間冷循環燃氣輪機總體性能仿真研究指導教師：李淑英教授

專業：動力機械及工程碩士研究生：應雨龍大功率先進燃氣輪機是未來船舶動力的主要研究發展方向我國在燃氣輪機事業上起步較晚的實際情況，利用母型機改造大功率IC循環燃氣輪機是目前可行且符合實際的發展方向總體性能的設計、優化與控制策略是其改造所解決的關鍵技術之一目的/意義：從理論預測的角度為實際間冷循環燃氣輪機的設計、研發、優化及使用策略提供一定的技術借鑒間冷循環燃氣輪機裝置原理圖air進口空氣，LC低壓壓氣機，IC機上中間冷卻器，HC高壓壓氣機，CC燃燒室，HT高壓渦輪，LT低壓渦輪，PT動力渦輪，coolant乙二醇水溶液冷卻劑，fuel燃料，Gas燃氣，load負載，off-engineIC機外海水換熱器，seawater海水論文主要研究內容：設計、優化及使用策略間冷循環燃氣輪機仿真專題軟件（第三章）：仿真平臺海水溫度、間冷度、乙二醇水溶液流量、大氣溫度對總體性能的影響規律如何？總體性能仿真評估軟件（第四章）：設計、優化輸出功率最優時工作過程參數如何設計？循環效率最優時工作過程參數如何設計？輸出功率和循環效率最優時工作過程參數如何設計？在輸出功率指標給定時，循環效率最優時工作過程參數如何設計？帶發電機組性能仿真軟件（第六章）：控制策略帶機械推進機組性能仿真軟件（第五章）：控制策略加速過程的供油規律如何？間冷器工作模式切換時的供油方案如何？海水溫度隨季節性交替變化或在不同海域時，如何調節合理的乙二醇水溶液流量和海水流量來改善機組總體性能和內部通流情況？加載過程時何種加載方式合理？突甩負荷時發電模塊控制策略？海水溫度隨季節性交替變化或在不同海域時，如何調節合理的乙二醇水溶液流量和海水流量來改善機組總體性能和內部通流情況？船-機-槳的匹配特性？第二章間冷循環燃氣輪機系統數學模型和仿真模型船舶間冷循環燃氣輪機系統、子系統及各部件構成間冷循環燃氣輪機系統仿真模塊庫的前提和基礎任何動力學問題主要都是研究慣性系統在外力和外力矩作用下的運動。間冷循環燃氣輪機裝置也是一個慣性系統，決定其熱力系統動態特性的主要有各轉動慣性、容積慣性和中間冷卻器的熱慣性。各個慣性環節的微分方程構成了間冷循環燃氣輪機系統的動態和穩態計算的數學模型，而各部件的特性方程組和各部件之間的參數聯系方程組構成了解此數學模型時所必備的必要的輔助方程組。間冷系統數學模型和仿真模型船舶燃氣輪機間冷系統用集總參數法建立的計算模型具有算法簡單、實時性好的特點，所以被廣泛應用在換熱器性能的仿真計算中，但由于這種方法極大地忽略了在換熱器中工質溫度沿著流動方向的分布情況，因此在初始動態差異較大的情況下，單純使用集總參數法對換熱器進行動態仿真時容易會出現“畸”點錯誤，導致偏離甚至違背真實的換熱情形[91]。現階段在探索換熱器穩態和動態性能研究中，余又紅等人采用集總參數法建立了通用的換熱器計算仿真模型，并進行了換熱器特性仿真計算[92]。馬進等人使用集總參數法應用在管式換熱器的動態仿真計算時發生了畸點錯誤現象，對出現這種現象的過程進行了分析[93]。王兵樹等人深入研究了產生畸點錯誤的機理，探討了消除畸點錯誤的可能性[94]，冷偉等人對采用集總參數法計算換熱器動態特性時產生初始負偏移機理現象進行進一步研究，并探討了選擇不同集總參數會對動態仿真計算結果造成的影響，并提出了分段進行集總參數法建模仿真的建議[95]。張一嗚等人對采用分段進行集總參數法對換熱器進行建模仿真做了深入研究，分析了分段后各段換熱器模型中對流換熱系數的選取方式以及最佳分段數的建議，并進行了相應的分段前后換熱器穩態和動態特性的對比研究[91]，但在研究中忽略了換熱器中氣體工質的容積效應。本文綜合了上述參考文獻的建議，并在換熱器中考慮了氣體工質側的容積效應，為建立更為準確的換熱器仿真模型，并降低模型的復雜度，在理論分析中假定[82]：（1）冷側和熱側流體的溫度只考慮沿著流路方向變化，即類似于一維管流的情況。（2）在動態仿真過程中，換熱器芯體金屬壁面的儲熱系數不變。（3）液體工質通過換熱器時質量流量保持不變，即可忽略換熱器中液體側工質的容積效應。考慮到熱空氣側容積效應的影響，可將熱空氣側模塊分成容積模塊和換熱模塊兩個部分，如圖所示。對于機外液-液海水換熱器則只著重考慮其換熱性能而忽略冷熱兩端的流體側的容積效應。在考慮分段之前，先建立集總參數法數學計算模型：（1）機上中間冷卻器數學模型：冷側（乙二醇水溶液）：質量守恒方程：

