船用LNG供气流程设计仿真和故障分析

船用LNG供气流程的作用是将LNG从储罐输送至双燃料发动机,并在输送过程中将LNG加热气化。在现有LNG供气流程的基础上针对功率为960kW的双燃料发动机设计了低压船用LNG供气流程。选取三组不同的LNG组分,对供气流程在设计工况和供气量、增压气量变化的工况下进行仿真和分析,对流程中供气控制阀和增压气控制阀发生故障的情况下进行仿真和分析。得出了以下结论：当供气流程在设计工况下工作时,选取的不同LNG组分下供气压力、供气控制阀前压力和各换热器热负荷的差别较小;供气流量变化时各个换热器出口温度反向变化,但是当供气流量增加时会发生无法气化增压气从而导致储罐压力下降的问题,此时可以利用备用换热器在供气流量增加的情况下气化增压气;增压气流量变化时各换热器出口温度的变化程度较小;当增压气控制阀发生故障时供气压力会随着储罐压力的增加而增加,通过设置储罐压力、增压气控制阀和供气控制阀联动控制可以稳定供气压力;供气控制阀故障且供气流量变化时,供气压力会发生剧烈变化,此时需及时检修供气控制阀。     

液化天然气动力船供气系统动态模拟

本文以液化天然气(LNG)动力船供气系统的工作流程为原型，讨论发动机在工况变化时如何设置控制方案，以达到更好的温度控制效果，满足双燃料发动机的工作需求。使用Aspen HYSYS流程模拟软件对该工作流程进行模拟，研究动态模拟时系统的运行情况。针对供气时的工况变化，改变液化天然气的流量，同时供气温度需要稳定在一定范围内，提出两种维持供气温度相对稳定的调节方案：改变热源的供热量或调节加热介质（水乙二醇）的流量，在HYSYS中分别进行动态模拟。改变热水流量时，输气温度可以控制在20℃-32℃；改变水乙二醇流量时，输气温度控制在22℃-28℃。两种调控方式结合的综合方案中，天然气温度也较好稳定在22℃-28℃之间，并且不需要引入其他外加冷源，响应较快，最适合应用于实际系统中。     

船舶主滑油系统流量特性研究

船舶主滑油系统用于向高速运转的汽轮机、减速器、增压机组等主、辅设备提供润滑和冷却介质,主滑油系统在不同运行工况下,其流动参数会发生显著变化。本文通过搭建与实船一致的主滑油系统试验平台,运用流量计及流量传感器并辅以压力传感器对各工况条件下各用油设备滑油流量和设备进口处滑油压力进行在线监测统计分析,最终得到船用主滑油系统在不同工况下,流动参数显著变化时的流量分配特性。试验结果表明,在不同工况下,尽管滑油压力参数发生了较大变化,但总滑油流量分配情况未出现明显变化,各设备滑油分配比例变化小于1%。该结论对同类型号主滑油系统的调试提供了试验依据及数据支撑,具有一定的指导意义。     

基于热节点网络法的船用LNG梯级汽化器换热性能分析

将基于梯级汽化理论的LNG梯级汽化器作为研究对象，以热节点网络法为基础，利用一维数值模拟的方法，对其进行热力学分析并建立该汽化器的热阻分析模型，实现该汽化器壳体中LNG、丙烷、海水三种工质耦合换热特性的研究。本文主要研究内容包括LNG腔体、丙烷腔体内气液两相流动换热及海水腔体内单相流动换热，比较了不同LNG质量流量和不同海水质量流量分别对LNG侧及海水侧流动换热特性的影响。研究结果表明：当LNG侧质量流量在2.4kg/s、2.8kg/s、3.2kg/s、3.6kg、4.0kg/s工况下，LNG侧出口温度分别为278K、281.6K、242K、229.8K、222.5K，温度变化显著且呈现先增大后减小的变化趋势；海水侧质量流量在80kg/s、100kg/s、120kg/s、140kg/s、160kg/s工况下，LNG侧出口温度分别为278K、283.2K、287.2K、290.3K、292.2K，增幅并不明显；同时，LNG侧质量流量为4.0kg/s时，其压降为5441Pa，约为2.4kg/s工况下的2.6倍，海水侧质量流量为160kg/s时，其压降为51993Pa，约为80kg/s工况下的3.6倍，两侧压降增幅均较大。     

