船舶主機熱力系統建模及分析

陳佐添，張志剛，蔡鵬飛，鹿 佳

(中國衛星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

0 引 言

眾所周知，船舶主機熱力系統組成復雜，設備眾多，系統之間相互聯系，熱量交換巨大。許多學者對船舶某一熱力系統的研究比較透徹，包括冷卻水熱力系統、潤滑系統、蒸汽動力系統等[1–3]。然而，單純對船舶某一系統及單一設備的分析已不能滿足人們對熱量的需求。通常通過監視與測量設備可以得到一些關鍵設備的溫度及壓力等關鍵參數，但很少能夠全面的掌握熱力系統熱量及介質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，國外學者對船舶運輸行業進行能源評估，提出?分析和能量相結合的方法，從交通運輸角度看待能源的利用情況，為能量利用狀態提供一個大體的評價指標[4]。進一步分析鍋爐的蒸汽系統，通過應用數值軟件進行分析，研究環境溫度變化和煙氣流動對產生蒸汽溫度的影響[5]。研究增加渦輪發動機的熱力系統，通過建立的數學模型分析系統的熱效率，結果表明可以提高發動機的性能[6]。

隨著熱管理的提出[7–8]，船舶機艙熱管理技術的發展，對機艙熱量分布要求更加準確。因而構建船舶主機熱力系統的模型，對主機熱力系統的熱力特性進行仿真計算有著重要的研究意義。本文將主機熱力系統簡化為4個子系統、多種熱交換儀器、連接管道網絡和其他輔助器械，這些系統之間能夠完成能量轉換和熱量傳遞，存在著傳熱傳質和機械連接等方面的聯系。分析熱力系統能量的消耗及流向，建立熱力系統的數學模型，采用計算機仿真研究熱力系統的參數特性。通過分析熱力系統的子系統及主要設備的工作過程和子系統之間的耦合關系，對各環節簡化和假設建立熱力系統的數學模型，并根據數學模型用S i mulink編寫系統仿真程序，對該系統進行靜態和動態仿真。仿真過程中，輸入邊界條件和原始參數對系統進行調試分析，依次從模塊的調試到子系統的調試，最后完成對整個系統的調試。

1 熱力系統網絡組成

圖1為主機熱力系統示意圖，其中簡化了系統中的閥門及附屬檢測與測量設備。由主機進排氣系統、冷卻水系統、滑油系統和燃油系統4個子系統組成，其中冷卻水系統又分為高溫淡水系統、低溫淡水系統和海水系統。主機的熱力系統雖然分成4個系統，但它們都不獨立存在，相互之間存在著耦合關系，4個系統相互交叉交融。

圖 1 主機熱力系統示意圖Fig. 1 Schematic diagram of main machine thermal system

冷卻水系統為熱量交換的核心，與其他系統相關聯的地方有以下幾點：

1）冷卻水系統與機體的耦合，通過冷卻氣缸套帶走主機機體部分的熱量；

2）冷卻水系統與進排氣系統的耦合，通過空冷器冷卻增壓空氣，攜帶熱量；

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

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

冷卻水系統比較復雜，內部高低溫淡水系統與海水系統存在耦合關系。

高低溫淡水系統是相對獨立的系統，然而它們不但有熱量的交換，還存在著物質的交換，高低溫淡水在一定程度上可以相互轉換，通過恒溫閥的設定值來實現這個轉化。在缸套水小循環中，當缸套出口水溫較高，一部分的高溫經過恒溫閥，進入大循環中而轉換為低溫淡水系統的一部分。另一方面，低溫水系統通過恒溫閥進入高溫淡水系統，轉換為高溫水冷卻缸套。

高低溫水系統所攜帶的熱量最終都會通過中央冷卻器與海水系統進行熱量交換，由海水系統將淡水系統的熱量帶走。

滑油系統和燃油系統從主機機體中帶走熱量，攜帶熱量的值與主機的功率成正相關的關系，其最終的熱量通過冷卻水系統帶走。

2 數學模型

2.1 離心泵的數學模型

冷卻水系統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程和流量的關系為：

2.2 燃油供給泵的數學模型

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過燃油濾器供到高壓油泵。螺桿泵的理論質量流量數學模型：

式中：A為過流面積，即為缸套內腔橫截面積與螺桿端面橫截面積之差；t為導程，m；n為轉速，r/min。

2.3 傳熱系數

冷卻器的傳熱系數采用板式換熱器，在熱力學系統中，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為：

2.4 發動機傳熱模型

通過對氣缸燃燒放熱的工作進行數值模擬計算求得缸套冷卻水帶走主機的熱負荷，然而計算過程相當復雜，并且需要眾多的試驗參數，本文就按照經驗進行估算。其中修正的經驗公式為：

其中：z為氣缸數；D為氣缸直徑；S為活塞行程；n為發動機轉速；λ為修正系數。

2.5 換熱器模型

流體經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距離輸送。在船舶流體管系中，系統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；分別為管道進出口的高程；為沿程損失系數，V為管流平均速度，稱為沿程損失系數，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。

3 邊界條件的確定

3.1 燃油與轉速的關系

燃油質量流量與噴油泵單缸循環噴油量有如下關系：

3.2 工作介質和參數

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

4 仿真結果及分析

系統各部件的數學模型通過理論分析或實驗數據、特性曲線擬合建立。此外,針對上述綜合熱管理系統，本文對其進行穩態仿真建模時，作如下考慮：

1）本文所涉及的系統各設備數學模型是對整個系統的運行情況進行模擬,對部分參數的控制問題提供一定的指導，而不是針對每個部件的內部情況作深入的研究，故所建立的數學模型主要能反映輸入、輸出參數之間的關系。

