汽力装置回汽制动工况下主冷凝器进汽温度模型

朱 泳，陈 博

（海军驻上海江南造船集团（有限）责任公司军事代表室，上海 201913）

汽力装置回汽制动工况下主冷凝器进汽温度模型

朱 泳，陈 博

（海军驻上海江南造船集团（有限）责任公司军事代表室，上海 201913）

针对蒸汽动力船舶回汽制动工况下主冷凝器的运行安全问题，通过回汽制动工况下主冷凝器的运行状态分析，建立回汽制动工况下主冷凝器进汽温度模型，并基于Matlab/Simulink环境，建立主冷凝器进汽温度的仿真模型。仿真结果表明，回汽制动工况下，采用理想制动策略时主冷凝器进汽温度会超过允许值，导致主冷凝器的损坏，影响蒸汽动力装置的安全运行，因此需对倒车汽轮机回汽时机进行限制。

主冷凝器；回汽制动工况；进汽温度；建模仿真

0 引言

船用蒸汽动力装置的回汽制动是在正车汽轮机未完全关闭时，开始向倒车汽轮机供入一定流量的蒸汽并产生回汽制动负载，消耗正车汽轮机功率，从而实现正车汽轮机及螺旋桨转速的迅速下降，加速舰船制动[1]。

回汽制动过程中，倒车汽轮机排汽温度的变化趋势比较复杂。首先，在倒车汽轮机刚开始进汽时，尽管汽轮机转速高，倒车汽轮机动叶对蒸汽施加的能量也最大，但由于排汽口金属温度较低、且正车汽轮机尚有剩余低温蒸汽排出，因而排汽温度不会瞬间超限；其次，随着倒车汽轮机回汽制动的持续，当排汽口金属被不断加热而温度提高、且正车汽轮机停止排出低温蒸汽后，尽管倒车汽轮机动叶对蒸汽施加的能量随着主汽轮机转速的下降而减少，但因为周边环境的吸热能力有限，有可能导致主冷凝器进汽温度超过其喉部所许可的温度，造成主冷凝器的损坏。因此，文中建立主冷凝器进汽温度模型，分析回汽制动工况下，主冷凝器运行状态。

1 回汽制动工况下主冷凝器进汽温度数学模型

倒车汽轮机出口蒸汽首先与倒车排汽通道金属对流换热，然后与正车汽轮机排汽混合换热，接着与主冷凝器进汽通道的金属对流换热，最后进入主冷凝器。因此主冷凝器进汽温度与倒车汽轮机排汽流量及排汽参数、正车排汽流量及排汽参数、倒车排汽通道金属热容量、主冷凝器进汽通道的金属热容量等因素相关。因此，回汽制动工况下，主冷凝器进汽温度模型主要包括：倒车汽轮机排汽比焓模型、倒车排汽与排汽通道金属之间的热交换模型、正倒车排汽的混合模型、蒸汽与主冷凝器进汽通道金属之间的热交换模型。

同时，文中对各模型作如下简化：1）倒车排汽通道及主冷凝器进汽通道内，正倒车蒸汽的混合、蒸汽与金属的换热是相互独立的；2）倒车排汽通道金属及主冷凝器进汽通道金属是绝热的，其只与蒸汽进行热交换，不与外界进行热交换。

1.1 倒车排汽比焓模型

正常做功及回汽制动两种工况下，蒸汽在倒车汽轮机内的热力过程截然不同，因此讨论倒车排汽比焓，分正常做功及回汽制动两种工况讨论。正常做功工况下，文献[2]中已经进行了充分讨论，这里不再赘述。

回汽制动工况下，倒车汽轮机的热力过程图如图1所示。滞止温度和滞止压力分别为 Tpz0*、Ppz0*的蒸汽首先在喷嘴内膨胀[3]，温度、压力分别变为Tpz1、Ppz1，此后蒸汽压力保持不变，但是蒸汽温度一直升高。而温度的升高主要由以下4处原因造成：1）喷嘴出口蒸汽对第一列动叶栅弹性撞击后，比焓增加hzj1，蒸汽温度升至Tzj1；2）蒸汽进入倒车级第一级动叶栅作负功，阻碍第一级动叶周向旋转，比焓增加hsc1，蒸汽温度升至Tsc1；3）导叶出口蒸汽对第二列动叶栅的弹性撞击，比焓增加hzj2，蒸汽温度升至Tzj2；4）蒸汽进入倒车级第二级动叶栅作负功，阻碍第二级动叶周向旋转，比焓增加hsc2，蒸汽温度升至Tsc2，最后蒸汽流出倒车汽轮机。

