船用蒸汽蓄熱器連續(xù)工作過程建模與仿真

蒸汽蓄熱器充汽過程數(shù)學模型的應用船上的蒸汽蓄熱器是祖母艦隊蒸汽傳輸系統(tǒng)的重要組成部分。這是一個重要的設備，可以將大的供水量轉(zhuǎn)換為大的供水量。該應用不僅優(yōu)化了鍋爐的容量，還緩解了負荷干擾對鍋爐的影響，提高了船舶的機動性。船用蒸汽蓄熱器充、放汽周期短,瞬時產(chǎn)汽量極大等特點使得在外部邊界條件發(fā)生改變時,蓄熱器內(nèi)部壓力、水位、溫度等關鍵參數(shù)在一個充、放汽周期內(nèi)發(fā)生劇烈變化。因此,研究能夠準確預測船用蒸汽蓄熱器連續(xù)工作過程中其內(nèi)部參數(shù)變化的數(shù)學模型及其性能仿真對于船用蒸汽蓄熱器的控制及安全、穩(wěn)定的運行至關重要。目前國內(nèi)外學者對蒸汽蓄熱器系統(tǒng)已經(jīng)做了廣泛研究,Wolf-Dieter等通過假設蓄熱器與周圍環(huán)境、液體與壁面間不存在熱量的傳遞并且其內(nèi)部始終處于熱平衡狀態(tài)建立了蒸汽蓄熱器的物理模型,該模型提供了計算蒸汽蓄熱器放汽質(zhì)量的方法,但由于模型中的物性參數(shù)均由放汽過程始末狀態(tài)的平均值確定,因此模型的精準度有限。Shnaider等以理想氣體狀態(tài)方程為基礎近似表示汽空間壓力隨時間的變化關系,假設蓄熱器內(nèi)始終處于飽和平衡態(tài),工質(zhì)溫度、物性參數(shù)等均視為壓力的函數(shù),推導了蒸汽蓄熱器充汽過程動態(tài)數(shù)學模型。Stevanovic等提出了一種基于非平衡態(tài)的蒸汽蓄熱器動態(tài)模型,將蓄熱器分為氣、液兩相分別列出質(zhì)量、能量守恒方程。徐二樹等根據(jù)蒸汽蓄熱器的結構特性和運行機制并假設蒸汽與水工質(zhì)的換熱、相界面蒸汽的凝結和飽和水的閃蒸都是瞬間完成的,建立了實驗電站蒸汽蓄熱器的數(shù)學仿真模型。孫寶芝等根據(jù)蒸汽彈射系統(tǒng)對船用蒸汽蓄熱器的要求及其實際工作狀況,進行了蒸汽蓄熱器不同工況下的充、放汽特性實驗及連續(xù)充、放汽特性實驗研究。金家善等建立了包括汽源裝置、充汽調(diào)節(jié)閥在內(nèi)的船用蒸汽蓄熱器系統(tǒng)充汽模型,該模型只能反映充汽過程中蓄熱器的壓力變化,無法體現(xiàn)放汽過程和蓄熱器其他重要參數(shù)的動態(tài)特性。由于技術封鎖及船用蒸汽蓄熱器的特殊性,鮮有船用蒸汽蓄熱器連續(xù)工作過程數(shù)學模型的文獻報道。鑒于此本文根據(jù)船用蒸汽蓄熱器的特點,引入蒸發(fā)(冷凝)相變弛豫時間,分別考慮了蓄熱器內(nèi)汽、液工質(zhì)的質(zhì)量與能量守恒以及汽、液工質(zhì)間的能質(zhì)傳遞,建立了船用蒸汽蓄熱器連續(xù)工作過程數(shù)學模型,并通過實驗結果與模型計算結果的對比驗證了模型的準確性,利用仿真模型研究了關鍵參數(shù)對于連續(xù)充、放汽過程動態(tài)特性的影響。為船用蒸汽蓄熱器的控制以及運行提供了技術依據(jù)。1汽、水空間的熱效應圖1為船用蒸汽蓄熱器簡圖,在建立蒸汽蓄熱器數(shù)學模型之前,做出以下假設:①采用集總參數(shù)法,只考慮系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)的時間導數(shù),忽略汽、水空間如溫度、焓值、比容等熱力學參數(shù)的空間分布;②認為蓄熱器汽、液空間壓力相等,忽略液柱產(chǎn)生的壓力;③蒸汽蓄熱器的出口蒸汽參數(shù)與放汽過程中汽空間的熱力參數(shù)一致;④不考慮蒸汽進入蓄熱器的噴射過程,忽略蒸汽噴射、流動等帶來的能量耗散,即汽水熱交換前,充汽焓值等于汽源出口焓值;⑤由于蓄熱器筒體外部敷有保溫層,且充、放汽時間很短,忽略蓄熱器與外部空間的換熱。