孔祥純，蘇鵬宇，李照忠，邢 媛，朱東保

(1.海軍駐武漢七一九所軍事代表室，湖北 武漢430064;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001;3.武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢430000)

0 引言

凝汽器背壓對汽輪機的運行安全經(jīng)濟性及調(diào)節(jié)性能都有很大的影響，是凝汽設(shè)備各部分運行狀況的集中反映［1－2］，針對凝汽器背壓控制，文獻［3］通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模和混合遺傳優(yōu)化算法，得到了各個工況下凝汽器的最佳真空和運行參數(shù)，以指導(dǎo)機組實際運行;文獻［4］采用了協(xié)調(diào)控制的方法，引入了壓力變化信號和凝汽器溫度變化信號，與原來的壓力信號和溫度信號一起判斷凝汽器內(nèi)的壓力波動等。然而，目前研究的熱點基本還是電廠汽輪機的凝汽器的背壓控制問題［5－10］;即使有針對船舶汽輪機凝汽器的研究，也僅局限于高背壓的調(diào)節(jié)問題等方面［11－12］;而對于自流工況下的低背壓調(diào)節(jié)這一特殊問題的研究較少。

由于當(dāng)船舶汽輪機在自流工況下的循環(huán)水量超過所需的循環(huán)水量時，會導(dǎo)致凝汽器背壓降低進而影響汽輪機正常運行的問題。因此，本文針對自流工況下的低背壓調(diào)節(jié)這一特殊問題，提出一種新的背壓調(diào)節(jié)方法:通過抽氣器控制凝汽器中的空氣量來影響凝汽器的背壓變化，從而達到將凝汽器背壓控制在要求范圍內(nèi)的目的。

1 船舶汽輪機凝汽器背壓控制的特殊性

帶自流裝置的船舶汽輪機凝汽器所需的冷卻循環(huán)水有兩種提供方式:第一，通過船舶行進的速度水頭所產(chǎn)生的自流循環(huán)水;第二，通過循環(huán)水泵提供的非自流循環(huán)水。當(dāng)自流循環(huán)水量低于工況循環(huán)水需求時，凝汽器背壓升高，可以通過循環(huán)水泵提供額外的循環(huán)水量，以維持所要求的凝汽器背壓;而在自流循環(huán)水量超過工況所需要的循環(huán)水量時，凝汽器背壓降低，此時，通過循環(huán)水無法維持所要求的凝汽器背壓。如圖1和圖2所示，圖1為實際的船舶汽輪機凝汽器在自流工況下，背壓隨船速工況的變化關(guān)系;圖2為不同船速工況下，自流循環(huán)水流量與所需循環(huán)水流量比較的關(guān)系圖。從圖中可以看出當(dāng)船速在20%～80%之間時，自流循環(huán)水流量大于所需的循環(huán)水流量，導(dǎo)致凝汽器的背壓過低，僅通過調(diào)節(jié)循環(huán)水流量控制凝汽器背壓的調(diào)節(jié)系統(tǒng)功能存在一定的局限性。

圖1 自流工況下凝汽器背壓隨航速的變化

圖2 需求循環(huán)水量與自流循環(huán)水量的比較

2 抽氣器參與凝汽器背壓控制的理論分析

2.1 空氣對凝汽器背壓的影響分析

在凝汽器中，蒸汽與冷卻水之間的換熱過程是一個復(fù)雜并且十分重要的過程。其中，傳熱系數(shù)K是反映凝汽器傳熱性能最直觀的參數(shù)，在凝汽器設(shè)計和運行監(jiān)測中有重要的參考價值［13－14］。如圖3所示，為文獻中給出的凝汽器傳熱系數(shù)K隨空氣相對含量εd的變化曲線。

圖3 傳熱系數(shù)修正系數(shù)變化曲線［15］

根據(jù)凝汽器中傳熱系數(shù)的這種變化曲線，可以對總傳熱系數(shù)做如下修正

式中K'——修正后的總傳熱系數(shù)/W·m－2·K－1。

由此看出，空氣含量對于凝汽器傳熱系數(shù)的影響非常大，同時，由于傳熱系數(shù)又對凝汽器背壓有著重要的影響，因此，可以考慮通過控制空氣含量最終控制凝汽器背壓，以解決傳統(tǒng)船舶汽輪機中，當(dāng)自流循環(huán)水量超過工況所需要的循環(huán)水量時，凝汽器背壓降低的調(diào)節(jié)問題。

2.2 凝汽器中空氣含量對凝結(jié)水過冷度的影響分析

在應(yīng)用抽氣器參與凝汽器背壓控制時，不可避免的會對凝汽器中凝結(jié)水的過冷度產(chǎn)生一定的影響，在通過抽氣器控制背壓時，如果造成凝結(jié)水過冷度的嚴重變化，就會對汽輪機的經(jīng)濟性和安全性產(chǎn)生很大的影響，這樣就得不償失。所以，需要針對凝汽器中空氣含量對凝結(jié)水過冷度的影響進行分析。針對實際船舶汽輪機，在不通過抽氣器控制凝汽器背壓下，并且只有自流循環(huán)水調(diào)節(jié)背壓的運行方式下，進行了四種工況下的實驗。通過對實驗數(shù)據(jù)的處理分析，得到對應(yīng)工況下的凝汽器的凝結(jié)水過冷度如表1所示。

