仿真技術(shù)在船舶熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用-NEW

仿真技術(shù)在船舶熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1匯報(bào)人：王廷舉

主要內(nèi)容一、概述二、船舶熱力系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)三、船舶熱力系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)四、SimStore仿真軟件工具包簡(jiǎn)介五、總結(jié)一、概述？為何使用仿真技術(shù)？仿真技術(shù)現(xiàn)如今的發(fā)展及應(yīng)用？仿真技術(shù)在船舶熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要作用？為何使用仿真技術(shù)對(duì)于龐大、復(fù)雜的熱力系統(tǒng)所存在的綜合性問題：

理論分析不夠全面

在系統(tǒng)尚未建造出來之前，無法進(jìn)行試驗(yàn)研究采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化？仿真技術(shù)現(xiàn)如今的發(fā)展及應(yīng)用

領(lǐng)域能源、航空、航天、冶金、化工、船舶等諸多行業(yè)

應(yīng)用培訓(xùn)仿真機(jī)：運(yùn)行管理、人員培訓(xùn)運(yùn)行分析仿真機(jī)：系統(tǒng)設(shè)計(jì)及事故分析？仿真技術(shù)在船舶熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要作用特點(diǎn)：與系統(tǒng)設(shè)計(jì)并行

支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)

優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案再現(xiàn)、校核、驗(yàn)證二、船舶熱力系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)？什么才是系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)？傳統(tǒng)仿真建模方法是否能滿足設(shè)計(jì)需求？如何改進(jìn)優(yōu)化？什么是系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)并不完備的情況下進(jìn)行的

缺少系統(tǒng)仿真建模必備的詳細(xì)設(shè)計(jì)資料

仿真模型精度要求較高仿真設(shè)計(jì)是：船舶熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)尚不完善，缺少初始輸入，仿真模型精度要求又比較高，需對(duì)模型及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)反復(fù)優(yōu)化，以支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種研究方法。因此系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)，無論是從工作繁重度上，還是難度上，都要比傳統(tǒng)的熱力系統(tǒng)仿真模擬大很多。系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)方法圖1系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)流程圖？傳統(tǒng)仿真建模方法是否能滿足設(shè)計(jì)需求圖2模塊化建模方法示意圖抓住了客觀事物遵循的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律和事物之間的共性：同類部件可用相同型式的數(shù)學(xué)方程來描述將大型、復(fù)雜的熱力系統(tǒng)分解成少數(shù)幾種典型種類的部件（模塊）如：管道、閥門、風(fēng)機(jī)、水泵、換熱器、透平等降低了建模的復(fù)雜性，及對(duì)模型開發(fā)人員的要求相似的系統(tǒng)模型只需開發(fā)一次，避免了重復(fù)勞動(dòng)，提高了效率但是：通用性往往“遮掩”了不同系統(tǒng)及其特殊設(shè)備的“獨(dú)特性”通用性、實(shí)時(shí)性模型精度低大系統(tǒng)分解系統(tǒng)穩(wěn)定性差仿真數(shù)據(jù)震蕩尚不能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求？如何優(yōu)化通用性、實(shí)時(shí)性模型精度低大系統(tǒng)分解系統(tǒng)穩(wěn)定性差仿真數(shù)據(jù)震蕩

系統(tǒng)劃分策略：

壓力與流量弱耦合點(diǎn)精細(xì)仿真模型開發(fā)強(qiáng)大的仿真支撐平臺(tái)圖2模塊化建模方法示意圖圖3建模方法優(yōu)化示意圖？如何優(yōu)化三、船舶熱力系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)？如何在系統(tǒng)設(shè)計(jì)不完善的情況下建立仿真模型？如何進(jìn)行特殊設(shè)備的精細(xì)模型開發(fā)？如何進(jìn)行大系統(tǒng)協(xié)同仿真建模及集成調(diào)試？如何在系統(tǒng)設(shè)計(jì)不完善的情況下建立仿真模型以系統(tǒng)中最常用的模塊，管路及泵的模型為例。

