船舶凝水过冷度控制方案研究*

余方伟

(海军驻武汉七一九所军事代表室　武汉　430205)



船舶凝水过冷度控制方案研究*

余方伟

(海军驻武汉七一九所军事代表室武汉430205)

摘要在分析原冷凝器凝水过冷度控制系统存在问题的基础上，提出了基于变频控制、多速控制并结合抽气器进汽自动控制的改进技术方案。

关键词凝水过冷度； 抽气器； 变频泵； 多速泵

Class NumberU644.5

1引言

冷凝器是船舶动力装置的重要设备，冷凝器凝水过冷度大小是衡量冷凝器性能的一个重要指标，凝结水过冷度会导致凝结水含氧量增加，威胁系统和设备的安全性，同时也会影响装置系统的经济性[1]。

传统的凝水过冷度控制系统是通过控制循环水量调节阀的开度来控制凝水过冷度，以达到控制凝水含氧量的目的，并维持真空在一定范围内。但该系统存在循环水泵电机在循环水系统阻力较大时发热，以及缺乏冷凝器真空自动控制手段的问题，导致控制系统常常不能投入自动，凝水过冷度不能满足技术指标规定要求。

为解决上述问题，本文提出了两种控制方案：1)抽气器进汽量控制结合循环水泵变频控制方案;2)抽气器进汽量控制结合循环水泵多速控制方案。并对两种方案进行了分析比较。

2控制机理分析

冷凝器内部真空压力对应的饱和温度与冷凝器实测凝水温度之间的差值定义为凝水过冷度，其计算公式为

Δt=ts-tn

(1)

式中：Δt为凝水过冷度，ts为当前冷凝器真空压力对应的饱和温度，tn为实际凝水温度。

由上可见，凝水过冷度取决于冷凝器真空和凝水温度。经综合研究分析，在动力装置实际运行中，导致冷凝器凝水过冷的主要因素[1～2]是：1)冷凝器结构形式;2)循环水流量和温度;3)抽气器工作能力;4)汽轮发电机负荷。

从控制的角度考虑，由于冷凝器的结构形式是固有的，冷却水(海水)温度取决于环境条件，冷凝器的换热特性是固有的，均不可控;因此，只能通过调节循环水量高低和调节抽气器工作蒸汽压力的大小两种方式来实现冷凝器真空和凝水过冷度的调控。

1) 调节循环水量

循环水量的调节有两种方式：

(1)在循环水管路上设置循环水量调节阀，通过调节冷却水调节阀的开度来控制循环水量的大小，则若调节阀开度减小，循环水量减少，凝水温度升高;同时，由于循环水量的减少，循环水温升升高，使蒸汽凝结温度升高，真空度降低。

由此可见，循环水量调节阀开度的变化对凝水温度和冷凝器真空存在相反的影响，这种情况下，若凝水温度升高幅度大于由冷凝器真空降低造成的饱和温度升高幅度，则凝水过冷度降低，因此，为了有效控制凝水过冷度，须维持冷凝器真空在规定范围内。

(2)通过调节循环水泵的转速来控制循环水量的大小，循环水泵转速降低，循环水量较少，凝水温度升高，使凝水过冷度降低;同时，由于循环水量的减少，蒸汽凝结温度升高，真空度降低。

2) 调节抽气器工作蒸汽压力

通过调节抽气器工作蒸汽压力的大小来控制抽气能力，抽气器工作能力增强，则冷凝器真空度升高，对应的饱和温度降低，过冷度降低。

3传统凝水过冷度控制系统存在问题分析

传统的凝水过冷度控制系统的目标是通过控制循环水量调节阀的开度来控制循环水量，从而在冷凝器真空维持在规定范围内时，可控制凝水过冷度的高低。该系统存在的主要问题是：

1) 长期运行后循环水泵电机发热易故障

循环水泵的特性为低流量时负荷功率较大而扬程较高，由于循环水量调节阀的开度与流量呈正比例关系，则在汽轮发电机低负荷、循环水温度低时，冷凝器所需的循环水量较低，无论是从凝水过冷度控制需要还是从经济性的角度出发，均需控制循环水量调节阀的阀位降低，但随着循环水流量的降低，循环水泵电机负荷增大，长期工作后电机发热温升高，电机寿命缩短，故障率升高。

2) 缺乏冷凝器真空的自动控制手段

凝水过冷度与冷凝器真空之间存在耦合关系，冷凝器真空的高低直接影响过冷度的大小，但在现凝水过冷度控制系统中，缺乏冷凝器真空的自动控制手段，抽气器进汽阀为手动阀，而不是电动调节阀，只能靠人工控制抽气器工作蒸汽压力来控制冷凝器的真空压力。在系统运行过程中，受发电机负荷、凝水温度变化等因素的影响，冷凝器真空会发生变化，从而导致过冷度发生变化。