基于热节点网络法的船用LNG梯级汽化器换热性能分析

将基于梯级汽化理论的LNG梯级汽化器作为研究对象,以热节点网络法为基础,利用一维数值模拟方法对其进行热力学分析并建立热阻分析模型,对该汽化器壳体中LNG、丙烷(PR)和海水3种工质的耦合换热特性进行研究。主要分析了LNG腔体和PR腔体内气液两相流动换热以及海水腔体内单相流动换热,比较不同LNG质量流量和不同海水质量流量分别对LNG侧及海水侧流动换热特性的影响。结果表明:在LNG侧质量流量为2.4 kg/s、2.8 kg/s、3.2 kg/s、3.6 kg/s和4.0 kg/s工况时,LNG侧出口温度分别为278 K、281.6 K、242 K、229.8 K和222.5 K,温度变化显著且呈先增大后减小的变化趋势;海水侧质量流量的增加使得LNG侧出口温度升高,但增幅并不明显;此外,随着LNG侧和海水侧质量流量增加,两侧流体流动压降均大幅增加。     

船用涡轮增压器典型故障特征参数的敏感性研究

为了研究涡轮增压器故障对其运行参数的影响,在AVL Boost软件中基于某型涡轮增压器性能数据和柴油机试验数据,建立并验证柴油机仿真模型,对涡轮增压系统的典型故障进行数值仿真分析。不同故障下涡轮增压器的性能参数响应有明显且易区分的变化规律。增压压力对涡轮增压器故障的敏感度较高,在多数故障下的响应变化幅值都可达到10%以上,是故障诊断的重要参数。涡轮后排气温度、涡轮前排气压力以及空气质量流量在部分故障下的响应变化可达10%,对涡轮增器故障也具有一定的敏感度,可配合增压压力作为涡轮增压系统故障诊断的主要监测参数。研究结果为涡轮增压器的故障诊断提供参考依据。     

完全浮盖下对称复式断面水流掺气浓度研究

本文采用水工模型试验的方法,研究在密集均匀掺气孔下,改变流量大小,研究无浮盖和完全浮盖模型下不同流量大小的掺气特性。改变流量时,临底的掺气浓度会发生改变,流量越大,各断面滩地临底掺气浓度越大,主槽临底掺气浓度越小。同一流量下,临底掺气浓度沿程递减,B、C、D断面掺气浓度值较小,A断面滩地临底掺气浓度沿横向先增后减,主槽壁、滩地壁和滩槽交界处掺气浓度较大。加入浮盖后,水流表面的掺气浓度值增加,临底掺气浓度值减小。     

基于EEMD的HHT在LNG船电力系统故障检测中的应用

随着社会的发展,LNG(液化天然气)船舶更多采用电力推进作为主要动力方式,船舶电力系统由于结构复杂、容量巨大,因而容易发生故障。当电力系统出现故障时,电网的瞬时电压、电流、频率等特征量会相应变化,根据电压频谱的变化可以对LNG船电力系统故障进行有效识别。本文采用基于EEMD的HHT对故障暂态进行检测,结果表明该方法可以有效地进行故障识别。     

基于HYSYS的B型LNG燃料舱BOG压缩供给系统

以一艘B型液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)燃料舱舱容为30000 m3的发电船为目标船,对其3种蒸发气(Boiled Off Gas,BOG)压缩供给系统进行模拟计算分析。采用HYSYS软件建立BOG压缩供给系统模型,通过实际气体状态方程计算BOG物性值,分别对该系统进行BOG温度、压力和流量单变量变化等方面的热力性能分析。结果表明当压缩机进口处选用高压力和低温度BOG时,能有效降低其功耗;常温BOG单级压缩机出口温度高于150℃,压缩机的选型受到限制;当常温BOG两级压缩机进口温度不超过2℃时,其出口温度不超过150℃;控制第二级压缩机进口温度可免设BOG冷却器,节约成本。     

船舶LNG储槽晃荡热动响应特性分析

储运LNG船舶在航行中受外界环境影响,储槽内LNG液体出现晃荡,以及储槽维护结构的漏热,使得储罐内温度和压力变化,LNG出现相变,导致LNG的耗损及安全隐患。针对在晃荡和外界漏热影响下船舶LNG储槽热质传递过程,利用气-液两相VOF模型,建立了描述LNG储槽热动响应的数学模型,分析了在不同外部漏热、晃荡幅度和储槽内LNG液位高度下,储槽内LNG损耗及其热质传递特性,以及LNG储槽内自由液面波动。随着外部漏热上升,振幅和频率增加,使得LNG气相区压力增加和LNG损耗率增大,并随槽内LNG液位降低时,其增加的幅度相对较大。本文分析结果,可为优化船舶LNG储槽结构和LNG储槽的运行管理提供一定理论指导。     

