舰船燃-蒸联合循环的稳态与动态特性分析

杨 东，李淑英，苗安利，王志涛

（1.海军驻西安地区航空军事代表室，西安 710021；2.哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，哈尔滨 150001）

0 引言

目前，燃气轮机在世界船舶上大量使用，并因可以提高经济性而受到越来越多的重视。在能源危机之后，余热锅炉-透平发电和推进系统的余热回收成为船舶动力装置最有效的1种节能措施[1]。因此，对船舶燃气-蒸汽联合循环(COGAS)进行研究和性能分析，可以为其在中国船舶中的实际应用提供一定的参考[2]。

1 舰船COGAS装置工作原理

COGAS装置循环系统原理如图1所示。利用燃气轮机排出的燃气加热废气锅炉中的水，在完成余热回收后排入大气。在废气锅炉中，水由除氧器经给水泵进入经济器，在其中加热到接近或达到饱和温度，进入蒸发器中蒸发，并在过热器中过热到额定参数，然后进入蒸汽轮机作功；作功后的乏汽排入冷凝器凝结，再由凝水泵将其排入除氧器加热、除氧后，经给水泵送入废气锅炉。在蒸汽轮机中有时还设置1个撤汽点，将部分蒸汽抽出用于船上生活[2]。

2 舰船COGAS的仿真建模

国外开发出ASPENPLUS一类的专门用于联合循环仿真的平台，以及GTPro和GTMaster等专门用来进行燃气轮机联合循环发电机组的方案设计和性能计算（包括变工况计算）的软件。国内对舰船COGAS研究得很少[3]，原因是没有通用仿真软件平台。为此，本文以Matlab/Simulink作为仿真平台，采用微分方程的方法，对COGAS进行建模和仿真，并深入了解其稳态与动态特性。模块化仿真是近年来发展起来的1种计算机仿真建模方法。其核心思想是按照一定规则对大系统进行模块划分，各模块相互独立，实现特定的功能，模块具有通用性，可重复使用。COGAS系统模块划分如图2所示。

根据如图2所示的COGAS系统模块的划分，分别建立各部件的数学模型，并以Matlab/Simulink作为仿真平台，根据其数学模型建立该系统的整体仿真模型，如图3所示。

3 COGAS的特性分析

影响COGAS机组变工况性能的因素很多，主要包括机组负荷、环境条件(包括大气温度、大气压力和大气湿度)、机组燃料、余热锅炉蒸汽循环方式、燃气轮机进出口压损等[4]。本文以燃气轮机的负荷变化为变量研究COGAS的稳态与动态特性。

3.1 COGAS的稳态性能分析

COGAS总体设计的首要工作就是进行COGAS总体性能分析，得到燃气轮机在设计工况及变工况下的余热锅炉所能产生的蒸汽流量、温度、压力以及汽轮机发出的功率等。因此，利用所编制COGAS整体仿真软件，进行COGAS稳态特性仿真分析，为COGAS总体设计提供设计基础。

在燃气轮机设计点即100%负荷工况下进行COGAS性能分析，结果见表1。表中机组主要参数的仿真计算值与额定设计参数的相对误差都不超过2%；若要进行其他负荷工况下的稳态计算，只要将负载输入量改成相应的负荷即可。因此，用部件通用仿真模块搭建的COGAS系统整体模型能够较好地满足稳态仿真的要求。

表1 机组100%负荷工况下稳态仿真结果与设计工况参数值比较

COGAS参数在不同工况下的变化如图4所示。从图中可见，随着燃气轮机负荷的减小，蒸汽流量、蒸汽温度、联合效率、汽轮机功率和机组总功率都减小。这是由于燃气轮机负荷减小，使燃气流量和燃气温度都降低，导致燃气侧放热量减少，可回收的余热量减少，使蒸汽侧吸热量也减少，从而使蒸汽产量降低。虽然燃气温度降低不会使蒸汽出口温度降低，但是燃气流量降低会导致燃气对流放热系数减小，燃气在过热区放热量减少。因此，在过热区，出口蒸汽温度降低。由于蒸汽出口的流量和温度都降低，则汽轮机的输出功率也降低。而机组功率是汽轮机功率和燃气轮机功率的总和，所以机组功率也降低。从图4（c）、（d）中可见，采用COGAS后，在额定工况下，机组功率增加31%，效率增加到47%；在50%工况下，机组功率增加29%，效率增加到39%。由此可知，无论是在高工况还是低工况下，燃气轮机采用COGAS后，其效率都会显著提高。

3.2 COGAS的动态仿真

为了更深入研究COGAS系统的运行特性，分析燃气轮机负荷变化时，COGAS各参数的动态特性。燃气轮机由100%负荷突降到80%负荷时,各主要参数变化规律如图5所示。

从图5中可见，由于燃气轮机的负荷突然减小，使燃气轮机的输出功率和喷油量减小，并且经过一段时间后达到新的平衡。这是由于燃气轮机负荷变化引起其转速变化，控制模块通过改变喷油量使转速回到设定值，喷油量的改变使燃气轮机的输出功率与其负荷相匹配，最后在该工况下稳定运行。

随着燃气轮机负荷的突降，使蒸汽流量、压力和温度都降低，并在一段时间后达到新的稳定。这是由于燃气轮机负荷的减小，使燃气流量和燃气温度都降低，导致燃气侧放热量减少，可回收的余热量减少，所以蒸汽侧吸热量也减少，从而使蒸汽产量和压力降低。虽然燃气温度的降低不会使蒸汽出口温度降低，但是燃气流量降低会导致燃气对流放热系数减小，燃气在过热区放热量减少，因此在过热区，出口蒸汽温度降低。由于蒸汽出口的流量和温度都降低，则汽轮机的输出功率减小。而当负荷大于50%时，蒸汽系统采用滑压运行，所以主汽门开度为1，并保持不变。当燃气轮机达到新的稳定运行以后，蒸汽系统的各参数也达到新的稳定工作状态。

燃气轮机负荷由80%突增到100%时，各参数的变化规律如图6所示。这些参数都是先达到1个极限值，而后达到新的平衡。这是因为燃气轮机负荷的增大，使燃气流量增大和温度升高，COGAS的几个参数都增大，并且随着燃气轮机负荷的增大达到新的稳定工作状态。

4 结束语

采用模块化建模的方式对COGAS系统进行了稳态与动态特性分析，得到了在燃气轮机变工况下的COGAS稳态与动态特性。由分析结果可知，无论是在高工况下，还是在其低工况下，采用COGAS后，燃气轮机效率都显著提高。因此，COGAS在中国未来船舶推进动力装置的应用中具有广阔的前景。

[1]徐利军，曹渝白.船舶余热动力回收系统热力学参数及余热锅炉结构参数优化[J].热能动力工程，1992，7（2）：79-82.

[2]蔡振飞，朱秀章.舰船燃气-蒸汽联合循环(COGAS)装置的探讨[J].船舶工程，1978（1）:34-41.

[3]张俊礼.S109FA型燃气－蒸汽联合循环机组的全工况仿真[D].南京：东南大学，2005.

[4]常静华.燃气-蒸汽联合循环机组变工况建模及其特性分析[D].云南：昆明理工大学，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.