船舶燃气轮机间冷循环

1、间冷循环燃气轮机总体性能仿真研究间冷循环燃气轮机总体性能仿真研究 指 导 教 师 ：李淑英 教授 专 业：动力机械及工程 硕士 研究生：应雨龙 大功率先进燃气轮机是未来船舶动力的主要研究发展方向大功率先进燃气轮机是未来船舶动力的主要研究发展方向 我国在燃气轮机事业上起步较晚的实际情况，利用母型机改我国在燃气轮机事业上起步较晚的实际情况，利用母型机改造大功率造大功率IC循环燃气轮机是目前可行且符合实际的发展方向循环燃气轮机是目前可行且符合实际的发展方向 总体性能的总体性能的设计、优化设计、优化与控制策略是其改造所解决的关键技与控制策略是其改造所解决的关键技术之一术之一目的目的/意义意义：从理论预

2、测的角度为实际间冷循环燃气轮机的设计、研发、优化及使用策略提供一定的技术借鉴间冷循环燃气轮机装置原理图间冷循环燃气轮机装置原理图 air进口空气，进口空气，LC低压压气机，低压压气机，IC机上中间冷却器，机上中间冷却器，HC高压压气机，高压压气机，CC燃烧室，燃烧室，HT高压涡轮，高压涡轮，LT低压涡轮，低压涡轮，PT动力涡轮，动力涡轮，coolant乙二乙二醇水溶液冷却剂，醇水溶液冷却剂，fuel燃料，燃料，Gas燃气，燃气，load 负载，负载，off-engine IC机外机外海水换热器，海水换热器，seawater海水海水 论文主要研究内容：论文主要研究内容：设计、优化及使用策略设计、

3、优化及使用策略间冷循环燃气轮机仿真专题软件（第三章）：仿真平台仿真平台海水温度、间冷度、乙二醇水溶液流量、大气温度对总体性能的影响规律如何？总体性能仿真评估软件（第四章）：设计、优化设计、优化输出功率最优时工作过程参数如何设计？循环效率最优时工作过程参数如何设计？输出功率和循环效率最优时工作过程参数如何设计？在输出功率指标给定时，循环效率最优时工作过程参数如何设计？带发电机组性能仿真软件（第六章）：控制策略控制策略带机械推进机组性能仿真软件（第五章）：控制策略控制策略加速过程的供油规律如何？间冷器工作模式切换时的供油方案如何？海水温度随季节性交替变化或在不同海域时，如何调节合理的乙二醇水溶液流

4、量和海水流量来改善机组总体性能和内部通流情况？加载过程时何种加载方式合理？突甩负荷时发电模块控制策略？海水温度随季节性交替变化或在不同海域时，如何调节合理的乙二醇水溶液流量和海水流量来改善机组总体性能和内部通流情况？船-机-桨的匹配特性？第二第二章章 间间冷循环燃气轮机系统数学冷循环燃气轮机系统数学模型和仿真模型模型和仿真模型船舶船舶间冷循环燃气轮机系统、子系统及各部件间冷循环燃气轮机系统、子系统及各部件构成间冷构成间冷循环燃气循环燃气轮机系统轮机系统仿真模块仿真模块库的前提库的前提和基础和基础任何动力学问题主要都是研究惯性系统在外力和外力矩作用下的运动。 间冷循环燃气轮机装置也是一个惯性系统

5、，决定其热力系统动态特性的主要有各转动惯性、容积惯性和中间冷却器的热惯性。各个惯性环节的微分方程构成了间冷循环燃气轮机系统的动态和稳态计算的数学模型，而各部件的特性方程组和各部件之间的参数联系方程组构成了解此数学模型时所必备的必要的辅助方程组。HTHTHTeHTeHCdJNNdtLTLTLTeLTeLCdJNNdtPTPTPTePTeLdJNNdtoutinLHCLHCLCHCdVGGdt1outinBBHCHTdVGfGdtoutinHLTHLTHTLTdVGGdtoutinLPTLPTLTPTdVGGdt111111()()wwwaaawccwcdTM CA TTA TTdt222222(

