艦船燃-蒸聯(lián)合循環(huán)的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)特性分析

楊 東，李淑英，苗安利，王志濤

（1.海軍駐西安地區(qū)航空軍事代表室，西安 710021；2.哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，哈爾濱 150001）

0 引言

目前，燃氣輪機在世界船舶上大量使用，并因可以提高經(jīng)濟性而受到越來越多的重視。在能源危機之后，余熱鍋爐-透平發(fā)電和推進系統(tǒng)的余熱回收成為船舶動力裝置最有效的1種節(jié)能措施[1]。因此，對船舶燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)(COGAS)進行研究和性能分析，可以為其在中國船舶中的實際應用提供一定的參考[2]。

1 艦船COGAS裝置工作原理

COGAS裝置循環(huán)系統(tǒng)原理如圖1所示。利用燃氣輪機排出的燃氣加熱廢氣鍋爐中的水，在完成余熱回收后排入大氣。在廢氣鍋爐中，水由除氧器經(jīng)給水泵進入經(jīng)濟器，在其中加熱到接近或達到飽和溫度，進入蒸發(fā)器中蒸發(fā)，并在過熱器中過熱到額定參數(shù)，然后進入蒸汽輪機作功；作功后的乏汽排入冷凝器凝結，再由凝水泵將其排入除氧器加熱、除氧后，經(jīng)給水泵送入廢氣鍋爐。在蒸汽輪機中有時還設置1個撤汽點，將部分蒸汽抽出用于船上生活[2]。

2 艦船COGAS的仿真建模

國外開發(fā)出ASPENPLUS一類的專門用于聯(lián)合循環(huán)仿真的平臺，以及GTPro和GTMaster等專門用來進行燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的方案設計和性能計算（包括變工況計算）的軟件。國內(nèi)對艦船COGAS研究得很少[3]，原因是沒有通用仿真軟件平臺。為此，本文以Matlab/Simulink作為仿真平臺，采用微分方程的方法，對COGAS進行建模和仿真，并深入了解其穩(wěn)態(tài)與動態(tài)特性。模塊化仿真是近年來發(fā)展起來的1種計算機仿真建模方法。其核心思想是按照一定規(guī)則對大系統(tǒng)進行模塊劃分，各模塊相互獨立，實現(xiàn)特定的功能，模塊具有通用性，可重復使用。COGAS系統(tǒng)模塊劃分如圖2所示。

根據(jù)如圖2所示的COGAS系統(tǒng)模塊的劃分，分別建立各部件的數(shù)學模型，并以Matlab/Simulink作為仿真平臺，根據(jù)其數(shù)學模型建立該系統(tǒng)的整體仿真模型，如圖3所示。

3 COGAS的特性分析

影響COGAS機組變工況性能的因素很多，主要包括機組負荷、環(huán)境條件(包括大氣溫度、大氣壓力和大氣濕度)、機組燃料、余熱鍋爐蒸汽循環(huán)方式、燃氣輪機進出口壓損等[4]。本文以燃氣輪機的負荷變化為變量研究COGAS的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)特性。

3.1 COGAS的穩(wěn)態(tài)性能分析

COGAS總體設計的首要工作就是進行COGAS總體性能分析，得到燃氣輪機在設計工況及變工況下的余熱鍋爐所能產(chǎn)生的蒸汽流量、溫度、壓力以及汽輪機發(fā)出的功率等。因此，利用所編制COGAS整體仿真軟件，進行COGAS穩(wěn)態(tài)特性仿真分析，為COGAS總體設計提供設計基礎。

在燃氣輪機設計點即100%負荷工況下進行COGAS性能分析，結果見表1。表中機組主要參數(shù)的仿真計算值與額定設計參數(shù)的相對誤差都不超過2%；若要進行其他負荷工況下的穩(wěn)態(tài)計算，只要將負載輸入量改成相應的負荷即可。因此，用部件通用仿真模塊搭建的COGAS系統(tǒng)整體模型能夠較好地滿足穩(wěn)態(tài)仿真的要求。

