蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)在不同工況下的凝水分配協(xié)調(diào)性分析

張凡，吳廉巍，張僑禹

1 中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064

2 海軍裝備部駐武漢地區(qū)第二軍事代表室，湖北 武漢 430064

0 引 言

凝水系統(tǒng)是船用蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)中連接冷凝器、凝水泵、除氧器等設(shè)備的關(guān)鍵紐帶，通過(guò)凝水節(jié)流調(diào)節(jié)閥、循環(huán)調(diào)節(jié)閥以及儲(chǔ)水調(diào)節(jié)閥等控制元件，即可實(shí)現(xiàn)凝水系統(tǒng)的協(xié)調(diào)分配，從而滿足系統(tǒng)在不同運(yùn)行工況下的凝水流量和壓力要求。如果系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或布置方案不合理，則3 個(gè)調(diào)節(jié)閥的組合使用將無(wú)法實(shí)現(xiàn)凝水系統(tǒng)的協(xié)調(diào)分配，進(jìn)而導(dǎo)致凝水流量分配不均、部分設(shè)備的凝水流量過(guò)大或過(guò)小，最終影響整個(gè)凝水管網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1-4]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)凝水管網(wǎng)的水力計(jì)算開(kāi)展了大量研究工作。Miller[5]開(kāi)展了常見(jiàn)元器件（例如，直管段、三通、彎頭、閥門(mén)等）在不同雷諾數(shù)以及組合方式下的阻力特性分析，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐。Tveit 等[6]、Tian 等[7]和Jiang 等[8]研究了環(huán)狀及枝狀等管網(wǎng)的水力損失情況，得出枝狀管網(wǎng)的水力損失小于環(huán)狀管網(wǎng)的結(jié)論。劉方等[9]針對(duì)船舶淡水冷卻系統(tǒng)的流量分配，提出了新的流量補(bǔ)償計(jì)算方法。張文斌等[10]研究了系統(tǒng)參數(shù)對(duì)凝水泵運(yùn)行邊界條件的影響。然而，現(xiàn)有研究大多針對(duì)的是單一穩(wěn)定工況，鮮有針對(duì)系統(tǒng)多運(yùn)行工況在不同控制方案下的凝水流量分配的研究成果。

基于此，本文擬采用Flowmaster 仿真計(jì)算軟件，建立船舶凝水系統(tǒng)的管網(wǎng)仿真模型，分析凝水系統(tǒng)在不同運(yùn)行工況下的分配協(xié)調(diào)性，用以為實(shí)船凝水系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

1 研究對(duì)象

1.1 船用蒸汽動(dòng)力凝水系統(tǒng)

圖1 凝水系統(tǒng)組成圖Fig. 1 The connection diagram of condensate water system

搭建船用蒸汽動(dòng)力凝水系統(tǒng)的某陸上試驗(yàn)臺(tái)架，其組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。凝水泵從冷凝器中抽取凝水，加壓之后經(jīng)濾器輸送至除氧器。同時(shí)，系統(tǒng)中設(shè)有再循環(huán)管路和儲(chǔ)水管路，分別用于冷凝器中液位偏低時(shí)的凝水再循環(huán)和除氧器中液位偏高時(shí)將部分凝水輸送至水柜。選擇冷凝器的安裝高度為基準(zhǔn)高度，水柜和除氧器分別位于基準(zhǔn)高度10 m 和6 m 以上的位置。

為實(shí)現(xiàn)凝水的有效分配，需分別設(shè)置凝水節(jié)流閥、循環(huán)閥和儲(chǔ)水閥這3 個(gè)控制元件。其中，節(jié)流閥和循環(huán)閥配合使用，且動(dòng)作方向相反，用以精確控制冷凝器的液位；儲(chǔ)水閥通過(guò)在除氧器之前對(duì)凝水進(jìn)行分流來(lái)控制除氧器的液位。

1.2 仿真模型

Flowmaster 軟件采用流體網(wǎng)絡(luò)分析方法，首先將系統(tǒng)簡(jiǎn)化為節(jié)點(diǎn)和管段，然后聯(lián)立求解流體的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。假設(shè)某管網(wǎng)由B條管段和N+1 個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，其網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)形式如下：

