摘 要

增压锅炉相比普通锅炉具有尺寸更小，重量更轻，启机时间更短的优点，可以与燃气轮机搭配组成整体的动力装置，在船舶上应用广泛。船用增压锅炉系统是比较复杂的，可以借助于计算机建模软件来进行仿真实验，从而获得锅炉相关参数以及动态特性曲线并以此分析锅炉的性能，因此进行“某型号锅炉的建模仿真研究”对船舶航行时的安全性和经济性有一定的理论意义和实际工程应用价值。

本文分析了某船用增压锅炉的结构组成，依据锅炉的工作流程将锅炉分成燃烧系统和汽水系统，再进一步分为炉膛、下降管、上升管、经济器、过热器和汽包，采用集总参数法和模块分析法，使用基本的能量守恒方程，质量守恒方程以及热力学相关定律适当的简化模型并建立汽水系统和燃烧系统的数学模型，应用Matlab软件中Simulink工具库的模块将数学模型转换成框图形式，建立锅炉各个子系统的仿真模型并搭建完整的锅炉仿真模型，做扰动分析后与实际数据对比得出仿真模型的精度。

仿真结果表明：仅增加或减少燃料分别处于5％和10％的扰动情况下，更大幅度的扰动使参数变化范围越大，烟气温度在炉膛和汽水系统中变化比较大，锅炉蒸汽压力有少量的改变，过热器壁温相比上升管壁温的变化更加显著， 烟气参数的变化与阶跃时间是一致的，经济器与换热器中参数的变化比较缓慢，汽包水位与扰动方向是截然相反的。本文所建立的锅炉仿真模型可以较好地反映锅炉的的动态特性，为提高锅炉平稳运行的经济性和安全性提供相应的数据参考。

关键词：锅炉；仿真；建模；扰动；系统。

ABSTRACT

Compared with ordinary boilers, supercharged boilers have the advantages of smaller size, lighter weight and shorter start-up time. They can be combined with gas turbines to form an integrated power plant, which is widely used on ships. The marine supercharged boiler system is relatively complicated. Computer modeling software can be used to perform simulation experiments to obtain boiler-related parameters and dynamic characteristic curves and to analyze the boiler performance. "It has a certain theoretical significance and practical engineering application value for the safety and economy of ships during navigation.

This paper analyzes the structural composition of a marine supercharged boiler. According to the boiler's working process, the boiler is divided into a combustion system and a steam-water system, which is further divided into a furnace, a downcomer, a riser, an economizer, a superheater and a steam drum The parameter method and the module analysis method use the basic energy conservation equation, the mass conservation equation and the relevant laws of thermodynamics to appropriately simplify the model and establish the mathematical model of the steam-water system and the combustion system. The module of the Simulink tool library in Matlab software is used to convert the mathematical model into In the form of a block diagram, the simulation model of each subsystem of the boiler is established and a complete boiler simulation model is built. After the disturbance analysis, the accuracy of the simulation model is obtained by comparing with the actual data.

The simulation results show that only increasing or decreasing the fuel is in the case of 5% and 10% disturbances, respectively. A larger disturbance makes the parameter change range larger, the flue gas temperature changes more in the furnace and the steam-water system, and the boiler steam pressure has With a small amount of change, the wall temperature of the superheater is more significant than that of the riser wall. The flue gas parameter changes are consistent with the step time. The parameter changes in the economizer and heat exchanger are relatively slow. The directions are diametrically opposed. The boiler simulation model established in this paper can better reflect the dynamic characteristics of the boiler and provide corresponding data references for improving the economy and safety of the boiler's smooth operation.

Keywords:Boiler;Simulation;Modeling;Disturbance;System.

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究目的和意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3研究内容及技术路线 3

1.4本章小结 3

第2章 锅炉的概况及数学模型的建立 4

2.1锅炉的概况 4

2.2 增压锅炉的建模概述 5

2.3 燃烧系统的数学模型 5

2.3.1 增压锅炉炉膛数学模型 6

2.4 汽水系统的数学模型 7

2.4.1下降管与上升管数学模型的建立 7

2.4.2 汽包数学模型的建立 8

2.4.3 过热器数学模型的建立 9

2.4.4 经济器数学模型的建立 10

2.5本章小结 11

第3章 船用增压锅炉计算机仿真建模 12

3.1仿真软件Matlab/Simulink 12

3.2船用增压锅炉的仿真建模 12

3.2.1 建立炉膛的仿真模型 12

3.2.2 建立上升管的仿真模型 14

3.2.3 建立汽包的仿真模型 14

3.2.4 建立过热器的仿真模型 15

3.2.5 建立经济器的仿真模型 16

3.2.6 建立增压锅炉整体仿真模型 17

3.3本章小结 17

第4章 船用增压锅炉仿真模型的动态分析 18

4.1燃料增加时的动态特性分析 18

4.2燃料减少时的动态特性分析 20

4.3本章小结 22

第5章 结论与展望 23

5.1 结论 23

5.2 展望 23

参考文献 25

致谢 27

第1章 绪论

1.1研究目的和意义

参数可以体现锅炉的性能，研究相关参数的特点及其变化来分析锅炉的运行情况是非常直观的^[1]。高效率，低能耗，小尺寸，低重量，信息化等特征是锅炉装置以后发展的主要方向^[2]。船用增压锅炉是船舶动力设备的关键组成部分^[3]，船舶将来的发展会更加偏向于增加燃油燃烧的经济性来提高自身的远航能力，所以减小锅炉的大小，通过提高燃油经济性的同时增加动力设备的运转性能是未来船用锅炉的变化方向。船用增压锅炉和常规锅炉有一定的区别，船用增压锅炉使用压气机来提高空气压力，然后向燃烧室运送助燃气体与燃料混合，从而提高锅炉系统的运行效率。船用增压锅炉设计的要求需要减少重量，因此它要比普通锅炉的尺寸更小。当锅炉处于静态稳定工况和动态变化工况的条件下，相关参数要能够满足安全运行和经济运行的标准^[4]-[5]。控制系统和调节装置越强大，锅炉系统的动态特性和静态特性就具有更优异的可控性^[6]。

随着科技水平不断地进步，特别是计算机信息技术的快速发展，仿真技术从物理仿真逐渐发展到数字仿真，在工业的一些领域，仿真技术发挥着越来越重要的作用^[7]。计算机仿真的过程首先就是数学建模，然后通过仿真软件对得到的数据参数进行处理并分析，最后得出结论。由于锅炉系统的热力学性质较为复杂，借助于计算机系统建模仿真的方式来研究锅炉的动静态特性是非常有效的^[8]。