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        船用核動(dòng)力裝置給水加熱器故障影響及系統(tǒng)效率優(yōu)化

        2018-08-27 08:29:42,,,
        船海工程 2018年4期
        關(guān)鍵詞:汽輪機(jī)效率優(yōu)化

        ,,,

        (海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院,武漢 430033)

        船用核動(dòng)力二回路系統(tǒng)承擔(dān)著將一回路釋放的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能和電能的任務(wù)[1]。船用二回路系統(tǒng)主要包括主汽輪機(jī)組、汽輪循環(huán)水泵、汽輪給水泵和給水加熱器等設(shè)備。其中,給水加熱器采用乏汽作為工作蒸汽,負(fù)責(zé)預(yù)熱給水,起到回收乏汽能量的作用。作為工作蒸汽的乏汽主要來(lái)源于背壓式循環(huán)水泵汽輪機(jī)和背壓式給水泵汽輪機(jī)的排汽,不足的部分采用新蒸汽經(jīng)減壓閥減壓進(jìn)行補(bǔ)充。為提高凝給水系統(tǒng)的可靠性,給水加熱器設(shè)置有旁通管路,正常情況下給水進(jìn)入給水加熱器進(jìn)行預(yù)熱,當(dāng)給水加熱器故障時(shí),給水可通過(guò)旁通管路不經(jīng)預(yù)熱直接進(jìn)入蒸汽發(fā)生器,維持系統(tǒng)正常運(yùn)行。但是,給水加熱器停用后會(huì)導(dǎo)致乏汽能量不能得到回收,在反應(yīng)堆負(fù)荷固定的情況下造成主機(jī)功率減小,制約核動(dòng)力裝置性能的發(fā)揮。

        有關(guān)給水加熱器故障的研究,大多數(shù)研究圍繞故障診斷[2-4]和防范開(kāi)展[5-6],而對(duì)二回路系統(tǒng)在給水加熱器停用后繼續(xù)運(yùn)行的影響和優(yōu)化研究極少。此外,當(dāng)前研究主要圍繞陸用火電廠(chǎng)和核電站進(jìn)行,對(duì)船用核動(dòng)力裝置給水加熱器停用的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。為此,提出適用于給水加熱器停用計(jì)算的主、輔蒸汽流量匹配模型,在反應(yīng)堆功率不變的條件下,得出船用核動(dòng)力裝置給水加熱器停用給主機(jī)功率、系統(tǒng)效率等熱力參數(shù)帶來(lái)的影響。在此基礎(chǔ)上,以二回路系統(tǒng)效率最高為目標(biāo),采用人群搜索算法作為優(yōu)化算法,借助外點(diǎn)罰函數(shù)法處理優(yōu)化計(jì)算中的約束問(wèn)題,得到使系統(tǒng)效率最高的主機(jī)進(jìn)汽壓力和循環(huán)水流量組合,實(shí)現(xiàn)給水加熱器停用后系統(tǒng)效率的優(yōu)化,緩解給水加熱器停用給功率帶來(lái)的不利影響。船用二回路系統(tǒng)簡(jiǎn)示于圖1,圖中虛線(xiàn)部分為給水加熱器停用后使用的旁通管路。

        圖1 船用二回路系統(tǒng)組成示意

        1 二回路熱力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

        1.1 蒸汽發(fā)生器

        給水從給水加熱器進(jìn)入蒸汽發(fā)生器吸收熱量成為發(fā)生器工作壓力下的飽和水,其中一小部分成為泄放水排至泄放蒸發(fā)器,其余大部分繼續(xù)吸熱成為當(dāng)前壓力下的飽和蒸汽。發(fā)生器功率與新蒸汽流量的關(guān)系如下。

        Psg=Gs·(hsg_o_s-hsg_o_w)+

        Gs·(1+upw)·(hsg_o_l-hfw)

        (1)

        式中:Gs為蒸汽發(fā)生器新蒸汽產(chǎn)量;Psg為蒸汽發(fā)生器功率;hsg_o_s為蒸汽發(fā)生器出口蒸汽焓;hsg_o_l為為蒸汽發(fā)生器出口壓力下飽和水焓;hfw為進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的給水焓;upw為蒸汽發(fā)生器排污率。

        1.2 主汽輪機(jī)組

        進(jìn)入主汽輪機(jī)組的蒸汽首先進(jìn)入高壓缸做功,做功后排汽進(jìn)入汽水分離器進(jìn)行汽水分離,干度提高后進(jìn)入低壓缸繼續(xù)做功。利用高壓缸耗汽量、低壓缸耗汽量和汽水分離器疏水量之間的質(zhì)量關(guān)系得到:

        Ght-Glt=Gsp_w

        (3)

