船用冷凝器真空偏低的动态特性分析及故障诊断

，，，

(海军工程大学 动力工程学院，武汉 430033)

船用冷凝器真空偏低的动态特性分析及故障诊断

张磊，曹跃云，翁雷，崔佳林

(海军工程大学 动力工程学院，武汉 430033)

为从定性和定量的角度综合诊断船用冷凝器真空下降故障产生的原因，考虑某船用冷凝器的结构和运行特点，建立冷凝器动态运行理论模型，构建冷凝器真空偏低的故障树模型，提出探寻冷凝器真空偏低原因的定性方法。开展冷凝器真空偏低故障的动态仿真，定量分析主机排汽负荷增大、真空系统不严密、循环水泵故障时冷凝器真空的变化趋势，给出避免故障的基本措施。结果表明，所建立的理论模型和编制程序具有较好的精度，能够准确、直观地反映冷凝器真空下降故障时主要参数的动态变化趋势。

冷凝器；真空；故障；动态仿真

冷凝器作为船用汽轮机推进动力装置的重要组成部分，其运行状态的好坏不仅影响汽轮机组的推进功率、经济性，而且影响到整个动力装置乃至整个船舶的安全性、机动性、生命力等非常重要的性能指标[1]。因此，船用凝汽式汽轮机组在运行规程中都规定正常运行中允许的真空最低值，当冷凝器真空进一步降低时，将影响到机组的安全，如轴向推力增大，与排汽缸相邻轴承的温度升高，轴承的润滑与冷却困难；当轴承温度升高时会引起转子中心线改变，引起各轴承负荷的重新分配，会引起机组振动；使低压缸体积流量变小，可能引起末级叶片的过热或不正常振动；低压缸通流部分温度升高，引起热膨胀、热变形等问题。以往的研究大多集中在定性分析[2-3]。当某一故障因素导致冷凝器真空下降时，若能综合定性和定量方法详细描述从故障发生到结束，冷凝器真空等主要参数的动态运行趋势，不仅能为冷凝器的运行管理提供直接的技术支持，而且能更有针对性地识别、排除故障。为此，考虑建立冷凝器动态运行理论模型，结合理论和实际运行特点构建冷凝器真空偏低的故障树模型，开展典型故障导致冷凝器真空偏低的动态仿真分析，并给出避免故障发生的措施。

1 动态运行理论模型建立

以某船用双通道、两侧抽气、表面式冷凝器为研究对象，按照冷凝器结构和运行特点将其分为：蒸汽区、空气区、热水井区、冷凝器管侧区。蒸汽区主要汇集各路进出冷凝器的蒸汽：主、辅汽轮机排汽、多余乏汽排汽等；空气区主要汇集进出冷凝器不凝结空气；热水井区主要汇集包括汽水分离器、给水加热器、主辅抽气器等8路疏水；冷凝器管侧区主要分析循环海水带走冷凝器的热量。为建立较为通用的冷凝器动态运行理论模型，需满足以下假设：①冷凝器内的蒸汽和不凝气体均视为理想气体；②不考虑凝汽器向外部环境散热；③冷凝器中的蒸汽、凝水、冷却水管壁、循环海水的温度和密度为均匀分布。

1.1 蒸汽区

在冷凝器内，蒸汽在汽侧压力相应的饱和温度下凝结，但在实际情况下冷凝器内不仅有蒸汽，还有其他不凝结的空气。根据道尔顿分压定律，冷凝器内的总压力Pc为

Pc=Ps+Pk

(1)

式中：Ps为冷凝器内的蒸汽分压；Pk为冷凝器内的空气分压。

分别建立蒸汽分压和空气分压的动态数学模型，由此获得冷凝器内总压力的动态数学模型。

1.1.1 蒸汽分压数学模型

冷凝器中的蒸汽可视为理想气体，根据理想气体状态方程取微分，将冷凝器内的蒸汽分压动态数学方程经欧拉法[4]表示为

(2)

(3)

(4)

式中：K为别尔曼公式计算的冷凝器总体传热系数[6]；Δtm为冷凝器对数传热温差；A为冷凝器的传热面积；Hcw为凝汽器压力下对应的饱和水焓值；Hs为冷凝器内蒸汽的平均焓值，平均蒸汽焓值可由冷凝器内蒸汽的能量方程求解

(Gas+Gda+Gc+Gss)Hs

(5)

1.1.2 空气分压数学模型

进入冷凝器的不凝结空气主要有：主汽轮机等排汽带入，冷凝器密封不严密漏入，经补水箱补水时带入。冷凝器内的空气主要经主抽气器抽出，抽出蒸汽凝结回流至冷凝器，空气则排入舱室。为此，根据理想气体状态方程取微分，同样可以得到空气分压pk的欧拉法表示形式

(6)

1.2 热井水区

由热井水区的凝水流量和凝水热负荷变化可列出热井水区的质量方程和能量方程如下。

(7)

GbHb-GvHc-GwoHw-Glo-Gcw

(8)

1.3 冷凝器管侧模型

冷凝器内的热量经导热传至冷却水管内壁，水管内壁与冷却海水之间对流换热将热量传给海水，海水将热量带走。因此，经能量守恒原理可以分别给出冷却水管壁温度Tm和冷却海水出口温度T2的方程。

1)冷却水管金属温度。

2)冷却水出口温度。

Dwcp(T2-T1)

(10)

此处，近似认为总体传热面积与对流换热面积相等。

利用四阶Runge-Kutta法联合求解微分方程组(1)～(10)的数值解，便可求得冷凝器内压力、蒸汽平均焓值、冷却海水出口温度、传热端差、冷却水管温度等参数随时间的动态变化过程，实现冷凝器动态运行分析。