(1)ue57fme水蒸發(fā)工藝流程式中M1為液空間總質(zhì)量,kg;t為時間,s;為液空間邊界質(zhì)量流量凈增量,kg·s-1;為相變引起的液空間質(zhì)量流量,kg·s-1。式中為補水的質(zhì)量流量,kg·s-1;為排水的質(zhì)量流量,kg·s-1。式中為冷凝率,kg·s-1;ue57fme為蒸發(fā)率,kg·s-1。式中τc為蒸汽冷凝弛豫時間,s;r為汽化潛熱,kJ·kg-1;h1為當前狀態(tài)水的焓值,kJ·kg-1;h′飽和水焓值,kJ·kg-1。式中τe為蒸汽蒸發(fā)弛豫時間,s。τc、τe的取值根據(jù)實驗確定。(2)kw顯熱模型式中H1為液空間水具有的總能量,kJ;為液空間能量凈增量,kW;h″為飽和蒸汽焓值,kJ·kg-1;Q21為噴射蒸汽與液空間水的顯熱傳遞,kW;p為蓄熱器內(nèi)部壓力,MPa;V1為液空間體積,m3。式中h1,in為補水焓值,kJ·kg-1;h1,out為排水焓值,kJ·kg-1。式中T2,in為充入蒸汽溫度,℃;T1為當前液空間溫度,℃;(αa)21表征噴入液空間的蒸汽所形成的汽泡與液態(tài)水的換熱效果,即描述了單位體積的液空間內(nèi)噴入蒸汽通過汽泡表面積與水的換熱強度。2在工作過程中的分析和模型驗證2.1不同充汽回路本文所利用的船用蒸汽蓄熱器實驗系統(tǒng)及其主要結構參數(shù)、技術指標以及測量儀器型號和誤差等參考文獻。當船用蒸汽蓄熱器以連續(xù)充、放汽方式工作時,來自增壓鍋爐的過熱蒸汽首先通過充汽調(diào)節(jié)閥3和截止閥5后(充汽過程中旁通調(diào)節(jié)閥2和截止閥1關閉),經(jīng)蒸汽管道進入蒸汽蓄熱器液空間,同四周的冷水進行劇烈的熱質(zhì)傳遞,使得蓄熱器內(nèi)水溫、汽溫和壓力迅速升高。當蓄熱器壓力達到設定值后,充汽調(diào)節(jié)閥3關閉,旁通調(diào)節(jié)閥2和截止閥1開啟,鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽全部通過旁通調(diào)節(jié)閥2和截止閥1排至大氣,與此同時放汽速開閥8受控開啟,蓄熱器內(nèi)的蒸汽迅速通過放汽速開閥和截止閥10排出,當蓄熱器壓力降至設定值時,放汽閥關閉的同時,充汽閥開啟繼續(xù)對蒸汽蓄熱器進行充汽,此過程重復進行。2.2仿真結果對比利用船用蒸汽蓄熱器實驗系統(tǒng)進行連續(xù)充、放汽實驗,以過熱蒸汽作為充汽汽源,設定過熱蒸汽的壓力為1.3MPa,過熱蒸汽溫度為279.3℃,蒸汽蓄熱器充汽與放汽壓力分別為0.81MPa和1.2MPa,蓄熱器初始水位為0.315m。根據(jù)船用蒸汽蓄熱器實驗系統(tǒng)連續(xù)充、放汽實驗條件,設定與之對應的仿真初始參數(shù),通過對比仿真結果與實驗結果驗證數(shù)學模型的準確性。仿真計算結果與實驗結果對比曲線如圖2所示。通過對比可以看出,壓力作為蓄熱器最重要的狀態(tài)參數(shù),在6個周期的連續(xù)充、放汽過程中呈周期性變化,仿真結果與實驗結果吻合良好,表明所建立的船用蒸汽蓄熱器連續(xù)充、放汽數(shù)學模型能夠?qū)Υ谜羝顭崞鬟B續(xù)充、放汽過程進行較為準確的描述,該數(shù)學模型可以用于預測船用蒸汽蓄熱器的熱力性能及不同條件下的動態(tài)特性。3蒸汽蓄熱器關鍵參數(shù)選取的要求由船用蒸汽蓄熱器的特殊應用背景可知,在戰(zhàn)時船用蒸汽蓄熱器必須具備在短時間內(nèi)連續(xù)為彈射系統(tǒng)提供所需蒸汽的工作能力,這就對蒸汽蓄熱器連續(xù)工作過程動態(tài)特性的準確預測以及關鍵參數(shù)準確合理地選取提出了更高的要求。