氣輪機負荷變化引起其轉速變化，控制模塊通過改變噴油量使轉速回到設定值，噴油量的改變使燃氣輪機的輸出功率與其負荷相匹配，最后在該工況下穩定運行。

隨著燃氣輪機負荷的突降，使蒸汽流量、壓力和溫度都降低，并在一段時間后達到新的穩定。這是由于燃氣輪機負荷的減小，使燃氣流量和燃氣溫度都降低，導致燃氣側放熱量減少，可回收的余熱量減少，所以蒸汽側吸熱量也減少，從而使蒸汽產量和壓力降低。雖然燃氣溫度的降低不會使蒸汽出口溫度降低，但是燃氣流量降低會導致燃氣對流放熱系數減小，燃氣在過熱區放熱量減少，因此在過熱區，出口蒸汽溫度降低。由于蒸汽出口的流量和溫度都降低，則汽輪機的輸出功率減小。而當負荷大于50%時，蒸汽系統采用滑壓運行，所以主汽門開度為1，并保持不變。當燃氣輪機達到新的穩定運行以后，蒸汽系統的各參數也達到新的穩定工作狀態。

燃氣輪機負荷由80%突增到100%時，各參數的變化規律如圖6所示。這些參數都是先達到1個極限值，而后達到新的平衡。這是因為燃氣輪機負荷的增大，使燃氣流量增大和溫度升高，COGAS的幾個參數都增大，并且隨著燃氣輪機負荷的增大達到新的穩定工作狀態。

4 結束語

采用模塊化建模的方式對COGAS系統進行了穩態與動態特性分析，得到了在燃氣輪機變工況下的COGAS穩態與動態特性。由分析結果可知，無論是在高工況下，還是在其低工況下，采用COGAS后，燃氣輪機效率都顯著提高。因此，COGAS在中國未來船舶推進動力裝置的應用中具有廣闊的前景。

[1]徐利軍，曹渝白.船舶余熱動力回收系統熱力學參數及余熱鍋爐結構參數優化[J].熱能動力工程，1992，7（2）：79-82.

[2]蔡振飛，朱秀章.艦船燃氣-蒸汽聯合循環(COGAS)裝置的探討[J].船舶工程，1978（1）:34-41.

[3]張俊禮.S109FA型燃氣－蒸汽聯合循環機組的全工況仿真[D].南京：東南大學，2005.

[4]常靜華.燃氣-蒸汽聯合循環機組變工況建模及其特性分析[D].云南：昆明理工大學，2008.

[5]Surgeor B W.A Compact model of power house boiler [J].Transactions of the Society for Computer Simulation,1987,4（4）：271- 297.

[6]Akber Pasha, Sanjeev Jolly.Combined cycle heat recovery steam generators optimum capabilities and selection criteria [J]. Heat Recovery Systems＆CHP, 1995,15（2）：147- 154.