回汽保護(hù)控制下艦用蒸汽動力系統(tǒng)響應(yīng)規(guī)律

史智俊，張國磊，李彥軍，宋福元，李曉明，曾帥

（哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001）

引 言

機(jī)動性是艦船最重要的技術(shù)性能之一，艦船蒸汽動力系統(tǒng)的緊急減速能力是決定艦船機(jī)動性的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)［1－3］。在艦船緊急減速過程中主機(jī)進(jìn)汽量快速減少，由于動力系統(tǒng)的慣性、控制調(diào)節(jié)滯后性等原因，引起汽包壓力急劇上升，嚴(yán)重時會導(dǎo)致安全閥起跳甚至損壞動力設(shè)備，直接影響動力系統(tǒng)的安全運行［4－6］。回汽保護(hù)是提升艦船緊急減速能力緩解汽包壓力驟升的有效控制方法。回汽保護(hù)控制在緊急減速過程中將富余的過熱蒸汽引入倒車汽輪機(jī)，避免汽包超壓以保護(hù)鍋爐，但同時由于汽輪機(jī)排汽溫度升高對冷凝器工作造成一定沖擊。國內(nèi)外學(xué)者對船用蒸汽動力系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行相關(guān)研究。張曉云等［7］在負(fù)荷保持不變情況下分析燃油量擾動對增壓鍋爐汽包參數(shù)的影響；Dragon等［8］在保持鍋爐負(fù)荷情況下研究了增壓鍋爐汽包壓力等參數(shù)隨燃油量和給水量擾動的變化規(guī)律；冷欣等［9－11］研究燃燒工況不變情況下突降負(fù)荷后汽包水位的響應(yīng)規(guī)律；朱泳等［12］在燃燒及給水工況不變情況下，對增壓鍋爐負(fù)荷施加突降擾動，分析汽包參數(shù)變化趨勢；荀振宇［13］通過實驗和仿真建模兩種手段研究擾動負(fù)荷下增壓鍋爐參數(shù)的變化；金家善等［14］建立蒸汽動力艦船制動系統(tǒng)仿真模型，分析回汽制動對于制動時間的影響。對于回汽保護(hù)控制下蒸汽動力系統(tǒng)的響應(yīng)規(guī)律尚無研究文獻(xiàn)發(fā)表。本文在文獻(xiàn) ［15－16］基礎(chǔ)上建立蒸汽動力系統(tǒng)回汽保護(hù)模型，研究了不同回汽控制條件下增壓鍋爐汽包壓力和冷凝器入口蒸汽溫度 （冷凝器喉部溫度）的響應(yīng)規(guī)律，為回汽保護(hù)控制方案優(yōu)化提供理論支撐。

1 回汽保護(hù)數(shù)學(xué)模型

回汽保護(hù)涉及鍋爐、主機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥、主汽輪機(jī)、冷凝器等設(shè)備的聯(lián)合運行及調(diào)節(jié)，根據(jù)實際動力系統(tǒng)，依據(jù)能質(zhì)守恒、動量守恒等定律建立熱力系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。

1.1 增壓鍋爐數(shù)學(xué)模型

1.1.1 蒸發(fā)區(qū)數(shù)學(xué)模型 蒸發(fā)區(qū)主要指爐膛汽水側(cè)，包括汽包、水冷壁、對流蒸發(fā)管束等。建模做如下假設(shè)：①水冷壁和汽包中保持汽液兩相平衡，忽略事故用水及排污；②下降管內(nèi)的工質(zhì)不發(fā)生沸騰，全部為過冷水，與外界沒有熱量交換；③上升管內(nèi)汽、水均處于飽和狀態(tài)，汽液分布均勻且流速相同；④汽包和上升管內(nèi)各處溫度和壓力同步變化。據(jù)此采用集總參數(shù)法建立蒸發(fā)區(qū)動態(tài)數(shù)學(xué)模型。