喷嘴出口蒸汽对第一列动叶栅弹性撞击后，比焓增加量hzj1为[2]：

式中，ω11sc’为喷嘴出口汽流冲击第一级动叶栅的相对速度；ω11sc为考虑入口撞击损失后蒸汽切入第一级动叶通道的速度。

蒸汽对第一级动叶栅作负功，比焓增加量hsc1为[2]：

式中，C21sc’为汽流流出动叶栅的绝对速度；C11sc为汽流离开喷嘴的绝对速度；α21sc´为C21sc´与圆周速度方向的夹角；α11sc为喷嘴出口汽流方向角。

导叶出口蒸汽对第二列动叶栅的弹性撞击，比焓增加量hzj2为[2]：

式中，ω12sc´为导叶出口汽流冲击第二级动叶栅的相对速度；ω12sc为考虑入口撞击损失后切入第二级动叶通道的相对速度。

蒸汽对第二级动叶栅作负功，比焓增加量hsc2为[2]：

式中，C22sc为汽流流出动叶栅的绝对速度；C12sc为导叶出口汽流以进入倒车汽轮机第二级动叶栅的绝对速度；α22sc为 C22sc与圆周速度方向的夹角；α12sc为C12sc与圆周速度方向的夹角。

最后，由图 1可知，回汽制动工况下，倒车排汽比焓为：

通过倒车排汽比焓模型可以完成倒车排汽的比焓hdo的计算，为倒车排汽与排汽通道金属之间的热交换模型提供输入。

图1 回汽制动工况下倒车汽轮机的热力过程图

1.2 倒车排汽与排汽通道金属之间的热交换模型

根据倒车汽轮机排汽压力Ppz1、倒车汽轮机出口蒸汽比焓 hdo，由水及水蒸汽热力性质函数[4]可得倒车排汽通道入口蒸汽温度Tdo。

倒车排汽与排汽通道的金属发生换热，可以建立其蒸汽能量平衡方程[5]：

式中，Tdoo为倒车排汽通道出口蒸汽温度，℃；Qzd为倒车排汽向排汽通道金属的放热量，kJ/s；mzq为倒车排汽通道内蒸汽的质量，kg；Cpq为倒车排汽通道内蒸汽的定压比热容，kJ/(kg·K)。

倒车排汽通道内蒸汽与金属之间的对流换热量可表示为[6]：

式中，Kzd为倒车排汽通道内蒸汽与管壁的换热系数；Tpqw为倒车排汽通道金属的管壁温度，℃。

同时，倒车排汽通道金属管壁的蓄热方程为：

式中，mpqw为倒车排汽通道的金属质量，kg；Cpqw为倒车排汽通道的金属比热容，kJ/(kg·K)。

根据式(6)、式(7)及式(8)，可得倒车汽轮机正常做功工况或回汽制动工况下的倒车排汽通道出口蒸汽温度Tdoo、倒车排汽向排汽通道金属的放热量Qzd及倒车排汽通道金属的管壁温度Tpqw。

1.3 正倒车排汽的混合模型

由倒车排汽通道出口蒸汽温度Tdoo、倒车汽轮机排汽压力Ppz1，由水及水蒸汽热力计算函数，可得倒车排汽通道出口蒸汽比焓hdoo：

倒车排汽通道出口与低压级出口相连，因此倒车排汽通道出口蒸汽会与低压级组出口蒸汽进行混合，混合后蒸汽比焓为：

式中，hzd为倒车排汽通道出口蒸汽与低压级组出口蒸汽混合后蒸汽的比焓，kJ/kg；hdy1为低压级组出口蒸汽比焓，kJ/kg。

蒸汽与主冷凝器进汽通道金属之间的热交换模型，和倒车排汽与排汽通道金属之间的热交换模型是一样的，这里不再赘述。

根据上述方程，即可完成主冷凝器进汽温度数学模型的方程闭合，计算得主冷凝器入口蒸汽温度。

2 仿真模型

2.1 回汽制动工况下主冷凝器Simulink仿真模型

在构建上述回汽制动工况下主冷凝器进汽温度的数学模型后，本文采用Matlab/Simulink仿真工具箱建立了回汽制动工况下主冷凝器进汽温度的仿真模型，用于实现倒车汽轮机不同回汽工况下，主冷凝器进汽温度仿真计算，其详细框图如图 2所示。通过输入喷嘴出口蒸汽流量、倒车阀出口蒸汽压力、倒车阀出口蒸汽温度等变量参数随时间变化曲线，计算主冷凝器进口蒸汽温度。

