船用冷凝器真空偏低的動態(tài)特性分析及故障診斷

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(海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，武漢 430033)

船用冷凝器真空偏低的動態(tài)特性分析及故障診斷

張磊，曹躍云，翁雷，崔佳林

(海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，武漢 430033)

為從定性和定量的角度綜合診斷船用冷凝器真空下降故障產(chǎn)生的原因，考慮某船用冷凝器的結(jié)構(gòu)和運行特點，建立冷凝器動態(tài)運行理論模型，構(gòu)建冷凝器真空偏低的故障樹模型，提出探尋冷凝器真空偏低原因的定性方法。開展冷凝器真空偏低故障的動態(tài)仿真，定量分析主機(jī)排汽負(fù)荷增大、真空系統(tǒng)不嚴(yán)密、循環(huán)水泵故障時冷凝器真空的變化趨勢，給出避免故障的基本措施。結(jié)果表明，所建立的理論模型和編制程序具有較好的精度，能夠準(zhǔn)確、直觀地反映冷凝器真空下降故障時主要參數(shù)的動態(tài)變化趨勢。

冷凝器；真空；故障；動態(tài)仿真

冷凝器作為船用汽輪機(jī)推進(jìn)動力裝置的重要組成部分，其運行狀態(tài)的好壞不僅影響汽輪機(jī)組的推進(jìn)功率、經(jīng)濟(jì)性，而且影響到整個動力裝置乃至整個船舶的安全性、機(jī)動性、生命力等非常重要的性能指標(biāo)[1]。因此，船用凝汽式汽輪機(jī)組在運行規(guī)程中都規(guī)定正常運行中允許的真空最低值，當(dāng)冷凝器真空進(jìn)一步降低時，將影響到機(jī)組的安全，如軸向推力增大，與排汽缸相鄰軸承的溫度升高，軸承的潤滑與冷卻困難；當(dāng)軸承溫度升高時會引起轉(zhuǎn)子中心線改變，引起各軸承負(fù)荷的重新分配，會引起機(jī)組振動；使低壓缸體積流量變小，可能引起末級葉片的過熱或不正常振動；低壓缸通流部分溫度升高，引起熱膨脹、熱變形等問題。以往的研究大多集中在定性分析[2-3]。當(dāng)某一故障因素導(dǎo)致冷凝器真空下降時，若能綜合定性和定量方法詳細(xì)描述從故障發(fā)生到結(jié)束，冷凝器真空等主要參數(shù)的動態(tài)運行趨勢，不僅能為冷凝器的運行管理提供直接的技術(shù)支持，而且能更有針對性地識別、排除故障。為此，考慮建立冷凝器動態(tài)運行理論模型，結(jié)合理論和實際運行特點構(gòu)建冷凝器真空偏低的故障樹模型，開展典型故障導(dǎo)致冷凝器真空偏低的動態(tài)仿真分析，并給出避免故障發(fā)生的措施。

1 動態(tài)運行理論模型建立

以某船用雙通道、兩側(cè)抽氣、表面式冷凝器為研究對象，按照冷凝器結(jié)構(gòu)和運行特點將其分為：蒸汽區(qū)、空氣區(qū)、熱水井區(qū)、冷凝器管側(cè)區(qū)。蒸汽區(qū)主要匯集各路進(jìn)出冷凝器的蒸汽：主、輔汽輪機(jī)排汽、多余乏汽排汽等；空氣區(qū)主要匯集進(jìn)出冷凝器不凝結(jié)空氣；熱水井區(qū)主要匯集包括汽水分離器、給水加熱器、主輔抽氣器等8路疏水；冷凝器管側(cè)區(qū)主要分析循環(huán)海水帶走冷凝器的熱量。為建立較為通用的冷凝器動態(tài)運行理論模型，需滿足以下假設(shè)：①冷凝器內(nèi)的蒸汽和不凝氣體均視為理想氣體；②不考慮凝汽器向外部環(huán)境散熱；③冷凝器中的蒸汽、凝水、冷卻水管壁、循環(huán)海水的溫度和密度為均勻分布。

1.1 蒸汽區(qū)