6、)()wwwcccwsswsdTM CA TTA TTdt间冷系统数学模型和仿真模型间冷系统数学模型和仿真模型船舶燃气轮机间冷系统船舶燃气轮机间冷系统用集总参数法建立的计算模型具有算法简单、实时性好的特点，所以被广泛应用在换热器性能的仿真计算中，但由于这种方法极大地忽略了在换热器中工质温度沿着流动方向的分布情况，因此在初始动态差异较大的情况下，单纯使用集总参数法对换热器进行动态仿真时容易会出现“畸”点错误，导致偏离甚至违背真实的换热情形91。现阶段在探索换热器稳态和动态性能研究中，余又红等人采用集总参数法建立了通用的换热器计算仿真模型，并进行了换热器特性仿真计算92。马进等人使用集总参数法应用

7、在管式换热器的动态仿真计算时发生了畸点错误现象，对出现这种现象的过程进行了分析93。王兵树等人深入研究了产生畸点错误的机理，探讨了消除畸点错误的可能性94，冷伟等人对采用集总参数法计算换热器动态特性时产生初始负偏移机理现象进行进一步研究，并探讨了选择不同集总参数会对动态仿真计算结果造成的影响，并提出了分段进行集总参数法建模仿真的建议95。张一呜等人对采用分段进行集总参数法对换热器进行建模仿真做了深入研究，分析了分段后各段换热器模型中对流换热系数的选取方式以及最佳分段数的建议，并进行了相应的分段前后换热器稳态和动态特性的对比研究91，但在研究中忽略了换热器中气体工质的容积效应。本文综合了上述参考

8、文献的建议，并在换热器中考虑了气体工质侧的容积效应，为建立更为准确的换热器仿真模型，并降低模型的复杂度，在理论分析中假定82：（1）冷侧和热侧流体的温度只考虑沿着流路方向变化，即类似于一维管流的情况。（2）在动态仿真过程中，换热器芯体金属壁面的储热系数不变。（3）液体工质通过换热器时质量流量保持不变，即可忽略换热器中液体侧工质的容积效应。考虑到热空气侧容积效应的影响，可将热空气侧模块分成容积模块和换热模块两个部分，如图所示。对于机外液-液海水换热器则只着重考虑其换热性能而忽略冷热两端的流体侧的容积效应。在考虑分段之前，先建立集总参数法数学计算模型：（1）机上中间冷却器数学模型：冷侧（乙二醇水溶

9、液）：质量守恒方程：1.1.c inc outGG 能量守恒方程：11.111() ()()cccc in c inc out c outccwcdVC TGhGhA TTdt热侧（压缩空气）：在容积模块中在容积模块中：11212()gaaaaR TGGdPdtV在换热模块中在换热模块中：质量守恒方程：23aaGG能量守恒方程：2231()()()aaaaainaaoutaaawdVhPG hG hA TTdt参考文献81有压力损失方程：22122aaaaaGPPK金属壁面的能量守恒方程:1111111()()wwwaaawccwcdTM CA TTA TTdt（2）对于机外

10、液-液海水换热器，则只考虑换热器的热效应，而忽略其容积效应。热侧（乙二醇水溶液）：质量守恒方程：22c inc outGG能量守恒方程：32222222222()()()cccc inc inc outc outcccwdVC TGhGhATTdt冷侧（海水）：质量守恒方程：sinsoutGG能量守恒方程：4s2() ()()s ssin sinsout soutsswsdVCTG hG hA TTdt金属壁面的能量守恒方程：2222222()()wwwcccwsswsdTM CATTA TTdt第三章第三章 间冷循环燃气轮机仿真专题间冷循环燃气轮机仿真专题软件的开发研究软件的开发研究间冷循环

11、燃气轮机系统人机交互界面设计间冷循环燃气轮机系统人机交互界面设计软件有效性校核软件有效性校核本文以原某型三轴母型机的核本文以原某型三轴母型机的核心性能参数来作为有效性校核心性能参数来作为有效性校核数据，采用的热力校核方法为：数据，采用的热力校核方法为：（1）利用）利用“已知空气流量的热已知空气流量的热力循环计算力循环计算”功能模块，给定功能模块，给定周围大气条件、燃气轮机的工周围大气条件、燃气轮机的工作过程参数、各部件的效率和作过程参数、各部件的效率和损失系数，在给定的空气质量损失系数，在给定的空气质量流量下，分别校核系统性能参流量下，分别校核系统性能参数（燃油流量、输出功率和循数（燃油流量、

