摘 要

当今，邮轮旅游广受当代旅游者的欢迎，邮轮旅游业发展迅速。随着邮轮旅游业的日益发展，对邮轮设计制造、操作运行的要求越来越高。蒸汽系统作为邮轮的重要部分之一，所构成的热力学系统十分庞大，其内部结构和运行过程都很复杂，对邮轮在海上安全、经济地运行起着重要作用。加强对邮轮蒸汽系统热力学特性的分析，深入了解和掌握其运行中的动态性能，对指导大型邮轮蒸汽热力系统的操作运行及设计都具有重要意义^[1-4]。

本文首先建立蒸汽系统及其主要构件：锅炉、过热器和汽轮机等的数学模型，然后基于Flowmaster流体仿真软件对蒸汽系统进行各个工况的计算。然后改变边界条件，通过负荷的突降变化来研究蒸汽系统瞬态的压力以及温度变化。

关键词：大型邮轮、蒸汽系统、锅炉、热力学参数、仿真模拟

Abstract

Nowadays, cruise travel is widely loved by tourists, and cruise tourism develops rapidly With the development of cruise tourism, the requirements of cruise design, manufacture and operation are higher and higher. As an important part of cruise ship, steam system constitutes a huge thermodynamic system, and its internal structure and operation process are very complex, which plays an important role in the safe and economical operation of cruise ship at sea. It is of great significance to strengthen the analysis of the thermodynamic characteristics of the steam system of cruise ships, and to understand and master its dynamic performance in operation, so as to guide the operation and design of the steam and heat system of large cruise ships.

In this paper, the mathematical model of the steam system and its main components, such as boiler, superheater and steam turbine, is established firstly, and then the steam system is calculated in each working condition based on Flowmaster fluid simulation software .Then the transient pressure and temperature of the steam system are studied by changing the boundary conditions and the sudden drop of the load.

Key Words：large cruise；steam system；boiler；dynamic performance；simulation

目 录

1 绪论 1

1.1概述 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国外研究 1

1.2.2国内研究 2

1.3研究意义 2

1.4主要工作 2

2 邮轮及其蒸汽系统 3

2.1 邮轮 3

2.1.1邮轮概述 3

2.1.2邮轮分类 3

2.1.3大型邮轮特点 3

2.1.4大型邮轮的发展趋势 4

2.2 船舶蒸汽系统 4

2.2.1船舶锅炉 4

2.2.2汽轮机 5

2.2.3加热器和冷凝器 5

3 蒸汽系统的理论模型 5

3.1阻力数学模型 5

3.2 传热计算模型 11

4 仿真建模及分析 12

4.1模块化建模方法 12

4.2 大型邮轮蒸汽系统建模步骤 12

4.3 建模过程 12

4.3.1 建模平台的选择与介绍 13

4.3.2 模型搭建： 13

4.4 稳态仿真分析 15

4.5 动态仿真分析 17

5总结和展望 20

5.1总结 20

5.2展望与不足 20

参考文献 21

1 绪论

1.1概述

随着全球航运事业的发展和科学技术的不断创新，人类的造船技术日新月异，船舶的吨位越来越大、结构越来越复杂、自动化程度越来越高。船舶内部的系统设计与操作的难度也随之提高。以大型船舶蒸汽热力系统为例，其内部结构复杂且对船舶有着重要影响，因此其从管理、操作等各个方面对工程师提出了更高的要求^[5-7]。

大型邮轮因其载客量大，各方面设计要求高。蒸汽系统作为邮轮的重要部分之一，所构成的热力学系统十分庞大，其内部结构和运行过程都很复杂，对邮轮在海上安全、经济地运行起着重要作用。加强对邮轮蒸汽系统热力学特性的分析，深入了解和掌握其运行中的动态性能，对指导大型邮轮蒸汽热力系统的操作运行及设计都具有重要意义^[7]。

本文从邮轮概念及船舶蒸汽系统介绍写起，介绍了邮轮的基本概念、多种分类、大型邮轮的特点等，并且，详细阐述了船舶蒸汽系统的构成及个部分的具体功能。在介绍完邮轮及其蒸汽系统后，本文选用模块化建模方法，首先建立蒸汽系统及其主要构件：锅炉、过热器和汽轮机等的数学模型，然后基于Flowmaster流体仿真软件对蒸汽系统进行各个工况的计算，然后改变边界条件，通过负荷的突降变化来研究蒸汽系统瞬态的压力以及温度变化，完成仿真模拟^[8-9]。