式中：A為管網(wǎng)的N×B階關(guān)聯(lián)矩陣；G為支路的流量，其為B階列向量；M為節(jié)點(diǎn)質(zhì)量，其為N階列向量；t為時(shí)間；AT為管網(wǎng)的B×N階關(guān)聯(lián)矩陣；p為節(jié)點(diǎn)處的壓力；S為各支路的阻力系數(shù)，為B×B階對(duì)角矩陣；ρ 為節(jié)點(diǎn)處的流體密度；g為重力加速度；Z為管段高度差，其為B階列向量；D為支路上的動(dòng)力源升壓，其為B階列向量；L為各管段的流感，在數(shù)值上等于流量變化1 個(gè)單位時(shí)引起的壓力變化量；A·q為各支路流入節(jié)點(diǎn)的熱流量之和，其中q為熱流密度；A·(q+r)為各支路流出節(jié)點(diǎn)的熱流量之和，其中r為熱交換量；H為各節(jié)點(diǎn)的焓值。

利用Flowmaster 仿真計(jì)算軟件建立船用蒸汽動(dòng)力凝水系統(tǒng)的仿真模型，如圖2 所示，其中數(shù)字1～22 為管路節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符。

為便于計(jì)算，凝水系統(tǒng)中的濾器、彎頭等器件均采用阻力元件來(lái)模擬其壓力損失。由于本文將主要研究穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下凝水系統(tǒng)各支路的壓力和流量分布情況，而不考慮冷凝器等容器的液位動(dòng)態(tài)控制，故可將冷凝器、除氧器和水柜均設(shè)定為固定壓力容器（組件僅有一個(gè)接口），且水柜通大氣。本文將凝水泵抽取源和循環(huán)管路回水源分開(kāi)設(shè)置，其他參數(shù)均按照陸上試驗(yàn)系統(tǒng)在高/低工況下的實(shí)際性能參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。為便于對(duì)比分析，所有參數(shù)均以系統(tǒng)在高工況下的額定值為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化處理，其中：冷凝器、除氧器的工作壓力分別為?0.2，0.06；節(jié)流閥、循環(huán)閥和儲(chǔ)水閥均為線性特性，節(jié)流閥的流量系數(shù)CV=1，循環(huán)閥和儲(chǔ)水閥的流量系數(shù)CV=0.32。

圖2 凝水系統(tǒng)的仿真模型Fig. 2 The simulation model of condensate water system

2 仿真結(jié)果分析

2.1 低工況下凝水系統(tǒng)的運(yùn)行情況

計(jì)算低工況下凝水系統(tǒng)的分配情況時(shí)，需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)節(jié)流閥后、循環(huán)閥后和儲(chǔ)水閥后的壓力值，以及節(jié)流閥后、循環(huán)閥后、除氧器前和儲(chǔ)水閥后的流量值。由于該系統(tǒng)設(shè)有3 個(gè)調(diào)節(jié)閥，為便于分析，本文將針對(duì)2 種運(yùn)行情況開(kāi)展研究，分別為：在節(jié)流閥和循環(huán)閥定閥位下，研究?jī)?chǔ)水閥的儲(chǔ)水能力；在儲(chǔ)水閥定閥位下，研究節(jié)流閥和循環(huán)閥在不同開(kāi)度的凝水流量分配情況。