管路，通用模型需已知管路進(jìn)出口壓差，這在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期是不可能有的，或只能進(jìn)行粗略估算。

管路，改進(jìn)后的模型模型無需系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)，只與管路本身的設(shè)計(jì)參數(shù)；即管徑、當(dāng)量長(zhǎng)度及絕對(duì)粗糙度有關(guān)；這些參數(shù)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期是較容易得到；經(jīng)過仿真校核，該管路仿真模型可以滿足系統(tǒng)仿真需求。？如何在系統(tǒng)設(shè)計(jì)不完善的情況下建立仿真模型

泵，通用模型建立泵的仿真模型，需采用泵的多個(gè)工況點(diǎn)參數(shù)擬合泵特性曲線，即求解出方程中的；但這在系統(tǒng)設(shè)計(jì)尚未完成的情況下，是不可能有各個(gè)工況點(diǎn)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的，直接根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算，誤差較大；模型編譯調(diào)試較易出現(xiàn)問題，不得不反復(fù)修改，導(dǎo)致建模

工作量增大。？如何在系統(tǒng)設(shè)計(jì)不完善的情況下建立仿真模型

泵，改進(jìn)后：泵的壓頭(揚(yáng)程)，可根據(jù)其封閉揚(yáng)程及其局部阻力損失計(jì)算得出；泵的封閉揚(yáng)程以及額定流量下的局部阻力損失，則可以根據(jù)泵的效率及其額定工況點(diǎn)時(shí)的壓頭計(jì)算得出；利用計(jì)算得出的多個(gè)工況點(diǎn)參數(shù)，即可建立泵的仿真模型。根據(jù)上面的方程，可得出多個(gè)工況點(diǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)：？如何在系統(tǒng)設(shè)計(jì)不完善的情況下建立仿真模型？如何進(jìn)行特殊設(shè)備的精細(xì)模型開發(fā)

前面已述，通用的仿真模型相對(duì)簡(jiǎn)化，無法滿足系統(tǒng)研究需求。而在船舶系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需要建立某些設(shè)備的精細(xì)模型，才能更準(zhǔn)確反應(yīng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行特性。

以調(diào)節(jié)閥的仿真模型為例，加以說明。？如何進(jìn)行特殊設(shè)備的精細(xì)模型開發(fā)

調(diào)節(jié)閥原來的模型調(diào)節(jié)閥作為系統(tǒng)中重要的控制設(shè)備，其仿真模型的精確性影響對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行及控制特性的研究。但通用仿真模型中，調(diào)節(jié)閥的仿真模型非常簡(jiǎn)化：未考慮介質(zhì)膨脹對(duì)密度變化的影響；當(dāng)閥門進(jìn)出口壓差較大，密度變化較大時(shí)，模型精度較差。？如何進(jìn)行特殊設(shè)備的精細(xì)模型開發(fā)

調(diào)節(jié)閥精細(xì)模型根據(jù)其工作機(jī)理，考慮不同介質(zhì)，密度變化以及氣體可壓縮性的影響；根據(jù)膨脹系數(shù)法計(jì)算出調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)膨脹系數(shù)法計(jì)算閥門流量系數(shù)引入了臨界壓差比系數(shù)？如何進(jìn)行特殊設(shè)備的精細(xì)模型開發(fā)

調(diào)節(jié)閥精細(xì)模型對(duì)于液體工質(zhì)：對(duì)于蒸汽：

非阻塞流情況阻塞流情況？如何進(jìn)行特殊設(shè)備的精細(xì)模型開發(fā)

調(diào)節(jié)閥精細(xì)模型引入了臨界壓差比系數(shù)而考慮了壓力恢復(fù)，計(jì)算精度高；引入了氣體壓縮系數(shù)，修正了實(shí)際氣體與理想氣體的偏離，提高了氣體流量系數(shù)的計(jì)算精度；調(diào)節(jié)閥的仿真模型更精確。？如何進(jìn)行大系統(tǒng)協(xié)同仿真建模及集成調(diào)試大型熱力系統(tǒng)建立各分系統(tǒng)仿真模型分系統(tǒng)1分系統(tǒng)2分系統(tǒng)3分系統(tǒng)4分系統(tǒng)5全系統(tǒng)仿真模型如何集成如何分解？如何進(jìn)行大系統(tǒng)協(xié)同仿真建模及集成調(diào)試

