改进舰用增压锅炉系统运行特性的一种优化方法研究

李东亮，程 刚，许 伟，詹国强



改进舰用增压锅炉系统运行特性的一种优化方法研究

李东亮，程 刚，许 伟，詹国强

（海军工程大学，武汉 430033）

在舰用增压锅炉系统实际运行中，工作环境的改变会导致涡轮机组无法运行在最佳功率匹配点，继而导致增压锅炉系统偏离设计工况运行。为改进该问题，提出采用压气机喷水方式优化系统运行特性。首先分析了舰用增压锅炉的结构及原理，依据舰用增压锅炉系统的特征建立了压气机、辅助汽轮机、烟气涡轮、舰用锅炉等相关系统的全工况数学模型，然后通过仿真实验，验证了加湿度对锅炉燃油耗量，涡轮机组烟气进汽量、烟气温度、做功能力和辅助汽轮机耗功等主要参数的影响，仿真结果表明压气机喷水是改进舰用增压锅炉系统运行特性的一种有效方式。

增压锅炉系统 压气机喷水 全工况动态数学模型

0 引言

舰用增压锅炉是蒸汽动力舰船主要动力形式之一，在可靠性、生命力、经济性、耐久性和维修性等方面的有着良好性能，尤其具备重量轻、尺寸小和机动性好的显著特点，受到各国海军的青睐。

关于舰用增压锅炉的研究我国起步较晚，但是近年来由于海军的需求，舰用增压锅炉的相关研究日益丰富。胡继敏, 金家善, 孙丰瑞等针对涡轮增压机组的功率平衡计算难题进行了研究，给出了适合于工程应用的涡轮增压机组的功率平衡计算流程和处理方法[1]；于文轩, 唐胜利等采用模块化方法建立了船用增压锅炉的动态数学模型，进行燃油量扰动的仿真试验[2]。刘云生、冯永明、陈华清等分析了环境温度和锅炉负荷变化等对增压锅炉与涡轮增压机组的稳动态匹配特性的影响[3]。同时还有大量研究人员针对增压锅炉的风烟动态特性和控制特性等进行了研究[4-8]。本文建立在该诸多研究的基础之上，试图采用压气机喷水方式优化系统运行特性，解决在舰用增压锅炉系统实际运行中由于工作环境的改变会导致涡轮机组无法运行在最佳功率匹配点，继而导致增压锅炉系统偏离设计工况运行的问题。

1 涡轮增压锅炉系统

以前苏联某型增压锅炉系统为研究对象如图1所示，从图中可以看出，烟气轮机与压气机同轴相连，蒸汽轮机与压气机经减速器相连，使得锅炉烟气、蒸汽均对压气机产生作用，从而影响锅炉的助燃空气。由于烟气出口没有旁通，烟气量直接决定了压气机功率，从而直接影响增压锅炉的燃烧。

以N表示汽轮机的功率，N表示涡轮功率，N表示涡轮增压机组损耗总功率。机组功率平衡可表示为N=N+N,在机组设计中，在低工况时，辅助汽轮机作为主要的动力来源，当转速达到一定程度后烟气涡轮的功率开始显著增加，此时由辅助汽轮机和烟气涡轮共同保证涡轮增压机组的功率消耗。通过调节辅助汽轮机前的调节阀使机组转速平稳上升，当烟气涡轮发出的功率逐渐加大至超过压气机消耗的功率后，汽轮机功率逐渐减少至零。涡轮增压机组在锅炉某一部分负荷下可存在功率平衡点，此时烟气涡轮功率正好等于压气机消耗功率和各部件的机械损耗，辅助汽轮机刚好不工作。然而，由于工作环境的改变和系统的老化，进排气系统阻力、锅炉烟风阻力及涡轮排气阻力损失较大，某些涡轮增压机组在实际运行中并不存在功率平衡点，即辅助汽轮机在涡轮增压机组的全工况运行中始终投入工作。为解决该问题，本文提出压气机喷水方式方案，首先由于涡轮增压机组不能和锅炉独立开来，所以在分析增压锅炉的过程中，将涡轮增压机组和锅炉一并进行分析，包含增压锅炉输入端的助燃空气、燃油及输出端的烟气和蒸汽。同时需要考虑到功率匹配和转速计算问题，系统汽水循环中的给水、蒸汽、空气、烟气等的质量动量和能量平衡问题。将增压锅炉系统模型划分为锅炉本体模型、蒸汽轮机模型、烟气轮机模型、压气机模型、功率转速模型、风油水泵模型和流体网络模型。各个系统模型及其连接关系如图2所示。

