船舶蒸汽锅炉及性能模拟分析译文.doc

船舶蒸汽锅炉的性能模拟分析Joko DVORNIK, Enco TIRELI, Srdjan DVORNIK摘要：本文目标是调查船蒸汽锅炉性能动态展示成功应用的系统动力学仿真建模。船蒸汽锅炉是一个复杂的非线性系统,研究需要作为一个整体系统包含有一定数量的子系统和元素,这是因果反馈回路相连,内部系统和相关环境。文中将目前的科学的研究方法的有效应用为研究复杂动态系统称为定性和定量相结合的仿真系统动力学方法,它将允许生产和使用的更高的数量和种类的仿真模型的观测的元素,并最终让持续的计算机仿真,这将有助于掌握新形成的动力学性能的非线性特征的蒸汽锅炉在船舶设计过程和教育。船用蒸汽锅炉将会出现在心理语言、结构、数学计算机模型下的POWERSIM仿真语言中。关键词：船舶蒸汽锅炉 仿真模型 动态系统 连续和离散仿真简介 本文的目的是表明动态建模系统在研究复杂的非线性船舶推进系统的应用效率。船舶锅炉系统是一个复杂的非线性系统,需要作为一个整体系统地观察,它包含有一定数量的子系统和元素,然后由因果关系(UPV)联系在一起反馈回路(KPD),而且两者都在推进系统和相关的环境中。本文的基本假设是作者深信这艘船蒸汽锅炉是一个非线性和非常复杂的技术系统,内部有明显的多重因果联系和反馈回路并控制了相关的变量。此外,额外的假设是,这些明显的表现如此复杂,只有应用相关的动态建模系统的科学方法才能最终造成一个更高层次的见解的过渡的动态现象的表现观察系统,通过模拟效果和实际数据比较它将会在理论和实际当中得到确认。为深入了解的非线性船系统的行为动态,迄今为止使用的间接方法,已经不能满足现实需要。他们一直在用是基于经典的,主要是拉普拉斯变换、瞬态功能、稳定性判据等线性化方法。作为一门学科，尽管系统动力学已经存在数十年，它仍是现代数字计算机高性能速度，提升了仿真模型的准确度。现在这已允许实用且简单的应用计算机仿真更高层次的非线性动力系统的微分方程（模型包括成千上万),即十分复杂的系统。在过去的几年中动态仿真系统已被应用在很大程度上在研究行为各种各样的复杂动力学系统。作者认为,系统动力学是一个进行调查动态复杂行为引擎系统、子系统、元素出色的科学工具。系统动力学是一门科学学科作为基础一般系统理论和管理理论，实际上是一个数学计算机仿真的方法工具。鉴于船舶系统的高度复杂性,本文介绍了应用科学方法研究复杂动态系统的功效称为:定性和定量相结合的系统动力学仿真方法(系统学动力学建模方法-麻省理工学院) ,这也使得设计和使用许多种类的仿真模型观察现实,最终使用快速和准确模拟数字计算机确保连续仿真。这对于在非线性动力学性质的锅炉系统在设计过程和教育得到新见解见解有很大贡献。 仿真模型，在现代数字计算机的系统动态分析和集约使用的支持下，是最适合和成功的研究非线性自然、技术、组织系统动态性能科学方法。到目前为止，在教育和设计实践中，系统动力学分析，作为一个相对较新的科学学科，被证明一贯是科学研究众多系统和进程的管理，行为，灵敏度和灵活性等一系列问题的有效工具。船舶蒸汽锅炉的仿真建模船舶蒸汽锅炉的数学模型 研究船舶蒸汽锅炉的热动特性可能表现为船用锅炉被视为由以下供热单元组成的供热装置：锅炉的金属部分，节热器，锅炉和管道里大量的水，大量饱和的过热的蒸气，水蒸气过热器。 锅炉也许被看作同样的装置，一种热量收集器，即同样的热力容器。这种热存储器（容器）的平衡方程决定了锅炉中的水量平衡方程式。为了作出锅炉的动态性能方程式，有必要仅仅观察锅炉的蒸气管道部分（如图1）。图1.蒸汽锅炉自然循环演示以下是有关蒸汽管道内容：加到燃油锅炉里燃料的热力为QGkJh1，加到锅炉里水的热力为QPVkJh1，从锅炉排出的蒸汽的热力为QPkJh1。根据下式，船舶蒸汽锅炉系统动态模型被定义为显式微分方程：（1） 锅炉蒸汽压力的动力学（2） 锅炉水位的动力学方程其中K表示锅炉蒸汽压力的相对状态，Y锅炉水位的相关状态，Ta1S锅炉蒸汽压力时间常数，Ta2S锅炉水位时间常数，k蒸汽锅炉的自我调节系数，G燃油阀的相对位置变化，P蒸汽外排阀门的相对位置变化，V给水阀门的相对变化，d/dt锅炉蒸汽压力相对增量的变化速度，dP/dt蒸汽排放阀相对位置的变化速度，a1，2，3锅炉蒸汽压力系数，以及b1，2，3，4蒸汽锅炉水位系数。