質(zhì)量守恒方程

能量守恒方程

蒸發(fā)區(qū)總?cè)莘eVzf

對時間求導(dǎo)，變換公式得

1.1.2 單相集總參數(shù)對象數(shù)學(xué)模型 經(jīng)濟(jì)器、過熱器內(nèi)部工質(zhì)均為單相工質(zhì)，數(shù)學(xué)模型具有相似性。采用集總參數(shù)法建模，對其進(jìn)行如下簡化和假設(shè)：①工質(zhì)沿管長做一元流動，無內(nèi)部環(huán)流，以出口參數(shù)作為集總參數(shù)；②管內(nèi)工質(zhì)充分混合，各截面參數(shù)均勻；③煙道密封性良好，管內(nèi)煙氣質(zhì)量流量均相同［17］。

質(zhì)量守恒方程

能量守恒方程

動量守恒方程

聯(lián)解式 （7）和式 （8）可得工質(zhì)狀態(tài)參數(shù)變化速率

1.2 調(diào)節(jié)閥流量數(shù)學(xué)模型

蒸汽動力艦船回汽保護(hù)系統(tǒng)中閥門包括正車汽輪機(jī)噴嘴閥和倒車調(diào)節(jié)閥，其流量特性都屬于等百分比型，流量特性方程［18－20］為

當(dāng) （p0－p1）／p0＜FKXT，即壓降比小于臨界值時，調(diào)節(jié)閥流量表示為

對于過熱蒸汽

當(dāng) （p0－p1）／p0＞FKXT，即壓降比大于臨界值時，進(jìn)汽流量可以表示為

1.3 主汽輪機(jī)數(shù)學(xué)模型

1.3.1 調(diào)節(jié)級汽輪機(jī)數(shù)學(xué)模型 調(diào)節(jié)級汽輪機(jī)的流量方程

其中

忽略工質(zhì)初始溫度、壓力影響，汽輪機(jī)效率函數(shù)可以表示為

調(diào)節(jié)級汽輪機(jī)排汽焓

1.3.2 非調(diào)節(jié)級汽輪機(jī)數(shù)學(xué)模型 非調(diào)節(jié)級汽輪機(jī)在變工況前后處于臨界狀態(tài)，進(jìn)汽流量方程為

非調(diào)節(jié)級汽輪機(jī)在變工況前后未達(dá)到臨界狀態(tài)即pf2／pf1＞0.546時的進(jìn)汽流量方程

非調(diào)節(jié)級汽輪機(jī)效率和排汽焓的數(shù)學(xué)模型與調(diào)節(jié)級汽輪機(jī)一致。

2 仿真模型及驗證

基于SimuWorks仿真軟件，建立艦船蒸汽動力系統(tǒng)回汽保護(hù)仿真模型，包括增壓鍋爐、噴嘴閥、倒車調(diào)節(jié)閥、調(diào)節(jié)級汽輪機(jī)、非調(diào)節(jié)級汽輪機(jī)及螺旋槳等仿真模塊。基于以上仿真模型計算得到某艦船高速工況和低速工況主要穩(wěn)態(tài)參數(shù)與試驗值對比如表1所示，緊急減速工況動態(tài)過程中，螺旋槳轉(zhuǎn)速變化曲線與試驗曲線如圖1所示，所有參數(shù)經(jīng)歸一化處理。

表1 仿真值及相對誤差Table 1 Simulation values and relative errors

圖1 螺旋槳轉(zhuǎn)速曲線Fig.1 RPM of propeller

由表1和圖1可知，蒸汽動力系統(tǒng)的主要性能參數(shù)仿真穩(wěn)態(tài)值誤差在5%以內(nèi)，動態(tài)變化過程中仿真曲線和試驗曲線變化趨勢、響應(yīng)時間相同，仿真模型具有較高的計算精度。