表1 抽氣器不參與調(diào)節(jié)的凝結(jié)水過冷度

應(yīng)用實驗數(shù)據(jù)，通過穩(wěn)態(tài)計算，通過抽氣器對凝汽器背壓進行控制，使其維持在10 kPa下，各自流工況下凝汽器過冷度如表2所示。

表2 抽氣器參與調(diào)節(jié)的凝結(jié)水過冷度

通過以上數(shù)據(jù)可以看出，在自流工況下，應(yīng)用抽氣器調(diào)節(jié)控制空氣量，使背壓穩(wěn)定在要求背壓時，不會對過冷度控制造成過大影響，原因在于很少的空氣量就可以對凝汽器換熱系數(shù)造成很大影響，所以對過冷度影響相對很小。

3 抽氣器參與凝汽器背壓控制的建模仿真研究

3.1 空氣分壓建模分析

根據(jù)殼側(cè)工質(zhì)的類型和狀態(tài)把殼側(cè)分為蒸汽區(qū)、空氣區(qū)和熱井水區(qū)，其中對真空影響最大的是蒸汽和空氣［16］。由于凝汽器的壓力低、密度低，可以把凝汽器中蒸汽和空氣視為理想氣體并滿足道爾頓分壓定律［15］。

式中pk——凝汽器內(nèi)蒸汽和空氣總壓/kPa;

ps、pa——凝汽器蒸汽和空氣分壓/kPa;

Ms、Ma——凝汽器蒸汽和空氣質(zhì)量/kg;

ts、ta——蒸汽和空氣溫度/℃;

V——凝汽器汽氣空間的體積/m3;

Rs、Ra——蒸汽和空氣氣體常數(shù)/J·kg－1·℃－1。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律

式中Fn——正常漏氣量/kg·h－1;

Fsa——抽氣設(shè)備抽空氣量/kg·h－1。

正常漏氣量

式中Fst——總排汽量/kg·h－1;

K1——與系統(tǒng)真空嚴密性及給水除氧指標(biāo)有關(guān)的常數(shù)。

最終得到整體空氣分壓計算公式

3.2 抽氣器參與凝汽器背壓控制的總體仿真分析

根據(jù)上面的空氣分壓模型建立整體凝汽器背壓控制模型，對自流工況進行仿真研究。

首先，對抽氣量階躍－5%進行仿真研究，得到其總背壓的階躍響應(yīng)，仿真結(jié)果如圖4所示。作為對比，圖5給出了采用循環(huán)水調(diào)節(jié)的背壓響應(yīng)曲線，循環(huán)水流量階躍－5%。從圖4和圖5的仿真結(jié)果圖的對比分析中可以看出:通過抽氣量調(diào)節(jié)得到的背壓響應(yīng)時間常數(shù)大于采用循環(huán)水控制背壓的時間常數(shù)，因此，通過抽氣器控制凝汽器總背壓的響應(yīng)速度要比通過循環(huán)水泵控制的響應(yīng)速度慢。

圖4 抽氣量階躍－5%的仿真結(jié)果

圖5 循環(huán)水流量階躍－5%的仿真結(jié)果

然后，對抽氣器參與背壓調(diào)節(jié)進行控制器設(shè)計，應(yīng)用反饋進行控制，分別對航速擾動－5%、循環(huán)水入口溫度擾動－5%進行仿真驗證，得到的控制結(jié)果如圖6和圖7所示。由控制結(jié)果可以看出，抽氣器參與凝汽器背壓控制的方法是可行的。

圖6 航速擾動－5%的控制結(jié)果

圖7 循環(huán)水入口溫度擾動－5%的控制結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對船舶汽輪機在自流循環(huán)水量超過工況所需要的循環(huán)水量而導(dǎo)致凝汽器背壓降低的工況，提出了一種新的調(diào)節(jié)方法:通過抽氣器控制凝汽器中的空氣量，進而影響凝汽器的背壓變化，最終，將凝汽器背壓控制在要求范圍內(nèi)。

根據(jù)理論分析和仿真結(jié)果可以看出，在自流工況下，應(yīng)用抽氣器對凝汽器背壓有很好的控制效果，且不會對過冷度造成較大影響，即對汽輪機的經(jīng)濟性和安全性等影響較小，從而驗證了抽氣器參與凝汽器背壓控制方法的可行性。存在的不足之處就是通過抽氣器控制凝汽器總背壓的響應(yīng)速度要比通過循環(huán)水泵控制的響應(yīng)速度要慢。采用抽氣器參與凝汽器背壓調(diào)節(jié)的方法對于凝汽器背壓調(diào)節(jié)具有參考價值。

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