12、输出功率和循环效率）；（环效率）；（2）利用）利用“已知输已知输出功率的热力循环计算出功率的热力循环计算”功能功能模块，给定周围大气条件、燃模块，给定周围大气条件、燃气轮机的工作过程参数、各部气轮机的工作过程参数、各部件的效率和损失系数，在给定件的效率和损失系数，在给定的所需输出功率下，分别校核的所需输出功率下，分别校核系统性能参数（燃油流量、空系统性能参数（燃油流量、空气流量和循环效率）。气流量和循环效率）。参数参考值计算值误差值燃油流量/(kgs-1)1.62541.61290.77%循环效率/%34.9434.98570.13%输出功率/kW24265240950.7%表 三轴燃气轮机校

13、核表（设计工况）参数参考值计算值误差值燃油流量/(kgs-1)1.62541.62430.0677%空气流量/(kgs-1)82.182.67850.7%循环效率/%34.9434.98570.13%第四章第四章 总体性能仿真评估软件：总体性能仿真评估软件：设计、优化设计、优化参数数值参数数值环境大气温度（kpa ）101.325低压涡轮效率 0.873环境大气压力（K）300高压涡轮效率 0.864进气道总压恢复系数0.98动力涡轮效率 0.929排气道总压恢复系数0.97高压轴机械效率0.995低压轴机械效率0.995中间冷却器压力恢复系数 0.95高压压气机效率 0.855燃烧室总压恢复

14、系数 0.05燃烧室效率 0.99燃料低热值 （kJ/kg）42700引入高压涡轮的冷却空气系数0.09146引入低压涡轮的冷却空气系数0.03836引入动力涡轮的冷却空气系数0.01541低压压气机效率 0.882空气流量(kg/s)82.11低压压气机压比3.64高压压气机压比5.67机上间冷度0.85机外间冷度0.85海水流量(kg/s)300乙二醇水溶液流量(kg/s)300海水进口温度/K300海水比热(kJ/kgK)4.096乙二醇水溶液比热(kJ/kgK)3.3大气温度变化对间冷循环燃机的影响规律分析海水温度变化对间冷循环燃机的影响规律分析机上间冷度变化对间冷燃机的影响规律分析机

15、外间冷度变化对间冷燃机的影响规律分析乙二醇水溶液流量变化对间冷循环燃机的影响规律分析以输出功率为目标的优化分析参数数值参数数值高压压气机压比4.3556低 压 压 气 机压比7.4691机上间冷度0.9涡轮前温度/K1600输出功率（MW）40.9635循环效率/%42.4895机外间冷度0.9以循环效率为目标的优化分析参数数值参数数值高压压气机压比13.3332低压压气机压比5.4114机上间冷度0.9涡轮前温度1600输出功率（MW）36.9134循环效率46.0726机外间冷度0.9参数数值参数数值高压压气机压比6.9939低压压气机压比6.3916间冷度0.9涡轮前温度/K1600输出

16、功率（MW）40.2615循环效率/%44.6894以功率和效率为目标的优化分析参数数值参数数值高压压气机压比13.4715低压压气机压比5.4047间冷度0.9涡轮前温度1600空气流量（kg/s）89.1737循环效率46.08640MW燃机以效率为目标的优化分析第五章 带机械推进机组性能仿真软件：控制策略控制策略 双机双桨的运行模式：舰船重量为8000吨在机桨匹配时航速为24.18节机械推进机组加速过程仿真机械推进机组加速过程仿真机械推进机组减速过程仿真机械推进机组减速过程仿真加速过程供油规律优化仿真研究加速过程供油规律优化仿真研究中间冷却器从工作到不工作转换冷却剂和海水流动被切断，两者

