轮机模拟器辅锅炉仿真系统的设计与实现

２００６年第２期　总第６７期　中　国　航　海　ＮＡＶＩＧＡ　ｎＯＮ　ＯＦ　ＣＨＩＮＡ　Ｎｏ．２　Ｊｕｎ．２００６　Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．６７　

文章编号：１０００—４６５３（２００６）０２—００９６—０３　

轮机模拟器辅锅炉仿真系统的设计与实现　

李迪阳　，　张　旭。，　叶光　，　史成军。，　郭　晨　

（１．青岛远洋船员学院，山东青岛２６６０７１；２．大连海事大学，辽宁大连１１６０２６）　

摘　要：应用计算机仿真技术模拟船舶辅锅炉的操作功能，采用仿真支撑系统及Ｖｃ＋＋６．０分别实现了仿真模型　

和操作界面，通过网络实现了仿真模型和操作界面的结合，得到人机交互界面友善的轮机模拟器辅锅炉仿真系统。　

关键词：船舶、舰船工程；轮机模拟器；辅锅炉仿真　

中图分类号：６６４．８２“　文献标识码：Ａ　

Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｕｘｉｌｉａｒｙ　Ｂｏｉｌｅｒ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　

Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　Ｍａｒｉｎｅ　Ｅｎｇｉｎｅ　Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ　

Ｄｉ—ｙａｎｇ　，ＺＨＡＮＧ　Ｘｕ　，　ＹＥ　Ｇｕａｎｇ。，ＧＵＯ　Ｃｈｅｎ　，ＳＵＩ　Ｃｈｅｎｇ－ｊｕｎ　

（１．Ｑｉｎｇｄａｏ　Ｏｃｅａｎ　Ｓｈｉｐｐｉｎｇ　Ｍａｒｉｎｅｓ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｑｉｎｇｄａｏ　２６６０７　１，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｄａｌｉａｎ　Ｍａｒｉｔｉｍｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｌｉａｎ　１　１　６０２６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｍａｒｉｎｅ　ａｕｘｉｌｉａｒｙ　ｂｏｉｌｅｒ　ａｒｅ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　

ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ａｒｅ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｂｙ　ＰＲＯＳＩＭＳ　ａｎｄ　ＶＣ＋＋６．０　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ｔｈｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｉｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｂｙ　

ｎｅｔｗｏｒｋ，ｔｈｕｓ　ｔｈｅ　ａｕｘｉｌｉａｒｙ　ｂｏｉｌｅｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ　ｈａｖｉｎｇ　ｎａｔｕｒａｌ　ｍａｎ—ｍａｃｈｉｎｅ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ａｎｄ　ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ　ｉｓ　

ｏｂｔａｉｎｅｄ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｓｈｉｐ；Ｎａｖａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；Ｍａｒｉｎｅ　ｅｎｇｉｎｅ　ｓｉｍｕｌａｔｏｒ；Ａｕｘｉｌｉａｒｙ　ｂｏｉｌｅｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　