2 数学模型

建模中考虑以下模型假设：

1）工质通过涡轮增压机组各部件进排气通道时与外界的热交换忽略不计；

2）压气机与烟气涡轮内的流体为理想气体，工质定压比热是温度的函数，根据空气与燃气的热力性质表拟合计算。

2.1功率平衡数学模型

涡轮增压机组中压气机是耗功部件，而烟气涡轮和辅助汽轮机是做功部件，当机组达到功率平衡时，则要求烟气涡轮与辅助汽轮机发出的功率总和等于压气机耗功。涡轮增压机组匹配计算是指对机组内的压气机、烟气涡轮和辅助汽轮机进行功率平衡计算，其中压气机的耗功计算为：

（1）

涡轮发出的有效功率为：

辅助汽轮机需要发出的功率满足整个系统平衡的要求，故辅助汽轮机的功率可由下式计算出：

（3）

根据辅助汽轮机功率计算的蒸汽耗量为

（4）

2. 2压气机模型

压气机特性都是以平面曲线形式表示的。根据相似理论，压气机工作特性可以用压比、折合转速、折合流量以及效率四个参数的关系来表示。在这四个参数中，只要其中任意两个参数确定，就可以得到压气机一个完全确定的工作状态。因此，为了利用压气机的特性图，将压气机的特性图通过描点、取值将压气机的特性组建成一个数组矩阵，通过插值计算即可确定压气机的工况点。插值公式可用二元三点插值或二元全区间插值，对于本模型中压气机的特性，二元全区间插值法更稳定。

压气机总体气动性能参数的计算：

1）压比

（5）

其中， G为折合流量，n为折合转速。

（6） （7）

2）效率

（8）

3）出口温度

（9）

4）压气机耗功

(10)

5）压气机出口压力

(11)

2. 3烟气轮机模型

烟气涡轮特性以单曲线型式给出，烟气涡轮的总体气动性能参数计算如下：

1）膨胀比

（12）

2）折合流量

（13）

此公式为表示烟气涡轮单曲线气体动力特性的函数关系，即可根据涡轮膨胀比的计算得到烟气涡轮的折合流量。

3）效率

（14）

此公式为表示烟气涡轮单曲线气体动力特性的函数关系，即可根据涡轮膨胀比的计算得到烟气涡轮的效率。

4）出口温度

（15）

（16）

5）输出功率

（17）

2. 4蒸汽轮机模型

烟气涡轮增压机组需要功率补偿量，即辅助汽轮机应输出的功率

（18）

式中，G为辅助汽轮机蒸汽耗量（kg/s）；h为辅助汽轮机进口蒸汽焓值（kJ/kg）；h为辅助汽轮机出口蒸汽焓值（kJ/kg）；为辅助汽轮机的机械效率，=0.98。

2. 5阻力损失模型

空气由进气道进入增压机组的压气机，经压缩后，通过压气机排气蜗壳和锅炉壳体夹层进入增压锅炉，在炉膛中燃烧。烟气经对流蒸发管束、过热器和经济器进入烟气涡轮膨胀做功，最后通过涡轮排气蜗壳和排气管道排至大气。因此，将压力损失分为三段：1）压气机进气阻力（从大气到压气机进口）；2）锅炉烟风阻力（从压气机出口到烟气涡轮进口）；3）涡轮排气阻力（从烟气涡轮转子出口截面到大气环境）。阻力模型通过转速插值取得，这里不再赘述。

2. 6惯性容积模型

为分析增压锅炉与压气机连接之间管路的容积惯性对系统动态性能的影响，在压机的出口处设一个惯性容积，其入口变量为流量G、进口压力P和温度T，出口变量为流量G、出口压力P和温度T。假定在惯性容积中速度是可以被忽略的，则同一截面上压力和温度是均匀的，则有