超临界LNG在新型船用换热器冷通道内流动换热特性研究

本文在新型换热器冷通道内,对超临界状态下LNG的对流换热过程进行数值模拟,分别研究入口温度、入口质量流量和壁面热流密度对超临界甲烷流动与换热特性的影响,提出一种在直通道中加入凹槽结构的强化换热模型。首先采用Ansys Space Claim对换热通道进行几何建模,再使用Siemens STAR-CCM+仿真软件对模型进行网格划分和求解。研究发现：局部对流换热系数随着入口温度的升高有所降低,努塞尔数变化趋势与局部对流换热系数变化趋势大致相同,在斜通道内,超临界LNG具有更好的换热性能;当通道入口质量流量和壁面热流密度增加时,局部对流换热系数也随之增大;凹槽结构对换热器换热性能有较大的提升,对综合性能的提升较小。     

基于AVL BOOST的船用柴油机典型故障仿真及其数据分析

[目的]大型船用柴油机故障类型的数据通过台架试验或者实船来获取存在许多不利因素,因此针对柴油机的故障仿真数值计算就显得尤为重要,同时对故障排除及数据驱动的智能故障诊断系统的构建也具有重要意义。[方法]基于AVL BOOST软件和台架试验数据,建立柴油机仿真模型,验证4种负荷工况下仿真模型需满足的精度要求;基于100%负荷工况模型,采用控制变量法模拟柴油机发火点提前、单缸停油及曲轴箱窜气这些典型故障,并分析计算得到的数据。[结果]结果表明:发火点提前5°时,缸内最高燃烧压力提高了17.4%;第1缸停缸后,有效油耗率上升近15%;对于不同气缸停油情况,第2号和3号气缸停油时的特征参数变化幅度较小;随着活塞有效窜气间隙的增加,各特征参数基本上呈线性扩大趋势,在窜气间隙值为0.04 mm时,部分特征参数急剧增加,例如油耗率增加了近40%。[结论]所得结果可作为柴油机故障状态识别及智能故障诊断系统构建的重要依据,为探索船舶柴油机智能故障诊断技术提供新的途径。     

船用变频电缆敷设仿真

为研究船用变频电缆的磁场分布和温升情况,建立变频电缆的二维截面模型,利用有限元软件对在正常工况和缺相运行工况下的周围磁场和热损耗进行仿真计算。磁场仿真结果表明,在不同工况下,变频电缆500 mm远处的低频磁场对船体的磁化作用较小,其磁通密度也不会超过标准规定的人员安全限值。自然对流散热仿真结果表明,系统在缺相故障发生时,非故障相电流升高,变频电缆温度会超过85℃的温度限值,此时电机和供电电缆均需要合理的控制和保护策略,并应该加强通风。     

论变压增压系统发动机的单缸模拟增压试验

当采用外源增压的方法,在单缸机上进行模拟具有变压增压系統的多缸发动机的工现的試驗时,一般常用一个固定出口截面积的背压調节器来代替变压增压系统中的軸流式廢气渦輪机,为了建立起单缸机与多缸机尽可能接近的工况,背压調节器的出口截面积应合理地选取。本文首先从比較等压条件下工作的渦輪机与在变压条件下工作,噴嘴环分组进气的反作用式渦輪机的工作条件的不同点出发,引用分流系数A的概念,并假定渦輪机內的流动是准稳定的流动。然后由連續方程式、工作輪能量方程式、工作輪进口速度三角形关系式以及渦輪机的反动度定义,推导了計算背压調节器出口截面积的方法,并給出对一台高速四冲程V-12缸廢气渦輪增压柴油机的計算例子。其次作者給出在多缸机上,增压器試验平台上以及在单缸机上的試驗結果,作了比較,表明上述分析是可取的。并从試验結果中也可以明确,按上述方法在单缸机上模拟多缸机的工况能达到滿意的程度。在文中也介紹了进行单缸模拟增压試驗的装置和經驗。     