轮机模拟器对于航海高等院校培养符合　

ＳＴＣＷ７８／９５海员培训发证和值班标准国际公约要求　

的轮机工程专业学生和有关教师进行相关科研工　

作，对于航运公司培训高级船员具有重要意义。船　

舶动力装置训练仿真器在训练的经济性、反复训练　

学员的实际操作技能、提高学员分析故障的能力、大　

大缩短机损的变化过程及进行某些在实船上难以实　

现的特殊训练中具有不可替代的优越性。　

该模拟器采用网络技术、数据库技术、虚拟现　

实、数字仿真等技术。它以ＰＲＯＳＩＭＳ仿真支撑系统　

作为仿真平台。ＰＲＯＳＩＭＳ采用模型仿真于主机服务　

器，而显示、操作在各个分系统中。整个轮机模拟器　

由机舱集控台、驾控台、大型图示板、配电盘、　

ＰＲＯＳＩＭＳ主机服务器、多台子系统界面显示机（客户　

机）、教练员计算机（监控机）和多台学生计算机构　

成，通过ｌＯＯＭ网络交换机组成快速以太网。它具　

有三维主机控制模型等可视化仿真功能。　

轮机模拟器辅锅炉仿真系统是模拟器必不可少　

的一个部分，它对于轮机培训非常重要，该模拟器辅　锅炉仿真系统是以５４４６　ＴＥＵ第五代集装箱船　

ｃ０ｓｃ０Ｒ０　ＥＲＤＡＭ号为母型船，以ＡＡＬＢＯＲＧ　

ＳＵＮＰＯＤ　ＣＰＤＢ一４０型锅炉为仿真对象。　

１　辅锅炉仿真系统的组成　

由于辅锅炉仿真系统比较复杂，不可能单屏幕　

完全显示，所以作者按照功能将辅锅炉系统划分为　

４个子系统：　

１．１辅锅炉燃油系统　

辅锅炉燃油系统包括轻油支路和重油支路，以　

及点火设备，燃烧控制设备。　

１．２给水和冷凝系统　

包括辅锅炉给水，辅锅炉和废气锅炉之间的循　

环打水，冷凝器的回水，水位控制设备。　

１．３蒸汽分配系统　

包括所有的使用蒸汽的设备，以及蒸汽流量控　

制装置。　

１．４辅锅炉系统控制面板：　控制燃烧和给水的　

装置。　

收稿日期：２００６，２，２６　

作者简介：李迪阳（１９７２，），男，江西萍乡人，博士生，讲师，主要从事轮机模拟器研究。Ｅ　ｍａｉｌ：ｌｏｃｋｌｏｃ

　维普资讯 http://www.cqvip.com 李迪阳，等：轮机模拟器辅锅炉仿真系统的设计与实现　９７　

２　辅锅炉仿真系统的建模　

在轮机模拟器的研发过程中，建模方法的优劣　

对于最后的模拟器实际效果起着决定性的作用。建　

模的精度一定要能达到小于５％的要求，不然模拟　

器操作会给人失真的感觉，但同时，建模的方法不能　

太复杂，以５４４６系列轮机模拟器的开发为例，整个　

系统采用模型集中仿真、分布式操作的方法，所有的　

模型都集中在主服务器上，仿真步长为０．１　ｓ，而船　

上大大／Ｊ，ｄ，的系统一共有ｌ３个之多，这样平均到每　

一个子系统上只有０．０１　ｓ，显然，如果子系统模型太　

复杂就没法达到在线时时仿真的目的。由于篇幅限　

制，在此只介绍辅锅炉仿真系统最重要也是最复杂　

的锅炉气包模型的建立过程。　

对于锅炉蒸汽压力控制模型，采用了如图１的　

模型。　

图１辅锅炉蒸汽压力控制方框图　

设定控制阀阀前压力为　，阀后压力为　，控　

制阀门流量参数为Ｋ。，控制器输出的控制量为Ｖ。。　

通过式（１）可以求出流进炉膛的燃油流量：　

ｑｌ＝Ｋｌ＊Ｖｌ／￣／Ｐ３一Ｐ４　（１）　

式（１）表示：阀门流量与阀门开度成正比，与阀　

前后压力差的开根号成反比，Ｋ。是控制阀门流量　

参数。　

由已知燃油类型可以知道一定流量的燃油燃烧　

时释放出的热量，由ｑ。和式（２）可计算出锅炉得到　

燃烧热量Ｑ：　

Ｑ＝ｋａ　ｑｌ＊ｅ　０　（２）　

式（２）中：ｋａ是燃油放热系数，ｅ—ｏ　是延迟环　

节，表示油燃烧过一定时间之后热量才能被吸收。　

蒸汽系统吸收的热量一部分用于把水加热到饱　

和水，另一部分用于把饱和水变成饱和蒸汽。根据　

热平衡定律得公式（３）：　

Ｑｄｔ＋Ｄｉ　ｄ　—Ｄ　ｄｔ＝Ｗｂｄｉ　（３）　

式（３）中，Ｄ——锅炉的蒸发量，ｋｇ／ｓ　

——饱和汽焓，Ｊ／ｋｇ　

ｉ　——饱和水焓，Ｊ／ｋｇ　

——给水焓，ｊ／ｋｇ　

——锅炉内储水量，ｋｇ　

把蒸发系统的吸热量用蒸汽量Ｄ　来表示，即　

所吸收的热量理论上能产生的蒸汽量：　Ｄｑ＝Ｄ＋等　ｄ　㈤　

Ｄ　显然应该比Ｄ大，因为Ｄ　还包含把给水加热成　

锅炉饱和水的部分能量。　

显然，饱和水焓ｉ　和汽包蒸汽压力Ｐ　有一定　

的函数关系　

ｉ　＝ｆ（Ｐ　）　（５）　

对式（５）微分可得到　

ｄｉｈ＝ｒ　ｄＰｂ、＂ｄＰ６　（６）　

将式（６）代人式（４），再令　

：　’ｋｇ，ＭＰａ　（７）　‘ｂｑ一‘　可得到：　

：Ｄ“　（８）　

式（８）是式（７）的另外种写法，只是函数关系改　

为和实际压力Ｐ　之间的关系。如果把Ｄ转化成Ｐ　