3 仿真結(jié)果及分析

以某艦船從高速工況緊急減速至低速工況動態(tài)過程作為蒸汽動力系統(tǒng)的仿真研究工況，對不同倒車調(diào)節(jié)閥最大開度 （回汽開度）、不同開閥時間條件下回汽保護(hù)規(guī)律進(jìn)行仿真研究。回汽保護(hù)控制為當(dāng)主汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力達(dá)到觸發(fā)值時，回汽保護(hù)啟動，倒車調(diào)節(jié)閥開啟；當(dāng)主汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力回落至安全壓力，回汽保護(hù)關(guān)閉。

3.1 回汽保護(hù)對汽包壓力影響

為了定量確認(rèn)回汽保護(hù)對汽包壓力的影響，汽包安全閥在仿真計算時設(shè)定不起跳。圖2、圖3所示為緊急減速過程中不同倒車調(diào)節(jié)閥最大開度下汽包壓力和燃油流量的響應(yīng)曲線。汽包壓力以安全閥起跳壓力為基準(zhǔn)，燃油流量以高速工況燃油量為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化處理。如圖所示，不采用回汽保護(hù)工況 （回汽開度0%），汽包壓力一直比其他工況高，在0～1.4min內(nèi)主汽輪機(jī)流量急劇減小導(dǎo)致汽包壓力迅速上升，之后由于燃油量調(diào)節(jié)有效減少了鍋爐吸熱量，汽包壓力上升速度趨緩，但汽包壓力在2.0～4.6min內(nèi)均處于超壓狀態(tài)；回汽開度30%工況的汽包壓力在0～1.4min內(nèi)快速上升，但上升速度較不采用回汽保護(hù)工況平緩，在回汽保護(hù)作用下汽包中過量過熱蒸汽排至倒車汽輪機(jī)，汽包壓力最大值達(dá)到安全閥起跳壓力，隨后快速降低；回汽開度40%工況下汽包壓力在0～1.4min內(nèi)與回汽開度30%工況重合，上升速度相同，但倒車調(diào)節(jié)閥最大開度增大10%，回汽流量增大，汽包壓力最大升至0.99，隨后下降。分析可知，設(shè)定倒車調(diào)節(jié)閥最大開度為40%能保證增壓鍋爐不超壓，是3種工況中最優(yōu)化方案。

圖2 不同回汽開度下汽包壓力曲線Fig.2 Drum pressure in different valve opening

回汽保護(hù)時倒車調(diào)節(jié)閥最大開度為40%，設(shè)定不同開閥時間所對應(yīng)的汽包壓力變化曲線如圖4所示，仿真過程中倒車調(diào)節(jié)閥勻速開啟。由圖可見，3個工況下汽包壓力變化趨勢基本一致，在0～1.5min內(nèi)汽包壓力快速上升至最大值，其后在回汽保護(hù)控制與燃油調(diào)節(jié)共同作用下，汽包壓力變化趨于平緩，之后迅速降低。在上升階段中，開閥時間60s、28s、17s工況下汽包壓力最大值分別為0.994、0.991、0.989，且上升速度逐漸減緩，分析可知開閥時間越短，倒車汽輪機(jī)流量增大的速度越快，汽包壓力上升的幅度和速度都減小。

綜合對比圖2和圖4可知，回汽保護(hù)能夠有效緩解緊急減速時汽包壓力驟升情況，且倒車調(diào)節(jié)閥最大開度越大、開閥時間越短，回汽保護(hù)效果越明顯。仿真結(jié)果表明，在研究范圍內(nèi)回汽保護(hù)過程中倒車調(diào)節(jié)閥最大開度為40%、開閥時間為17s時，緩解汽包超壓的效果最好，汽包最高壓力相對于不采用回汽保護(hù)降低20.2%。