能量守恒方程：熱側（壓縮空氣）：在容積模塊中：在換熱模塊中：質量守恒方程：能量守恒方程：參考文獻[81]有壓力損失方程：金屬壁面的能量守恒方程:（2）對于機外液-液海水換熱器，則只考慮換熱器的熱效應，而忽略其容積效應。熱側（乙二醇水溶液）：質量守恒方程：能量守恒方程：冷側（海水）：質量守恒方程：能量守恒方程：金屬壁面的能量守恒方程：第三章間冷循環燃氣輪機仿真專題軟件的開發研究間冷循環燃氣輪機系統人機交互界面設計軟件有效性校核本文以原某型三軸母型機的核心性能參數來作為有效性校核數據，采用的熱力校核方法為：（1）利用“已知空氣流量的熱力循環計算”功能模塊，給定周圍大氣條件、燃氣輪機的工作過程參數、各部件的效率和損失系數，在給定的空氣質量流量下，分別校核系統性能參數（燃油流量、輸出功率和循環效率）；（2）利用“已知輸出功率的熱力循環計算”功能模塊，給定周圍大氣條件、燃氣輪機的工作過程參數、各部件的效率和損失系數，在給定的所需輸出功率下，分別校核系統性能參數（燃油流量、空氣流量和循環效率）。參數參考值計算值誤差值燃油流量/(kg·s-1)1.62541.61290.77%循環效率/%34.9434.98570.13%輸出功率/kW24265240950.7%表

三軸燃氣輪機校核表（設計工況）參數參考值計算值誤差值燃油流量/(kg·s-1)1.62541.62430.0677%空氣流量/(kg·s-1)82.182.67850.7%循環效率/%34.9434.98570.13%第四章總體性能仿真評估軟件：設計、優化參數數值參數數值環境大氣溫度（kpa

）101.325低壓渦輪效率

0.873環境大氣壓力（K）300高壓渦輪效率

0.864進氣道總壓恢復系數0.98動力渦輪效率

0.929排氣道總壓恢復系數0.97高壓軸機械效率0.995低壓軸機械效率0.995中間冷卻器壓力恢復系數

0.95高壓壓氣機效率

0.855燃燒室總壓恢復系數

0.05燃燒室效率

0.99燃料低熱值

（kJ/kg）42700引入高壓渦輪的冷卻空氣系數0.09146引入低壓渦輪的冷卻空氣系數0.03836引入動力渦輪的冷卻空氣系數0.01541低壓壓氣機效率

0.882空氣流量(kg/s)82.11低壓壓氣機壓比3.64高壓壓氣機壓比5.67機上間冷度0.85機外間冷度0.85海水流量(kg/s)300乙二醇水溶液流量(kg/s)300海水進口溫度/K300海水比熱(kJ/kg·K)4.096乙二醇水溶液比熱(kJ/kg·K)3.3大氣溫度變化對間冷循環燃機的影響規律分析海水溫度變化對間冷循環燃機的影響規律分析機上間冷度變化對間冷燃機的影響規律分析機外間冷度變化對間冷燃機的影響規律分析乙二醇水溶液流量變化對間冷循環燃機的影響規律分析以輸出功率為目標的優化分析參數數值參數數值高壓壓氣機壓比4.3556低壓壓氣機壓比7.4691機上間冷度0.9渦輪前溫度/K1600輸出功率（MW）40.9635循環效率/%42.4895機外間冷度0.9以循環效率為目標的優化分析參數數值參數數值高壓壓氣機壓比13.3332低壓壓氣機壓比5.4114機上間冷度0.9渦輪前溫度1600輸出功率（MW）36.9134循環效率46.0726機外間冷度0.9參數數值參數數值高壓壓氣機壓比6.9939低壓壓氣機壓比6.3916間冷度0.9渦輪前溫度/K1600輸出功率（MW）40.2615循環效率/%44.6894以功率和效率為目標的優化分析參數數值參數數值高壓壓氣機壓比13.4715低壓壓氣機壓比5.4047間冷度0.9渦輪前溫度1600空氣流量（kg/s）89.1737循環效率46.08640MW燃機以效率為目標的優化分析第五章帶機械推進機組性能仿真軟件：控制策略