的函数，那么就可以建立一个Ｑ和Ｐ　的函数，而由　

压力和流量关系可得到式（１０），Ｒ。是外界的总的流　

导，包括了阀门的特性参数。　

Ｄ：　（１０）　

令式（４），式（１０）代入式（８）可得到式（１１）　

＝　ｔ…）　Ｚ蛔一　ｑ　ｄ　

此时已经得到了Ｑ和Ｐ　之间的函数关系，通　

过龙格一库塔法，由式（１）计算出Ｑ的可以求解这　

个方程，计算出每个时刻的Ｐ　值。而　和设定压　

力Ｐ　的差再通过一个ＰＩＤ环节就可以计算出一个　

．，然后再进行下一次的运算。　

３　辅锅炉仿真系统显示界面实现　

在轮机模拟器中，它是一单独的子系统，所以界　

面设计成１　０２４＊７６８的满屏显示，根据实际的模型　

也相应地设置了４张界面，再加上主界面，一共是５　

张界面。所有界面都在ｖＣ＋＋６．０下编程调试，界　

面简洁，且加入了各种流质运动的动画效果。对于　

图中各泵、阀、流量计各种元件，单击后都能出现相　

应的操作对话框，进行相关操作。图２是辅锅炉系　

统主界面。　

４　辅锅炉仿真系统显示界面与模型的　

关联　

辅锅炉仿真系统显示界面位于各个单独的子系　维普资讯 http://www.cqvip.com ９８　中　国　航海　２００６年第２　

统中，模型处在ＰＲＯＳＩＭＳ主机服务器上，在一个时　

间周期内，服务器会通过网络广播发报一次变量数　

据库，各个子系统可以自己选择接受变量周期和要　

接收的变量，来达到子系统的数据和服务器数据一　

致。各子系统的操作变量如发生改变也要立刻发给　

服务器，服务器修改变量数据库，然后子系统再读到　

改变的变量才能显示出一次操作，这个过程会有一　

些延迟，但由于服务器发送周期和子系统的接受周　

期都比较短，所以视觉上基本没有偏差。　

图２辅锅炉主界向　

５　运行结果　

轮机模拟器辅锅炉仿真系统现在已经交付使　

用。辅锅炉仿真系统的操作要求、运行状态和实际　

锅炉完全相符，运行得到的各个参数指标的精度达　

到了训练型模型器的精度要求。为了仅显示运行结　

果，在系统中增加了一个曲线观察的对话框，通过　

Ｃｈａｎｇｅ按钮可以切换观看１　ｈ的曲线结果。　

锅炉压力控制运行结果曲线如图３所示，由图　

可见，如果一直加热，约０．５　ｈ左右，锅炉就能从冷　

炉状态升到正常压力，这和实际基本一致；改变负载　

之后压力会相应改变，但很快又会回到正常压力，一　

图３锅炉压力拄制运行结果曲线　个过程大约２～３　ｍｉｎ，也和实际情况基本一致。水　

位控制运行结果曲线如图４所示，从新船炉膛无水　

到补水达到正常水位大约为４５　ｍｉｎ，基本满足精度　

要求。当打开主蒸汽阀时，炉膛水位下降，大约６～　

７　ｍｉｎ水位回复正常，与实际相符。　

图４锅炉水位控制结果曲线　

６　结　语　

本辅锅炉仿真系统能够再现实船上真实辅锅炉　

进行的所有操作，如自动点火、手动点火、自动停炉、　

手动停炉、各个加热器件的加热、锅炉自动给水、手　

动给水等。通过辅锅炉仿真系统，可使学员能够快　

速学习和了解辅锅炉的各个组成部分及工作原理。　

同时，该仿真系统还可以仿真各种实船系统中出现　

的如预扫风不足导致爆炸、加热器污堵导致加热缓　

慢之类的故障，在轮机模拟器系统中发挥重要作用。　

参　考　文　献　

［１ｊ　郭晨，吴恒。史成军．船舶轮机模拟器引入虚拟现　

实技术的研究［Ｊ］．中国航海１９９９，（２）：ｌｌ—ｌ７．　

［２］　郭晨，吴恒。孙建波，等．计算机图形技术在船舶轮　

机模拟器中的应用［Ｊ］．交通科技，２００１，增刊：１０５—１０６．　

１３ｊ郭晨，孙建波，史成军，等．Ｈｉｇｈ　Ｆｉｄｅｌｉｔｙ　Ｍａｒｉｎｅ　Ｅｎｇｉｎｅ　

Ｒｏｏｍ　Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ　ＤＭＳ一２０００【Ｊ］．大连海事大学学报，２００２，　

（２８）增刊：２８—３０．　

［４］史成军，郭晨，彭水生，等．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆＶｉｓｕａｌ　Ｒｅａｌｉｔｙ　

ｌ＇ｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｎ　Ｍａｒｉｎｅ　Ｄｉｅｓｅｌ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐ１ａｎｔ　Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ［Ｊ　ｊ．大连　

海事大学学报，２００２，（２８）增刊：３９．４３．　

［５］　史成军，郭晨，沈智鹏．船舶中央冷却水系统管网的　

建模　仿真方法［Ａ］．第五届伞国仿真器学术会论文集