圖3 不同回汽開度下燃油消耗量曲線Fig.3 Flow rate of fuel in different valve opening

圖4 不同開閥時間下汽包壓力曲線Fig.4 Drum pressure in different opening valve time

3.2 回汽保護(hù)對冷凝器喉部溫度影響

圖5所示為倒車調(diào)節(jié)閥不同最大開度下冷凝器喉部溫度變化曲線。由圖可見，不采用回汽保護(hù)工況下冷凝器喉部溫度雖然出現(xiàn)細(xì)微波動但整體上保持小幅度下降趨勢；回汽開度30%、40%工況下冷凝器喉部溫度都出現(xiàn)了大幅度波動的過程，而且倒車調(diào)節(jié)閥開度越大，冷凝器喉部溫度峰值越高，波動幅度越大。回汽開度40%時，冷凝器喉部溫度最大值約為252℃，與實驗數(shù)值基本吻合，此時動力系統(tǒng)能夠保證正常運行。分析可知，在回汽保護(hù)作用時，過熱蒸汽通過倒車調(diào)節(jié)閥進(jìn)入低效的倒車汽輪機(jī)，主汽輪機(jī)排汽溫度升高，導(dǎo)致冷凝器喉部溫度升高。

圖5 不同最大回汽開度喉部溫度曲線Fig.5 Condenser inlet temperature in different valve opening

圖6 不同開閥時間喉部溫度曲線Fig.6 Condenser inlet temperature in different opening valve time

圖6為倒車調(diào)節(jié)閥最大開度40%時，3種不同開閥時間下冷凝器喉部溫度變化曲線，圖7為不同開閥時間下回汽蒸汽流量曲線。如圖所示，在0.4 min時回汽保護(hù)開始動作，在0.4～1.4min內(nèi)，開閥時間17s、28s、60s工況的回汽開度依次增大至40%，回汽蒸汽流量相應(yīng)增大，冷凝器喉部溫度依次上升；在1.4min以后3種工況下回汽蒸汽流量相同，由于熱慣性作用，冷凝器喉部溫度繼續(xù)上升且上升幅度基本相同。隨著主鍋爐負(fù)荷降低，供汽溫度降低，汽輪機(jī)排汽溫度也相應(yīng)降低，喉部溫度在升高至最大值后逐漸降低，在回汽保護(hù)關(guān)閉后趨于穩(wěn)定。

通過以上分析可知，在相同最大回汽開度情況下，當(dāng)回汽開度達(dá)到最大值時冷凝器喉部溫度未達(dá)到最大，由于熱慣性作用，開閥時間對于冷凝器喉部溫度最大值無明顯影響。因此在相同最大回汽閥門開度時，回汽開閥時間越短，利于減小汽包壓力驟升幅度而不加劇對冷凝器的熱力沖擊，回汽保護(hù)作用越好。

圖7 不同開閥時間下回汽蒸汽流量曲線Fig.7 Flow rate of backing steam in different opening valve time

4 結(jié) 論

（1）回汽保護(hù)能夠有效提升艦船緊急減速能力，緩解增壓鍋爐汽包壓力驟升幅度。倒車調(diào)節(jié)閥最大開度為40%、開閥時間為17s時回汽保護(hù)效果最佳，相對于不采用回汽保護(hù)，汽包最高壓力降低20.2%。

（2）回汽保護(hù)會引起冷凝器喉部溫度的大幅度波動，對冷凝器正常工作產(chǎn)生不利影響。冷凝器喉部溫度隨著回汽閥開度增大而遞增，在倒車調(diào)節(jié)閥最大開度40%時最大，達(dá)到252℃。

（3）相同倒車調(diào)節(jié)閥最大開度情況下，開閥時間越短，不會加劇對冷凝器的沖擊，而能更有效緩解汽包壓力驟升幅度，回汽保護(hù)效果越好。

符 號 說 明

cj，cdj——分別為蒸發(fā)區(qū)和單相受熱面金屬比熱容，kJ·kg－1·K－1

Di，Do——分別為單相受熱面進(jìn)、出口工質(zhì)流量，kg·s－1

ΔDe，ΔDqb——分別為蒸發(fā)區(qū)、進(jìn)出口工質(zhì)流量，kg·s－1

FK——過熱蒸汽絕熱修正系數(shù)