17、流量都由原来的300kg/s在10s内降为0kg/s，燃油流量维持在2. 22kg/s（即额定工况下） 中间冷却器从不工作到工作转换带动机械推进机组时间冷系统流动参数优化分析带动机械推进机组时间冷系统流动参数优化分析保持海水流量为300 kg/s，进口温度为300.15 K，供油流量为2.22kg/s，通过仿真实验，考察不同乙二醇冷却溶液流量对空气侧出口温度、气体侧的出口密度、气体侧的出口体积流量及间冷度的影响 在乙二醇水溶液流量为300 kg/s，供油流量为2.22kg/s，海水进口温度为300 K时，通过仿真实验，考察不同海水流量对空气体侧出口温度、出口密度、出口体积流量及间冷度的影响 在

18、乙二醇水溶液流量为300 kg/s，供油流量为2.22kg/s，海水流量为300 kg/s时，通过仿真实验，考察不同海水温度对机上中间冷却器空气侧出口温度、出口密度、出口体积流量及间冷度的影响第六章 带发电机组性能仿真软件：控制策略控制策略电力推进机组加载过程仿真电力推进机组减载过程仿真 当间冷循环燃气轮机带动发电机组运行工作时，转速传感器实时对动力涡轮转速进行监测，当突然甩负荷时，若动力涡轮的转速值和额定转速值的偏差绝对值大于设定值时，高压压气机放气开口阀就会打开进行放气调节，同时模糊自适应PID也会进行转速控制；若转速偏差绝对值小于设定值时，高压压气机放气开口阀就会自动关闭，此时只有模糊自

19、适应PID进行调节控制，直到转速重新趋于额定转速。 将间冷循环燃气轮机运行在额定工况，在500s时，突然甩50%、75%额定负荷，通过仿真实验，分别记录用传统PID控制器、模糊自适应PID控制、传统PID与高压压气机放气联合控制、模糊自适应PID与高压压气机放气联合控制时的动力涡轮转速信号变化情况： 为得到更好的效果，对以上的控制方案进行改进，采用模糊自适应PID控制器和PI控制器的双模切换控制和高压压气机联合控制，控制开关在系统误差较大时接通模糊控制器，来克服不确定性因素的影响；在系统误差较小时接通PI控制器来消除稳态误差，装置原理如图所示： 将间冷循环燃气轮机运行在额定工况，在500s时，

20、突然甩50%、75%额定负荷，通过仿真实验，分别记录用模糊自适应PID与高压压气机放气联合控制、模糊自适应PID控制器和PI控制器的双模切换控制和高压压气机联合控制时的动力涡轮转速信号变化情况：带动发电机组时间冷系统流动参数优化分析：带动发电机组时间冷系统流动参数优化分析：在乙二醇水溶液流量为300 kg/s，海水流量为300 kg/s时，不同海水温度对机上中间冷却器空气侧出口温度、空气侧的出口密度、空气侧的出口体积流量及间冷度的影响 保持海水流量为300 kg/s，进口温度为300.15K，通过仿真实验，考察不同乙二醇冷却溶液流量对空气侧出口温度、气体侧的出口密度、气体侧的出口体积流量及间冷

21、度的影响在乙二醇水溶液流量为300kg/s，海水进口温度为300K时，通过仿真实验，考察不同海水流量对空气侧出口温度、出口密度、出口体积流量及间冷度的影响 总结 总结国内外对间冷循环燃气轮机的研究与发展概况，本文主要对间冷燃气轮机总体性能与控制策略开展了研究，利用建模、仿真手段，通过模拟船用间冷循环燃气轮机的稳态和动态特性，从理论预测的角度为实际间冷循环燃气轮机的设计、优化和使用策略提供一定的技术借鉴。本文主要完成了如下的工作：（1）根据热力系统机理建模法，建立了间冷循环燃气轮机的各个部件和负载的数学模型，再根据模块化建模理论建立了相应的仿真模型并进行了封装，它是组建成间冷循环燃气轮机系统仿真

