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(jì)研究所，湖北 武漢430000)

0 引言

凝汽器背壓對(duì)汽輪機(jī)的運(yùn)行安全經(jīng)濟(jì)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(yùn)行狀況的集中反映［1－2］，針對(duì)凝汽器背壓控制，文獻(xiàn)［3］通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模和混合遺傳優(yōu)化算法，得到了各個(gè)工況下凝汽器的最佳真空和運(yùn)行參數(shù)，以指導(dǎo)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行;文獻(xiàn)［4］采用了協(xié)調(diào)控制的方法，引入了壓力變化信號(hào)和凝汽器溫度變化信號(hào)，與原來(lái)的壓力信號(hào)和溫度信號(hào)一起判斷凝汽器內(nèi)的壓力波動(dòng)等。然而，目前研究的熱點(diǎn)基本還是電廠汽輪機(jī)的凝汽器的背壓控制問(wèn)題［5－10］;即使有針對(duì)船舶汽輪機(jī)凝汽器的研究，也僅局限于高背壓的調(diào)節(jié)問(wèn)題等方面［11－12］;而對(duì)于自流工況下的低背壓調(diào)節(jié)這一特殊問(wèn)題的研究較少。

由于當(dāng)船舶汽輪機(jī)在自流工況下的循環(huán)水量超過(guò)所需的循環(huán)水量時(shí)，會(huì)導(dǎo)致凝汽器背壓降低進(jìn)而影響汽輪機(jī)正常運(yùn)行的問(wèn)題。因此，本文針對(duì)自流工況下的低背壓調(diào)節(jié)這一特殊問(wèn)題，提出一種新的背壓調(diào)節(jié)方法:通過(guò)抽氣器控制凝汽器中的空氣量來(lái)影響凝汽器的背壓變化，從而達(dá)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(jī)凝汽器背壓控制的特殊性

帶自流裝置的船舶汽輪機(jī)凝汽器所需的冷卻循環(huán)水有兩種提供方式:第一，通過(guò)船舶行進(jìn)的速度水頭所產(chǎn)生的自流循環(huán)水;第二，通過(guò)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(shí)，凝汽器背壓升高，可以通過(guò)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(guò)工況所需要的循環(huán)水量時(shí)，凝汽器背壓降低，此時(shí)，通過(guò)循環(huán)水無(wú)法維持所要求的凝汽器背壓。如圖1和圖2所示，圖1為實(shí)際的船舶汽輪機(jī)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(shí)，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(guò)低，僅通過(guò)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(duì)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(guò)程是一個(gè)復(fù)雜并且十分重要的過(guò)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(jì)和運(yùn)行監(jiān)測(cè)中有重要的參考價(jià)值［13－14］。如圖3所示，為文獻(xiàn)中給出的凝汽器傳熱系數(shù)K隨空氣相對(duì)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(duì)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(duì)于凝汽器傳熱系數(shù)的影響非常大，同時(shí)，由于傳熱系數(shù)又對(duì)凝汽器背壓有著重要的影響，因此，可以考慮通過(guò)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(jī)中，當(dāng)自流循環(huán)水量超過(guò)工況所需要的循環(huán)水量時(shí)，凝汽器背壓降低的調(diào)節(jié)問(wèn)題。

2.2 凝汽器中空氣含量對(duì)凝結(jié)水過(guò)冷度的影響分析

在應(yīng)用抽氣器參與凝汽器背壓控制時(shí)，不可避免的會(huì)對(duì)凝汽器中凝結(jié)水的過(guò)冷度產(chǎn)生一定的影響，在通過(guò)抽氣器控制背壓時(shí)，如果造成凝結(jié)水過(guò)冷度的嚴(yán)重變化，就會(huì)對(duì)汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)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(duì)凝汽器中空氣含量對(duì)凝結(jié)水過(guò)冷度的影響進(jìn)行分析。針對(duì)實(shí)際船舶汽輪機(jī)，在不通過(guò)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(yùn)行方式下，進(jìn)行了四種工況下的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析，得到對(duì)應(yīng)工況下的凝汽器的凝結(jié)水過(guò)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(guò)冷度

應(yīng)用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)穩(wěn)態(tài)計(jì)算，通過(guò)抽氣器對(duì)凝汽器背壓進(jìn)行控制，使其維持在10 kPa下，各自流工況下凝汽器過(guò)冷度如表2所示。

