船舶主汽輪機模塊化建模方法及實驗研究

李東亮，耿江華，程 剛，李 睿 ,劉曉明

(1.海軍工程大學，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，內蒙古 呼倫貝爾 021134)

船舶主汽輪機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，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，內蒙古 呼倫貝爾 021134)

將某船舶主汽輪機作為研究對象，充分考慮船舶汽輪機的結構特性，基于機理建模原理對船舶汽輪機進行模塊劃分。在MINIS仿真平臺上搭建汽輪機的仿真模型，并對其進行穩態實驗和動態實驗，其中動態試驗包含升速過程和減速過程。仿真結果表明，該模型具有較好的準確性，且動態趨勢合理，與汽輪機的實際運行狀態相符。

主汽輪機；穩態仿真；動態仿真

0 引 言

船舶動力裝置是船舶航行運輸的關鍵設備，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。艦船主汽輪機主要功能是利用蒸汽推動汽輪機轉子做功，將熱能轉化成機械能[1-2]。通過轉軸帶動螺旋槳轉動，以改變船舶的航速和航向。目前，對于汽輪機這個典型工業對象，建模方法大致可分為2種：機理建模推導法和實驗測量確定法[2]。這兩類方法目前都存在一些問題，機理建模推導法表現在計算過程復雜、繁瑣。而實驗測量法相應減少了一些計算量，但需要進行大量測量工作，且精度較差[3-5]。為得到適合船舶主汽輪機的仿真模型，真實反映各個工況下的汽輪機轉速的變化規律，本文基于機理建模的原理，對汽輪機進行模塊劃分。并采用集總參數法，從熱力學角度對汽輪機進行分析，建立數學模型，并對汽輪機在不同工況下進行仿真實驗。

1 仿真對象和仿真模型

1.1 仿真對象

主汽輪機分為高壓汽輪機、低壓汽輪機和倒車汽輪機3部分,如圖1所示。高壓汽輪機屬于內旁通式艦用主汽輪機，由雙列復速調節級、沖動式全速級和沖動式低速級構成；低壓汽輪機由2個沖動式汽輪機同軸對稱布置，從兩端進汽、中間排汽。

蒸汽先在高壓汽輪機中做功，然后經管路引入低壓汽輪機做功。高壓汽輪機的低速級只在動力裝置低工況時投入工作，以提高汽輪機的效率；在動力裝置高工況時，蒸汽再調節級做完功后，將通過開啟的內旁通閥繞過低速級直接進入全速級做功。

倒車汽輪機由2個雙列復速級同軸對稱布置，位于低壓汽輪機的內側，中間進汽。倒車汽輪機運行時，主汽輪機和螺旋槳反向旋轉，螺旋槳產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。

主汽輪機以主過熱蒸汽為工作蒸汽，在主汽輪機中做完功的蒸汽，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 主汽輪機系統圖Fig.1 Main steam turbine system diagram

主汽輪機采用滑參數調節和部分進氣相結合的調節方式，在由低工況向高工況變化的過程中，依次開啟3個噴咀閥調節。低工況時，只開一組噴咀閥，旁通閥關閉，高壓缸中主蒸汽流經調節級、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調節級和全速級。

1.2 仿真模型

采用模塊化建模方法對主汽輪機進行劃分。根據汽輪機的結構將高壓汽輪機分為調節級和非調節級，其中非調節級包含低速級以及全速級。低壓缸分為低壓汽輪機和倒車汽輪機。模型中加入轉速控制系統，通過調節3個噴咀閥的開度和調車裝置中凸輪轉角的度數來控制主汽輪機的進氣量，進而控制主汽輪機的轉速。

2 數學模型

2.1 調節級數學模型

調節級的流量方程為：

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

忽略工質初始溫度、壓力的影響，汽輪機機械效率是轉速和焓降的函數：

式中：η為汽輪機的級效率；n為推進軸轉速；π為齒輪箱的減速比；ΔH為級的焓降。

忽略汽輪機的環境散熱，蒸汽在汽輪機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。

根據上述公式，可得出調節級的實際排汽焓和輸出功率：

H2=H1-η(H1-H2S)，
P=G1ΔH=G1(H1-H2)。

2.2 非調節級數學模型

在反動度變化為Δγ時，非調節級流量公式為[7]

式中：Gf1,Gf10為非調節級的進口蒸汽流量；Pf1,Pf10為進口的蒸汽壓力及壓力設計值；Pf2,Pf20為出口的蒸汽壓力機壓力設計值；Tf1,Tf10為進口蒸汽的溫度及溫度設計值；Δγ為反動度變化量；γ為級的反動度。

上述非調節級的流量公式中并沒有考慮漏氣現象，工程中一般將漏氣考慮進去。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：