2.2 仿真曲线及计算结果

建立仿真模型，给定仿真环境为汽力装置采用理想回汽制动策略，即船舶在接到制动指令的瞬间，正车汽轮机迅速停止供汽，倒车汽轮机迅速打开进汽阀以全参数蒸汽回汽制动。本节依据喷嘴出口蒸汽流量、倒车阀出口蒸汽压力及温度等状态参数，分析回汽制动工况下，主减速齿轮装置轮齿应力随时间的变化曲线。

图3给出了理想制动策略下，主冷凝器进汽温度随时间变化曲线。由该图可以看出，理想制动策略下，从回汽制动瞬间至螺旋桨反转时刻的7.8τ时间内，主冷凝器进汽温度骤升至192.8%，会影响主冷凝器的正常工作；此后，随着倒车汽轮机的加速反转，主冷凝器进汽温度迅速降低；最后，随着倒车汽轮机反转加速度的降低，主冷凝器进汽温度的下降速度逐渐变小。（图中对温度、时间进行了归一化处理）。

图2 回汽制动工况下主冷凝器进汽温度的仿真模型

图3 主冷凝器进汽温度随时间变化曲线

这是由于回汽制动瞬间，倒车汽轮机仍处于正转状态，倒车汽轮机内蒸汽阻碍动叶的周向旋转，动叶对蒸汽做功，导致倒车汽轮机排汽温度骤升，经过与倒车排汽通道金属、正车汽轮机排汽、主冷凝器进汽通道金属换热后，主冷凝器进汽温度仍然很高，因此会出现骤升；此后，随着倒车汽轮机的反转，倒车汽轮机内蒸汽对动叶做功，倒车排汽温度下降，主冷凝器进汽温度随之降低，且温度降低速度与倒车汽轮机反转加速度相关，反转加速度越大，进汽温度下降就越快，反之，进汽温度就下降缓慢。

3 结语

通过对回汽制动工况下，蒸汽动力船舶的主冷凝器运行状态分析，建立了回汽制动工况下主冷凝器进汽温度数学模型及其仿真模型，分析主冷凝器在回汽制动工况下的工作性能。

仿真结果表明，回汽制动工况下，采用理想制动策略时，可能导致主冷凝器的损伤，影响船舶的安全运行，需对倒车汽轮机回汽时机进行限制。

[1] 朱泳, 金家善, 刘东东. 舰用蒸汽动力装置回汽刹车与回汽保护技术研究[J]. 汽轮机技术, 2012,54(6): 404-407.

[2] 朱泳, 金家善, 刘东东. 蒸汽动力舰船回汽制动机理与系统建模仿真[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2013, 44(7): 2771-2777.

[3] 崔映红, 张春发, 丁千玲. 汽轮机排汽焓的在线计算及末级的变工况特性[J]. 汽轮机技术, 2002,44(3): 171-173.

[4] Usoro P. Modelling and simulation of a drum boiler-turbine power plant under emergency state control[D]. America: Massachusetts Institute of Technology, 1977.

[5] 陈航, 郑群, 邓庆峰, 等. 某大型舰船主汽轮机的建模与动态仿真[J]. 热能动力工程, 2012, 27(3): 282-286.

[6] 吕崇德, 任挺进, 姜学智, 等. 大型火电机组系统仿真与建模[M]. 北京: 清华大学出版社, 2002.

Inlet Steam Temperature of the Main Condenser in Back-steam Braking Conditions for Steam-Powered Ships

ZHU Yong, CHEN Bo
(Naval Military Representative Office in Jiangnan Shipyard (Group) Co. Ltd., Shanghai 201913, China)

For the defect of operational reliability safety in the back-steam braking condition in the main condensers of steam-powered ships, operating state of the main condenser in the back-steam braking condition is analyzed, and mathematical models of inlet steam temperatures of main condenser are created. This basis simulation models are created based on the Matlab-Simulink. It is indicated in the simulation results that inlet steam temperature of the main condensers will exceed the allowable values,which will damage the main condensers and affect the operation safety of the steam power plants.Therefore, back-steam opportunity of astern turbines should be restricted.

main condenser; back-steam braking condition; inlet steam temperature; modeling and simulation

TK267

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.003

朱泳（1986-），男，博士。研究方向：舰船动力及热力系统的科学管理。