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《大连海事大学》 2011年
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船舶空调系统的建模与仿真

何治斌  
【摘要】:船舶空调系统是船舶的重要辅助设备,是设备正常运行的保障,能够有效改善人们生活和工作环境,以及卫生条件。建立能准确反映船舶空调系统的数学模型对系统的运行控制、仿真和性能分析,以及实验室的建设都有重要意义。制冷系统的稳态仿真技术已趋于成熟,但螺杆冷水机组制冷系统动态模型的研究还在发展、完善中。而且近年来国内外发生的许多船舶机损和船损事故大多是由人为失误和错误造成的,这迫切需要通过积极的询问和评价、连续不断对情境进行分析和监控、必要时采取果断行动等方法,来提高情景意识。 基于此,本文以“育鲲”教学实习船的船舶空调系统为参考对象,通过用分布参数模型建立蒸发器和冷凝器数学模型、用集中参数模型建立压缩机和膨胀阀数学模型的方法,建立了冷水机组的数学模型,然后又基于热力学和传热学定律,通过建立PID三通电磁阀控制的冷却水与空气的热量传递关系,以及船舶供冷负荷关系,建立了夏季制冷除湿工况的空气处理系统模型,又通过建立PID三通电磁阀控制的蒸汽与空气的热量传递关系,以及船舶供热负荷关系,建立了冬季加温加湿工况时的空气处理系统模型,最后联立建立了船舶空调系统总模型的矩阵方程式。 求解模型方程时,通过引入冷凝器进口制冷剂焓值hci为未知量,将密度的求导转换为对hci和冷凝温度的求导,避免了hci和密度求导时对多个变量求导的情况,简化了求导过程,再通过采用冷剂温度、压力、比容和比焓的拟合关系求取矩阵系数,以及用多变量函数的Taylor幂级数展开式代替原函数方程的方法,降阶线性优化方程,简化了模型状态方程系数求导过程。然后以Matlab为仿真工具,进行了仿真计算,与实船测试数据进行了对比分析,验证计算精度和仿真实时性有很大提高。 本文详细分析了“育鲲”轮空调系统3套冷水机组、6台压缩机、3套冷媒水泵、6只膨胀阀等设备的启动控制,风机、冷却水泵与压缩机的连锁启动控制,压缩机的滑油低压、冷却水高温、冷却水低压报警,以及空气调节系统通风、制冷和制热控制的PLC程序和操作流程,并以此逻辑关系和条件为基础,基于VS.net通过建立龙格库塔解微分算法,调用船舶空调系统的数学模型,开发控件的方法,研发了船舶空调模拟器仿真软件。该软件功能完善,可以手动和自动操作系统设备,能依据空调室温度和设定温度的偏差来控制冷却水三通阀或蒸汽加温阀的开度,依据空调室湿度和设定湿度的偏差来控制蒸汽加湿阀的开度,可自动和手动调节冷却水三通电磁阀、加温电磁阀和加湿电磁阀的PID参数,并且能设置故障和更改系统变量,模拟故障发生后的压力、温度等参数变化情况;而且界面友好,可实时显示后台模型计算出的空气处理系统的新风、回风和供风的温度、湿度,以及冷水机组的的蒸发压力、冷凝压力等重要参数。 基于3ds Max和Virtools三维仿真软件实现了压缩机、换热器、风机等设备和管系的三维建模,以及船舶空调室和冷水机组舱室三维视景的实时漫游,并通过C语言套接字的方法实现了三维场景和二维仿真软件之间的通讯和交互,可以在二维和三维场景中实现对空调设备的操作,并同时显示设备运行情况、按钮、旋钮指示灯等状态。 最后依据某高校空调实验室的建筑结构特点,根据热力学和传热学定律,计算出房间夏季供冷负荷的制冷量和冬季供热负荷工况的制热量,并依此确定了匹配的压缩机型号、冷却水箱容积、冷却水泵排量和加热器功率,设计和编写了包括连锁保护和报警功能的逻辑控制程序,现场组织施工完成了空调实验室的建设。
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