4凝水过冷度变频控制方案

为解决凝水过冷度的控制问题，提出如下技术方案，既实现对冷凝器真空的自动控制，又实现循环水泵的变频调速。

4.1冷凝器真空自动控制

针对冷凝器真空缺乏有效控制手段的问题，将抽气器进汽调节阀由目前的手动控制进汽调节阀改为电动控制进汽调节阀，则可通过自动控制抽气器进汽调节阀的开度，达到自动控制冷凝器真空的目的，使冷凝器真空压力能稳定地保持在规定的运行值范围内，从而维持冷凝器内饱和温度相对不变，使得凝水过冷度的控制问题归结为凝水温度的控制问题，从而可解决真空和过冷度之间的耦合关系带来的矛盾，优化控制系统的性能。

4.2循环水泵变频控制

针对循环水泵电机发热问题，取消循环水调节阀，将循环水泵由定速泵改为变频泵，由变频器和变频电机带动其运行，由于电机转速：

(2)

式中：n为电机转速;f为电机供电频率，s为电机转差率，是常量;p为电机定子绕组极对数，是常量。

因此，通过控制电机的供电频率，即可实现对变频泵转速的控制。

同时，根据水泵的相似原理可知：当水泵速度变化时，流量与转速成正比，扬程与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。因此，采用调节转速的方法来调节流量，取代通过调节循环水调节阀开度来调节流量，循环水泵电机的电功率也将大为减少。

在汽轮发电机低负荷、循环水温度低时，冷凝器所需的循环水量较低，此时控制循环水泵转速降低，则循环水量降低，同时电机功率下降，从而解决了原定速泵在低流量时电机功率大、发热严重的问题。

改进后控制系统原理如图1所示。

4.3控制原理

控制系统基本原理为：根据冷凝器真空、凝水温度计算得出凝水过冷度，发电机负荷信号和循环水流量作为控制前馈，循环水泵转速信号作为控制反馈，控制器输出代表供电频率的4mA～20mA标准信号至变频器，通过控制供电频率来控制转速，进而控制循环水流量来控制凝水过冷度;通过控制抽气器电动调节阀开度来控制冷凝器真空的相对稳定。

图1　凝水过冷度变频控制原理图

·控制器：采用基于ARM通用型智能控制器，其具有10路4mA～20mA模拟量输入、4路4mA～20mA模拟量输出、8路开关量输入、6路开关量输出。

·变频器：采用ABB的船用ACS800-01型变频器。

·电动执行机构：采用ROTORK-IQ型船用执行机构。

·传感器：采用一体化测量传感器，就地测量后直接输出4mA～20mA标准模拟量信号。

·模拟量输入：冷凝器真空、凝水温度、变频泵转速、循环水流量、发电机工况、循环水温度、抽气器调节阀阀位，共七个。

·开关量输入：变频器故障。

·模拟量输出：变频泵自动控制、抽气器调节阀自动控制和凝水过冷度，共三个。

·开关量输出：变频启/停控制。

凝水过冷度变频控制框图如图2所示，控制系统包括变频泵转速控制和抽气器压力调节阀控制，其中变频泵转速控制的目的是实现对循环水流量的连续调节，根据需要控制凝水温度，进而控制过冷度;抽气器调节阀控制的目的是实现对抽气器抽气能力的控制，在工况变化时维持冷凝器真空的基本稳定。

图2　凝水过冷度变频控制框图

变频泵的转速控制有0～50Hz变频、50Hz旁路和遥控调速三种控制方式。

正常时变频器启动运行，则系统运行在0～50Hz变频控制状态，凝水过冷度控制器根据冷凝器真空、凝水温度计算得出凝水过冷度，输出送仪表显示，同时，凝水过冷度控制器根据当前的凝水过冷度、发电机工况、循环水温度、变频泵转速等信号输出泵转速自动控制信号，变频器通过交-直-交变频，改变变频电机的频率，进而改变循环水泵转速，从而控制循环水流量，当凝水过冷度升高、发电机负荷降低、循环水温度降低时，控制循环水量适当降低，影响凝水温度上升，从而降低凝水过冷度，反之亦然。

