小型船用蒸汽动力系统热力学分析及优化
船舶蒸汽动力装置是我国船用主要动力装置之一。近年来国内船舶行业发展迅速，其对蒸汽动力系统的经济性和环保性要求也日益提高。目前国内采用的能量分析法仅从数量的角度对系统经济性进行分析，无法揭示用能的薄弱环节。因此利用先进热力学分析方法挖掘系统用能潜力，提高系统的经济性成为当前研究的重点。利用热力学理论与计算机仿真技术，对小型船舶蒸汽动力系统进行了热力学分析及优化，并以此为基础开发出一套可视化热力系统分析软件。
在热力学第一定律基础上，利用热质平衡原理验证了小型蒸汽动力系统产汽量满足不同工况下设备用汽量需求，并对系统中各设备进行设计计算，给出了系统的最终配置。在此基础之上，对锅炉进行热力计算，验证了设计的合理性，同时对汽轮机、凝汽器以及储汽筒进行了性能计算为后文(火用)分析打下基础。利用MATLAB/SIMULINK搭建仿真模型，对系统在不同工况下供汽进行性能分析，得知：单独向汽轮机供汽时，锅炉效率随系统负荷降低而增加并且得到汽轮机排出的汽体仍处于过热状态是导致循环效率低下的原因；单独向储汽筒供汽时，在保持充汽初压不变情况下，随着初压与终压压差的减小，充汽质量与充汽时间降低，闪蒸比例增加，同时得到储汽筒是一个节能设备，可利用其制造或储存大量能量；同时供汽时，如若锅炉供汽量保持不变，则储汽筒的充放汽循环时间将增加；最后将实验数据与理论计算数据对比，对比结果验证了计算的准确性，并可以利用理论计算方法为实际运行提供理论支撑与指导。
为了了解系统中各个设备的用能情况，深入分析用能薄弱环节，在热力学第二定律的基础上，利用(火用)分析方法，对小型蒸汽动力系统各设备进行了(火用)分析，结果显示，在汽轮机单独运行时，不同工况下，锅炉的平均(火用)损失系数为69.4％，凝汽器为11％，汽轮机为6.8％，不难看出锅炉是系统用能的薄弱环节；利用锅炉(火用)分析白箱模型对其(火用)损进行了较为详细的计算，得到传热过程(火用)损、燃烧过程(火用)损、排烟(火用)损占主要比例的结论，应该通过改善燃烧和减小传热温差的方式降低其(火用)损失；对不同工况下储汽筒充汽以及放汽过程的(火用)损进行了计算并做了分析，得知充汽过程(火用)损失要高于放汽过程的(火用)损失。
基于熵产最小原理，运用有限时间热力学的方法，建立了内可逆卡诺循环模型，并用平均温度法确定了冷热源最佳温差方程，结合实际参数对系统进行优化分析，得知最佳吸热温差与放热温差分别为183.4℃和6.93℃以及热力系统的平均放热温度过高是造成整个循环效率低下的主要原因。
利用GUI图形可视化界面软件与SIMULINK仿真模型结合，实现了可视化热力系统分析软件。
通过以上工作的进行与结果分析，对其他船舶蒸汽动力系统的设计与能耗分析可以给予一定的指导与建议。
蒸汽动力系统;有限时间热力学;热力学分析;锅炉效率
哈尔滨工程大学
硕士
热能工程
李彦军
2012
中文
U664.1
85
2013-04-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）