        在滿(mǎn)足主機(jī)法蘭軸功率要求的條件下,由能量關(guān)系得到:

        Ght·Hht+Glt·Hlt=Ne/(ηeff_m·ηeff_g) (4)

        Ght·[hht_o_s·xht_o+hht_o_w·(1-xht_o)]=

        Glt·[hlt_i_s·xlt_i+hlt_i_w·(1-xlt_i)]+

        Gsp_w·hht_o_w(5)

        式中:Ne為主機(jī)功率;Ght、Glt、Gsp_w分別為主汽輪機(jī)組高壓缸耗汽量、低壓缸耗汽量和汽水分離器疏水量;Hht、Hlt分別為高壓缸和低壓缸的焓降;ηeff_m、ηeff_g分別為主機(jī)組機(jī)械效率和齒輪減速器效率;hht_o為高壓缸排汽焓;hht_o_s、hht_o_w分別為高壓缸排汽壓力下飽和蒸汽焓和飽和水焓;hlt_i_s、hlt_i_w分別為低壓缸進(jìn)汽壓力下飽和蒸汽焓和飽和水焓;xht_o、xlt_i分別為高壓缸排汽干度和低壓缸進(jìn)汽干度。

        聯(lián)立方程(3)、(5)即可得出主機(jī)組高、低壓缸和汽水分離器的汽水流量。

        1.3 循環(huán)水泵汽輪機(jī)

        循環(huán)水泵將海水作為冷卻水,吸收冷凝器中主汽輪機(jī)排汽及其他排汽和疏水釋放的熱量,從而保證主冷凝器能夠在主汽輪機(jī)排氣口建立并維持真空。循環(huán)水泵汽輪機(jī)方程為

        Gcir_w=Qcon/c/(Tcool_o-Tcool_i)

        (6)

        考慮機(jī)組機(jī)械效率和泵效率的影響,得出循環(huán)水泵耗汽量計(jì)算公式為

        Gcir=Gcir_w·g·Hcir_p/Hcir/(ηcir_m·ηcir_p)

        (7)

        式中:Qcon為冷凝器熱負(fù)荷;c為冷卻水比熱容;Tcool_o為冷卻水出口溫度;Tcool_i為冷卻水進(jìn)口溫度,即海水溫度,在計(jì)算中認(rèn)為海水溫度不變;Gcir為循環(huán)水泵汽輪機(jī)耗汽量;Gcir_w為循環(huán)冷卻水量;g為重力加速度;Hcir_p為循環(huán)水泵揚(yáng)程;Hcir為循環(huán)水泵汽輪機(jī)實(shí)際焓降;ηcir_m、ηcir_p分別為機(jī)械效率和泵效率。

        1.4 給水泵汽輪機(jī)

        給水泵負(fù)責(zé)將主凝水和輔凝水送入給水加熱器。給水泵汽輪機(jī)耗汽量與給水量的關(guān)系如下。

        (Gcon_w_1+Gcon_w_2)·g·Hfw_p/2=

        Gfw·Hfw·(ηfw_m·ηfw_p)

        (8)

        式中:Gcon_w_1、Gcon_w_2分別表示主凝水量和輔凝水量。Gfw為給水泵汽輪機(jī)耗汽量;Hfw_p為給水泵揚(yáng)程;Hfw為汽輪機(jī)實(shí)際焓降;ηfw_m為機(jī)組機(jī)械效率;ηfw_p為泵效率。

        1.5 給水加熱器

        給水加熱器利用背壓式汽輪機(jī)(主要包括循環(huán)水泵汽輪機(jī)和給水泵汽輪機(jī))排出的乏汽和補(bǔ)充進(jìn)乏汽總管的新蒸汽對(duì)給水進(jìn)行加熱。給水加熱器耗汽量計(jì)算如下。

        Qh_need=Gfw·cfw·(Tfw-Tfwp_i)

        (9)

        Gh=Qh_need/(he_s-hh_w)

        (10)

        式中:Qh_need為加熱器所需熱量;Gfw為給水量;cfw為給水比熱容;Tfw、Tfwp_i分別為發(fā)生器進(jìn)口溫度和給水泵給水溫度;Gh為給水加熱器耗汽量;he_s為乏汽平均焓;hh_w為加熱器疏水焓。

        2 主、輔蒸汽流量匹配模型

        建立適用于給水加熱器停用計(jì)算的主、輔蒸汽流量匹配模型。將反應(yīng)堆功率設(shè)為定值,通過(guò)多次迭代實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆功率一定的條件下主蒸汽系統(tǒng)耗汽量與輔蒸汽系統(tǒng)耗汽量的匹配,從而計(jì)算出主機(jī)功率及系統(tǒng)效率等熱力參數(shù)。模型具體計(jì)算步驟如下。