5凝水过冷度多速控制方案

保留循环水量调节阀，循环水泵转速在汽轮发电机不同负荷下运行于不同的转速，高负荷时，循环水量需求较大，电动海水调节阀的开度较大，此时循环水泵运行于高转速，循环水泵电机运行电流不会过高;低负荷时，循环水量需求较小，循环水量调节阀的开度较小，此时循环水泵运行于低转速，可降低循环水泵电机的运行电流。由于循环水泵转速随着汽轮发电机负荷高低而变化，无论高低负荷，循环水泵电机运行电流均会保持在一个相对安全的范围内，从而解决循环水泵电机发热严重的问题。

该控制方案原理如图3所示。

图3　循环水泵多速控制原理图

其控制原理为

·模拟量输入：冷凝器真空、凝水温度、三速泵转速、发电机工况、海水温度、循环水量调节阀阀位、抽气器调节阀阀位，共七个。

·开关量输入：无。

·模拟量输出：循环水量调节阀自动控制、抽气器调节阀自动控制和凝水过冷度，共三个。

·开关量输出：低速控制、中速控制、高速控制。

控制系统包括循环水泵转速控制、循环水量调节阀控制和抽气器压力调节阀控制。

凝水过冷度多速控制框图如图4所示，循环水泵转速控制、循环水量调节阀控制的目的是根据不同发电机工况和海水温度，分级改变循环水泵的转速(如图5所示，当发电机功率小于等于50%功率，则40%泵速;发电机功率在50%～85%功率之间，则66%泵速;发电机功率在85%～100%功率之间，则100%泵速)，同时，改变循环水量调节阀的开度来控制凝水温度，进而控制过冷度。

图4　循环水泵多速控制框图

图5　循环水泵多速控制中分级泵速曲线

抽气器调节阀控制的目的是实现对抽气器抽气能力的控制，在工况变化时维持冷凝器真空的基本稳定。

6控制方案比较分析

凝水过冷度变频控制方案和循环水泵多速控制方案，均实现了抽气器调节阀的自动控制，解决了冷凝器真空缺乏有效控制手段的问题以及解决了原定速泵在低流量时电机功率大、发热严重的问题。

凝水过冷度变频控制方案的优点在于：

1) 由于取消循环水泵电动调节阀，采用循环水泵变频调速，能够实现循环泵转速的连续调节;

2) 由于采用变频控制技术，循环水泵的功耗按需配给，有利于节能;

3) 由于通过调节循环水泵转速来调节循环水量，在较低功耗下泵运行于较低转速，有利于降低系统运行噪声。

凝水过冷度变频控制方案的缺点在于系统设置较为复杂，特别是对变频器的体积尺寸要求严格，在空间紧凑的船用环境下难以设计实现。

由于变频控制具有节能、降噪的突出优点，符合当前船舶控制系统的发展趋势，因此，在条件具备的情况下，应首选变频控制方案。

凝水过冷度多速控制方案对系统的改动相对较小，同时又可根据发电机负荷改变转速，可解决电机发热问题，并可在一定程度达到节能、降噪的目的，可作为一种过渡性方案研究实施。

7结语

针对传统凝水过冷度控制系统存在的真空不能有效控制、循环水泵电机发热问题，本文提出了凝水过冷度变频控制、循环水泵多速控制两种控制方案，对其控制原理进行了详细分析，并对两种控制方案的优缺点进行了分析比较。

本文的设计思路为工程应用奠定了基础。

参 考 文 献

[1] 孙中宁.核动力设备[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社,2004.

[2] 万华庆.凝汽器真空-凝水过冷度机理分析及其控制系统研究[J].舰船科学技术,2008,30(1):80-83.

[3] 卢绪祥.凝结水过冷度及其对机组性能的影响分析[J].汽轮机技术,2002,44(2)：117-119.

[4] 张永生.船用冷凝器的真空与凝水过冷度控制系统研究[J].舰船科学技术，2011(3)：62-64.

[5] 孙建华.主冷凝器真空与凝水过冷度的智能控制研究[J].舰船科学技术，1996(6)：15-19.

[6] 刘维亭.主冷凝器模糊控制系统设计[J].电子科技大学学报，2006(3)：356-358.

[7] 薛若军.船用凝汽设备动态特性实时仿真研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2002.

收稿日期：2016年1月13日,修回日期：2016年2月28日

作者简介：余方伟，男，工程师，研究方向：控制技术。

中图分类号U664.5

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.07.042

Control System of Condenser’s Vacuum and Condensate Depression

YU Fangwei

(Navy Representative Office in 719th Research Institute, Wuhan430205)

AbstractBased on the analysis of original control system of condenser’s vacuum and condensate depression, the transducer control system and multi-speed control system of the pump with assist air ejector are presented in this paper.

Key Wordscondensate depression, assist air ejector, ferquency conversion pump, multi-speed pump