船用三轴燃气轮机气路故障建模与聚类诊断技术

船用燃气轮机运行在高速、高湿和高盐的工作环境中时,其气路部件在运行过程中发生故障的可能性增大,开展典型气路故障诊断技术研究有助于提升船用燃气轮机运行的可靠性和安全性。通过分析船用燃气轮机积垢、压气机叶顶间隙增大、叶片磨损、机械损伤、涡轮热腐蚀和燃烧室故障等典型气路故障的机理,给出9种典型气路故障时性能参数相对变化的经验判据。采用小偏差建模方法,建立船用三轴燃气轮机气路故障仿真模型,基于经验判据对0.8工况下船用三轴燃气轮机典型气路故障进行模拟,仿真得到9种典型故障下测量参数的相对变化。提出基于聚类分析的船用燃气轮机气路故障诊断方法,并以9种典型气路故障仿真结果为例,验证了该诊断方法的可行性。     

船用汽轮机滑油系统双注油器设计与试验研究

针对某船用汽轮发电机组在实际运行过程中对润滑油的使用需求,设计了汽轮机供油系统及双注油器,其中注油器Ⅰ供给主油泵,注油器Ⅱ供给润滑总管润滑各轴承。针对设计的双注油器进行了三维黏性数值计算,数值计算结果显示双注油器在给定的进口边界条件下,出口压力和流量与理论设计参数基本一致。设计了供油系统注油器专用试验平台,针对机组正常运行及启停工况对供油系统进行试验,试验结果显示:机组正常运行及启停工况时,各注油器流量及压力均能较好满足机组的使用要求,为后续汽轮发电机组的性能试验提供了试验依据及数据支撑。     

进排气损失对某型燃气轮机性能的影响

在燃气轮机装置的流路中有许多管路,当燃气流过这些管道时将产生流体阻力损失,从而影响装置的性能。在变工况工作时,由于流路中的流量、温度、压力及流速的变化,流阻损失也将发生变化,流阻损失表现为进、排气总压损失。此外随着燃气轮机在舰船上使用时间的增长,空气中盐分对燃气轮机的进气滤清装置产生腐蚀、结垢等因素会造成进、排气压力的损失。本文将对进、排气道的压力损失对燃气轮机整体性能影响进行研究。     

船舶综合电力系统建模与故障仿真

船舶电力系统发生故障会影响船舶的安全运行。采用数字仿真技术可以方便地对船舶电力系统故障进行仿真,应用MATLAB/Sim Power System软件建立环形配电的电力系统仿真模型并进行船舶在正常工况和发生常见短路故障时的仿真与研究。根据对所建模型进行故障仿真所得出的参数变化情况,可以有效地分析故障发生的原因和影响,从而减少此类故障的发生。     

离心泵实用技术基础（二）

4.离心泵主要参数的确定4.1离心泵流量和泵台数的确定 对离心泵流量的需求可以分为恒流量和变流量两种。所谓恒流量需求,就是泵的流量不随时间的延续而变化。在这种情况下,最好的方法是使泵的流量与需求流量相吻合或者相接近,而泵的运行工况应是最佳工况或接近最佳工况。当无法获得与需求流量相吻合的泵或者因某种原因不能或不宜采用与需求流量相吻合的泵时,可以采用流量为需求流量一半的两台泵或流量为需求流量三分之一的三台泵并联运行来实现输液。无论采用何种形式,都必须使泵的实际运行工况处在其特性曲线上的高效率区或允许工作范围内。所谓变流量需求,就是流量的需求量会随时间的延续而变化,比如高楼供水等。在离心泵的使用场合中,有相当一部分的使用场合对输液量的要求都是随时间而变化的。     

液态LNG喷雾过程闪急沸腾条件数值模拟研究

由于闪急沸腾喷雾可以改善燃油雾化质量,对缸内混合气的形成十分有利,所以研究液态LNG的闪急沸腾喷雾具有非常重要的意义。文章首先解析了纯液态LNG在喷嘴内部的流动过程,利用其计算结果作为LNG喷雾计算的初始条件和边界条件,在此基础上,使用AVL Fire软件激活了初始破碎模型及Flash Boiling模型,对纯液态LNG闪急沸腾喷雾过程进行了数值模拟计算,研究了喷雾发展的过程,并确定了LNG液态喷射发生闪急沸腾现象的条件,数值计算结果与文献结果吻合较好。计算研究表明,当环境压力处于[0.1 MPa,4.59 MPa]区间时,只要环境压力小于液态LNG饱和蒸气压,均可发生闪急沸腾现象;当环境压力大于4.59 MPa时,不论液态LNG温度如何变化,都不能发生闪急沸腾现象;LNG闪急沸腾喷雾形状始终保持为类圆锥体,但并不完全对称,在发展过程中,液滴直径迅速减小,喷雾前端会形成涡旋结构,随后,该结构破碎、消失。