蒸汽蓄熱器主要通過液空間儲存能量,因此充水系數(shù)的大小直接決定蒸汽蓄熱器能量的儲存能力,同時充、放汽壓力合理的選取對于彈射系統(tǒng)的控制以及安全至關重要。3.1充水系數(shù)對汽空間質(zhì)量的影響充水系數(shù)定義為蓄熱器內(nèi)部液空間體積與蓄熱器總體積的比值蓄熱器初始壓力0.81MPa、充汽、放汽壓力分別為0.81MPa與1.2MPa、充汽流量為0.25kg·s-1、充汽焓值為3000kJ·kg-1。選取初始充水系數(shù)分別為15%、30%、45%,對蒸汽蓄熱器的連續(xù)充、放汽工作過程進行仿真研究,仿真結果如圖3~圖5所示。由圖3可知,當蒸汽蓄熱器充、放汽壓力一定時,一個充、放汽周期所需要的時間隨著充水系數(shù)的增加而逐漸延長,分別為37、72、107s,即充水系數(shù)越大壓力變化響應越慢。這是由于隨著充水系數(shù)的增加蒸汽蓄熱器液空間質(zhì)量與熱慣性增大,一方面,充入蓄熱器的過熱蒸汽能夠更充分地與液空間的水進行熱質(zhì)交換,能量更多地以蒸汽冷凝的方式儲存于蓄熱器液空間內(nèi),以未凝結狀態(tài)直接進入汽空間蒸汽量減少,達到目標壓力的充汽時間也隨之延長;另一方面,在放汽過程中由于充水系數(shù)越大,蓄熱器所蓄積的能量越多,相同壓降下產(chǎn)生的飽和蒸汽越多,放汽所需時間延長。從圖4的第一個充汽周期可以看出,對于3種充水系數(shù)汽空間質(zhì)量分別增加2.09、1.67和1.24kg,即充水系數(shù)越小,以未凝結狀態(tài)進入汽空間的蒸汽越多,汽空間質(zhì)量增幅越大,這與圖3中的結果相互印證。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)當充水系數(shù)固定時隨著充、放汽的進行,汽空間質(zhì)量不斷增加。這是因為充、放汽壓力一定時,過熱蒸汽作為充汽汽源焓值較高,而蓄熱器放出的蒸汽始終處于當前壓力對應的飽和狀態(tài),因此在充、放汽壓差固定時需要釋放更多質(zhì)量的飽和蒸汽,以滿足能量平衡,即在一個充、放汽周期內(nèi)液空間部分工質(zhì)水需額外蒸發(fā)產(chǎn)生蒸汽以彌補該部分能量不足,從而經(jīng)多個周期的充、放汽后,蓄熱器水位不斷下降汽空間體積增加,而始末狀態(tài)不發(fā)生變化,所以汽空間質(zhì)量不斷上升。因此,應根據(jù)實際情況,在合適的階段對蓄熱器進行補水,以保證彈射裝置的安全運行。從圖5中的第一個充汽周期中可以看出液體能夠達到的最大焓值隨著充水系數(shù)的增加而變大,這是由于充水系數(shù)越大,充入蒸汽能夠更充分地與工質(zhì)水進行熱量交換,更多的蒸汽冷凝到液空間,同時充汽時間的延長也使得充入蓄熱器的總能量增加,進一步強化了汽水間的換熱。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)在連續(xù)充、放汽過程中,當蓄熱器壓力降至設定值時蓄熱器水焓大于放汽終了壓力所對應的飽和焓值,造成這種現(xiàn)象的主要原因是水的熱慣性導致水溫變化滯后于壓力變化,在蓄熱器壓力降至設定值時液空間的水仍處于過熱狀態(tài)。對于船用蒸汽彈射系統(tǒng),根據(jù)彈射需求一個彈射周期所需的時間僅為40s左右,這就加大了船用蒸汽蓄熱器充水系數(shù)選取的難度,如果充水系數(shù)過小,那么船用蒸汽蓄熱器所能儲蓄的能量將無法滿足彈射需求,在有限的飛行甲板距離內(nèi)艦載機將無法達到起飛速度;如果充水系數(shù)過大將使彈射周期延長,嚴重影響船用蒸汽彈射系統(tǒng)的機動性,制約航母的戰(zhàn)力輸送能力。