船用燃蒸联合动力系统的性能仿真研究
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摘要
燃气轮机动力装置正在世界各国船舶上大量使用,提高燃气轮机动力装置的经济性也受到了越来越多的重视,燃气—蒸汽联合循环(COGAS)就是一种非常有效地手段。燃气—蒸汽联合循环在国外的船舶上已经有了应用,而在我国只是在电站中有应用,在船舶上还是空白。因此,研究船用燃气—蒸汽联合循环对我国船舶动力的发展有极其重要的意义。
本文分析了燃气—蒸汽联合循环两种常用的型式,并通过余热锅炉补燃与否、余热锅炉的水循环、蒸汽系统循环方式等几个方面确定本文采用的余热锅炉的方案。方案确定以后,根据余热锅炉主要参数的选择原则以及优化原则,确定余热锅炉的参数。利用选定的参数完成余热锅炉的热力计算以及烟气阻力计算,并且确定汽轮机的进出口的参数。蒸汽系统方案确定以后,还对船舶上应用该燃气—蒸汽联合循环方案进行了可行性论证。
建立燃气轮机、余热锅炉和汽轮机三大部件的动态数学模型。并利用数学模型,以Matlab/Simulink为仿真平台建立各个部件仿真模型。再根据各个部件之间的联系,完成燃气—蒸汽联合循环整个系统的仿真模型。利用已完成的仿真模型,基于燃气轮机负荷的变化,研究燃气—蒸汽联合循环的稳态性能和变工况性能,验证仿真模型的合理性。最后以燃气轮机负荷变化及燃油量的变化研究联合循环的动态性能。这为燃气—蒸汽联合循环在我国船舶上的实际应用提供了一定的理论基础。
Gas turbines are widely used on ships around the world. Improving the economics of gas turbine power plants has also been paid more and more attention. Combined Gas and Steam Cycle (COGAS) is one of the effective ways.Gas-steam combined cycles have been applied on ships in foreign countries. However, this technology has not been applied in the ships in China, which only applied in the power plant. So researches on gas-steam combined cycles are very meaningful for the development of China's shipbuilding.
This dissertation analyzes the two common types of combined cycle. The factors of waste heat boiler fuel supplement, waste heat boiler water cycle, and steam cycle mode of the system are considered to determine the waste heat boiler schemes in this dissertation. After the schemes are established, according to the selected principle of the main parameters and optimization principles, the parameters of the waste heat boiler are determined. According to the selected parameters, thermal calculations and smoke resistance calculation of waste heat boiler are worked out, and the parameters of the inlet and outlet of steam turbine are determined. On the basis of the steam determined system's schemes,the feasibility of the gas-steam combined cycle’s scheme in the ship is conducted.
The dynamic mathematical models of the gas turbine, waste heat boiler and steam turbine are established. Then according to mathematical models, simulation models of the components are established on the Matlab / Simulink simulation platform. According to the relationship among these components, the gas-steam combined cycle simulation model of the entire system is completed. With the simulation model, based on changes in gas turbine loads, gas-steam combined cycle’s steady-state performance and variable working performance are studied. This is to confirme that the simulation model is reasonable.At last, with gas turbine load changes and changes in the amount of fuel, dynamic performance of the combined-cycle is studied.This provides certain theoretical basis for the application of gas-steam combined cycle in the ships in our country.
本文分析了燃气—蒸汽联合循环两种常用的型式,并通过余热锅炉补燃与否、余热锅炉的水循环、蒸汽系统循环方式等几个方面确定本文采用的余热锅炉的方案。方案确定以后,根据余热锅炉主要参数的选择原则以及优化原则,确定余热锅炉的参数。利用选定的参数完成余热锅炉的热力计算以及烟气阻力计算,并且确定汽轮机的进出口的参数。蒸汽系统方案确定以后,还对船舶上应用该燃气—蒸汽联合循环方案进行了可行性论证。
建立燃气轮机、余热锅炉和汽轮机三大部件的动态数学模型。并利用数学模型,以Matlab/Simulink为仿真平台建立各个部件仿真模型。再根据各个部件之间的联系,完成燃气—蒸汽联合循环整个系统的仿真模型。利用已完成的仿真模型,基于燃气轮机负荷的变化,研究燃气—蒸汽联合循环的稳态性能和变工况性能,验证仿真模型的合理性。最后以燃气轮机负荷变化及燃油量的变化研究联合循环的动态性能。这为燃气—蒸汽联合循环在我国船舶上的实际应用提供了一定的理论基础。
Gas turbines are widely used on ships around the world. Improving the economics of gas turbine power plants has also been paid more and more attention. Combined Gas and Steam Cycle (COGAS) is one of the effective ways.Gas-steam combined cycles have been applied on ships in foreign countries. However, this technology has not been applied in the ships in China, which only applied in the power plant. So researches on gas-steam combined cycles are very meaningful for the development of China's shipbuilding.
This dissertation analyzes the two common types of combined cycle. The factors of waste heat boiler fuel supplement, waste heat boiler water cycle, and steam cycle mode of the system are considered to determine the waste heat boiler schemes in this dissertation. After the schemes are established, according to the selected principle of the main parameters and optimization principles, the parameters of the waste heat boiler are determined. According to the selected parameters, thermal calculations and smoke resistance calculation of waste heat boiler are worked out, and the parameters of the inlet and outlet of steam turbine are determined. On the basis of the steam determined system's schemes,the feasibility of the gas-steam combined cycle’s scheme in the ship is conducted.
The dynamic mathematical models of the gas turbine, waste heat boiler and steam turbine are established. Then according to mathematical models, simulation models of the components are established on the Matlab / Simulink simulation platform. According to the relationship among these components, the gas-steam combined cycle simulation model of the entire system is completed. With the simulation model, based on changes in gas turbine loads, gas-steam combined cycle’s steady-state performance and variable working performance are studied. This is to confirme that the simulation model is reasonable.At last, with gas turbine load changes and changes in the amount of fuel, dynamic performance of the combined-cycle is studied.This provides certain theoretical basis for the application of gas-steam combined cycle in the ships in our country.
引文
[1]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.1978:34~41页
[2]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页
[3]魏琳健,付先平,吉桂明,聂焕玲.复杂循环燃气轮机装置在舰船中的应用[J].热能动力工程.1999,14(81):164~168页
[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].昆明理工大学硕士学位论文.2008:47～49页
[5] W.I.Rowen.Simplified Mathematieal Repersentations of Heavy-Duty Gas Turbine ASMEJournal of Engineering for power,1983(105):156～159 P
[6]曾进,任庆生,翁史烈等.基于神经网络的燃气轮机动态过程仿真[J].热能动力程,2000,7(15):423~425页
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[8]苟建兵,倪维斗等.余热锅炉可视化模块建模研究[J].清华大学学报,1999,39(3):121~124页
[9]赵巍,杨道刚.基于组件的燃气轮机变工况仿真建模[J].发电装备,2003(3):5页
[10]潘蕾,杨瑜文,林中达.重型单轴燃气轮机发电机组的综合动力学建模方法的研究[J].动力工程,2002,22(5):1959~1964页
[11]裘浔隽,杨瑜文等.余热锅炉的动态数学模型及数字仿真[J].动力工程,2002,22(6):2078~2083页
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