首先，取常用狀態(tài)的閥門(mén)開(kāi)度值，將節(jié)流閥和循環(huán)閥的開(kāi)度分別設(shè)為30%和45%，而儲(chǔ)水閥則從0 開(kāi)始，以10% 的步長(zhǎng)增加閥門(mén)開(kāi)度，直至全開(kāi)。凝水系統(tǒng)壓力和流量分配情況的仿真結(jié)果如圖3 所示。為驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，本文將模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)（源自圖1 所示的陸上試驗(yàn)臺(tái)架實(shí)測(cè)結(jié)果）進(jìn)行了對(duì)比。由圖3 可以看出，仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，驗(yàn)證了本文仿真模型的準(zhǔn)確性；隨著儲(chǔ)水閥開(kāi)度的不斷增加，節(jié)流閥和循環(huán)閥后的壓力有所降低，而儲(chǔ)水閥后的壓力則緩慢升高；同時(shí)，除氧器前的凝水流量逐漸降低，而儲(chǔ)水流量則不斷增加；當(dāng)儲(chǔ)水閥全開(kāi)時(shí)，儲(chǔ)水流量約為0.128。

然后，根據(jù)低工況下的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，按照表1 設(shè)置節(jié)流閥和循環(huán)閥的開(kāi)度，而儲(chǔ)水閥的開(kāi)度則固定為80%，其凝水分配情況的仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖3 低工況下儲(chǔ)水閥開(kāi)度對(duì)凝水分配的影響Fig. 3 The influence of storage valve opening on condensate water distribution under low working condition

表1 低工況下不同調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度組合Table 1 Opening combination of different regulating valves under low working condition

從圖4 可以看出：隨著節(jié)流閥逐漸開(kāi)大和循環(huán)閥逐漸關(guān)小，節(jié)流閥和儲(chǔ)水閥后的壓力隨之不斷增加，而循環(huán)閥后的壓力則逐漸降低，直至接近冷凝器的真空值；同時(shí)，經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入除氧器和經(jīng)儲(chǔ)水閥進(jìn)入水柜的凝水流量不斷增加，而再循環(huán)流量則不斷減小。圖4 還呈現(xiàn)了一個(gè)非常重要的問(wèn)題，即當(dāng)節(jié)流閥開(kāi)度小于13%時(shí)，儲(chǔ)水閥后的流量為負(fù)，這說(shuō)明此時(shí)儲(chǔ)水閥中的凝水為倒流狀態(tài)，也即水柜中的凝水將倒流進(jìn)入除氧器，因此此時(shí)不僅無(wú)法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)水，反而還會(huì)導(dǎo)致對(duì)除氧器的反向補(bǔ)水。

圖4 低工況下節(jié)流閥和循環(huán)閥開(kāi)度對(duì)凝水分配的影響Fig. 4 The influence of throttle valve and recirculation valve openings on condensate water distribution under low working condition

綜上所述，在低工況下，僅當(dāng)節(jié)流閥開(kāi)度大于13%時(shí)，3 個(gè)調(diào)節(jié)閥才可以實(shí)現(xiàn)對(duì)凝水分配系統(tǒng)的有效管理；當(dāng)節(jié)流閥處于小開(kāi)度時(shí)，凝水系統(tǒng)將無(wú)法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)水功能；在節(jié)流閥處于30%、循環(huán)閥處于45%的常用工況下，最大儲(chǔ)水量為0.128，儲(chǔ)水能力較為有限。

2.2 高工況下凝水系統(tǒng)的運(yùn)行情況

在高工況下，凝水系統(tǒng)的蒸發(fā)量較大，大量凝水將進(jìn)入除氧器，即凝水的再循環(huán)量較小，故節(jié)流閥將處于高閥位，而循環(huán)閥則處于低閥位。

首先，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，將節(jié)流閥和循環(huán)閥的開(kāi)度分別設(shè)為90%和18%，而儲(chǔ)水閥則從0 開(kāi)始，以10%的步長(zhǎng)增加閥門(mén)開(kāi)度，直至全開(kāi)。凝水系統(tǒng)壓力和流量分配情況的仿真結(jié)果如圖5 所示。由圖中可看出：隨著儲(chǔ)水閥開(kāi)度的不斷增加，節(jié)流閥和循環(huán)閥后的壓力逐漸降低，而儲(chǔ)水閥后的壓力則有所增加，且其增加速率明顯高于低工況；當(dāng)儲(chǔ)水閥的開(kāi)度增加時(shí)，儲(chǔ)水流量快速升高，而進(jìn)入除氧器的流量則明顯減小，這說(shuō)明此時(shí)凝水分配的協(xié)調(diào)性更好；當(dāng)儲(chǔ)水閥全開(kāi)時(shí)，儲(chǔ)水流量約為0.404。