雙機雙槳的運行模式：艦船重量為8000噸在機槳匹配時航速為24.18節機械推進機組加速過程仿真機械推進機組減速過程仿真加速過程供油規律優化仿真研究中間冷卻器從工作到不工作轉換冷卻劑和海水流動被切斷，兩者流量都由原來的300kg/s在10s內降為0kg/s，燃油流量維持在2.22kg/s（即額定工況下）

中間冷卻器從不工作到工作轉換帶動機械推進機組時間冷系統流動參數優化分析保持海水流量為300kg/s，進口溫度為300.15K，供油流量為2.22kg/s，通過仿真實驗，考察不同乙二醇冷卻溶液流量對空氣側出口溫度、氣體側的出口密度、氣體側的出口體積流量及間冷度的影響

在乙二醇水溶液流量為300kg/s，供油流量為2.22kg/s，海水進口溫度為300K時，通過仿真實驗，考察不同海水流量對空氣體側出口溫度、出口密度、出口體積流量及間冷度的影響在乙二醇水溶液流量為300kg/s，供油流量為2.22kg/s，海水流量為300kg/s時，通過仿真實驗，考察不同海水溫度對機上中間冷卻器空氣側出口溫度、出口密度、出口體積流量及間冷度的影響第六章帶發電機組性能仿真軟件：控制策略

電力推進機組加載過程仿真電力推進機組減載過程仿真當間冷循環燃氣輪機帶動發電機組運行工作時，轉速傳感器實時對動力渦輪轉速進行監測，當突然甩負荷時，若動力渦輪的轉速值和額定轉速值的偏差絕對值大于設定值時，高壓壓氣機放氣開口閥就會打開進行放氣調節，同時模糊自適應PID也會進行轉速控制；若轉速偏差絕對值小于設定值時，高壓壓氣機放氣開口閥就會自動關閉，此時只有模糊自適應PID進行調節控制，直到轉速重新趨于額定轉速。將間冷循環燃氣輪機運行在額定工況，在500s時，突然甩50%、75%額定負荷，通過仿真實驗，分別記錄用傳統PID控制器、模糊自適應PID控制、傳統PID與高壓壓氣機放氣聯合控制、模糊自適應PID與高壓壓氣機放氣聯合控制時的動力渦輪轉速信號變化情況：為得到更好的效果，對以上的控制方案進行改進，采用模糊自適應PID控制器和PI控制器的雙模切換控制和高壓壓氣機聯合控制，控制開關在系統誤差較大時接通模糊控制器，來克服不確定性因素的影響；在系統誤差較小時接通PI控制器來消除穩態誤差，裝置原理如圖所示：將間冷循環燃氣輪機運行在額定工況，在500s時，突然甩50%、75%額定負荷，通過仿真實驗，分別記錄用模糊自適應PID與高壓壓氣機放氣聯合控制、模糊自適應PID控制器和PI控制器的雙模切換控制和高壓壓氣機聯合控制時的動力渦輪轉速信號變化情況：帶動發電機組時間冷系統流動參數優化分析：在乙二醇水溶液流量為300kg/s，海水流量為300kg/s時，不同海水溫度對機上中間冷卻器空氣側出口溫度、空氣側的出口密度、空氣側的出口體積流量及間冷度的影響保持海水流量為300kg/s，進口溫度為300.15K，通過仿真實驗，考察不同乙二醇冷卻溶液流量對空氣側出口溫度、氣體側的出口密度、氣體側的出口體積流量及間冷度的影響在乙二醇水溶液流量為300kg/s，海水進口溫度為300K時，通過仿真實驗，考察不同海水流量對空氣側出口溫度、出口密度、出口體積流量及間冷度的影響

總結

總結國內外對間冷循環燃氣輪機的研究與發展概況，本文主要對間冷燃氣輪機總體性能與控制策略開展了研究，利用建模、仿真手段，通過模擬船用間冷循環燃氣輪機的穩態和動態特性，從理論預測的角度為實際間冷循環燃氣輪機的設計、、優化和使用策略提供一定的技術借鑒。本文主要完成了如下的工作：（1）根據熱力系統機理建模法，建立了間冷循環燃氣輪機的各個部件和負載的數學模型，再根據模塊化建模理論建立了相應的仿真模型并進行了封裝，它是組建成間冷循環燃氣輪機系統仿真模塊庫的前提和基礎。最后，對緊湊式中間冷卻器的穩態和動態特性進行了仿真模擬分析，分析了變工況下中間冷卻器熱慣性對系統動態特性的影響。