1.2国内外研究现状

一般采用计算机仿真模拟技术对蒸汽系统进行热力学特性分析。在船舶领域，国外在20世纪50年代末就开始进行计算机仿真技术的应用研究，到70年代时，已经取得重大进展，而到了80年代，计算机仿真成为了一门特别成熟的技术，应用在船舶领域的各个方面。目前从船舶整体的论证、设计、实验到船舶内部的各个系统的配置、设计，甚至船舶生存能力的评估及其他特殊用途效能等，计算机仿真技术都是一项已经发展成为重要且必需的工具和手段^[10]。我国自1980年左右，才开始进行船舶领域的计算机仿真实验及应用研究，但是，进展速度非常快。

1.2.1国外研究

对于蒸汽系统的研究，国内外对于蒸汽系统的核心设备，即锅炉（蒸汽产生设备）研究最多，对其他方面研究较少。1958 年，Chien 等人在最先通过对锅炉工作过程进行数学描述，然后在计算机中模拟仿真了模型的动态过程^[11] 。20世纪70年代末，德国的Stuttgart大学针对火电锅炉机组开发了一种在大功率状态下变动工况运行特性分析的非线性模型及相应的计算机软件，并于1984年获得阶段性成果，即得到了实验验证^[12]。之后，在2002年Z．Liao 和 F.Parand合作建立了热水锅炉的数学模型，并且在 Simulink 中进行仿真，他们根据锅炉中热力学参数关系列出守恒方程式，经过对不同工况实验数据分析及修正后，得出了相应的结果，其基本能够准确地对锅炉的动态过程进行仿真^[13] 。2018年，Turgay Koroglu以核蒸汽发生器为对象，用分离参数法为分析蒸汽发生器实际工况提供了科学的理论依据^[14]。

1.2.2国内研究

近年来，国内对蒸汽系统的仿真试验也取得了一定进展。徐芝德在2004年，建立了一个大型油轮锅炉系统的仿真模型，通过Visual Basic（可视化应用程序开发工具）进行了仿真研究和建模^[15]。宋京凯在2007年，基于分布参数，对自然循环锅炉（蒸汽发生器）进行了控制体划分，并建立了数学模型，最后用MATLAB/SIMULINK仿真软件对其进行了模拟仿真^[16]。姜洋在2014年，针对当前增压锅炉的特点，考虑对流换热因素在炉膛中对计算的影响，通过正反平衡校核的方法对锅炉效率进行了动态计算，实现了在变工况下的增压锅炉燃烧传热计算^[17]。

在蒸发系统的研究中，除了核心设备锅炉，系统中其他部分同样不可忽视。其中，构建自然循环系统的模型非常关键，模型的作用是使动态仿真效果更趋于真实系统。东南大学的郑璐，在2006年建立了处于亚临界自然循环状态下的锅炉蒸发区的机理模型，并且得出除水下汽容积之外，蒸汽系统的循环管路同样可能发生产生虚假水位的现象；模型不仅考虑了水下蒸汽容积产生和消失的机理，而且充分考虑了水和金属热惯性的影响，最终实现了蒸汽系统中，对于压力突然上升和下降的循环管路的内部的准动态分析^[18]。

1.3研究意义

通过计算机仿真模拟对大型邮轮蒸汽系统进行热力学分析，有多重意义：

运用计算机仿真工具建立大型邮轮蒸汽系统的仿真平台，可随时对其进行热力学特性进行分析。在所建立的平台上可进行多次的试验，不仅避免使用耗资巨大的试验物体，而且可以减少周期长的真实实验过程，做到节省物理模拟和试验的成本，甚至可以进行因受各种原因和条件限制而无法实现的试验，优点突出。

