大型船舶的蒸汽热力系统建模及仿真研究

大型船舶的蒸汽热力系统建模及仿真研究
摘要：大型船舶的核心部件是蒸气动力装置，因此它所构成的热力系统不仅庞大，而且结构和动力产生的过程都比较复杂。

对大型船舶蒸汽热力系统建模的研究，可以使其深入的了解其性能。

通过不同参数条件下对仿真实验所获得的数据进行分析，对将进一步的开发仿真平台构建一个做出新的引导。

关键词：船舶蒸汽热力系统建模仿真 simulink
中图分类号： u66 文献标识码： a 文章编号：
大型船舶的热力系统都有一定的相似性，如果设计运行人员对热力设备以及其系统动态特性不了解，那么设计出来的系统则会有漏洞，就有可能导致机组重大事故的发生。

因此对系统的动态深入探究，以及对其操作人员专业素质的提高都是必要的。

1、热力系统建模的步骤
首先要描述仿真的问题，确定仿真的对象，把目的和要求做一个明确的表述。

将系统内部相互连接的组成部分确定，限定边界条件和规范要求，系统与外界的信息相互量则反映在系统边界的联系上。

在系统的实际运行中外界的条件变化是不可知的，我们可以将外界条件设立成某个变量的函数，那么就可以将不同的运行状态直接的反映出来。

在建立数学模型这一块，可以把系统分为不同的子系统，然后具体划分为最小的单元部件，在这必须考虑模型的清晰、简洁、准确、通用，模型要能反映出系统运动规律的关系式。

数学模型可以用来源于设计、测试、经验等方面的数据，它的表达方式
为微分方程等。

将建立好的数学模型通过仿真软件进行转换成能够在计算机上运行的模型。

在模型调试的过程中会出现错误，要及时修改，反复测试直到模型可以正常运行符合预定的标准。

将运行的仿真模型放在所建立的仿真平台上运行，这就可以实现建模仿真的研究目的，它主要强调的是实验性质。

2、热力系统建模与仿真
通过建立实际系统模型，并且利用所建模型对实际系统进行实验研究的过程就是仿真。

通过数字的运行以达到对系统运行目的的分析就是数学仿真。

现代数学仿真的优点是：经济性、灵活性、和仿真模型通用性等特点。

它由仿真系统的软件、硬件共同作用，用动画和图形显示，并含有输入与输出设备。

数学仿真有着实物仿真无法超越的优越性。

系统、模型与仿真之间是相互联系的，系统是要被研究的对象，而模型则就包含了系统的某些特征，一般情况下，根据研究目的与重点的不同，对模型的简化也是不同的。

同一系统描述下的数学模型不是唯一的，因此仿真则就需要建立模型和模型试验两个过程。

在大型春波蒸汽热力系统中根据各个设备的特点和运行模式，数据模型可以相应的建立起来，便于模型的开发研究。

连续区域内系统的动态特性和静态特性是系统仿真的主要研究方向。

数学仿真时建立在计算机和数学模型基础上的一门带有实验性的综合学科，它是系统仿真的主要方式，并不是专指仿真系统。

仿真系是建立在技术和设备之上，主要的方法是数字计算机，计算
机对连续系统的动态数学模型的实验室仿真的主要目的。

大型船舶的热力系统包括燃油锅炉系统及汽轮机系统和其他辅助部件。

以大型然后锅炉为例，按照模块化建模方法，可以对它建立数学模型，然后通过各划分部分的连接，得到系统的整体模型。

燃油锅炉系统有：炉膛、气包、水冷壁、经济器、过热器。

汽轮机系统有：汽轮机本体、冷凝器、阀门部件。

根据质量守恒定律、能量守恒方程、能量平衡方程等分别对各个部件建立数学模型，进行一步划分，应运最后得到的数值，模拟热力系统运行的全过程，得到最后参数的表达式。

3、simulink介绍以及子系统的创建封装
matlab/ simulink是一个优秀的仿真软件，可以利用它对于之前所建的数学模型二次模化，这样就可以更加可行化的将船舶热力系统的仿真建立起来，在这个过程中一些应用代数环的模型便可以被其简化的解算出来。

