余方偉

(海軍駐武漢七一九所軍事代表室　武漢　430205)

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船舶凝水過冷度控制方案研究*

余方偉

(海軍駐武漢七一九所軍事代表室武漢430205)

摘要在分析原冷凝器凝水過冷度控制系統(tǒng)存在問題的基礎(chǔ)上，提出了基于變頻控制、多速控制并結(jié)合抽氣器進(jìn)汽自動(dòng)控制的改進(jìn)技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞凝水過冷度； 抽氣器； 變頻泵； 多速泵

Class NumberU644.5

1引言

冷凝器是船舶動(dòng)力裝置的重要設(shè)備，冷凝器凝水過冷度大小是衡量冷凝器性能的一個(gè)重要指標(biāo)，凝結(jié)水過冷度會(huì)導(dǎo)致凝結(jié)水含氧量增加，威脅系統(tǒng)和設(shè)備的安全性，同時(shí)也會(huì)影響裝置系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性[1]。

傳統(tǒng)的凝水過冷度控制系統(tǒng)是通過控制循環(huán)水量調(diào)節(jié)閥的開度來控制凝水過冷度，以達(dá)到控制凝水含氧量的目的，并維持真空在一定范圍內(nèi)。但該系統(tǒng)存在循環(huán)水泵電機(jī)在循環(huán)水系統(tǒng)阻力較大時(shí)發(fā)熱，以及缺乏冷凝器真空自動(dòng)控制手段的問題，導(dǎo)致控制系統(tǒng)常常不能投入自動(dòng)，凝水過冷度不能滿足技術(shù)指標(biāo)規(guī)定要求。

為解決上述問題，本文提出了兩種控制方案：1)抽氣器進(jìn)汽量控制結(jié)合循環(huán)水泵變頻控制方案;2)抽氣器進(jìn)汽量控制結(jié)合循環(huán)水泵多速控制方案。并對兩種方案進(jìn)行了分析比較。

2控制機(jī)理分析

冷凝器內(nèi)部真空壓力對應(yīng)的飽和溫度與冷凝器實(shí)測凝水溫度之間的差值定義為凝水過冷度，其計(jì)算公式為

Δt=ts-tn

(1)

式中：Δt為凝水過冷度，ts為當(dāng)前冷凝器真空壓力對應(yīng)的飽和溫度，tn為實(shí)際凝水溫度。

由上可見，凝水過冷度取決于冷凝器真空和凝水溫度。經(jīng)綜合研究分析，在動(dòng)力裝置實(shí)際運(yùn)行中，導(dǎo)致冷凝器凝水過冷的主要因素[1～2]是：1)冷凝器結(jié)構(gòu)形式;2)循環(huán)水流量和溫度;3)抽氣器工作能力;4)汽輪發(fā)電機(jī)負(fù)荷。

從控制的角度考慮，由于冷凝器的結(jié)構(gòu)形式是固有的，冷卻水(海水)溫度取決于環(huán)境條件，冷凝器的換熱特性是固有的，均不可控;因此，只能通過調(diào)節(jié)循環(huán)水量高低和調(diào)節(jié)抽氣器工作蒸汽壓力的大小兩種方式來實(shí)現(xiàn)冷凝器真空和凝水過冷度的調(diào)控。

1) 調(diào)節(jié)循環(huán)水量

循環(huán)水量的調(diào)節(jié)有兩種方式：

(1)在循環(huán)水管路上設(shè)置循環(huán)水量調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)冷卻水調(diào)節(jié)閥的開度來控制循環(huán)水量的大小，則若調(diào)節(jié)閥開度減小，循環(huán)水量減少，凝水溫度升高;同時(shí)，由于循環(huán)水量的減少，循環(huán)水溫升升高，使蒸汽凝結(jié)溫度升高，真空度降低。

由此可見，循環(huán)水量調(diào)節(jié)閥開度的變化對凝水溫度和冷凝器真空存在相反的影響，這種情況下，若凝水溫度升高幅度大于由冷凝器真空降低造成的飽和溫度升高幅度，則凝水過冷度降低，因此，為了有效控制凝水過冷度，須維持冷凝器真空在規(guī)定范圍內(nèi)。

(2)通過調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速來控制循環(huán)水量的大小，循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速降低，循環(huán)水量較少，凝水溫度升高，使凝水過冷度降低;同時(shí)，由于循環(huán)水量的減少，蒸汽凝結(jié)溫度升高，真空度降低。

2) 調(diào)節(jié)抽氣器工作蒸汽壓力

通過調(diào)節(jié)抽氣器工作蒸汽壓力的大小來控制抽氣能力，抽氣器工作能力增強(qiáng)，則冷凝器真空度升高，對應(yīng)的飽和溫度降低，過冷度降低。

