改進艦用增壓鍋爐系統運行特性的一種優化方法研究

李東亮，程 剛，許 偉，詹國強

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改進艦用增壓鍋爐系統運行特性的一種優化方法研究

李東亮，程 剛，許 偉，詹國強

（海軍工程大學，武漢 430033）

在艦用增壓鍋爐系統實際運行中，工作環境的改變會導致渦輪機組無法運行在最佳功率匹配點，繼而導致增壓鍋爐系統偏離設計工況運行。為改進該問題，提出采用壓氣機噴水方式優化系統運行特性。首先分析了艦用增壓鍋爐的結構及原理，依據艦用增壓鍋爐系統的特征建立了壓氣機、輔助汽輪機、煙氣渦輪、艦用鍋爐等相關系統的全工況數學模型，然后通過仿真實驗，驗證了加濕度對鍋爐燃油耗量，渦輪機組煙氣進汽量、煙氣溫度、做功能力和輔助汽輪機耗功等主要參數的影響，仿真結果表明壓氣機噴水是改進艦用增壓鍋爐系統運行特性的一種有效方式。

增壓鍋爐系統 壓氣機噴水 全工況動態數學模型

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、經濟性、耐久性和維修性等方面的有著良好性能，尤其具備重量輕、尺寸小和機動性好的顯著特點，受到各國海軍的青睞。

關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研究日益豐富。胡繼敏, 金家善, 孫豐瑞等針對渦輪增壓機組的功率平衡計算難題進行了研究，給出了適合于工程應用的渦輪增壓機組的功率平衡計算流程和處理方法[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數學模型，進行燃油量擾動的仿真試驗[2]。劉云生、馮永明、陳華清等分析了環境溫度和鍋爐負荷變化等對增壓鍋爐與渦輪增壓機組的穩動態匹配特性的影響[3]。同時還有大量研究人員針對增壓鍋爐的風煙動態特性和控制特性等進行了研究[4-8]。本文建立在該諸多研究的基礎之上，試圖采用壓氣機噴水方式優化系統運行特性，解決在艦用增壓鍋爐系統實際運行中由于工作環境的改變會導致渦輪機組無法運行在最佳功率匹配點，繼而導致增壓鍋爐系統偏離設計工況運行的問題。

1 渦輪增壓鍋爐系統

以前蘇聯某型增壓鍋爐系統為研究對象如圖1所示，從圖中可以看出，煙氣輪機與壓氣機同軸相連，蒸汽輪機與壓氣機經減速器相連，使得鍋爐煙氣、蒸汽均對壓氣機產生作用，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功率，從而直接影響增壓鍋爐的燃燒。

以N表示汽輪機的功率，N表示渦輪功率，N表示渦輪增壓機組損耗總功率。機組功率平衡可表示為N=N+N,在機組設計中，在低工況時，輔助汽輪機作為主要的動力來源，當轉速達到一定程度后煙氣渦輪的功率開始顯著增加，此時由輔助汽輪機和煙氣渦輪共同保證渦輪增壓機組的功率消耗。通過調節輔助汽輪機前的調節閥使機組轉速平穩上升，當煙氣渦輪發出的功率逐漸加大至超過壓氣機消耗的功率后，汽輪機功率逐漸減少至零。渦輪增壓機組在鍋爐某一部分負荷下可存在功率平衡點，此時煙氣渦輪功率正好等于壓氣機消耗功率和各部件的機械損耗，輔助汽輪機剛好不工作。然而，由于工作環境的改變和系統的老化，進排氣系統阻力、鍋爐煙風阻力及渦輪排氣阻力損失較大，某些渦輪增壓機組在實際運行中并不存在功率平衡點，即輔助汽輪機在渦輪增壓機組的全工況運行中始終投入工作。為解決該問題，本文提出壓氣機噴水方式方案，首先由于渦輪增壓機組不能和鍋爐獨立開來，所以在分析增壓鍋爐的過程中，將渦輪增壓機組和鍋爐一并進行分析，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速計算問題，系統汽水循環中的給水、蒸汽、空氣、煙氣等的質量動量和能量平衡問題。將增壓鍋爐系統模型劃分為鍋爐本體模型、蒸汽輪機模型、煙氣輪機模型、壓氣機模型、功率轉速模型、風油水泵模型和流體網絡模型。各個系統模型及其連接關系如圖2所示。

2 數學模型

建模中考慮以下模型假設：

1）工質通過渦輪增壓機組各部件進排氣通道時與外界的熱交換忽略不計；

2）壓氣機與煙氣渦輪內的流體為理想氣體，工質定壓比熱是溫度的函數，根據空氣與燃氣的熱力性質表擬合計算。

2.1功率平衡數學模型

渦輪增壓機組中壓氣機是耗功部件，而煙氣渦輪和輔助汽輪機是做功部件，當機組達到功率平衡時，則要求煙氣渦輪與輔助汽輪機發出的功率總和等于壓氣機耗功。渦輪增壓機組匹配計算是指對機組內的壓氣機、煙氣渦輪和輔助汽輪機進行功率平衡計算，其中壓氣機的耗功計算為：