在冷凝器內(nèi)，蒸汽在汽側(cè)壓力相應(yīng)的飽和溫度下凝結(jié)，但在實際情況下冷凝器內(nèi)不僅有蒸汽，還有其他不凝結(jié)的空氣。根據(jù)道爾頓分壓定律，冷凝器內(nèi)的總壓力Pc為

Pc=Ps+Pk

(1)

式中：Ps為冷凝器內(nèi)的蒸汽分壓；Pk為冷凝器內(nèi)的空氣分壓。

分別建立蒸汽分壓和空氣分壓的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，由此獲得冷凝器內(nèi)總壓力的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。

1.1.1 蒸汽分壓數(shù)學(xué)模型

冷凝器中的蒸汽可視為理想氣體，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程取微分，將冷凝器內(nèi)的蒸汽分壓動態(tài)數(shù)學(xué)方程經(jīng)歐拉法[4]表示為

(2)

(3)

(4)

式中：K為別爾曼公式計算的冷凝器總體傳熱系數(shù)[6]；Δtm為冷凝器對數(shù)傳熱溫差；A為冷凝器的傳熱面積；Hcw為凝汽器壓力下對應(yīng)的飽和水焓值；Hs為冷凝器內(nèi)蒸汽的平均焓值，平均蒸汽焓值可由冷凝器內(nèi)蒸汽的能量方程求解

(Gas+Gda+Gc+Gss)Hs

(5)

1.1.2 空氣分壓數(shù)學(xué)模型

進(jìn)入冷凝器的不凝結(jié)空氣主要有：主汽輪機(jī)等排汽帶入，冷凝器密封不嚴(yán)密漏入，經(jīng)補(bǔ)水箱補(bǔ)水時帶入。冷凝器內(nèi)的空氣主要經(jīng)主抽氣器抽出，抽出蒸汽凝結(jié)回流至冷凝器，空氣則排入艙室。為此，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程取微分，同樣可以得到空氣分壓pk的歐拉法表示形式

(6)

1.2 熱井水區(qū)

由熱井水區(qū)的凝水流量和凝水熱負(fù)荷變化可列出熱井水區(qū)的質(zhì)量方程和能量方程如下。

(7)

GbHb-GvHc-GwoHw-Glo-Gcw

(8)

1.3 冷凝器管側(cè)模型

冷凝器內(nèi)的熱量經(jīng)導(dǎo)熱傳至冷卻水管內(nèi)壁，水管內(nèi)壁與冷卻海水之間對流換熱將熱量傳給海水，海水將熱量帶走。因此，經(jīng)能量守恒原理可以分別給出冷卻水管壁溫度Tm和冷卻海水出口溫度T2的方程。

1)冷卻水管金屬溫度。

2)冷卻水出口溫度。

Dwcp(T2-T1)

(10)

此處，近似認(rèn)為總體傳熱面積與對流換熱面積相等。

利用四階Runge-Kutta法聯(lián)合求解微分方程組(1)～(10)的數(shù)值解，便可求得冷凝器內(nèi)壓力、蒸汽平均焓值、冷卻海水出口溫度、傳熱端差、冷卻水管溫度等參數(shù)隨時間的動態(tài)變化過程，實現(xiàn)冷凝器動態(tài)運行分析。

2 真空偏低的故障樹模型

通過建立船用冷凝器內(nèi)部蒸汽區(qū)，空氣區(qū)、熱水井區(qū),以及冷凝器管側(cè)的理論模型，并結(jié)合具體冷凝器的結(jié)構(gòu)特性和設(shè)計、運行管理的經(jīng)驗，可分析出影響冷凝器真空偏低的原因。引起冷凝器真空惡化的原因有很多，除了循環(huán)水泵、抽氣器故障等異常事故外，還有凝汽器內(nèi)冷卻水管結(jié)垢、微生物生長；真空嚴(yán)密性差，大量空氣漏入，即惡化傳熱；或因凝汽器內(nèi)水管破裂等?？梢?，冷凝器真空下降故障的成因和后果的關(guān)系往往具有很多層次，是一系列的因果鏈。為此，采用故障樹分析方法[7]研究冷凝器真空偏低故障，由頂事件冷凝器真空偏低到各中間事件、底事件，按樹枝狀逐級細(xì)化，最終給出影響冷凝器真空偏低的因素，具體故障樹模型見圖1。