（2）根據自上而下的建模思想，通過對間冷循環燃氣輪機系統的分解，建立了由各個部件構成的仿真模塊庫。利用Matlab/Simulink/GUI軟件平臺建立了船舶間冷循環燃氣輪機系統仿真界面，實現了通過人機界面控制仿真模型，并能進行后處理等功能，開發了一套具有可擴展性的通用化的船用間冷循環燃氣輪機仿真專題軟件，可以通過該專題軟件的仿真評估來對間冷循環燃氣輪機設計、優化與控制策略開展研究。（3）運用已編制的面向對象的間冷循環燃氣輪機總體性能仿真評估軟件，進行了海水溫度變化、機上中間冷卻器間冷度變化、機外中間冷卻器間冷度變化、乙二醇水溶液流量變化、大氣溫度變化對間冷循環燃機的影響分析，得到了各設計參數對總體性能的影響規律。在此基礎上，運用改進的粒子群優化算法又分別編制了以循環效率最優為目標、以輸出功率最優為目標及兩者最優為目標的優化軟件，并得到了達到優化目標時所應取得熱力循環過程參數值，從而為實際IC循環燃氣輪機的設計提供技術參考。（4）運用已建立的船用IC循環燃氣輪機仿真專題軟件，先對船用IC循環燃氣輪機帶動機械推進機組船-機-槳的匹配特性進行了分析，然后分析了機組在不同工況（加、減速過程）機組的動態特性。為了保證機組具有良好的安全性、可靠性和機動性，提出了加速過程時供油規律的優化方案和中間冷卻器工作模式切換時的供油方案，其次，針對此時負載特性，進一步進行了機組的間冷系統流動參數的優化分析研究，得到了合理的乙二醇水溶液流量和海水流量調節規律。為將來船用間冷循環燃氣輪機帶動機械推進機組的實際使用提供了控制策略。（5）運用已建立的仿真專題軟件，先對船用間冷循環燃氣輪機帶動發電機組的動態性能仿真，進行了機組的加載和減載動態特性分析。為保證機組的安全可靠性，通過動態仿真分析提出了在加載過程中進行分級加載的方案。其次，針對機組突甩負荷的減載過程中動力渦輪容易出現超速的現象，進行了IC循環燃氣輪機發電模塊控制策略研究，提出了采用模糊自適應PID控制器和PI控制器的雙模切換控制和高壓壓氣機聯合控制的方案。最后，針對此時負載特性，進一步進行了機組的間冷系統流動參數的優化分析研究，得到了合理的乙二醇水溶液流量和海水流量調節規律。為將來船用間冷循環燃氣輪機綜合電力推進機組的實際使用提供了控制策略。得到了如下結論：（1）由于中間冷卻器熱慣性的影響，在變工況過程中，熱空氣側進、出口溫度不能同時達到穩定，熱側出口溫度需要更長的時間才能趨于平穩，這將對機組在變工況過程中的加載性造成影響，從而影響機動性。（2）在其他設計參數不變時，海水溫度、大氣溫度變化對燃機性能的影響呈線性化的規律變化，其中大氣溫度變化對輸出功率和循環效率影響較大，而海水溫度變化對輸出功率影響較大。（3）在其他設計參數不變時，機上間冷器的間冷度對燃機性能的影響幾乎呈線性的規律變化，影響較大，說明了必須保證機上間冷器高效、緊湊的重要性。機外間冷器的間冷度對燃機性能的影響呈起初變化劇烈后期（間冷度達到0.4后）趨于平緩的曲線規律變化，影響較機上間冷器小得多。（4）若要使輸出功率最優時，可在實際設計中取壓比分配為=4.3556:7.4691；若要使循環效率盡最優時，可在實際設計中取壓比分配為=13.3332:5.4114；若要使輸出功率和循環效率都達最優時，可在實際設計中取壓比分配為=6.9939:6.3916。以當前某型簡單循環三軸燃氣輪機渦輪前溫度（1543K）下,取常用實際機上、機外間冷度0.85的情況下，取以上三種高、低壓壓比分配時，輸出功率都隨著總壓的增大呈先增大后減小的趨勢，輸出功率最佳時的總壓比應該取24左右，而循環效率在總壓比取值從10到40的區間呈現開始增大很快而后趨于平緩的曲線，循環效率最佳時的總壓比超過了40。