分解：系統(tǒng)劃分合理，仿真模型不震蕩系統(tǒng)邊界選在壓力和流量的弱耦合點(diǎn)；對(duì)于耦合關(guān)系較強(qiáng)、不易進(jìn)行分解的系統(tǒng)，其模型必須建在一起；

例如：蒸汽母管系統(tǒng)要求仿真建模軟件可容納更多節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，能求解更復(fù)雜流體網(wǎng)絡(luò)矩陣方程。四、SimStore仿真軟件工具包簡(jiǎn)介SimStore作為博努力公司擁有全部自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件包，提供了仿真系統(tǒng)從開發(fā)到運(yùn)行等一系列功能。SimStore提供了仿真系統(tǒng)從開發(fā)到運(yùn)行等一系列功能。提供了多種圖形化建模工具軟件；同時(shí)也允許直接在MSP中編碼生成計(jì)算任務(wù)。SimStore軟件包開發(fā)架構(gòu)SimStore軟件包運(yùn)行架構(gòu)該構(gòu)架適合于仿真機(jī)運(yùn)行，同一套仿真機(jī)可以單人操作，也可以多人協(xié)同操作。MSP多學(xué)科仿真平臺(tái)功能介紹多學(xué)科仿真平臺(tái)（MSP）是一款系統(tǒng)仿真與計(jì)算的支撐軟件，能夠?yàn)榇笮蛷?fù)雜系統(tǒng)的連續(xù)過程仿真提供設(shè)計(jì)、調(diào)試、數(shù)據(jù)訪問、運(yùn)行管理等功能提供良好的支持。MSP根據(jù)仿真需求設(shè)計(jì)了一個(gè)高性能的數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)能夠在存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)的同時(shí)提供高性能的本地訪問和遠(yuǎn)程訪問MSP使用的軟件框架提供了多級(jí)別的插件支持，通過增減插件能夠方便地對(duì)平臺(tái)進(jìn)行功能擴(kuò)展和屏蔽。MSP多學(xué)科仿真平臺(tái)開發(fā)環(huán)境MSP多學(xué)科仿真平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)MSP采用了以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)的P2P網(wǎng)絡(luò)模型,支持同構(gòu)數(shù)據(jù)庫和異構(gòu)數(shù)據(jù)庫兩種模式。該網(wǎng)絡(luò)模型既能夠?qū)⒎抡骈_發(fā)和運(yùn)行部署到更大的范圍上，也能夠通過裁減而滿足多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求。ThermBuilder熱力系統(tǒng)圖形化建模軟件簡(jiǎn)介為熱力系統(tǒng)仿真校核與設(shè)計(jì)開發(fā)的圖形化建模和調(diào)試環(huán)境，它提供了豐富的熱力系統(tǒng)模型庫，運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)上，采用了面向?qū)ο蟮哪K化建模方法，使其建模過程與實(shí)際系統(tǒng)具有良好的親和性，方便快捷、自動(dòng)化程度高。通過對(duì)熱力系統(tǒng)進(jìn)行仿真校核與設(shè)計(jì)建模，可以研究系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下是否能安全運(yùn)行，預(yù)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能，從而優(yōu)化熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以確定最有效的系統(tǒng)運(yùn)行流程。