因此,在最大化地確保能量儲存的同時還必須充分考慮彈射對蒸汽壓力及彈射周期的要求合理地選取充水系數(shù)。3.2充汽壓力對蓄熱器工作的影響設定蒸汽蓄熱器充、放汽壓力差一定,對蒸汽蓄熱器的連續(xù)充、放汽工作過程進行仿真研究。蓄熱器充水系數(shù)為45%,充汽流量及焓值分別為0.25kg·s-1與3000kJ·kg-1。仿真計算結果如圖6~圖9所示。圖10為不同壓差下單位蓄熱量與充汽壓力的關系曲線,結合圖10和仿真結果可知,當蓄熱器充、放汽壓差一定時,蓄熱器蓄熱量隨著充汽壓力的提升而逐漸降低。因此充汽壓力越高在充汽過程中更大比例的未凝結蒸汽進入汽空間,達到壓力設定值的充汽時間也就越短。同時隨著充入能量的減少,表征蓄熱器能量儲存能力的液空間質(zhì)量和焓值增幅也越來越小,反而汽空間質(zhì)量增幅越大。從圖10中可以看出,各曲線大致以充熱壓力1MPa為分界點,分為兩個區(qū)間:分界點左側隨著壓力的增加,單位蓄熱量大幅下降。分界點右側單位蓄熱量隨著壓力的增加略有降低。綜上所述在蒸汽蓄熱器工作壓差一定的情況下,若放熱壓力處于左側區(qū)間,蓄熱效果顯著,可以提升單位蓄熱量的設計值,縮小蓄熱器體積,但一個充、放汽的周期將會變大,同時蓄熱器的瞬時產(chǎn)汽量將會降低。雖然較低的充、放熱壓力有利于蒸汽能量的儲存與轉(zhuǎn)化效率的提升,但會使一個彈射周期變長,同時可能造成蓄熱器產(chǎn)生的蒸汽參數(shù)難以滿足彈射系統(tǒng)的用汽需求,因此應結合實際使用情況綜合考慮壓力對船用蒸汽蓄熱器性能的影響,選擇合理的蓄熱器充、放汽壓力值。4連續(xù)工作過程數(shù)學模型的需求本文根據(jù)船用蒸汽蓄熱器的特點建立了考慮蒸發(fā)(冷凝)弛豫時間的船用蒸汽蓄熱器連續(xù)工作過程數(shù)學模型,并利用實驗結果驗證了模型的準確性,利用仿真模型研究了關鍵參數(shù)對于連續(xù)充、放汽過程動態(tài)特性的影響,所得主要結論如下。(1)所建立的船用蒸汽蓄熱器連續(xù)充、放汽模型能夠準確描述船用蒸汽蓄熱器連續(xù)充、放汽過程,該模型可以用于預測船用蒸汽蓄熱器連續(xù)工作過程的熱力性能及不同條件下的動態(tài)特性,為船用蒸汽蓄熱器的設計與運行提供技術支持。(2)船用蒸汽蓄熱器的充水系數(shù)決定蓄熱器的蓄熱能力,同時制約著系統(tǒng)的機動性,而充、放汽壓力在影響蒸汽能量的儲存與轉(zhuǎn)化效率的同時對于能否優(yōu)化蓄熱器的容積起到關鍵作用,因此在蒸汽彈射系統(tǒng)的實際工作過程中應匹配好兩者的關系,使其既能滿足彈射效率又能達到艦載機起飛的蒸汽參數(shù)。(3)當蒸汽蓄熱器連續(xù)工作時,隨著充、放汽過程的進行,汽空間質(zhì)量不斷增加的同時液空間質(zhì)量減少,因此其水位不斷降低,應適時進行蓄熱器補水;同時液空間熱慣性導致放汽過程結束時蓄熱器水焓大于放汽終了壓力所對應的飽和焓值,即蓄熱器內(nèi)的溫度響應滯后于壓力。(4)船用蒸汽蓄熱器實際應用過程中可應用所建立的船用蒸汽蓄熱器連續(xù)工作過程數(shù)學模型,充分考慮彈射系統(tǒng)對彈射周期、彈射蒸汽壓力、彈射所需蒸汽量等參數(shù)的要求,確定適合實船應用的船用蒸汽蓄熱器的充水系數(shù)及充、放汽壓力等參數(shù),以確保彈射系統(tǒng)安全可靠工作。根據(jù)文獻確定(αa)21=50kW·(m3·℃)-1。(3)汽空間質(zhì)量流量q式中M2為汽空間總質(zhì)量,kg;為汽空間邊界質(zhì)量流量凈增量,kg·s-1;為相變引起的汽空間質(zhì)量流量,kg·s-1。式中為充