（5）在防超速的調節中，上偏移的加載規律要優于原供油方案和下偏移供油方案，而方案二的加載性要稍慢于方案一，但超調量要略低，在保證良好的加載性下能更好的確保機組不超載；在防超溫的調節中，上偏移的加載規律要優于原供油方案和下偏移的供油方案，而方案二的出口溫度的最大峰值要低于方案一，能更好的確保機組不超溫；五種供油方案都能確保低壓轉子和高壓轉子在加速過程中迅速響應，并平穩過渡到所需工況。且在上偏移的供油規律調節下，高、低壓轉子的響應速度要優于另外三種的調節規律。由上偏移調節方案中的方案一和方案二的供油規律比較可以看出，上偏移量并非越大越好，如此處，方案二的供油規律調節效果要由于方案一。（6）中間冷卻器失效后，在額定供油下，燃氣輪機高壓渦輪進口溫度超過最高溫度限制，這是不允許的，同時，由于中間冷卻器內還殘存的乙二醇水溶液也將被高溫氣體燒沸，使中間冷卻器內部壓力過大而發生爆裂，需要一個泄壓閥門來降低這種情況下的中間冷卻器冷卻溶液側壓力。在不超過規定的燃氣輪機工作極限且中間冷卻器不工作時，間冷循環燃氣輪機只能運行在較低工況（將燃油流量降低至1.6kg/s）且發出較小的功率。如果機組在較高工況運行時中間冷卻器突然停止工作，則必須及時將供油量降下來，防止燃氣輪機超溫。（7）在中間冷卻器從不工作切入到工作模式的同時，可將燃油流量從1.6kg/s在80s內增加到額定工況時的供油流量，此時燃燒室出口溫度起初劇烈地波動后最終趨于平穩，且最大峰值沒有超溫，動力渦輪輸出功率也重新恢復到額定工況值。通過仿真結果表明在中間冷卻器從不工作到工作的轉換時，這樣的供油調節能有利于實際機組運行時的安全、可靠。（8）海水溫度對間冷循環帶動機械推進機組時的性能影響很顯著，進行優化設計時，要詳細考慮海水溫度在可能變化范圍內對機組性能的影響，且確定合理的乙二醇水溶液流量和海水流量是間冷循環燃氣輪機帶動機械推進機組時間冷系統流動參數優化設計的關鍵部分，通過仿真實驗，分析了這些參數對間冷系統和機組性能的影響，得到以下結論：①隨著乙二醇水溶液的流量的增大，機上中間冷卻器的間冷度和空氣體側的出口密度逐漸增大，熱空氣體側的出口溫度和出口體積流量逐漸降低，且起初階段變化幅度很快，從而可以提高中間冷卻器的換熱效率，改善流入高壓壓氣機的通流情況，減少高壓壓氣機增加的額外做功負擔，但當流量增大到150kg/s后，效果會不再明顯，此時的間冷度為0.85左右，已經達到工程設計的指標，且加上大流量的會給間冷系統乙二醇冷卻液內循環中的流道管路設計帶來很大困難，因此乙二醇的流量取150kg/s為宜。②隨著海水流量的增加，空氣側的出口溫度降低，空氣側的出口密度增大，而使空氣側的體積流量降低，且起初階段變化幅度很快，有利于改善流入高壓壓氣機的通流情況，減少高壓壓氣機增加的額外做功負擔，但隨著海水流量的繼續增加影響會稍微趨于平緩，而且各參數總體變化幅度要明顯小于調節乙二醇水溶液流量時的情況。隨著海水流量的增大，機上中間冷卻器的間冷度會略微降低，但不會小于0.88，仍能保證機上中間冷卻器高效性。因此在乙二醇水溶液流量確定的前提下，通過合理控制海水流量可以一定程度上達到預期的換熱效果。③當海水溫度由0℃到20℃變化時，對機組性能基本無影響，此時，只需調節海水流量變可以改善機組總體性能和內部通流情況；而海水溫度由20℃升高到40℃時，對機上中間冷卻器的空氣側的出口溫度、和出口體積流量會迅速增大，空氣側出口密度迅速降低，將會惡化流入高壓壓氣機的通流情況，增加高壓壓氣機的額外做功負擔，對機組性能影響劇烈，幾乎呈線性變化。因此特別在夏季炎熱海域時，需要調節乙二醇冷卻液流量在150kg/s，并同時合理調節海水流量來改善機組總體性能和內部通流情況。（9）對于間冷循環燃機帶動發電機組進行加載時，為保證機組不超溫、動力渦輪轉速超調量較小、安全可靠的運行，需要對機組進行分級加載。（10）在發電機組突然甩負荷時,動力渦輪突然輕載,