ThermBuilder熱力系統(tǒng)圖形化建模軟件開發(fā)環(huán)境ThermBuilder熱力系統(tǒng)圖形化建模軟件模塊庫序號(hào)模塊庫名稱簡(jiǎn)要功能說明1增壓鍋爐裝置庫增壓鍋爐爐膛輻射、對(duì)流換熱計(jì)算、經(jīng)濟(jì)器、過熱器等2渦輪增壓機(jī)組庫壓氣機(jī)、煙氣輪機(jī)、調(diào)節(jié)裝置等3管路設(shè)計(jì)計(jì)算庫以實(shí)現(xiàn)水管路、油管路、飽和蒸汽管路、過熱蒸汽管路、燃?xì)夤苈?、空氣管路的阻力?jì)算、管路選取、孔板等局部阻力原件選取等，管路音速計(jì)算、管路噪音計(jì)算等4管路仿真設(shè)計(jì)建模庫可以實(shí)現(xiàn)水管路、油管路、飽和蒸汽管路、過熱蒸汽管路、燃?xì)夤苈?、空氣管路的仿真設(shè)計(jì)建模5調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)計(jì)算庫以實(shí)現(xiàn)水管路、油管路、飽和蒸汽管路、過熱蒸汽管路、燃?xì)夤苈?、空氣調(diào)節(jié)閥、減壓閥的CV計(jì)算、閥門特性選取、通過調(diào)節(jié)閥工質(zhì)的音速計(jì)算和噪音計(jì)算等6調(diào)節(jié)閥仿真設(shè)計(jì)建模庫可以實(shí)現(xiàn)水管路、油管路、飽和蒸汽管路、過熱蒸汽管路、燃?xì)夤苈?、空氣調(diào)節(jié)閥的仿真設(shè)計(jì)建模ThermBuilder熱力系統(tǒng)圖形化建模軟件模塊庫ThermBuilder熱力系統(tǒng)圖形化建模軟件模塊庫7減溫減壓裝置設(shè)計(jì)計(jì)算庫實(shí)現(xiàn)減溫減壓裝置的蒸汽側(cè)調(diào)節(jié)閥的CV值計(jì)算、閥門特性選定，水側(cè)調(diào)節(jié)閥CV計(jì)算、閥門特性選定，霧化效果計(jì)算，減溫減壓裝置噪音計(jì)算等8減溫減壓裝置仿真設(shè)計(jì)庫實(shí)現(xiàn)減溫減壓裝置的蒸汽側(cè)調(diào)節(jié)閥仿真建模、水側(cè)調(diào)節(jié)閥仿真建模、霧化效果仿真建模9高精度兩相蓄熱器設(shè)計(jì)計(jì)算庫單相或兩相蓄熱器的高精度設(shè)計(jì)計(jì)算ThermBuilder熱力系統(tǒng)圖形化建模軟件模塊庫10高精度兩相蓄熱器仿真設(shè)計(jì)庫單相或兩相蓄熱器的高精度仿真設(shè)計(jì)11反應(yīng)堆蒸發(fā)器模塊庫反應(yīng)堆蒸發(fā)器仿真建模設(shè)計(jì)12蒸汽輪機(jī)設(shè)計(jì)仿真庫常規(guī)推進(jìn)汽輪機(jī)、內(nèi)旁通和外旁通汽輪機(jī)建模13飽和蒸汽汽輪機(jī)庫飽和蒸汽輪機(jī)仿真建模ThermBuilder熱力系統(tǒng)圖形化建模軟件模塊庫14換熱器庫滿足單項(xiàng)換熱和多相換熱器的仿真設(shè)計(jì)計(jì)算15蒸汽抽氣器庫低壓微過熱蒸汽抽氣器模塊16循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真庫自流和非自流狀態(tài)循環(huán)水系統(tǒng)17凝結(jié)水回收設(shè)計(jì)仿真庫非真空狀態(tài)和真空狀態(tài)下的凝結(jié)水回收系統(tǒng)18蒸汽泵仿真設(shè)計(jì)庫飽和蒸泵、低壓微過熱蒸汽泵、高壓過熱蒸汽泵等ThermBuilder模塊庫開發(fā)功能依據(jù)仿真設(shè)計(jì)的需求，可以方便定制開發(fā)模塊，比如換熱器模塊?？梢院芊奖愕嘏c兩相流軟件Jtopmere