（1）

渦輪發出的有效功率為：

輔助汽輪機需要發出的功率滿足整個系統平衡的要求，故輔助汽輪機的功率可由下式計算出：

（3）

根據輔助汽輪機功率計算的蒸汽耗量為

（4）

2. 2壓氣機模型

壓氣機特性都是以平面曲線形式表示的。根據相似理論，壓氣機工作特性可以用壓比、折合轉速、折合流量以及效率四個參數的關系來表示。在這四個參數中，只要其中任意兩個參數確定，就可以得到壓氣機一個完全確定的工作狀態。因此，為了利用壓氣機的特性圖，將壓氣機的特性圖通過描點、取值將壓氣機的特性組建成一個數組矩陣，通過插值計算即可確定壓氣機的工況點。插值公式可用二元三點插值或二元全區間插值，對于本模型中壓氣機的特性，二元全區間插值法更穩定。

壓氣機總體氣動性能參數的計算：

1）壓比

（5）

其中， G為折合流量，n為折合轉速。

（6） （7）

2）效率

（8）

3）出口溫度

（9）

4）壓氣機耗功

(10)

5）壓氣機出口壓力

(11)

2. 3煙氣輪機模型

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計算如下：

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關系，即可根據渦輪膨脹比的計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關系，即可根據渦輪膨脹比的計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蒸汽輪機模型

煙氣渦輪增壓機組需要功率補償量，即輔助汽輪機應輸出的功率

（18）

式中，G為輔助汽輪機蒸汽耗量（kg/s）；h為輔助汽輪機進口蒸汽焓值（kJ/kg）；h為輔助汽輪機出口蒸汽焓值（kJ/kg）；為輔助汽輪機的機械效率，=0.98。

2. 5阻力損失模型

空氣由進氣道進入增壓機組的壓氣機，經壓縮后，通過壓氣機排氣蝸殼和鍋爐殼體夾層進入增壓鍋爐，在爐膛中燃燒。煙氣經對流蒸發管束、過熱器和經濟器進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）壓氣機進氣阻力（從大氣到壓氣機進口）；2）鍋爐煙風阻力（從壓氣機出口到煙氣渦輪進口）；3）渦輪排氣阻力（從煙氣渦輪轉子出口截面到大氣環境）。阻力模型通過轉速插值取得，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連接之間管路的容積慣性對系統動態性能的影響，在壓機的出口處設一個慣性容積，其入口變量為流量G、進口壓力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；為氣體常數；G為慣性容積的進氣流量（kg/s）；G為慣性容積的進氣流量（kg/s）。

特征時間可表示為

（20）

進一步假定慣性容積是絕熱的，則

（21）

在模型實際計算中，利用每次計算步長的壓力變化率即可得到dP/dt，進而可計算得到壓氣機進口流量和出口流量的關系，即反映出壓氣機的容積慣性。

2. 7 轉速模型

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

壓氣機和煙氣渦輪共用一個轉子，而輔助汽輪機的轉子通過減速器（減速比為1.915）與之聯接，因此渦輪增壓機組轉子的動力學方程是

（22）

（23）

在解微分方程時，利用二階龍格-庫塔法求解轉速。

2. 8 其他系統模型

本文研究所涉及的其他模型包含鍋爐本體模型，流體網絡模型，風油水泵模型等可參考相關文獻[9-11]，這里不再贅述。

3 仿真實驗

3.1汽量恒定不同溫度下壓氣機噴水實驗

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

3.2恒溫下壓氣機噴水對渦輪機影響

在實驗4.1前提下，重點測試30攝氏度情況下（其他溫度結果類似），逐漸增加噴水量，對煙氣渦輪主要參數，包括進口煙氣質量，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煙氣渦輪做功能力均大幅升高。該現象非常有利于渦輪增壓機組進入較好的功率平衡點。

3.3不同加濕度和不同負荷情況下的輔助汽輪機耗功實驗

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

圖5 不同加濕度和不同負荷情況下的耗功曲線

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

4 總結

本文采用模塊化建模方法建立了完整的渦輪增壓機組動態數學模型，通過仿真實驗證明了小范圍壓氣噴水能有效改善渦輪增壓機鍋爐系統由于環境變化和系統老化引起的運行工況點偏移和運行特性不良等問題。同時該實驗在完全數字仿真的情況下進行，距離設備改造還需要進一步的實裝實驗。

[1] 胡繼敏，金家善，孫豐瑞. 渦輪增壓機組的功率平衡計算方法[J]. 海軍工程大學學報, 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]. 機電設備, 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組匹配特性仿真分析[J]. 艦船科學技術, 2012,(01): 50-54.

[4] 任立永. 船舶動力裝置機爐協調控制技術研究[D]. 哈爾濱工程大學, 2008.

[5] 費景洲，馬修真. 船用增壓鍋爐風煙系統的流體網絡模型[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組動態仿真研究[D]. 哈爾濱工程大學, 2007.

[7] 房桐毅. 基于流體網絡的渦輪增壓機組匹配特性仿真研究[D]. 哈爾濱工程大學, 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：動力機械及熱力系統的設計、仿真與優化。Email: xw_1000@126.com\noangry@163.com