得到的热力学特性数据对于指导设计安全、高效的邮轮蒸汽系统具有重要意义。

实验结果可指导轮机工程师在遇到蒸汽系统参数异常时，分析故障原因，保证大型邮轮的蒸汽系统正常运行。

1.4主要工作

（1）通过查阅文献资料，了解学习邮轮的发展历程和国内外研究现状；

（2）系统学习船舶蒸汽系统，并到实验室实践学习；

（3）建立变负荷条件下系统重要部件的温度、压力等参数的动态数学模型；

（4）对数学模型进行仿真模拟分析，得到相关热力学参数变化规律。

2 邮轮及其蒸汽系统

2.1 邮轮

2.1.1邮轮概述

邮轮原为运输货物或运载旅客的交通工具，是邮政部门专用的交通工具之一。直至二十世纪初，一些邮轮开始为旅客提供有限的基本设施，如客房及餐厅服务。二十世纪中期是航空旅游的兴盛时期，为增加竞争力，邮轮公司逐渐兴起现代的邮轮旅游的概念。

现代邮轮是旅游性质的，就像是流动型的大酒店，主要供人们游乐之用，亦被人们称之为“游轮”，像现在非常有名的皇家加勒比邮轮、歌诗达邮轮都是大型邮轮，但是人们因为不同的习惯，有的人称它们为游轮，有的人称之为现代邮轮。现代邮轮上娱乐设施应有尽有，是旅游目的地。这个行业在欧美规模庞大，有300到400条邮轮，每天带着大量游客航行于夏威夷、加勒比海、巴哈马、阿拉斯加、百慕大、墨西哥湾、地中海、北欧等世界多个国家和地区。这样的邮轮并不会横渡大洋或海域，而是采用绕圈的行驶方式，其起点和终点的港口通常是同一个，旅程有长有短，少则一至两天，多则半个多月 ^[19-21]。

2.1.2邮轮分类

邮轮旅游业发展迅猛，在西方国家已经成为很成熟的旅游产业，其分类依据有很多种，以下仅介绍两种主要的分类方式。

现代邮轮按照邮轮船型大小，可以将邮轮划分为大型邮轮、中型邮轮和小型邮轮。大型邮轮载客量一般在2000人以上，目前最大的邮轮可以载客6000余人，中型邮轮载客量一般在1000人至2000人，小型邮轮载客量一般在1000人以下。

图2.1 邮轮分类

按等级评定分，可将邮轮划分划分为奢华型邮轮、高级型邮轮、现代型邮轮、专业型邮轮及经济型邮轮。奢华型邮轮拥有顶级的娱乐设施和服务水准，另外其容纳游客较少；高级型邮轮拥有超出平均水准的美食、设施服务及各种娱乐活动，空间比率较高；现代型邮轮提供多样化的娱乐设施，如游泳池、大型舞厅等，总体氛围比较轻松；专业性邮轮一般具有特色的邮轮旅游产品，且特色性较为专一，通常为某一特定的邮轮旅游目的地；经济型邮轮规模中等，大部分都是经过翻新后的邮轮，运营时间较长^[22]。

2.1.3大型邮轮特点

大型邮轮相比其他大型船舶，因其船上人员密集、设备种类繁多等原因，对于船舶设计的安全性、合理性要求更高，是最难制造的船舶类型之一。因为游客数量多，需要满足乘客不同的需求，所以功能要求更加多样化。在设计上不仅要满足乘客的基本生活需求，更需要满足乘客在娱乐，文化，购物，休闲，旅游等方面的需求，不仅需要兼顾到实用性，更需要兼顾到舒适性，美观性。同时，船舶的安全性要达标，要能保障游客的人身安全。最后，大型邮轮作为大型船舶的一种，是一种能源消耗巨大的运输工具，高的能源消耗在增加船舶营运成本的同时，也给周围海洋环境带来严重的污染。

2.1.4大型邮轮的发展趋势

大型邮轮的发展趋势，首先是绿色化。大型邮轮因为体量大、人员密度大等原因，在能源消耗及对环境污染方面，一直被众多环境人士所诟病。同时因为国际海事组织已制定并修订了Energy Efficiency Design Index法案，即新船能效设计指数法案，并将其作为考核船舶能耗及排污水平的一个指标。规定如果船舶不能有效地减少能耗和CO₂ 的排放则为不达标，船东需缴纳相应数量的罚款，并且要补偿对环境的破坏^[23]。因此，各大型邮轮制造商及运营商，都将绿色邮轮作为未来的发展方向。

其次是安全化，安全大于一切，十分安全的大型邮轮是未来的发展方向。曾经发生火灾的“星光公主”号邮轮，使国际海事组织对SOLAS（International Convention For Safety Of Life At Sea有关内容进行了重新修改，以确保邮轮观赏区域的安全。这些条款的出台将对邮轮的设计和发展产生影响，大型邮轮未来的发展方向必定会越来越安全 ^[24-25]。