        2)由反應(yīng)堆功率和蒸汽發(fā)生器的關(guān)系得出蒸汽發(fā)生器功率,進(jìn)而由發(fā)生器功率結(jié)合1)中得到的給水焓值通過(guò)式(1)計(jì)算得出二回路系統(tǒng)耗汽量Gs。

        3)根據(jù)變工況模型得出的系統(tǒng)耗汽量Gs與主汽輪機(jī)耗汽量Gt之間的關(guān)系,由2)中得出的Gs得到主機(jī)耗汽量初始值Gt0以及二回路系統(tǒng)中輔助設(shè)備的運(yùn)行效率等參數(shù)。

        4)由主機(jī)耗汽量初值Gt0與輔助設(shè)備的效率等參數(shù)計(jì)算得出二回路系統(tǒng)中各輔助設(shè)備的耗汽量,匯總各輔助設(shè)備耗汽量得出輔助設(shè)備總耗汽量Gac。

        5)將2)中得到的系統(tǒng)耗汽量Gs減去(4)中的輔助設(shè)備總耗汽量Gac得到主機(jī)耗汽量的計(jì)算值Gt,進(jìn)而將Gt代入(3)中的Gt0,直至兩次計(jì)算結(jié)果之間的誤差達(dá)到精度要求。

        6)通過(guò)上述計(jì)算可以得出給水加熱器停用后的給水溫度計(jì)算值Tfw,將Tfw代入1)中的Tfw0,直至2次計(jì)算結(jié)果之間的誤差達(dá)到精度要求。

        7)輸出二回路系統(tǒng)各設(shè)備和各換熱節(jié)點(diǎn)的熱力參數(shù),實(shí)現(xiàn)二回路系統(tǒng)主機(jī)耗汽量與輔機(jī)耗汽量的匹配。

        主、輔蒸汽流量匹配計(jì)算模型示意圖見(jiàn)圖2。

        圖2 給水加熱器停用模型計(jì)算流程圖

        3 給水加熱器停用的影響分析

        給水加熱器停用后,由于無(wú)法利用乏汽中的能量,會(huì)對(duì)蒸汽發(fā)生器、主汽輪機(jī)等設(shè)備的熱力參數(shù)造成影響。由表1可知,給水加熱器停用后,由于給水不經(jīng)預(yù)熱,導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器給水溫度下降了33.36%;相應(yīng)地,給水焓值下降了33.47%,但是給水在蒸汽發(fā)生器中的焓升相差較小,僅為6.27%。為了滿(mǎn)足一回路反應(yīng)堆功率不超過(guò)最大值,保證系統(tǒng)正常運(yùn)行,必須減少主機(jī)耗汽量,犧牲部分主機(jī)功率,由表中數(shù)據(jù)可知,主機(jī)功率下降了3.88%。由于給水加熱器是二回路系統(tǒng)中消耗乏汽的主要設(shè)備,停用后必然造成乏汽消耗量大幅減少,減幅達(dá)到了70%以上,乏汽量由停用前的不足轉(zhuǎn)到停用后的過(guò)剩。相應(yīng)的,停用后剩余的乏汽直接排入主冷凝器中,無(wú)需消耗新蒸汽對(duì)乏汽進(jìn)行補(bǔ)充。主機(jī)耗汽量減少,導(dǎo)致與主機(jī)匹配運(yùn)行的輔機(jī)耗汽量隨之下降,同時(shí)新蒸汽補(bǔ)充量減小,共同作用造成了二回路系統(tǒng)耗汽量減小。給水加熱器停用后,失去了回收乏汽能量的作用,二回路系統(tǒng)效率降低了4.1%。表中數(shù)據(jù)均以給水加熱器停用之前參數(shù)為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化處理。

        表1 給水加熱器停用前后熱力參數(shù)

        4 優(yōu)化模型及優(yōu)化結(jié)果

        4.1 優(yōu)化方法

        將二回路系統(tǒng)在不同海水溫度下的熱效率作為優(yōu)化目標(biāo),目標(biāo)函數(shù)表示為

        2.3 兩組血脂及CRP水平比較 治療后,兩組血脂指標(biāo)比較,差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。治療前,A組與B組CRP水平比較[(4.84±1.29)mg/L比(4.82±1.34)mg/L],差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05);治療后,兩組CRP水平均降低,且B組為(3.47±0.76)mg/L,低于A組的(3.79±0.65)mg/L,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

        ))=max(f(x1,x2…xn))

        (11)

        選擇主機(jī)進(jìn)汽壓力和循環(huán)水流量作為優(yōu)化變量。優(yōu)化變量組合如下。

        =[ps_new,Dw]T=[x1,x2]T

        (12)