在船舶汽輪機組正常工作時，非調節級一般處于臨界狀態，此時：

考慮結垢對流量的影響：

變工況前后均處于臨界狀態，

變工況前后均處于非臨界狀態，

式中：χ為流通部分的結垢系數；ε為非調節級變工況下出口壓力與進口壓力之比。

對于非調節級的排汽焓與輸出功率等參數的計算，與調節級的計算方法相同，故同理可求出相應參數。

3 仿真結果分析

為驗證本文所建立汽輪機模型的準確性，對其進行靜態試驗和動態試驗，其中動態試驗包括升速過程和減速過程。

仿真環境為MINIS，MINIS仿真軟件是一款基于面向過程的模塊化建模方法、可隨時在線調試的軟件。基于機理建模原理，在MINIS上搭建汽輪機仿真模型。

3.1 靜態仿真結果

對汽輪機正車5個工況進行仿真，仿真結果如表1所示。表中參數采用歸一處理方法，同時計算出仿真值與實際設計值之間的相對誤差。

表1 不同工況下的主要參數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中的數據可看出，對于高工況時，蒸汽的參數仿真值與設計值相對誤差較低。而對于低工況時相對誤差較大。產生此種現象的原因主要是汽輪機在低工況時效率較低。而汽輪機的效率主要受汽輪機參數的影響，因此開發出精度更高的汽輪機模塊，是減小誤差的主要方式。

3.2 動態仿真結果

3.2.1 升速過程

船舶汽輪機的入口參數保持為全工況參數。將模型中凸輪轉角配汽角度進行了歸一化處理，使其變化范圍為0%～100%。調節調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，汽輪機功率的仿真曲線如圖2所示(1-凸輪配汽角度；2-高壓缸調節級功率；3-高壓缸非調節級功率；4-低壓缸功率；5-汽輪機總的輸出功率)；汽輪機入口流量的仿真曲線如圖3所示。由汽輪機功率曲線可看出，隨著凸輪配汽角度的增大，汽輪機總的輸出功率由0%升到了100%，汽輪機各部分功率變化趨勢符合實際運行情況。由汽輪機入口流量曲線可看出，隨著凸輪配汽角度的增大，汽輪機流量逐漸增大。

圖2 汽輪機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

船舶汽輪機的入口參數保持為全工況參數。將模型中凸輪轉角配汽角度進行了歸一化處理，使其變化范圍為0%～100%。調節調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，汽輪機功率的仿真曲線如圖4所示(1-凸輪配汽角度；2-高壓缸調節級功率；3-高壓缸非調節級功率；4-低壓缸功率；5-汽輪機總的輸出功率)；汽輪機入口流量的仿真曲線如圖5所示。由汽輪機功率曲線可看出，隨著凸輪配汽角度的減小，汽輪機總的輸出功率由100%降到了0%，汽輪機各部分功率變化趨勢符合實際運行情況。由汽輪機入口流量曲線可看出，隨著凸輪配汽角度的減小，汽輪機流量逐漸減小。

圖4 汽輪機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

由以上仿真結果可知，無論是升速過程還是減速過程，汽輪機的輸出功率與進入汽輪機的蒸汽參數成正比，呈現對應關系。當汽輪機的輸入功率與輸出功率達到平衡態時，汽輪機狀態會穩定，也就是說汽輪機是一個可自穩定的模型，且響應速度快。這是由于汽輪機是將蒸汽熱能轉化為機械能的裝置，且本身存儲蒸汽的能力有限，因此動態響應慣性不大，能量轉化迅速。

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

4 結 語

本文結合船舶汽輪機的工作特點，對船舶汽輪機的結構及運行工況進行研究。并基于MINIS平臺，采用集總參數的方法，基于機理建模原理對汽輪機進行模塊化建模。最后通過計算機仿真，進行了靜態試驗和動態試驗。通過典型工況的靜態仿真，結果表明該汽輪機模型具有較高的精度；通過動態試驗仿真，結果表明動態響應趨勢符合實際運行情況。兩實驗進一步驗證了模型的準確性，以及建模方法的可行性。

[1] 張葆華，查其愷.船舶汽輪機及燃氣輪機裝置[M].北京：人民交通出版社,1982.

[2] 張俊邁，胡德明.艦船汽輪機[M].北京:國防工業出版社，1992.

[3]COLONNAP,VANPH.Dynamicmodelingofsteampowercycles.Part1-Modelingparadigmandvalidation[J].AppliedThermalEngineering,2007.

[4] 張楊偉，蔡琦.船用核汽輪機裝置仿真研究[J].汽輪機技術,2006,48(1):40-42.

[5] 朱偉，蔣滋康，程芳，等.汽輪機本體分段式通用模塊建模與仿真[J].熱能與動力工程,2000(3).

[6]CHAIBAKHSHA，GHAFFARIA.Steamturbinemodel[J].SimulationModelingPracticeandTheory,2008.

[7] 田兆斐，張志儉.船舶飽和蒸汽輪機動態性能仿真[J].汽輪機技術,2005,47(2):90-92.

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