22、模块库的前提和基础。最后，对紧凑式中间冷却器的稳态和动态特性进行了仿真模拟分析，分析了变工况下中间冷却器热惯性对系统动态特性的影响。 （2）根据自上而下的建模思想，通过对间冷循环燃气轮机系统的分解，建立了由各个部件构成的仿真模块库。利用Matlab/Simulink/GUI软件平台建立了船舶间冷循环燃气轮机系统仿真界面，实现了通过人机界面控制仿真模型，并能进行后处理等功能，开发了一套具有可扩展性的通用化的船用间冷循环燃气轮机仿真专题软件，可以通过该专题软件的仿真评估来对间冷循环燃气轮机设计、优化与控制策略开展研究。（3）运用已编制的面向对象的间冷循环燃气轮机总体性能仿真评估软件，进行了海水温度

23、变化、机上中间冷却器间冷度变化、机外中间冷却器间冷度变化、乙二醇水溶液流量变化、大气温度变化对间冷循环燃机的影响分析，得到了各设计参数对总体性能的影响规律。在此基础上，运用改进的粒子群优化算法又分别编制了以循环效率最优为目标、以输出功率最优为目标及两者最优为目标的优化软件，并得到了达到优化目标时所应取得热力循环过程参数值，从而为实际IC循环燃气轮机的设计提供技术参考。（4）运用已建立的船用IC循环燃气轮机仿真专题软件，先对船用IC循环燃气轮机带动机械推进机组船-机-桨的匹配特性进行了分析，然后分析了机组在不同工况（加、减速过程）机组的动态特性。为了保证机组具有良好的安全性、可靠性和机动性，提出

24、了加速过程时供油规律的优化方案和中间冷却器工作模式切换时的供油方案，其次，针对此时负载特性，进一步进行了机组的间冷系统流动参数的优化分析研究，得到了合理的乙二醇水溶液流量和海水流量调节规律。为将来船用间冷循环燃气轮机带动机械推进机组的实际使用提供了控制策略。（5）运用已建立的仿真专题软件，先对船用间冷循环燃气轮机带动发电机组的动态性能仿真，进行了机组的加载和减载动态特性分析。为保证机组的安全可靠性，通过动态仿真分析提出了在加载过程中进行分级加载的方案。其次，针对机组突甩负荷的减载过程中动力涡轮容易出现超速的现象，进行了IC循环燃气轮机发电模块控制策略研究，提出了采用模糊自适应PID控制器和PI

25、控制器的双模切换控制和高压压气机联合控制的方案。最后，针对此时负载特性，进一步进行了机组的间冷系统流动参数的优化分析研究，得到了合理的乙二醇水溶液流量和海水流量调节规律。为将来船用间冷循环燃气轮机综合电力推进机组的实际使用提供了控制策略。得到了如下结论：（1）由于中间冷却器热惯性的影响，在变工况过程中，热空气侧进、出口温度不能同时达到稳定，热侧出口温度需要更长的时间才能趋于平稳，这将对机组在变工况过程中的加载性造成影响，从而影响机动性。（2）在其他设计参数不变时，海水温度、大气温度变化对燃机性能的影响呈线性化的规律变化，其中大气温度变化对输出功率和循环效率影响较大，而海水温度变化对输出功率影响

26、较大。（3）在其他设计参数不变时，机上间冷器的间冷度对燃机性能的影响几乎呈线性的规律变化，影响较大，说明了必须保证机上间冷器高效、紧凑的重要性。机外间冷器的间冷度对燃机性能的影响呈起初变化剧烈后期（间冷度达到0.4后）趋于平缓的曲线规律变化，影响较机上间冷器小得多。（4）若要使输出功率最优时，可在实际设计中取压比分配为 =4.3556:7.4691；若要使循环效率尽最优时，可在实际设计中取压比分配为 =13.3332:5.4114；若要使输出功率和循环效率都达最优时，可在实际设计中取压比分配为 =6.9939:6.3916。以当前某型简单循环三轴燃气轮机涡轮前温度（1543K）下,取常用实际机

27、上、机外间冷度0.85的情况下，取以上三种高、低压压比分配时，输出功率都随着总压的增大呈先增大后减小的趋势，输出功率最佳时的总压比应该取24左右，而循环效率在总压比取值从10到40的区间呈现开始增大很快而后趋于平缓的曲线，循环效率最佳时的总压比超过了40。:HCLC:HCLC:HCLC（5）在防超速的调节中，上偏移的加载规律要优于原供油方案和下偏移供油方案，而方案二的加载性要稍慢于方案一，但超调量要略低，在保证良好的加载性下能更好的确保机组不超载；在防超温的调节中，上偏移的加载规律要优于原供油方案和下偏移的供油方案，而方案二的出口温度的最大峰值要低于方案一，能更好的确保机组不超温；五种供油方案

