某船用水位調節器在試驗過程中出現的故障及故障處理

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

在船用汽輪發電機組凝水系統中，用于自動調節機組冷凝器水位的水位調節器是一個關鍵設備，冷凝器水位的高低直接影響到冷凝器的工作性能，進而影響整個機組的熱經濟性和安全可靠性[1]。水位調節器應使冷凝器水位在所有工況下均能維持在合理的高度范圍內，從而保證機組運行的穩定性。在多型機組中都出現過機組低負載工況下水位無法穩定的情況，故障原因則必須具體分析才能確定。因此，在水位調節器獨立試驗過程中摸清其性能特點，對整機組的試驗及運行大有益處。

1 研究對象

作為試驗對象的水位調節器的結構如圖1所示。水位調節器的試驗系統完全模擬機組實際的凝水系統。圖2是機組的試驗系統。圖3是水位調節器的調節原理圖。

水位調節器的調節原理為[2]：當冷凝器水位較高時，將開大通往熱井的排放窗口，大部分凝水排放到熱井，另有少部分凝水通過水位調節器回到冷凝器；當水位較低時，將開大回水窗口，少量凝水直接排放到熱井，大部分凝水通過水位調節器回到冷凝器。在機組水位正常時，水位調節器既不向熱井排水，也不通過熱井向冷凝器補水。當且僅當在開機狀態下，水位較低，系統無法為冷凝器補水時，水位調節器閥桿上移，此時，熱井及抽氣器凝水管路過來的凝水全部排放至冷凝器，直到水位恢復正常。

圖1 水位調節器

圖2 試驗系統原理

圖3 水位調節器的調節原理

2 3種故障的處理

2.1 實際壓差不足的故障處理

對水位調節器進行了初步試驗，由于此時水位調節器的實際性能未知，且需要摸索流量分配的規律，因此先對各窗口的最大流量及系統的匹配性進行摸底。試驗時發現：汽耗量在40 t/h以下時，流量計顯示不準確，需要重新設定。試驗結果如表1所示，水位控制目標值為（400±50）mm。

表1 水位調節器初步試驗結果

根據試驗結果可以發現：1）進入水位調節器的流量基本維持在85 t/h左右，表明這一窗口已經達到最大流量；2）凝水流量為150 t/h時、汽耗量最低為70 t/h時，水位可以穩定，但是考慮到汽耗量流量計顯示問題，這一結果并不完全可靠；在汽耗量低于70 t/h時，水位較難維持穩定。

初步試驗表明：在設計計算中，按照機組實際運行條件，那么冷凝器內真空度（表壓）為?0.08 MPa，甚至更高。而在當前試驗條件下，冷凝器內為大氣壓力，即表壓為0 MPa。因此，由水調向冷凝器回水的窗口其前后壓差較實際運行時減小約0.08 MPa，總壓差約為0.47 MPa，減小的壓差約占總壓差的17%。根據公式若流量系數與計算時的取定值一致，則回水窗口的流量減少約9%。

熱井向冷凝器補水窗口前后壓差較實際減小0.08 MPa，此外實驗冷凝器安裝高度約為2 m，比實際運行的高度（約為5 m）減少約2 m，。因而造成試驗較運行時前后壓差減小約0.10 MPa，約占總壓差（約0.13 MPa）的85%，補水窗口流量減少約61%。

根據上述分析，應增大回水及補水的壓差。為了模擬真實情況，并盡可能減小工程量，為冷凝器增加真空泵，真空泵可在試驗時將冷凝器抽真空，以模擬實際運行工況。

2.2 小流量工況水位持續下降的故障分析

增加真空泵后，試驗時在冷凝器內建立真空?0.05 MPa，試驗結果如表2所示，水位控制目標值為（300±50）mm。從表2可以看出：冷凝器內建立真空后，水位調節器流量特性有明顯改善，但在小流量（＜5t/h）時，水位無法保持在設定值。

如上所述，即使在冷凝器建立真空，仍然存在小汽耗量下水位不穩定的情況。分析此類套筒閥的結構，發現一個共性問題，即其在小流量下難以維持穩定。套筒與滑閥之間存在一定的間隙，否則無法順暢地相對滑動，此前多臺水位調節器的卡澀均是因套筒與滑閥不對中或兩者間間隙過小所引起的。而由于間隙的存在，必然會造成一定量的流體從中泄漏。根據套筒與滑閥的配合尺寸，進行了泄漏流量的計算。套筒與滑閥的配合直徑為135 mm，設計間隙b為0.14 mm ～0.32 mm，泄漏面積A=π×135×b/2，Amin=29.7 mm2，Amax=67.86 mm2。

表2 建立真空后試驗結果

當汽耗量＜5t/h時，水位調節器的排水口全關，補水口全開，此時根據理論計算水位調節器向熱井的泄漏量Qth約為1.62 t/h～3.7 t/h，因此實際的間隙泄漏要小于3.7 t/h。根據估算，機組的空載流量約為4.96 t/h。因此，在機組空載時，泄漏量小于空載流量，即使系統不進行額外補水，也可保證機組在空載時保持穩定的水位。

2.3 突加試驗水位持續上升的故障處理

冷凝器建立真空后，各穩態工況及突卸試驗均滿足設計要求，但在突加工況下，必須調節排系統閥門，增大排至系統的流量才能保持水位穩定[3]。水位調節器排水窗口的實測流量系數僅為0.64左右，與計算時所取定的0.78相差較多。因此，決定對窗口進行修型，擴大其面積，如圖4所示。

圖4 排水窗口修型（單位：mm）

修型后再次進行試驗，試驗數據如表3所示。試驗時真空值為?0.06 MPa，設定水位（300±50）mm，凝水流量約保持為149.2 t/h，排系統水量約保持在70 t/h。在各穩態工況及突加、突卸工況下，水位波動均滿足要求。

3 結論

本文對某型船用汽輪發電機組水位調節器在性能試驗過程中出現的壓差不符合運行情況、小流量下水位持續下降、突加工況下水位持續上升共3個故障進行了分析和處理。通過在試驗系統內增加真空泵為冷凝器建立真空、小流量間隙泄漏流量分析、套筒的排水窗口修型并進行試驗，確保水位調節器具有良好的性能，滿足機組運行要求。該水位調節器的試驗及故障處理方法可成為后續設計提供參考。

表3 窗口修型后試驗結果

[1] 許濤, 張鯤羽, 李少軍. 汽輪機凝水調節的自動控制分析研究[J]. 艦船科學技術, 2016(8): 86-89.

[2] 馬俊, 張為榮. 船用汽輪發電機組冷凝器的兩種現用水位調節器的比較[J]. 機電一體化, 2007(6):76-78.

[3] 須一宏, 朱蕾, 靳軍. 小型汽輪機凝水系統的特性匹配與計算[J]. 電站輔機, 2009(6): 16-19, 43.