冷凝器真空偏低故障樹的建立主要依據(jù)冷凝器運行理論模型，將冷凝器真空偏低作為頂事件，決定頂事件主要有4個子事件，分別為蒸汽區(qū)故障、空氣區(qū)故障、熱水井區(qū)水位不正常以及冷凝器管側(cè)故障，任一子事件發(fā)生都將導(dǎo)致冷凝器真空偏低。4個子事件又可展開為各自的子事件，如導(dǎo)致蒸汽區(qū)故障的主要原因有主汽排汽熱負(fù)荷突然增大，或輔機(jī)等用汽設(shè)備排汽熱負(fù)荷突然變大；空氣區(qū)導(dǎo)致的真空偏低主要原因有真空系統(tǒng)不嚴(yán)密漏入不凝氣體，或主抽氣器工作不良，不能及時抽出空氣；導(dǎo)致熱水井區(qū)水位不正常的原因有水位調(diào)節(jié)裝置故障、主凝水泵故障不能及時抽出凝水使得熱井水水位升高，冷卻水管破裂使海水漏入熱井等；冷凝器管側(cè)故障導(dǎo)致真空偏低的主要因素有海水溫度升高、循環(huán)水管路堵塞，循環(huán)水泵故障導(dǎo)致循環(huán)水量不足，循環(huán)水管路表面不清潔導(dǎo)致?lián)Q熱效果變差等。圖1中的底事件均為未展開事件，如導(dǎo)致抽氣工作不良的因素有工作蒸汽壓力過低、濾網(wǎng)或噴嘴堵塞、冷卻管堵塞或表面不清潔、噴嘴與擴(kuò)壓管之間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化等。

圖1 冷凝器真空偏低故障樹模型

通過故障樹分析得出影響各級事件的詳細(xì)因素，最終得出影響頂事件冷凝器真空偏低的原因。

3 真空偏低故障的動態(tài)仿真分析

采用Matlab語言編寫仿真程序，將靜態(tài)仿真計算得到的冷凝器主要參數(shù)值與設(shè)計值比較，見表1(表中及其后的數(shù)據(jù)均作歸一化處理)。

表1 冷凝器靜態(tài)仿真值與設(shè)計值比較

由表1可見，冷凝器靜態(tài)仿真計算值與設(shè)計值相對誤差均在1%左右，可見所建立的模型以及編制的計算程序具有較好的精度。

開展導(dǎo)致冷凝器真空偏低的3個典型故障的動態(tài)仿真分析，分別為主機(jī)排汽負(fù)荷增大導(dǎo)致的蒸汽區(qū)故障，真空系統(tǒng)不嚴(yán)密導(dǎo)致空氣區(qū)故障，循環(huán)水泵故障導(dǎo)致冷凝器管側(cè)故障進(jìn)而導(dǎo)致冷凝器真空下降。主機(jī)排汽負(fù)荷增大為額定負(fù)荷20%過程的動態(tài)變化見圖2。

圖2 汽輪機(jī)排汽量增大時冷凝器壓力動態(tài)趨勢

圖2中100 s之前冷凝器運行在額定工況下，100 s后主機(jī)排汽負(fù)荷開始增加，一直到500 s增大到額定負(fù)荷20%，然后保持20%額定負(fù)荷不變。由圖2可見，隨著負(fù)荷的增大，冷凝器的壓力逐漸增大，真空逐漸降低；由于受到外界擾動，主機(jī)負(fù)荷在開始階段增大較快，冷凝器壓力增加也較快；隨著負(fù)荷增加放緩，冷凝器壓力增加也放緩；最后基本保持在某一冷凝器壓力處，使得冷凝器處于低于最佳真空狀態(tài)運行。因此，在設(shè)計和運行管理中應(yīng)盡量減少冷凝器所承受的額外熱負(fù)荷，如優(yōu)化汽缸疏水，避免將高溫高壓蒸汽直接疏至冷凝器；仔細(xì)檢查和密切關(guān)注接至冷凝器管路閥門，避免閥門泄漏導(dǎo)致冷凝器熱負(fù)荷增加；密切監(jiān)視汽輪機(jī)各部位的溫度、壓力變化，避免汽輪機(jī)通流部分，進(jìn)排汽管道、閥門等出現(xiàn)故障。