3傳統(tǒng)凝水過冷度控制系統(tǒng)存在問題分析

傳統(tǒng)的凝水過冷度控制系統(tǒng)的目標(biāo)是通過控制循環(huán)水量調(diào)節(jié)閥的開度來控制循環(huán)水量，從而在冷凝器真空維持在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，可控制凝水過冷度的高低。該系統(tǒng)存在的主要問題是：

1) 長期運(yùn)行后循環(huán)水泵電機(jī)發(fā)熱易故障

循環(huán)水泵的特性為低流量時(shí)負(fù)荷功率較大而揚(yáng)程較高，由于循環(huán)水量調(diào)節(jié)閥的開度與流量呈正比例關(guān)系，則在汽輪發(fā)電機(jī)低負(fù)荷、循環(huán)水溫度低時(shí)，冷凝器所需的循環(huán)水量較低，無論是從凝水過冷度控制需要還是從經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，均需控制循環(huán)水量調(diào)節(jié)閥的閥位降低，但隨著循環(huán)水流量的降低，循環(huán)水泵電機(jī)負(fù)荷增大，長期工作后電機(jī)發(fā)熱溫升高，電機(jī)壽命縮短，故障率升高。

2) 缺乏冷凝器真空的自動(dòng)控制手段

凝水過冷度與冷凝器真空之間存在耦合關(guān)系，冷凝器真空的高低直接影響過冷度的大小，但在現(xiàn)凝水過冷度控制系統(tǒng)中，缺乏冷凝器真空的自動(dòng)控制手段，抽氣器進(jìn)汽閥為手動(dòng)閥，而不是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，只能靠人工控制抽氣器工作蒸汽壓力來控制冷凝器的真空壓力。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，受發(fā)電機(jī)負(fù)荷、凝水溫度變化等因素的影響，冷凝器真空會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致過冷度發(fā)生變化。

4凝水過冷度變頻控制方案

為解決凝水過冷度的控制問題，提出如下技術(shù)方案，既實(shí)現(xiàn)對冷凝器真空的自動(dòng)控制，又實(shí)現(xiàn)循環(huán)水泵的變頻調(diào)速。

4.1冷凝器真空自動(dòng)控制

針對冷凝器真空缺乏有效控制手段的問題，將抽氣器進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥由目前的手動(dòng)控制進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥改為電動(dòng)控制進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥，則可通過自動(dòng)控制抽氣器進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥的開度，達(dá)到自動(dòng)控制冷凝器真空的目的，使冷凝器真空壓力能穩(wěn)定地保持在規(guī)定的運(yùn)行值范圍內(nèi)，從而維持冷凝器內(nèi)飽和溫度相對不變，使得凝水過冷度的控制問題歸結(jié)為凝水溫度的控制問題，從而可解決真空和過冷度之間的耦合關(guān)系帶來的矛盾，優(yōu)化控制系統(tǒng)的性能。

4.2循環(huán)水泵變頻控制

針對循環(huán)水泵電機(jī)發(fā)熱問題，取消循環(huán)水調(diào)節(jié)閥，將循環(huán)水泵由定速泵改為變頻泵，由變頻器和變頻電機(jī)帶動(dòng)其運(yùn)行，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速：

(2)

式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速;f為電機(jī)供電頻率，s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率，是常量;p為電機(jī)定子繞組極對數(shù)，是常量。

因此，通過控制電機(jī)的供電頻率，即可實(shí)現(xiàn)對變頻泵轉(zhuǎn)速的控制。

同時(shí)，根據(jù)水泵的相似原理可知：當(dāng)水泵速度變化時(shí)，流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。因此，采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方法來調(diào)節(jié)流量，取代通過調(diào)節(jié)循環(huán)水調(diào)節(jié)閥開度來調(diào)節(jié)流量，循環(huán)水泵電機(jī)的電功率也將大為減少。

在汽輪發(fā)電機(jī)低負(fù)荷、循環(huán)水溫度低時(shí)，冷凝器所需的循環(huán)水量較低，此時(shí)控制循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速降低，則循環(huán)水量降低，同時(shí)電機(jī)功率下降，從而解決了原定速泵在低流量時(shí)電機(jī)功率大、發(fā)熱嚴(yán)重的問題。

改進(jìn)后控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

4.3控制原理

控制系統(tǒng)基本原理為：根據(jù)冷凝器真空、凝水溫度計(jì)算得出凝水過冷度，發(fā)電機(jī)負(fù)荷信號和循環(huán)水流量作為控制前饋，循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速信號作為控制反饋，控制器輸出代表供電頻率的4mA～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號至變頻器，通過控制供電頻率來控制轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制循環(huán)水流量來控制凝水過冷度;通過控制抽氣器電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度來控制冷凝器真空的相對穩(wěn)定。