表2 抽氣器參與調(diào)節(jié)的凝結(jié)水過(guò)冷度

通過(guò)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(shí)，不會(huì)對(duì)過(guò)冷度控制造成過(guò)大影響，原因在于很少的空氣量就可以對(duì)凝汽器換熱系數(shù)造成很大影響，所以對(duì)過(guò)冷度影響相對(duì)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(duì)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(yán)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(jì)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(duì)自流工況進(jìn)行仿真研究。

首先，對(duì)抽氣量階躍－5%進(jìn)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(duì)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(duì)比分析中可以看出:通過(guò)抽氣量調(diào)節(jié)得到的背壓響應(yīng)時(shí)間常數(shù)大于采用循環(huán)水控制背壓的時(shí)間常數(shù)，因此，通過(guò)抽氣器控制凝汽器總背壓的響應(yīng)速度要比通過(guò)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(duì)抽氣器參與背壓調(diào)節(jié)進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，應(yīng)用反饋進(jìn)行控制，分別對(duì)航速擾動(dòng)－5%、循環(huán)水入口溫度擾動(dòng)－5%進(jìn)行仿真驗(yàn)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(dòng)－5%的控制結(jié)果

圖7 循環(huán)水入口溫度擾動(dòng)－5%的控制結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對(duì)船舶汽輪機(jī)在自流循環(huán)水量超過(guò)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(guò)抽氣器控制凝汽器中的空氣量，進(jìn)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(duì)凝汽器背壓有很好的控制效果，且不會(huì)對(duì)過(guò)冷度造成較大影響，即對(duì)汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和安全性等影響較小，從而驗(yàn)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(guò)抽氣器控制凝汽器總背壓的響應(yīng)速度要比通過(guò)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(duì)于凝汽器背壓調(diào)節(jié)具有參考價(jià)值。

［1］李勇，孫海波，曹租慶.背壓變化對(duì)200 MW汽輪機(jī)綜合運(yùn)行性能影響的計(jì)算分析［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，1999，41(5):272－275.

［2］趙斌，吳斌.凝汽器防垢除垢技術(shù)在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用［J］.節(jié)能技術(shù)，2005，23(4):375－377，381.

［3］劉定平，肖蔚然.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和混合遺傳算法的凝汽器真空優(yōu)化控制［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2006，48(1):52－54.

［4］付明玉.協(xié)調(diào)控制在凝汽器壓力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，22(1):127－129.

［5］丁燕，顧昌，方瓊.300 MW機(jī)組凝汽器動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的建立與仿真［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2004，46(5):327－332.

［6］郭鈺鋒，秦華，于達(dá)仁，等.冷卻空氣迎面風(fēng)速和溫度對(duì)直接空冷系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(29):22－27.

［7］崔凝，王兵樹(shù)，馬士英，等.大型電站凝汽器動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的研究［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，2001，43(2):81－86.

［8］張騰，張征.基于Fluent的冷卻器腔內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值分析［J］.節(jié)能技術(shù)，2009，27(6):538－540.

［9］宋玉文.大型船舶的蒸汽熱力系統(tǒng)建模及仿真研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2007.

［10］趙輝，于達(dá)仁.艦船蒸汽動(dòng)力裝置凝汽器動(dòng)態(tài)模型［C］.2009全國(guó)博士生學(xué)術(shù)會(huì)議:電站自動(dòng)化信息化論文集.2009.

［11］尹煒.船用凝汽系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模及控制方法研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2008.

［12］朱東保，馬俊，焦曉亮，等.船舶蒸汽動(dòng)力裝置凝汽器動(dòng)態(tài)模型研究［J］.節(jié)能技術(shù)，2010，28(6):489－493.

［13］季中敏，劉曉東.板翅式換熱器表面?zhèn)鳠崤c流阻特性數(shù)值模擬［J］.節(jié)能技術(shù)，2010，28(2):107－113.

［14］黃坤，劉振義，宋繼田，等.波紋管降膜蒸發(fā)器傳熱性能數(shù)值模擬［J］.節(jié)能技術(shù)，2009，27(5):407－410.

［15］種道彤，劉繼平，嚴(yán)俊杰，周志杰，等.漏空氣對(duì)凝汽器傳熱性能影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(4).

［16］金達(dá)，朱譽(yù)，徐治皋，等.火電機(jī)組凝汽器真空動(dòng)態(tài)特性的研究與計(jì)算［J］.華東電力，2009，37(2).