真空系統(tǒng)不嚴(yán)密導(dǎo)致不凝結(jié)的空氣漏入冷凝器，空氣會阻礙蒸汽與冷卻水管的傳熱效果，使得總傳熱熱阻增大，式(4)中冷凝器的總體傳熱系數(shù)K變小，冷凝器內(nèi)蒸汽熱量不能被冷卻水順利帶走，將導(dǎo)致冷凝器內(nèi)真空降低。另外，根據(jù)道爾頓分壓定律如式(1)，空氣分壓增大，將導(dǎo)致冷凝器內(nèi)的壓力增加，冷凝器真空下降。

圖3表示，真空系統(tǒng)不嚴(yán)密造成的冷凝器真空下降故障動態(tài)變化趨勢(虛線為不考慮空氣分壓而僅考慮空氣對傳熱系數(shù)的影響，實線為綜合考慮空氣分壓以及空氣對傳熱系數(shù)的影響)，圖中虛線表明，當(dāng)空氣稍有漏入冷凝器時，冷凝器總體傳熱系數(shù)快速減小，蒸汽凝結(jié)受阻，蒸汽分壓快速增加導(dǎo)致冷凝器內(nèi)壓力快速增大，冷凝器真空快速降低。隨著空氣漏入量增多，總體傳熱系統(tǒng)已降低到一定值時，其對冷凝器壓力的影響逐漸降低，此時空氣分壓(如實線變化趨勢)對冷凝器壓力的影響將占主導(dǎo)地位，隨著空氣漏入增加，冷凝器壓力繼續(xù)升高，真空下降。

圖3 真空系統(tǒng)不嚴(yán)密時冷凝器壓力動態(tài)趨勢

冷凝器內(nèi)不凝結(jié)氣體含量的升高不但會嚴(yán)重制約其經(jīng)濟(jì)性，若冷凝器真空降低過多，還將影響汽輪機(jī)組的安全性，所以需定期對機(jī)組嚴(yán)密性進(jìn)行檢查，保證真空部分的嚴(yán)密性。

循環(huán)水泵故障時循環(huán)水量從額定流量降至50%額定流量時，冷凝器傳熱端差和壓力的變化見圖4～5。

圖4 循環(huán)水泵故障時冷凝器端差動態(tài)趨勢

圖5 循環(huán)水泵故障時冷凝器壓力動態(tài)趨勢

冷凝器在穩(wěn)定運行時，當(dāng)循環(huán)水泵故障，循環(huán)冷卻水量減少，冷凝器換熱量降低，傳熱端差減小，冷凝器內(nèi)壓力升高，真空度下降，最后維持在一較高的真空下運行。若出現(xiàn)此類故障，一般在降負(fù)荷的條件下，依然可以保持機(jī)組的運行，應(yīng)及時找出并排除故障。該機(jī)組為汽輪循環(huán)水泵，循環(huán)水量不足故障來源可能是泵體本身的故障，汽輪機(jī)本體故障等，如水泵葉輪故障損壞、水泵入口管或水泵兩側(cè)漏空氣、轉(zhuǎn)速降低、循環(huán)水泵入口濾網(wǎng)堵塞等。此時若通過分析判斷是由于水泵葉輪損壞所引起的水泵出力下降，應(yīng)及時進(jìn)行修理；若汽輪機(jī)存在漏汽應(yīng)及時尋找和消除漏汽；應(yīng)定期清除入口濾網(wǎng)，等。