其次，娱乐化是现代邮轮存在的意义所在，未来邮轮的娱乐功能会更强；大型化意味着邮轮可以提高载客量，增加收益，因此未来邮轮发展会越来越大。

总结来说，未来邮轮旅游会为游客提供更好的服务，对环境造成更少的影响，最终会越来越受旅游者的喜爱。

2.2 船舶蒸汽系统

船舶蒸汽系统一般分为主蒸汽系统和辅蒸汽系统，主蒸汽系统一般存在于现代大型船舶上，依靠主机余热使船舶蒸汽装置产生过热蒸汽驱动蒸汽涡轮发电机等设备；辅蒸汽系统广泛存在于各种船舶，其任务是为全船提供热量。它将具有不同温度、压力的蒸汽，送至机舱各用气设备，供加热之用；另一部分送至空调设备及其他生活杂用^[26]。

2.2.1船舶锅炉

根据船舶主动力的不同，船舶锅炉分为主动力锅炉和辅锅炉。主动力锅炉仅存在于以蒸汽轮机为主机的船上，它的作用就是推动汽轮机旋转，为船舶提供动力，是船舶动力装置的重要组成部分。以内燃机为主动力装置的船舶通常设有辅助锅炉，辅助锅炉产生的饱和蒸汽一般用于预热（加热燃油、滑油），也可以满足船员日常生活的需要，另外其还可以用来驱动蒸汽辅机。辅助锅炉又分为燃油锅炉和烟气锅炉^[27-28]。

辅助锅炉的具体作用主要有4点：

为船舶主机和辅机使用的燃油（重油等）进行加热，改善流动性能，以满足油料贮藏、驳运、净化、喷油雾化时对黏度的不同要求。柴油机在环境温度较低或者冷机的情况下启动时，需要进行暖机，即对冷却水进行加热；

为船上工作人员和旅客生活提供气源，比如满足饮食、取暖、沐浴等方面的需要；

为蒸汽辅机提供热源，驱动蒸汽辅机进行发电。

提高内燃机动力装置的经济指标，利用废气余热，降低排气噪声；

2.2.2汽轮机

蒸汽系统中的汽轮机是大型船舶余热再利用的重要装置，实际是船舶发电装置的核心部分。在大型邮轮蒸汽系统中，主机产生的带有余热的废气被导入锅炉，在锅炉中产生过热蒸汽，过热蒸汽最终被导入汽轮机里进行做功，产生电能。蒸汽通过汽轮机做功后会被冷凝器冷凝成水，再被导入除氧器，最后重新被导入锅炉中进行加热，生成蒸汽，完成一次循环。这样的循环可以达到更好的主机余热的利用，实现节能减排。汽轮机辅助发电在现代大型船舶上广泛应用，是大型邮轮蒸汽系统中的重要部分^[29-30]。

2.2.3加热器和冷凝器

加热器是大型船舶蒸汽系统的关键部件。加热器可以提高船舶蒸汽系统的循环热效率，主要作用就是进一步加热从汽包中导入的饱和蒸汽，并使蒸汽温度升高成为具有一定过热度的过热蒸汽。

冷凝器同样是现代船舶蒸汽系统的关键部件，其作用是对做完功的蒸汽进行冷却，使蒸汽液化，使其可以重新进入锅炉中加热，完成整个循环。

3 蒸汽系统的理论模型

针对所研究的蒸汽系统，为通过使用计算机模拟技术进行系统热力学特性分析，在Flowmaster软件的基础上所建立的各种理论数学模型：主要包括阻力数学模型（管道类、、阀门类、离散损失元件、加热器、冷凝器等）和热力计算数学模型。

3.1阻力相关的数学模型

1 管道类

Flowmaster软件中提供了多种管道类型和3种阻力模型。通常的管道类型有：圆柱形、矩形、六角形、棱形、旋转管和内部管道等。因为邮轮蒸汽系统中的实际管道类型为圆柱形，所以本文选择圆柱形管道模型。

图3.1 圆柱形管道示意图

流体通过管道的压降公式：

（3-1）

公式中：

---------管道出口处的压力，;

----------管道入口处压力，Pa;

---------介质密度，kg/m³；

------------管道直径，m；

-----------管道长度，m；

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