（19）

式中，V为容积（m3）；为多变指数；为气体常数；G为惯性容积的进气流量（kg/s）；G为惯性容积的进气流量（kg/s）。

特征时间可表示为

（20）

进一步假定惯性容积是绝热的，则

（21）

在模型实际计算中，利用每次计算步长的压力变化率即可得到dP/dt，进而可计算得到压气机进口流量和出口流量的关系，即反映出压气机的容积惯性。

2. 7 转速模型

（1）根据模型Logistic(P)=5+10*X1+10*X2，P=exp(logit(P))/(1+exp(logit(P)))产生样本量为2n例患者，每个患者的二分类结局变量用Yi=rbinom(1,1,Pi)获得。并将这2n例患者随机等分为A，B两组，每组有n例患者。

压气机和烟气涡轮共用一个转子，而辅助汽轮机的转子通过减速器（减速比为1.915）与之联接，因此涡轮增压机组转子的动力学方程是

（22）

（23）

在解微分方程时，利用二阶龙格-库塔法求解转速。

2. 8 其他系统模型

本文研究所涉及的其他模型包含锅炉本体模型，流体网络模型，风油水泵模型等可参考相关文献[9-11]，这里不再赘述。

3 仿真实验

3.1汽量恒定不同温度下压气机喷水实验

采用仿真手段在锅炉额定最大负荷下，保持锅炉蒸汽量不变，分别在大气压力0.101325Mpa，压比3.4,环境温度30℃，35℃和40℃等三个环境下，逐渐增加喷水量（假设喷水均匀不冒白烟），待机组运行稳定后记录燃油耗量。结果如图所示。

3.2恒温下压气机喷水对涡轮机影响

在实验4.1前提下，重点测试30摄氏度情况下（其他温度结果类似），逐渐增加喷水量，对烟气涡轮主要参数，包括进口烟气质量，烟气温度和单位时间做功的影响。

图3 不同加湿度和不同温度下的燃油耗量曲线

图4 不同加湿情况下的烟气锅炉主要参数曲线

可见随着加湿度的增加烟气温度，烟气流量和单位时间内烟气涡轮做功能力均大幅升高。该现象非常有利于涡轮增压机组进入较好的功率平衡点。

3.3不同加湿度和不同负荷情况下的辅助汽轮机耗功实验

在大气压力0.101325 Mpa，环境温度30℃，环境下，分别在锅炉最大负荷的30%，60%和100%情况下，逐渐增加喷水量（假设喷水均匀不冒白烟），测试辅助汽轮机所需的耗功。结果如图5所示。

图5 不同加湿度和不同负荷情况下的耗功曲线

可见在不同负荷下加湿度的增加均使得辅助汽轮机耗功降低，该效果使得涡轮增压机组更贴近于设计工况运行。同时可见在加湿度0.1%范围内效果明显，且这个范围的喷水不至于致使锅炉冒白烟，所以在该范围内压气机喷水是安全有效改善涡轮增压机组运行特性的手段之一。

4 总结

本文采用模块化建模方法建立了完整的涡轮增压机组动态数学模型，通过仿真实验证明了小范围压气喷水能有效改善涡轮增压机锅炉系统由于环境变化和系统老化引起的运行工况点偏移和运行特性不良等问题。同时该实验在完全数字仿真的情况下进行，距离设备改造还需要进一步的实装实验。

[1] 胡继敏，金家善，孙丰瑞. 涡轮增压机组的功率平衡计算方法[J]. 海军工程大学学报, 2008,(01): 108-112.

[2] 于文轩，唐胜利. 船用增压锅炉的模块化仿真研究[J]. 机电设备, 2008,(03): 48-51.

[3] 刘云生，冯永明，陈华清，等. 增压锅炉与涡轮增压机组匹配特性仿真分析[J]. 舰船科学技术, 2012,(01): 50-54.

[4] 任立永. 船舶动力装置机炉协调控制技术研究[D]. 哈尔滨工程大学, 2008.

[5] 费景洲，马修真. 船用增压锅炉风烟系统的流体网络模型[J]. 热能动力工程, 2011,(03): 323-327.

[6] 蔡洁. 船用增压锅炉涡轮增压机组动态仿真研究[D]. 哈尔滨工程大学, 2007.

[7] 房桐毅. 基于流体网络的涡轮增压机组匹配特性仿真研究[D]. 哈尔滨工程大学, 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

李东亮（1981-），男，讲师，博士。研究方向：动力机械及热力系统的设计、仿真与优化。Email: xw_1000@126.com\noangry@163.com