船舶蒸汽锅炉的系统动态描述在此基础上的数学模型,或船蒸汽锅炉的显式方程基础上,决定船舶锅炉智能描述模型是可能的：如果船舶锅炉的压力相关增量变量K增大，相应的djK/dt的变化速度也会变快，这将会带来某些消极影响；如果蒸汽压力相对增量dK/dt的变化速度变大，锅炉蒸汽压力的相对增量将增加，它是所有状态变化的整体或总结，也将产生消极影响。在所观察到的因果关系（KPD）中，只有两个因果（UPV）联系，其负面价值的总和为1，所以总的因果KPD符号为负，这意味着自我调整，从而导致状态的任何改变静止状态：如果蒸汽锅炉蒸汽压力自我调节系数k增加，蒸汽压力相对增量的变化速度将降低，从而给出了否定的因果关系；如果锅炉蒸汽压力的时间常数增加，锅炉蒸汽压力相对增量的状态变化的速度将降低，给出了否定的因果关系。如果燃料供应阀门相对变化的位置G增加，其中假定为单位时间内的燃料供应，锅炉蒸汽压力相对状态变化的增加速度将dK/dt增加，其中给出了积极的因果关系。如果辅助系数a1增加，锅炉蒸汽压力相对增量的变化速度将增加，这给了积极的因果链接；如果进水阀门的位置相对变化的速度增加，锅炉蒸汽压力的增加相对状态的变化将增加，这给出了一个积极的因果联系；如果辅助系数a2增加，锅炉蒸汽压力相对增量的状态变化的速度将降低，给出了消极的因果链接；如果蒸汽排放阀增加的相对变化，锅炉蒸汽压力相对增量的状态变化的速度将降低，这给出了消极的因果链接；如果辅助系数a3增加，锅炉蒸汽压力的速度相对状态的变化将减少，这给出了负面的因果关系；如果锅炉蒸汽排放阀的位置相对变化速度增加，锅炉蒸汽压力相对增量的状态的变化速度dK/dt会减少，给出了负面的因果关系；如果锅炉蒸汽排放阀增加的位置的相对变化增加，锅炉蒸汽排放阀位置的相对变化的变化速度会增加，这给了积极的因果链接。在船舶蒸汽锅炉的显式方程或数学模型的基础上，有可能确定船用锅炉的智能描述模型：蒸汽锅炉的动态性能与水位的自然循环过程中不会有自我调节属性，因为没有内部负的因果连结（UPV）；如果蒸汽锅炉水位Ta2增加时间常数，锅炉水位的相对增量的状态变化速度dY/dt会降低，给出了否定的因果链接；如果进水阀门位置的相对变化V增加，蒸汽锅炉水位的相对增量的变化速度dY/dt会增加，这给了积极的因果连结；如果辅助系数b1增大，蒸汽锅炉水位的速度相对状态变化增量dY/dt将减少，从而给出了否定的因果链接；如果辅助系数b2增加， 锅炉水位状态变化速度的相对增量dY/dt将减少，从而给出了一个负面因果联系；如果蒸汽压力的相对增量的变化速度dK/dt增加，锅炉水位的相对增量的状态变化速度dY/dt将减少，其中给出了消极的因果关系环节；如果蒸汽排放阀位置相对变化增加，锅炉水位的相对增量的状态变化的速度将降低，这给出了消极的因果关系环节；如果辅助系数b3的状态变化的速度增加，锅炉水位的相对增量dY/dt将减少，从而给出了消极的因果关系环节；如果锅炉蒸汽排放阀相对位置的变化速度dP/dt；增加，锅炉水位的相对增量的状态变化的速度dY/dt将下降，得出了消极的因果关系；如果辅助系数b4增加，速度的状态的变化锅炉水位的相对增量dY/dt将减少，其中给出了反面的因果关系。船舶蒸汽锅炉结构系统的动力学模型 根据9-13，在所述金属模型的基础上，它有可能产生船舶蒸汽锅炉的结构性关系图，如图2，3，4所示。在所观测系统有反馈环路(KPD1)。KPD1():FIK=()DFIK=(+)DFIK=(+)FIK；它具有自我调节的动态特性，因为负标志的总和是一个奇数。图2.船舶蒸汽锅炉蒸汽压力的结构模型：FIK（K）锅炉中蒸汽压力的相对状态,TAL(Ta1)蒸汽压力时间常数，K（k）蒸汽锅炉的自我调节系数，MIG（G）燃油阀的位置相对变化，MIV（V）给水阀门的相对变化MIP（P）蒸汽排放阀位置的相对变化，DFIK（dK/dt）锅炉蒸汽压力相对增量的变化速度，DMIP（dP/dt）蒸汽排放阀的位置相对变化速度，A1-3（a1,2,3）蒸汽锅炉蒸汽压力系数。 图3.船舶蒸汽锅炉水位结构模型：FIK（K）在锅炉蒸汽压力的相对状态，TA2（Ta2）蒸汽锅炉水位的时间常数，MIV（V）给水阀门的相对变化，MIP（P）蒸汽排放阀位置的相对变化，DFIYDT（dY/dt）锅炉水位相对增量的变化的速度，DFIK（dK/dt）锅炉蒸汽压力相对增量的变化速度，DMIP（dP/dt）蒸汽排放阀的位置相对变化的速度，B1-4（b1，2，3，4）蒸汽锅炉水位的系数。 