圖1　凝水過冷度變頻控制原理圖

·控制器：采用基于ARM通用型智能控制器，其具有10路4mA～20mA模擬量輸入、4路4mA～20mA模擬量輸出、8路開關(guān)量輸入、6路開關(guān)量輸出。

·變頻器：采用ABB的船用ACS800-01型變頻器。

·電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：采用ROTORK-IQ型船用執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

·傳感器：采用一體化測量傳感器，就地測量后直接輸出4mA～20mA標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號。

·模擬量輸入：冷凝器真空、凝水溫度、變頻泵轉(zhuǎn)速、循環(huán)水流量、發(fā)電機(jī)工況、循環(huán)水溫度、抽氣器調(diào)節(jié)閥閥位，共七個(gè)。

·開關(guān)量輸入：變頻器故障。

·模擬量輸出：變頻泵自動(dòng)控制、抽氣器調(diào)節(jié)閥自動(dòng)控制和凝水過冷度，共三個(gè)。

·開關(guān)量輸出：變頻啟/停控制。

凝水過冷度變頻控制框圖如圖2所示，控制系統(tǒng)包括變頻泵轉(zhuǎn)速控制和抽氣器壓力調(diào)節(jié)閥控制，其中變頻泵轉(zhuǎn)速控制的目的是實(shí)現(xiàn)對循環(huán)水流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，根據(jù)需要控制凝水溫度，進(jìn)而控制過冷度;抽氣器調(diào)節(jié)閥控制的目的是實(shí)現(xiàn)對抽氣器抽氣能力的控制，在工況變化時(shí)維持冷凝器真空的基本穩(wěn)定。

圖2　凝水過冷度變頻控制框圖

變頻泵的轉(zhuǎn)速控制有0～50Hz變頻、50Hz旁路和遙控調(diào)速三種控制方式。

正常時(shí)變頻器啟動(dòng)運(yùn)行，則系統(tǒng)運(yùn)行在0～50Hz變頻控制狀態(tài)，凝水過冷度控制器根據(jù)冷凝器真空、凝水溫度計(jì)算得出凝水過冷度，輸出送儀表顯示，同時(shí)，凝水過冷度控制器根據(jù)當(dāng)前的凝水過冷度、發(fā)電機(jī)工況、循環(huán)水溫度、變頻泵轉(zhuǎn)速等信號輸出泵轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制信號，變頻器通過交-直-交變頻，改變變頻電機(jī)的頻率，進(jìn)而改變循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速，從而控制循環(huán)水流量，當(dāng)凝水過冷度升高、發(fā)電機(jī)負(fù)荷降低、循環(huán)水溫度降低時(shí)，控制循環(huán)水量適當(dāng)降低，影響凝水溫度上升，從而降低凝水過冷度，反之亦然。

5凝水過冷度多速控制方案

保留循環(huán)水量調(diào)節(jié)閥，循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速在汽輪發(fā)電機(jī)不同負(fù)荷下運(yùn)行于不同的轉(zhuǎn)速，高負(fù)荷時(shí)，循環(huán)水量需求較大，電動(dòng)海水調(diào)節(jié)閥的開度較大，此時(shí)循環(huán)水泵運(yùn)行于高轉(zhuǎn)速，循環(huán)水泵電機(jī)運(yùn)行電流不會(huì)過高;低負(fù)荷時(shí)，循環(huán)水量需求較小，循環(huán)水量調(diào)節(jié)閥的開度較小，此時(shí)循環(huán)水泵運(yùn)行于低轉(zhuǎn)速，可降低循環(huán)水泵電機(jī)的運(yùn)行電流。由于循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速隨著汽輪發(fā)電機(jī)負(fù)荷高低而變化，無論高低負(fù)荷，循環(huán)水泵電機(jī)運(yùn)行電流均會(huì)保持在一個(gè)相對安全的范圍內(nèi)，從而解決循環(huán)水泵電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重的問題。

該控制方案原理如圖3所示。

圖3　循環(huán)水泵多速控制原理圖

其控制原理為

·模擬量輸入：冷凝器真空、凝水溫度、三速泵轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)工況、海水溫度、循環(huán)水量調(diào)節(jié)閥閥位、抽氣器調(diào)節(jié)閥閥位，共七個(gè)。

·開關(guān)量輸入：無。

·模擬量輸出：循環(huán)水量調(diào)節(jié)閥自動(dòng)控制、抽氣器調(diào)節(jié)閥自動(dòng)控制和凝水過冷度，共三個(gè)。