表1 機組100%負荷工況下穩(wěn)態(tài)仿真結果與設計工況參數(shù)值比較

COGAS參數(shù)在不同工況下的變化如圖4所示。從圖中可見，隨著燃氣輪機負荷的減小，蒸汽流量、蒸汽溫度、聯(lián)合效率、汽輪機功率和機組總功率都減小。這是由于燃氣輪機負荷減小，使燃氣流量和燃氣溫度都降低，導致燃氣側放熱量減少，可回收的余熱量減少，使蒸汽側吸熱量也減少，從而使蒸汽產(chǎn)量降低。雖然燃氣溫度降低不會使蒸汽出口溫度降低，但是燃氣流量降低會導致燃氣對流放熱系數(shù)減小，燃氣在過熱區(qū)放熱量減少。因此，在過熱區(qū)，出口蒸汽溫度降低。由于蒸汽出口的流量和溫度都降低，則汽輪機的輸出功率也降低。而機組功率是汽輪機功率和燃氣輪機功率的總和，所以機組功率也降低。從圖4（c）、（d）中可見，采用COGAS后，在額定工況下，機組功率增加31%，效率增加到47%；在50%工況下，機組功率增加29%，效率增加到39%。由此可知，無論是在高工況還是低工況下，燃氣輪機采用COGAS后，其效率都會顯著提高。

3.2 COGAS的動態(tài)仿真

為了更深入研究COGAS系統(tǒng)的運行特性，分析燃氣輪機負荷變化時，COGAS各參數(shù)的動態(tài)特性。燃氣輪機由100%負荷突降到80%負荷時,各主要參數(shù)變化規(guī)律如圖5所示。

從圖5中可見，由于燃氣輪機的負荷突然減小，使燃氣輪機的輸出功率和噴油量減小，并且經(jīng)過一段時間后達到新的平衡。這是由于燃氣輪機負荷變化引起其轉(zhuǎn)速變化，控制模塊通過改變噴油量使轉(zhuǎn)速回到設定值，噴油量的改變使燃氣輪機的輸出功率與其負荷相匹配，最后在該工況下穩(wěn)定運行。

隨著燃氣輪機負荷的突降，使蒸汽流量、壓力和溫度都降低，并在一段時間后達到新的穩(wěn)定。這是由于燃氣輪機負荷的減小，使燃氣流量和燃氣溫度都降低，導致燃氣側放熱量減少，可回收的余熱量減少，所以蒸汽側吸熱量也減少，從而使蒸汽產(chǎn)量和壓力降低。雖然燃氣溫度的降低不會使蒸汽出口溫度降低，但是燃氣流量降低會導致燃氣對流放熱系數(shù)減小，燃氣在過熱區(qū)放熱量減少，因此在過熱區(qū)，出口蒸汽溫度降低。由于蒸汽出口的流量和溫度都降低，則汽輪機的輸出功率減小。而當負荷大于50%時，蒸汽系統(tǒng)采用滑壓運行，所以主汽門開度為1，并保持不變。當燃氣輪機達到新的穩(wěn)定運行以后，蒸汽系統(tǒng)的各參數(shù)也達到新的穩(wěn)定工作狀態(tài)。

燃氣輪機負荷由80%突增到100%時，各參數(shù)的變化規(guī)律如圖6所示。這些參數(shù)都是先達到1個極限值，而后達到新的平衡。這是因為燃氣輪機負荷的增大，使燃氣流量增大和溫度升高，COGAS的幾個參數(shù)都增大，并且隨著燃氣輪機負荷的增大達到新的穩(wěn)定工作狀態(tài)。

4 結束語

采用模塊化建模的方式對COGAS系統(tǒng)進行了穩(wěn)態(tài)與動態(tài)特性分析，得到了在燃氣輪機變工況下的COGAS穩(wěn)態(tài)與動態(tài)特性。由分析結果可知，無論是在高工況下，還是在其低工況下，采用COGAS后，燃氣輪機效率都顯著提高。因此，COGAS在中國未來船舶推進動力裝置的應用中具有廣闊的前景。

[1]徐利軍，曹渝白.船舶余熱動力回收系統(tǒng)熱力學參數(shù)及余熱鍋爐結構參數(shù)優(yōu)化[J].熱能動力工程，1992，7（2）：79-82.

[2]蔡振飛，朱秀章.艦船燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)(COGAS)裝置的探討[J].船舶工程，1978（1）:34-41.

[3]張俊禮.S109FA型燃氣－蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的全工況仿真[D].南京：東南大學，2005.

[4]常靜華.燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組變工況建模及其特性分析[D].云南：昆明理工大學，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.