28、都能确保低压转子和高压转子在加速过程中迅速响应，并平稳过渡到所需工况。且在上偏移的供油规律调节下，高、低压转子的响应速度要优于另外三种的调节规律。由上偏移调节方案中的方案一和方案二的供油规律比较可以看出，上偏移量并非越大越好，如此处，方案二的供油规律调节效果要由于方案一。（6）中间冷却器失效后，在额定供油下，燃气轮机高压涡轮进口温度超过最高温度限制，这是不允许的，同时，由于中间冷却器内还残存的乙二醇水溶液也将被高温气体烧沸，使中间冷却器内部压力过大而发生爆裂，需要一个泄压阀门来降低这种情况下的中间冷却器冷却溶液侧压力。在不超过规定的燃气轮机工作极限且中间冷却器不工作时，间冷循环燃气轮机只能运行

29、在较低工况（将燃油流量降低至1.6kg/s）且发出较小的功率。如果机组在较高工况运行时中间冷却器突然停止工作，则必须及时将供油量降下来，防止燃气轮机超温。（7）在中间冷却器从不工作切入到工作模式的同时，可将燃油流量从1.6kg/s在80s内增加到额定工况时的供油流量，此时燃烧室出口温度起初剧烈地波动后最终趋于平稳，且最大峰值没有超温，动力涡轮输出功率也重新恢复到额定工况值。通过仿真结果表明在中间冷却器从不工作到工作的转换时，这样的供油调节能有利于实际机组运行时的安全、可靠。（8）海水温度对间冷循环带动机械推进机组时的性能影响很显著，进行优化设计时，要详细考虑海水温度在可能变化范围内对机组性能的

30、影响，且确定合理的乙二醇水溶液流量和海水流量是间冷循环燃气轮机带动机械推进机组时间冷系统流动参数优化设计的关键部分，通过仿真实验，分析了这些参数对间冷系统和机组性能的影响，得到以下结论：随着乙二醇水溶液的流量的增大，机上中间冷却器的间冷度和空气体侧的出口密度逐渐增大，热空气体侧的出口温度和出口体积流量逐渐降低，且起初阶段变化幅度很快，从而可以提高中间冷却器的换热效率，改善流入高压压气机的通流情况，减少高压压气机增加的额外做功负担，但当流量增大到150kg/s后，效果会不再明显，此时的间冷度为0.85左右，已经达到工程设计的指标，且加上大流量的会给间冷系统乙二醇冷却液内循环中的流道管路设计带来很

31、大困难，因此乙二醇的流量取150kg/s为宜。随着海水流量的增加，空气侧的出口温度降低，空气侧的出口密度增大，而使空气侧的体积流量降低，且起初阶段变化幅度很快，有利于改善流入高压压气机的通流情况，减少高压压气机增加的额外做功负担，但随着海水流量的继续增加影响会稍微趋于平缓，而且各参数总体变化幅度要明显小于调节乙二醇水溶液流量时的情况。随着海水流量的增大，机上中间冷却器的间冷度会略微降低，但不会小于0.88，仍能保证机上中间冷却器高效性。因此在乙二醇水溶液流量确定的前提下，通过合理控制海水流量可以一定程度上达到预期的换热效果。当海水温度由0到20变化时，对机组性能基本无影响，此时，只需调节海水流量变可以改善机组总体性能和内部通流情况；而海水温度由20升高到40时，对机上中间冷却器的空气侧的出口温度、和出口体积流量会迅速增大，空气侧出口密度迅速降低，将会恶化流入高压压气机的通流情况，增加高压压气机的额外做功负担，对机组性能影响剧烈，几乎呈线性变化。因此特别在夏季炎热海域时，需要调节乙二醇冷却液流量在150kg/s，并同时合理调节海水流量来改善机组总体性能和内部通流情况。（9