FP——管道幾何形狀系數(shù)

he——蒸發(fā)區(qū)進(jìn)口工質(zhì)焓值，kJ·kg－1

hi，h——分別為單相受熱面進(jìn)、出口工質(zhì)焓值，kJ·kg－1

hq——汽包給水欠焓，kJ·kg－1

h0——單相受熱面工質(zhì)平均焓值，kJ·kg－1

h1，h2——分別為調(diào)節(jié)級進(jìn)口焓、實際排汽焓，kJ·kg－1

h2s——理想排汽焓值，kJ·kg－1

h′，h″——分別為飽和水、飽和蒸汽焓值，kJ·kg－1

KVmax——調(diào)節(jié)閥全開時流量系數(shù)

lt——t時刻閥芯位移與全開位移之比

Mdj，Myx——分別為單相受熱面、蒸發(fā)區(qū)內(nèi)金屬有效質(zhì)量，kg

N——常數(shù)

pf1，pf2——分別為非調(diào)節(jié)級變工況蒸汽進(jìn)、出口壓力，MPa

pf10，pf20——分別為非調(diào)節(jié)級設(shè)計工況蒸汽進(jìn)、出口壓力，MPa

pi，p——分別為單相受熱面進(jìn)、出口工質(zhì)壓力，MPa

pzf——蒸發(fā)區(qū)壓力，MPa

p0，p1——分別為調(diào)節(jié)閥進(jìn)、出口蒸汽壓力，MPa

p10——設(shè)計工況進(jìn)口壓力，MPa

p2，p3——分別為調(diào)節(jié)級變工況出口、進(jìn)口壓力，MPa

Q——單相受熱面金屬吸熱量，kJ·s－1

ΔQzf——蒸發(fā)區(qū)吸熱量變化量，kJ·s－1

R——調(diào)節(jié)閥可調(diào)比

r——汽化潛熱，kJ·kg－1

Tf1，Tf10——分別為變工況、設(shè)計工況非調(diào)節(jié)級蒸汽進(jìn)口溫度，K

T1，T10——分別為變工況、設(shè)計工況調(diào)節(jié)級蒸汽進(jìn)口溫度，K

td——單相受熱面金屬溫度，K

tj——蒸發(fā)區(qū)金屬壁溫，K

u——調(diào)節(jié)級圓周速度，m·s－1

V——單相受熱面內(nèi)工質(zhì)總體積，m3

V′，V″——分 別 為 蒸 發(fā) 區(qū) 內(nèi) 飽 和 水、飽 和 蒸 汽 體積，m3

W——調(diào)節(jié)閥蒸汽流量，kg·s－1

Wf1，Wf10——分別為非調(diào)節(jié)級變工況、設(shè)計工況下工作流量，kg·s－1

W1，W10——分別為調(diào)節(jié)級變工況、設(shè)計工況下工作流量，kg·s－1

XT——臨界壓降比

Y——蒸汽膨脹系數(shù)

β——調(diào)節(jié)級流量修正系數(shù)

ε，εcr——分別為壓力和臨界壓力

η——調(diào)節(jié)級效率

θ——閥門開度

θt——t時刻調(diào)節(jié)閥開度

ξ——單相受熱面金屬管入口阻力系數(shù)

ρ——單相受熱面內(nèi)平均密度，kg·m－3

ρs——調(diào)節(jié)閥前蒸汽密度，kg·m－3

ρ′，ρ″——分別為蒸發(fā)區(qū)內(nèi)飽和水、飽和蒸汽密度，kg·m－3

ωi——單相受熱面內(nèi)工質(zhì)流速，m·s－1

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