船舶燃气轮机间冷循环

乙二醇水溶液 出口温度
间冷后空气出 口压力
乙二醇水溶 液进口流量
乙二醇水溶 液出口温度
乙二醇水溶 液进口温度 乙二醇水溶 液出口流量 海水进口流 量 海水出口温 度
海水进口温 度
第三章 间冷循环燃气轮机仿真专题 软件的开发研究
总体性 能仿真 评估软 件的开 发
压气机模块 容积模块 燃烧室模块 涡轮模块 转子模块
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
• 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IC循环燃气轮机是目前可行且符合实际的发展方向
• 总体性能的设计、优化与控制策略是其改造所解决的关键技 术之一
0.995
0.855 0.99
中间冷却器压力恢复系数
燃烧室总压恢复系数 燃料低热值 （kJ/kg） 引入低压涡轮的冷却空气系 数 低压压气机效率 低压压气机压比 机上间冷度
0.95
0.05 42700
0.09146
0.01541 82.11 5.67
0.03836
0.882 3.64 0.85
机外间冷度
机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
高压压气机 压比 机上间冷度 输出功率 （MW） 机外间冷度
以循环效率为目标的优化分析
数 值 7.4691 1600 42.4895 参数 数值 13.3332 参数 数值 5.4114
本文综合了上述参考文献的建议，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。
（1）机上中间冷却器数学模型： 冷侧（乙二醇水溶液）： 质量守恒方程： Gc1.in Gc1.out 能量守恒方程： 金属壁面的能量守恒方程:
M w1Cw1 dTw1 a Aa (Ta Tw1 ) c Ac1 (Tw1 Tc1 ) dt
（2）对于机外液-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。 d 热侧（乙二醇水溶液）： V1 ( c1Cc1 Tc1 ) (Gc1.in hc1.in Gc1.out hc1.out ) c Ac1 (Tw1 Tc1 ) 质量守恒方程：Gc 2in Gc 2out dt 能量守恒方程： 热侧（压缩空气）： d V3 ( c 2 Cc 2 Tc 2 ) (Gc 2in hc 2in Gc 2out hc 2out ) c Ac 2 (Tc 2 Tw 2 ) 在容积模块中： dt 冷侧（海水）： dPa1 Rg Ta1 (Ga1 Ga 2 ) 质量守恒方程： Gsin Gsout dt V
总体性能匹 配、优化和 使用策略
带动机 械推进 机组性 能仿真 研究
带动发 电机组 性能仿 真研究
机外间冷器
机上间冷器
减速齿轮箱
螺旋桨
人机交互界面设计 模块库
发电机
电动机
日用照明负载
甲板机械电力负载
间冷循环燃气轮机系统人机交互界面设计
第四章
总体性能仿真评估软件：设计、优化
软件有效性校核
表 三轴燃气轮机校核表（设计工况） 参数 参考值 计算值 误差值
参数 环境大气温度（kpa ） 环境大气压力（K） 进气道总压恢复系数 排气道总压恢复系数
数值 101.325 300 0.98 0.97 低压涡轮效率 高压涡轮效率 动力涡轮效率
源自文库
参数
数值 0.873 0.864 0.929 0.995
高压轴机械效率
低压轴机械效率
高压压气机效率 燃烧室效率 引入高压涡轮的冷却 空气系数 引入动力涡轮的冷却 空气系数 空气流量(kg/s) 高压压气机压比
构成间冷 循环燃气 轮机系统 仿真模块 库的前提 和基础
船舶间冷循环燃气轮机系统、子系统及各部件
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，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。
数值
4.3556 0.9 40.9635 0.9
参数
低压压气机
压比 涡轮前温 度/K 循环效率 /%
高压压气机压 比 机上间冷度
输出功率 （MW）
低压压气机 压比 涡轮前温度
循环效率
0.9
36.9134
1600
46.0726
机外间冷度
0.9
以功率和效率为目标的优化分析
第二章 间冷循环燃气轮机系统数学 模型和仿真模型
压气机模块 三轴 燃机 本体 系统 燃烧室模块 涡轮模块 转子模块 容积模块 间冷 系统 机械 负载 系统 机上间冷器 机外间冷器 减速齿轮箱 螺旋桨模块 发电机模块 电力 负载 系统 控制 系统 电动机模块 日用照明负载 甲板机械电力负载
船舶 间冷 燃气 轮机 系统
目的/意义：从理论预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
seawater
Offengine IC