图4.船舶蒸汽锅炉的总体结构模型：在观测系统没有一个反馈环路KPD，因为自然循环的动态过程与蒸汽锅炉的性能水位不具备自我调节的属性。船舶蒸汽锅炉系统动力学流程图 根据14，在所生产的理论和结构模型的基础上，POWERSIM模拟船舶蒸汽锅炉的流程图仿真语言在图5。图5.内置PID调速器的船舶蒸汽锅炉流程图：负载条件下船舶锅炉的动态性能调查 在仿真软件包之一，最常见的是DYNAMO15或POWERSIM14，定性和定量的系统动力学仿真模型已经制作，系统的所有可能的操作模式，将在实验室模拟。这工个程之后，设计师或学生已经进行了足够数量的实验，使用启发式优化方法，优化系统中的任何参数可能会被执行，洞察系统的动态性能，假设模型是有效的。在提出的方案中，是有两个内置PID调速器的船舶蒸汽压力和水位模型。（1） 蒸汽耗量由50秒的脉冲函数持续时间决定，意思是从200250秒开始，MIP= 0=0，FIY，FIK= 0.9999，初始时间= 0。（2） 燃料供给MIG作为PID调节器的出口，在它的入口处蒸汽压力有差异，相应地，供水MIV是其他PID调速器的出口，入口也有差异（1FIY）。（3） 船舶蒸汽锅炉的标称值相同的其他参数图形仿真结果如图6所示： 图6.在蒸汽锅炉的蒸汽压力相对状态图7.燃油阀的位置相对变化图8.在蒸汽锅炉水位的相对状态图9.进水阀门和相对变化位置的相对变化-蒸汽排放阀的位置（在我们的网站上看到彩色图像）此外，使用这种连续模拟模型方法的用户有机会获得新的动力系统性能信息。该方法也很重要，因为它不只是指计算机模拟，也明确决定精神，结构和数学建模系统的元素。本文的贡献如下:l 新的见解已变成一个复杂船舶锅炉系统的动态性能。所有相关的因果关系已定义以及相关的反馈循环内的船舶蒸汽锅炉主导；l 船舶蒸汽锅炉动态仿真模型的设计，保证了诊断，条件预报，更高质量的决定作为一个整体，目的是在船舶营运的安全管理；l 在复杂的、天然的或技术性的系统仿真建模领域，对现在和未来大型船舶和电工技术工程师的教育过程（有贡献）。l 使得学生，技术员和工程师，在任何时刻把船舶蒸汽锅炉的动态性能看作一个整体。l 使得新的船舶推进系统和流程的设计人员在设计阶段应用系统动态仿真建模的科学方法获得必要信息，避免去等待实验测试结果。l 为船舶推进系统作为一个整体的动态性能和作为长期发展项目的船舶“智能”控制系统 的进一步研究奠定基础。 在本文中，我们在调研非线性特性系统的动态性能时提出了一个船舶动态建模的有效应用方法，旨在在瞬时现象发生、工作条件和开发负荷改变时有一个更完全的性能研究。本文阐述了船舶蒸汽锅炉,即基于部分来自2(pages26-31)的数学模型，我们取得了定性和定量相结合的仿真模型。最终模型已用建立微分方程证明,而且确实使它成为一个非常复杂的技术系统有相关因果关系我们所定义的控制集和反馈环,。关于动态观测系统性能也进行了模拟。基于我们长期在动力学模拟方法的应用和长期的经验，在这个简短的介绍中我们提供给的每个需要它的专家：获得关于探索复杂系统的简单科学方法额外知识的可能性。它意味着：“不要使用所谓黑箱方法去仿真复杂系统的行为动态，因为复杂的系统教育和设计实践证实，使用所谓的白盒方法可以更好的仿真，例如,系统动力学方法”最后，我们可能会引用中国谚语说：“当我听到我忘了。当我看到我记得。当我工作，我明白了。”这种智慧可以改写成系统动力学的概念，作为我们的结论总结：“当我听到动态进程的智能模型，我忘了”。“当我看到结构模型和动态过程的现实，我记得了。”“当我做数学或运算的动态过程的仿真模型，我学习”。“当我做模拟或执行对系统的动态模型或动态的过程，我重新整理我的技术知识与获得的动态过程的理论和实践知识”。证实在文件中提出的结果已被来自科学研究项目“船上的能源系统，替代燃料油和减少污染物的排放”所导出，该项目得到克罗地亚共和国的科技部，教育和体育共同支持。最近在研究和发展对该地区船舶结构的设计方法、安全性和可靠性的评估，将阻力、负荷作为因子运用概率的方法来对船体的抗损毁能力进行设计。一些重要的发现和见解在以前的一些文献中有过总结.并且建议通过技术和设计的改进来达到将来发展的需要。