创建子系统：因为建立仿真系统是一个越来越复杂，simulink所能提供的基本功能创建的仿真模型是庞大而且很难理解的，所以为了将仿真模型的创建简化可以创建相应的子系统，并且加以运用、封装这样就可以使得模型更加的简单，实用。

创建过程中可以将整个系统进行分层，然后通过上层完整模型中运用不同子系统进而实现其功能，让模型变的简化。

基本的模块构成组成了下层，窗口中模块个数的减少，把相同功能的模块放在一组内，创建结构层次分明的的框图是它的优点。

创建后的子系统主要就是可以根据系统的
图标得到清晰的子系统输入与输出的数据。

将subsystem模块添加到模型窗口，继而在将有关的模块加入到subsystem中，最后把已经建好的模块放入到subsystem中，这样就可以建立子系统。

为子系统制定的对话框和图标是为了是子系统拥有更为良好的
用户界面，这就是封装。

首先先把子系统中的多个模块对话框合为一个，对模型的描述、具体数据的设定都可以在对话框中进行自己制定能容，这样就可以子系统进行封装，而且根据子系统的特性为其定制特殊的图标。

进行封装时则先要选中子系统模块，进行
edit/mask subsystem的选择，接下来会出现mask editor的对话框，然后将之前设置好的数据输入到里面。

在热力系统子系统的创建中会出现许多更小的模块，可以将每个模块都按照同样的方法封装为对话框，在热力系统的仿真建设中可以很便捷的设置参数。

icon parsmeters .initialization和documentation的对话框包含在mask editor，制定的封装模块的图标可以在icon中进行。

方法：将参数的提示符在initialization中定义，初始化命令制定变量名，最后在documentation中将封装的类型设置，描述文本和帮助文本的编写。

要是想查看封装前子系统的具体内容，可以在选择菜单上进行相应的查看和修改。

4、软件建模仿真步骤
以某大型原油运输船中货油加热系统为例简单阐述软件建模仿
真步骤。

炉膛仿真模块：燃油量、空气量、出口烟气焓为输入参数。

水冷壁辐射热量、过热器辐射热量、对流换热量、炉膛有效平均温度、炉膛压力、出口烟气量为输出参数。

燃料低热值、炉膛换热面积、污垢系数、辐射系数、空气焓值、出口烟气焓值、过量空气系数、炉膛容积为所需系数。

根据比例函数得到由密度得出的出口流程和炉膛压力。

得到烟气流速与炉膛烟气出口截面面积的乘积。

汽包仿真模块：给水流量、水冷壁汽水混合物质量、汽包出口流量、进去下降管工质流量、蒸汽温度、汽包水温度、给水焓、蒸汽界面份额为输入数据。

蒸汽密度、蒸汽压力、汽包水焓为输出参数。

饱和水值、饱和蒸汽焓值、汽包容积、动态蒸发量经验系数、为所需要的系数。

水冷壁模块：水冷壁饱和公制温度、辐射热量、下降管工质流量、下降管水焓、为输入参数。

水冷壁出口流量、质量含汽率、水冷壁金属温度为输出参数。

饱和水焓值、饱和蒸汽焓值、水冷壁金属质量、金属比热、附加质量、放热系数、水冷壁管容积式所需要的系数
对动态系统仿真软件simulink的交互集成仿真环境的研究，以及对软件建模步骤的叙述。

应用仿真软件simulink建立系统的子模型，利用每个模型进出口参数的匹配与连接，将建立起系统的整体的仿真模型。

5、结束语
对大型船舶热力系统的研究，要利用低成本高效率的现代实验技术，仿真技术在船舶热力系统中的应用与发展在实际应用中有重要
的意义，随着建模理论的改进以及建模方法的完善，这就为建立大型船舶蒸汽热力系统的数学模型和仿真实验搭建一个良好的平台。

参考文献
[1]赵斌,徐鸿,路晓雯,张彩娟.余热电站热力系统建模及蒸汽参数优化[j].热能动力工程,2010（4）.
[2]程刚.舰载蒸汽弹射系统建模与仿真研究[j].武汉理工大学学报（交通科学与工程版）,2010（2）.
[3]王培红.蒸汽管网热力系统的建模与软件开发[j].热力发电,2008（5）.。