air进口空气，LC低压压气机，IC机上中间冷却器，HC高压压气机， CC燃烧室，HT高压涡轮，LT低压涡轮，PT动力涡轮，coolant乙二 醇水溶液冷却剂，fuel燃料，Gas燃气，load 负载，off-engine IC机外 海水换热器，seawater海水
乙二醇水溶液流量 (kg/s) 海水比热(kJ/kg· K)
0.85 300
4.096
海水流量(kg/s) 海水进口温度/K
乙二醇水溶液比热 (kJ/kg· K)
300 300
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
控制策略
在输 出功 输出 率指 功率 标给 和循 定时， 环效 循环 率最 效率 优时 最优 工作 时工 过程 作过 参数 程参 如何 数如 设计？ 何设 计？ 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？ 加 载 过 程 时 何 种 加 载 方 式 合 理？
控制策略
突 甩 负 荷 时 发 电 模 块 控 制 策 略？
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？
加 速 船过 机程 桨 的 的 供 匹 油 配 规 特 律 性？ 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 液流量和 海水流量 来改善机 组总体性 能和内部 通流情况？
间冷系统数学模型和仿真模型 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。
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。 Pa1a2
流动方向
容积模块 换热模块
Ga1Ta1 Pa 1
Ta1 G a 2
Pa2 Ta2Ga3
在考虑分段之前，先建立集总参数法数学计算模型：
d d HT dT VLHC LHC GLCout GHCin J HT HT NeHT NeHC M w1Cw1 w1 a Aa (Ta Tw1 ) c Ac (Tw1 Tc1 ) dt dt dt d B VB GHCout 1 f GHTin d LT dt dT J LT LT NeLT NeLC d HLT M w2 Cw2 w2 c Ac (Tc 2 Tw2 ) s As (Tw2 Ts ) dt VHLT GHTout GLTin dt dt d PT d J PT PT N ePT N eL VLPT LPT GLTout GPTin dt dt
82.6785
0.7%
34.94
34.9857
0.13%
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 数据，采用的热力校核方法为： （1）利用“已知空气流量的热 力循环计算”功能模块，给定 周围大气条件、燃气轮机的工 作过程参数、各部件的效率和 损失系数，在给定的空气质量 流量下，分别校核系统性能参 数（燃油流量、输出功率和循 环效率）；（2）利用“已知输 出功率的热力循环计算”功能 模块，给定周围大气条件、燃 气轮机的工作过程参数、各部 件的效率和损失系数，在给定 的所需输出功率下，分别校核 系统性能参数（燃油流量、空 气流量和循环效率）。
2
在换热模块中： 质量守恒方程： Ga 2 能量守恒方程：
Ga 3
能量守恒方程： d V4 ( s Cs Ts ) (Gsin hsin Gsout hsout ) s As (Tw2 Ts ) dt 金属壁面的能量守恒方程：
M w2 Cw2 dTw2 c Ac 2 (Tc 2 Tw2 ) s As (Tw2 Ts ) dt
燃油流量/(kg·-1) s 循环效率/% 输出功率/kW
1.6254 34.94 24265
1.6129 34.9857 24095
0.77% 0.13% 0.7%
参数 燃油流量/(kg·-1) s
参考值
计算值
误差值
1.6254
1.6243
0.0677%
空气流量/(kg·-1) s 循环效率/%
82.1
V2
d ( a ha Pa ) (Ga 2 hain Ga 3 haout ) a Aa (Ta Tw1 ) dt
参考文献[81]有压力损失方程：
2 Ga 2
Pa1 Pa 2 K a
a 2
冷端流 体进口
第一段 第二段
...
第n段 热端流 体进口
热空气进口流 量 热空气进口温 度 乙二醇水溶液 进口温度 热空气出口流 量 乙二醇水溶液 进口流量 间冷后空气出 口温度
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]。
• 论文主要研究内容：设计、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
总体性能仿真评估软件 带机械推进机组性能 带发电机组性能仿 （第四章）：设计、优化 仿真软件（第五章）： 真软件（第六章）：
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？