圖5 高工況下儲(chǔ)水閥對(duì)凝水分配的影響Fig. 5 The influence of storage valve opening on condensate water distribution under high working condition

表2 高工況下不同調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度組合Table 2 Opening combination of different regulating valves under high working condition

然后，根據(jù)高工況下的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，按照表2 設(shè)置節(jié)流閥和循環(huán)閥的開(kāi)度，而儲(chǔ)水閥的開(kāi)度則固定為80%，其凝水分配情況的仿真結(jié)果如圖6 所示。由圖中可以看出：相較于低工況，高工況下節(jié)流閥后與儲(chǔ)水閥后的壓力差更大；在調(diào)節(jié)閥的各種組合控制方案下，凝水分配協(xié)調(diào)性的改善效果更為明顯。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

圖6 高工況下節(jié)流閥和循環(huán)閥開(kāi)度對(duì)凝水分配的影響Fig. 6 The influence of throttle valve and recirculation valve openings on condensate water distribution under high working condition

為解決現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案在低工況下凝水存儲(chǔ)能力不足，甚至儲(chǔ)水閥的凝水倒流問(wèn)題，并保證系統(tǒng)的原組成設(shè)備性能不變，本文基于凝水系統(tǒng)管路布置提出了2 種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，用以為實(shí)船應(yīng)用提供參考。

第1 種方案是調(diào)整設(shè)備的安裝高度。為了減小儲(chǔ)水阻力，可以適當(dāng)降低水柜的安裝高度。為了避免在任何運(yùn)行工況下的凝水倒流問(wèn)題，需保證水柜與除氧器的高度差加上水柜液面高度小于除氧器壓力值所對(duì)應(yīng)的水柱高度。經(jīng)分析，在保證除氧器安裝高度不變的前提下，水柜的安裝高度應(yīng)不大于8 m。因此，第1 種優(yōu)化方案將水柜的安裝高度修改為8 m，其他均與原方案保持一致。

第2 種方案是在不調(diào)整系統(tǒng)設(shè)備安裝位置的前提下，將儲(chǔ)水管路連接至節(jié)流閥之前，以增加儲(chǔ)水壓頭，從而保證儲(chǔ)水閥前的足夠壓力。

根據(jù)表1 設(shè)置閥門(mén)的運(yùn)行狀態(tài)，2 種優(yōu)化方案與原方案的儲(chǔ)水能力仿真對(duì)比結(jié)果如圖7 所示。

由圖7 可以看出，2 種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案均可以改善儲(chǔ)水能力，尤其是節(jié)流閥小開(kāi)度時(shí)的儲(chǔ)水能力存在明顯提升；在各種閥門(mén)組合控制下，均未出現(xiàn)凝水經(jīng)儲(chǔ)水閥倒流的現(xiàn)象，從而解決了低工況下凝水系統(tǒng)的儲(chǔ)水問(wèn)題。

圖7 低工況下2 種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案與原設(shè)計(jì)方案儲(chǔ)水能力的對(duì)比分析Fig. 7 Comparison of water storage capacity between two optimized design schemes and the original design scheme under low working condition

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于船用蒸汽動(dòng)力凝水系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)行了高工況和低工況下的凝水分配協(xié)調(diào)性分析。結(jié)果顯示，在低工況下，不僅儲(chǔ)水能力非常有限，而且還出現(xiàn)了凝水系統(tǒng)無(wú)法儲(chǔ)水，甚至是水柜凝水倒流進(jìn)入除氧器的問(wèn)題；在高工況下，凝水分配的協(xié)調(diào)性相對(duì)較好。同時(shí)，本文還提出了降低水柜安裝高度和調(diào)整系統(tǒng)管路連接方式這2 種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，計(jì)算驗(yàn)證結(jié)果表明，該優(yōu)化方案可以有效改善低工況下的凝水分配協(xié)調(diào)性。