·開關(guān)量輸出：低速控制、中速控制、高速控制。

控制系統(tǒng)包括循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速控制、循環(huán)水量調(diào)節(jié)閥控制和抽氣器壓力調(diào)節(jié)閥控制。

凝水過冷度多速控制框圖如圖4所示，循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速控制、循環(huán)水量調(diào)節(jié)閥控制的目的是根據(jù)不同發(fā)電機(jī)工況和海水溫度，分級改變循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速(如圖5所示，當(dāng)發(fā)電機(jī)功率小于等于50%功率，則40%泵速;發(fā)電機(jī)功率在50%～85%功率之間，則66%泵速;發(fā)電機(jī)功率在85%～100%功率之間，則100%泵速)，同時(shí)，改變循環(huán)水量調(diào)節(jié)閥的開度來控制凝水溫度，進(jìn)而控制過冷度。

圖4　循環(huán)水泵多速控制框圖

圖5　循環(huán)水泵多速控制中分級泵速曲線

抽氣器調(diào)節(jié)閥控制的目的是實(shí)現(xiàn)對抽氣器抽氣能力的控制，在工況變化時(shí)維持冷凝器真空的基本穩(wěn)定。

6控制方案比較分析

凝水過冷度變頻控制方案和循環(huán)水泵多速控制方案，均實(shí)現(xiàn)了抽氣器調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)控制，解決了冷凝器真空缺乏有效控制手段的問題以及解決了原定速泵在低流量時(shí)電機(jī)功率大、發(fā)熱嚴(yán)重的問題。

凝水過冷度變頻控制方案的優(yōu)點(diǎn)在于：

1) 由于取消循環(huán)水泵電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，采用循環(huán)水泵變頻調(diào)速，能夠?qū)崿F(xiàn)循環(huán)泵轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié);

2) 由于采用變頻控制技術(shù)，循環(huán)水泵的功耗按需配給，有利于節(jié)能;

3) 由于通過調(diào)節(jié)循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)循環(huán)水量，在較低功耗下泵運(yùn)行于較低轉(zhuǎn)速，有利于降低系統(tǒng)運(yùn)行噪聲。

凝水過冷度變頻控制方案的缺點(diǎn)在于系統(tǒng)設(shè)置較為復(fù)雜，特別是對變頻器的體積尺寸要求嚴(yán)格，在空間緊湊的船用環(huán)境下難以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

由于變頻控制具有節(jié)能、降噪的突出優(yōu)點(diǎn)，符合當(dāng)前船舶控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，因此，在條件具備的情況下，應(yīng)首選變頻控制方案。

凝水過冷度多速控制方案對系統(tǒng)的改動(dòng)相對較小，同時(shí)又可根據(jù)發(fā)電機(jī)負(fù)荷改變轉(zhuǎn)速，可解決電機(jī)發(fā)熱問題，并可在一定程度達(dá)到節(jié)能、降噪的目的，可作為一種過渡性方案研究實(shí)施。

7結(jié)語

針對傳統(tǒng)凝水過冷度控制系統(tǒng)存在的真空不能有效控制、循環(huán)水泵電機(jī)發(fā)熱問題，本文提出了凝水過冷度變頻控制、循環(huán)水泵多速控制兩種控制方案，對其控制原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，并對兩種控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較。

本文的設(shè)計(jì)思路為工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 孫中寧.核動(dòng)力設(shè)備[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社,2004.

[2] 萬華慶.凝汽器真空-凝水過冷度機(jī)理分析及其控制系統(tǒng)研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2008,30(1):80-83.

[3] 盧緒祥.凝結(jié)水過冷度及其對機(jī)組性能的影響分析[J].汽輪機(jī)技術(shù),2002,44(2)：117-119.

[4] 張永生.船用冷凝器的真空與凝水過冷度控制系統(tǒng)研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2011(3)：62-64.

[5] 孫建華.主冷凝器真空與凝水過冷度的智能控制研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，1996(6)：15-19.

[6] 劉維亭.主冷凝器模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(3)：356-358.

[7] 薛若軍.船用凝汽設(shè)備動(dòng)態(tài)特性實(shí)時(shí)仿真研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2002.

收稿日期：2016年1月13日,修回日期：2016年2月28日

作者簡介：余方偉，男，工程師，研究方向：控制技術(shù)。

中圖分類號U664.5

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.07.042

Control System of Condenser’s Vacuum and Condensate Depression

YU Fangwei

(Navy Representative Office in 719th Research Institute, Wuhan430205)

AbstractBased on the analysis of original control system of condenser’s vacuum and condensate depression, the transducer control system and multi-speed control system of the pump with assist air ejector are presented in this paper.

Key Wordscondensate depression, assist air ejector, ferquency conversion pump, multi-speed pump