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船用冷凝器仿真建模与真空度控制方法研究

杨康  
【摘要】:船舶核动力装置汽轮机的做功工质是蒸汽,蒸汽在经过汽轮机各级叶片时不断膨胀做功,蒸汽的热能转变为汽轮机的机械能,通过齿轮传动产生船舶航行所需的动力。在汽轮机内做功后的乏汽进入冷凝器,遇冷却水管冷凝成水,汽轮机运行所需的背压被建立并保持。船舶在航行时,根据需要,常通过改变汽轮机的转速来改变航速,冷凝器接收来自汽轮机的排汽流量不断变化,运行工况随之改变,造成冷凝器的真空度不断波动,影响汽轮机的做功效率和冷凝器的稳定运行;与在海面上航行的核动力船舶不同,核潜艇能在水下潜行,并根据需要进行上浮和下潜操作,艇外海水作为冷凝器的循环冷却水其温度不断变化,影响冷凝器的运行真空度。因此,在此类工况下需要对船用冷凝器的真空度进行控制,以维持二回路的稳定运行。本文以船舶核动力装置冷凝器为研究对象,主汽轮机排汽进入冷凝器后被冷却水管冷凝成水,聚集在热井中,冷却管内循环冷却水因吸收蒸汽凝结释放的热量而升温,依据这些传质传热过程,将冷凝器分为三区,各分区均采用集总参数法列出质量守恒方程和能量守恒方程,联立得到能够求解冷凝器真空度的微分方程组,完成冷凝器数学模型的建立。基于上述数学模型,建立核动力装置冷凝器的仿真模型,进行冷凝器的稳态仿真研究。仿真结果表明,冷凝器压力在蒸汽流量或冷却水温度发生较大变化时均低于限值,仿真模型具有良好的静态特性;针对汽轮机排汽流量急剧变化及海水温度变化等变工况进行动态仿真,各参数的变化曲线符合冷凝器参量互相影响的规律,仿真模型可用来进行其真空度的控制方法研究。基于运行经济性的考虑,冷凝器在每个工况点都有相对应的最佳运行真空度,变工况时,可对冷凝器的真空度进行控制,使之调整为此刻最佳运行真空度。本文针对冷凝器蒸汽流量大幅升高与降低、海水温度快速上升与下降等变工况,进行船用冷凝器真空度的PID控制,但超调量较大,采用单神经元自适应和模糊RBF网络自整定等智能控制方法与PID结合,分析控制结果可知,两种控制方法与传统PID控制方法相比,超调量和响应速度等控制参量均有所改善,且控制效果良好。本文为船用冷凝器真空度的控制方法提供了可行性的方案。


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