        式中:ps_new為主機(jī)進(jìn)汽壓力;Dw為循環(huán)水流量。以額定工況下的母型值為基準(zhǔn),上下浮動(dòng)10%作為優(yōu)化變量的取值范圍。變量?jī)?yōu)化見(jiàn)表2。

        表2 優(yōu)化變量的取值范圍

        為了保證動(dòng)力裝置安全運(yùn)行,在熱力參數(shù)優(yōu)化中設(shè)置安全約束條件如下。

        1)背壓約束。汽輪機(jī)背壓過(guò)高會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)汽缸發(fā)生較大的熱膨脹,轉(zhuǎn)子的中心線(xiàn)偏離汽缸的中心線(xiàn),最終導(dǎo)致汽輪機(jī)組振動(dòng)強(qiáng)烈[7];汽輪機(jī)背壓過(guò)低時(shí),會(huì)使推力軸承受到更大的推力,不利于汽輪機(jī)組的運(yùn)行安全。因此,汽輪機(jī)背壓必須限制在一定范圍內(nèi)。背壓主要受循環(huán)水流量和主機(jī)排汽量及焓值的影響。

        2)排汽干度約束。核動(dòng)力裝置汽輪機(jī)的工作蒸汽含水量較大,容易帶來(lái)濕汽損失和葉片侵蝕等問(wèn)題[8],因此,要求盡可能多地去除蒸汽中的水分。主機(jī)排汽干度主要受主機(jī)進(jìn)汽壓力和排汽背壓影響。

        約束條件見(jiàn)表3。

        表3 約束條件的取值范圍

        優(yōu)化過(guò)程中采用人群搜索算法作為優(yōu)化工具,選用外點(diǎn)罰函數(shù)法處理計(jì)算中的約束。

        4.2 給水加熱器停用優(yōu)化結(jié)果

        由表4~6可知,優(yōu)化后,通過(guò)適當(dāng)提高主機(jī)進(jìn)汽壓力,同時(shí)增大循環(huán)水流量,在滿(mǎn)足約束條件的前提下,主機(jī)功率提高了1.06%,實(shí)現(xiàn)了給水加熱器停用后二回路系統(tǒng)效率的優(yōu)化。由于初參數(shù)提高,有利于增大蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)的焓降,使主機(jī)耗汽量具有減小的趨勢(shì),但是排入冷凝器的剩余乏汽增加,造成冷凝器背壓有所上升,不利于耗汽量的減少。由計(jì)算結(jié)果可知,初參數(shù)提高對(duì)主機(jī)耗汽量減小的作用更強(qiáng),主機(jī)耗汽量最終下降了約0.75%。循環(huán)水流量增大會(huì)造成循環(huán)水泵耗汽量增加,但是給水的減少會(huì)減小給水泵汽輪機(jī)的負(fù)擔(dān),從而降低給水泵汽輪機(jī)的耗汽量。綜合考慮各設(shè)備的耗汽量,最終二回路系統(tǒng)的耗汽量下降了0.18%。優(yōu)化后,主機(jī)功率得到提高,二回路系統(tǒng)效率上升了1.06%。

        表4 優(yōu)化前后變量對(duì)比

        表5 優(yōu)化前后約束條件

        表6 優(yōu)化前后熱力參數(shù)

        5 結(jié)論

        1)所建立的主、輔蒸汽流量匹配計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)了主、輔蒸汽流量的匹配運(yùn)行,能夠反映船用核動(dòng)力裝置給水加熱器停用后的熱力特性。船用核動(dòng)力裝置給水加熱器主要影響蒸汽發(fā)生器給水溫度,給水加熱器停用后,給水溫度和對(duì)應(yīng)焓值大幅下降,給水需要在蒸汽發(fā)生器內(nèi)吸收更多熱量才能達(dá)到新蒸汽參數(shù)。乏汽消耗量下降幅度達(dá)到70%以上,乏汽量由之前的不足轉(zhuǎn)為大量剩余。

        2)給水加熱器停用后,主機(jī)功率和主機(jī)耗汽量小幅下降,同時(shí)二回路系統(tǒng)效率和系統(tǒng)耗汽量有所降低。給水加熱器停用主要影響到部分能量的回收,不會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生重大影響,因此,給水加熱器因故障停用后,可以通過(guò)調(diào)節(jié)汽水分配,犧牲少部分主機(jī)功率使二回路系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。

        3)人群搜索算法和外點(diǎn)罰函數(shù)法能夠?qū)崿F(xiàn)給水加熱器停用后的效率優(yōu)化,通過(guò)適當(dāng)增大主機(jī)進(jìn)汽壓力和循環(huán)水流量,能夠在滿(mǎn)足約束條件的前提下使二回路系統(tǒng)效率提高1.06%,優(yōu)化效果顯著。

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