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

針對所建立的主機熱力系統仿真模型，對系統進行穩態分析，把系統初始邊界條件輸入到系統模型中，并等到輸出結果處于一個穩定的狀態，下面對主機熱力系統分別進行主機負荷為100，90%，75%時的穩態計算。圖中節點的編號取圖1中各設備的首字母的簡稱，在此羅列一些重要節點的參數。

圖2是主機熱力系統中各節點的溫度隨主機負荷取不同值的變化情況。當主機負荷工況減少的時候，各個熱交換器的流體節點出口的溫度有所降低，但降低程度不大，缸套冷卻水的進出口溫度都有較為明顯的降低，主機排氣溫度降低的幅度最為明顯，這是因為主機功率的降低會直接影響到排氣溫度，系統中其他各節點間的溫度均有不同程度的降低。系統中各子系統在主機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整，進而都會穩定在一個新的平衡狀態下。

圖3是主機熱力系統中各節點間的流量隨船舶主機負荷工況不同值的變化情況。當船舶主機負荷減少的時候，氣缸內燃油燃燒放熱量就會減少，從而冷卻水帶走的熱量會相應減少，從而導致經過主機缸套的高溫冷卻淡水流量減少。同樣，在滑油系統中，滑油從氣缸內帶走的熱量在減少，進出主機的滑油的溫度會降低，因而通過滑油冷卻器的流量也相應減少，按照柴油機推進特性，主機轉速會隨著功率的降低大幅度降低，因而主機的渦輪增壓器中壓氣機、空冷器的氣體流量和燃油噴射量都會相應減少。系統中其他各節點間的流量均有不同程度的降低。

圖4是主機熱力系統中各節點間的壓力隨船舶主機負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：當船舶主機功率減少的時候，柴油機轉速降低時，直接受到影響的增壓器壓氣機的排氣壓力和中冷器后氣體壓力會有一定程度的降低，系統的其他節點壓力幾乎沒有什么變化。

圖5是流體網絡中各節點間的換熱量隨船舶主機負荷工況不同值的變化情況。當船舶主機負荷工況減少的時候，經過各個熱交換器的換熱量均有一定程度的減少，主機各子系統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種穩態工況的結果，能夠模擬主機熱力系統的在主機穩態工況運行的各熱交換器進出口和其他熱力設備的重要節點的溫度、壓力和流量的穩定值，揭示了船舶主機運行狀態的穩定參數值。通過穩態仿真出來的各關鍵節點的特性參數，對船舶的運行管理提供較大的指導意義。通過穩態分析可以得到主機運行各參數值，這可以判定船舶是否在運行的安全穩定的狀態，為船舶安全高效可持續的營運提供理論依據和決策指導方向。通過不同工況的節點溫度的分析，可以找出主機部件的節能潛力，充分合理的運用主機燃燒放熱所發出的熱能，提高能量的利用水平。

圖 2 節點溫度隨主機工況負荷變化Fig. 2 Node temperature changing with the load of main engine

圖 3 節點間流量變化Fig. 3 The flow diagram changing between nodes

圖 4 節點間壓力變化Fig. 4 Pressure changing between nodes

圖 5 節點間換熱量變化Fig. 5 The heat exchange changing between nodes

5 動態仿真

船舶在海上航行時功率不是穩定不變的，尤其是在大風浪或者在穿越臺風區域時，主機的功率因為船體橫縱傾斜很大，導致螺旋槳可能在水面來回切換造成主機負荷發生很大的變化。因此，在這種狀態下，船舶主機、輔助設備都是經常在變工況下工作的。因此，在這種狀況中研究船舶主機在變工況下顯得尤為重要，可以得出主機在極端工況下的運行參數，從而預測主機各設備能否在極限工況下正常運行。圖6和圖7分別為當船舶主機負荷從100%突變到了80%主機排氣溫度和缸套冷卻水出口溫度的變化情況。

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

圖 7 主機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%負荷工況時，主機排煙溫穩定在680 K，負荷在20 s時發生突變，從100%降到了80%，主機的排煙溫度緊接著降低，因為主機的功率變化時會引起的主機轉速的變化，因此主機的排氣溫度下降到最低值的時候，會慢慢增加回到新的穩態值，從而達到80%新工況的溫度。主機的轉速變化直接影響到主機燃油的噴射量，因此在主機功率發生變化時，燃油的噴射量也會隨之發生變化。

從圖7中可以看出，缸套冷卻水的溫度變化在主機功率變化時經常會隨之發生變化，在主機功率下降時，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的三通閥會有相應的變化，根據水溫的變化調整閥門的大小。因此，缸套水經過一段時間的下降后會慢慢升高，最終達到一個新的穩定工況。

6 結 語

通過對上述建模計算和結果分析可以得到以下結論：

1）船舶主機負荷發生變化時，熱力系統中各設備和節點流體的流量、溫度、壓力和換熱量均有不同程度的變化。

2）由于各系統的進行熱量交換的能量均來源于發動機燃燒釋放的熱量，主機負荷降低時，流過各換熱器的節點溫度均有一定程度降低，對應的節點流量也會降低，因而這些節點的換熱量就會降低。

3）通過這個主機熱力系統模擬，可以模擬出主機的各種工況條件下，流體網絡系統各節點的溫度、壓力、流量的變化情況，為船舶運行時故障診斷提高方向，為船舶運營節能管理提供了思路和方向。

針對船舶主機熱力系統能量的綜合利用，本文建立主機熱力系統的流體網絡的數學模型，并計算求解了熱力系統網路的關鍵節點的溫度、壓力、流量和換熱器的換熱量。這些節點的特性參數與實際變化趨勢相符。

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