4 結(jié)論

1)以蒸汽、空氣、凝水和管側(cè)4個區(qū)建立的冷凝器動態(tài)特性模型，能夠反映其多介質(zhì)并存、耦合的特點，且具有較強(qiáng)的通用性；模型中的總體傳熱系數(shù)可克服傳統(tǒng)蒸汽凝結(jié)換熱系數(shù)不能考慮蒸汽、空氣流動以及水管布置形式影響，且減少了計算量、提高了計算精度。

2)基于冷凝器基本理論建立的冷凝器真空偏低故障樹模型，條理清晰，逐級細(xì)化，定性地判斷出了主輔機(jī)排汽負(fù)荷增大、真空系統(tǒng)不嚴(yán)密、水位調(diào)節(jié)裝置和凝水泵故障、循環(huán)水泵故障和循環(huán)水管路堵塞等均會導(dǎo)致冷凝器真空偏低，這有助于技術(shù)人員更快、更準(zhǔn)確查找故障原因。

3)綜合定性的故障樹方法和定量的動態(tài)仿真分析能夠詳細(xì)描述從故障發(fā)生到結(jié)束，冷凝器真空等參數(shù)的動態(tài)運行趨勢：主機(jī)負(fù)荷在開始階段增大較快，冷凝器壓力增加也較快，隨著負(fù)荷增加放緩，冷凝器壓力增加也放緩，最后基本保持在某一低于最佳真空狀態(tài)運行；當(dāng)空氣稍有漏入冷凝器時，冷凝器總體傳熱系數(shù)快速減小，蒸汽凝結(jié)受阻，蒸汽分壓快速增加導(dǎo)致冷凝器真空快速降低，隨著空氣漏入量增多，空氣分壓對冷凝器壓力的影響將占主導(dǎo)地位，真空繼續(xù)下降。有針對性地給出了避免故障發(fā)生的措施。

引起冷凝器真空偏低的原因有很多，仍有待進(jìn)一步開展故障原因的深入剖析以及大量的故障仿真試驗，建立和完善冷凝器故障數(shù)據(jù)庫。

[1] 劉勝，江娜.船舶動力裝置冷凝器故障特征提取方法研究[J].船舶工程，2008，30(2)：24-26.

[2] 王波，楊建蒙，鐘磊，等.基于模糊層次分析法的凝汽器真空降低影響因素分析與權(quán)重計算[J].熱力發(fā)電，2011，40(4)：41-44.

[3] 徐星，黃啟龍，戴維葆，等.考慮汽輪機(jī)工況變化的凝汽器最佳真空的確定及應(yīng)用[J].動力工程學(xué)報，2015，35(1)：70-75.

[4] 倪何，程剛，孫豐瑞.某型艦用冷凝器動態(tài)數(shù)學(xué)模型的建立和應(yīng)用[J].計算機(jī)仿真，2007，24(7)：337-341

[5] 董琦.凝汽器工作特性仿真研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008.

[6] 王慶，王培紅，蘭立君.對凝汽器傳熱系數(shù)修正的研究[J].華東電力，2008，36(12)：96-99.

[7] 羅航.故障樹分析的若干關(guān)鍵問題[D].成都：電子科技大學(xué)，2010.

Research on the Failure of Vacuum Decline and Dynamic Operation of the Marine Condenser

ZHANGLei,CAOYue-yun,WENG-Lei,CUIJia-lin

(Power Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To find out the reasons for the failure of vacuum degree of condenser becoming lower and its influence upon the operation of condenser, a reasonably dynamic theoretical model of condenser was established considering the stuctural features and operating principle of the condenser. A fault tree model of condenser vacuum decline was setup. The dynamic simulation of the lower vacuum of the condenser was carried out in the typical failure mode, such as the increase of the exhaust of the main engine, the imperfect vacuum system and the failure of the circulating water pump. The results showed that the theoretical model and the program have good precision and can reflect the change trend of the main paremeters.The basic measures to avoid the condenser vacuum degree becoming lower were also proposed.

condenser; vacuum; failure; dynamic simulation

U664.5;TK267

A

1671-7953(2017)06-0067-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.015

2017-01-18

2017-03-13

國家自然科學(xué)基金(51609251)

張磊(1986—)，男，博士，講師

研究方向：艦船動力系統(tǒng)的科學(xué)管理