2 真空偏低的故障树模型

通过建立船用冷凝器内部蒸汽区，空气区、热水井区,以及冷凝器管侧的理论模型，并结合具体冷凝器的结构特性和设计、运行管理的经验，可分析出影响冷凝器真空偏低的原因。引起冷凝器真空恶化的原因有很多，除了循环水泵、抽气器故障等异常事故外，还有凝汽器内冷却水管结垢、微生物生长；真空严密性差，大量空气漏入，即恶化传热；或因凝汽器内水管破裂等。可见，冷凝器真空下降故障的成因和后果的关系往往具有很多层次，是一系列的因果链。为此，采用故障树分析方法[7]研究冷凝器真空偏低故障，由顶事件冷凝器真空偏低到各中间事件、底事件，按树枝状逐级细化，最终给出影响冷凝器真空偏低的因素，具体故障树模型见图1。

冷凝器真空偏低故障树的建立主要依据冷凝器运行理论模型，将冷凝器真空偏低作为顶事件，决定顶事件主要有4个子事件，分别为蒸汽区故障、空气区故障、热水井区水位不正常以及冷凝器管侧故障，任一子事件发生都将导致冷凝器真空偏低。4个子事件又可展开为各自的子事件，如导致蒸汽区故障的主要原因有主汽排汽热负荷突然增大，或辅机等用汽设备排汽热负荷突然变大；空气区导致的真空偏低主要原因有真空系统不严密漏入不凝气体，或主抽气器工作不良，不能及时抽出空气；导致热水井区水位不正常的原因有水位调节装置故障、主凝水泵故障不能及时抽出凝水使得热井水水位升高，冷却水管破裂使海水漏入热井等；冷凝器管侧故障导致真空偏低的主要因素有海水温度升高、循环水管路堵塞，循环水泵故障导致循环水量不足，循环水管路表面不清洁导致换热效果变差等。图1中的底事件均为未展开事件，如导致抽气工作不良的因素有工作蒸汽压力过低、滤网或喷嘴堵塞、冷却管堵塞或表面不清洁、喷嘴与扩压管之间结构发生变化等。

图1 冷凝器真空偏低故障树模型

通过故障树分析得出影响各级事件的详细因素，最终得出影响顶事件冷凝器真空偏低的原因。

3 真空偏低故障的动态仿真分析

采用Matlab语言编写仿真程序，将静态仿真计算得到的冷凝器主要参数值与设计值比较，见表1(表中及其后的数据均作归一化处理)。

表1 冷凝器静态仿真值与设计值比较

由表1可见，冷凝器静态仿真计算值与设计值相对误差均在1%左右，可见所建立的模型以及编制的计算程序具有较好的精度。

开展导致冷凝器真空偏低的3个典型故障的动态仿真分析，分别为主机排汽负荷增大导致的蒸汽区故障，真空系统不严密导致空气区故障，循环水泵故障导致冷凝器管侧故障进而导致冷凝器真空下降。主机排汽负荷增大为额定负荷20%过程的动态变化见图2。

图2 汽轮机排汽量增大时冷凝器压力动态趋势

图2中100 s之前冷凝器运行在额定工况下，100 s后主机排汽负荷开始增加，一直到500 s增大到额定负荷20%，然后保持20%额定负荷不变。由图2可见，随着负荷的增大，冷凝器的压力逐渐增大，真空逐渐降低；由于受到外界扰动，主机负荷在开始阶段增大较快，冷凝器压力增加也较快；随着负荷增加放缓，冷凝器压力增加也放缓；最后基本保持在某一冷凝器压力处，使得冷凝器处于低于最佳真空状态运行。因此，在设计和运行管理中应尽量减少冷凝器所承受的额外热负荷，如优化汽缸疏水，避免将高温高压蒸汽直接疏至冷凝器；仔细检查和密切关注接至冷凝器管路阀门，避免阀门泄漏导致冷凝器热负荷增加；密切监视汽轮机各部位的温度、压力变化，避免汽轮机通流部分，进排汽管道、阀门等出现故障。

真空系统不严密导致不凝结的空气漏入冷凝器，空气会阻碍蒸汽与冷却水管的传热效果，使得总传热热阻增大，式(4)中冷凝器的总体传热系数K变小，冷凝器内蒸汽热量不能被冷却水顺利带走，将导致冷凝器内真空降低。另外，根据道尔顿分压定律如式(1)，空气分压增大，将导致冷凝器内的压力增加，冷凝器真空下降。

图3表示，真空系统不严密造成的冷凝器真空下降故障动态变化趋势(虚线为不考虑空气分压而仅考虑空气对传热系数的影响，实线为综合考虑空气分压以及空气对传热系数的影响)，图中虚线表明，当空气稍有漏入冷凝器时，冷凝器总体传热系数快速减小，蒸汽凝结受阻，蒸汽分压快速增加导致冷凝器内压力快速增大，冷凝器真空快速降低。随着空气漏入量增多，总体传热系统已降低到一定值时，其对冷凝器压力的影响逐渐降低，此时空气分压(如实线变化趋势)对冷凝器压力的影响将占主导地位，随着空气漏入增加，冷凝器压力继续升高，真空下降。

图3 真空系统不严密时冷凝器压力动态趋势

冷凝器内不凝结气体含量的升高不但会严重制约其经济性，若冷凝器真空降低过多，还将影响汽轮机组的安全性，所以需定期对机组严密性进行检查，保证真空部分的严密性。

循环水泵故障时循环水量从额定流量降至50%额定流量时，冷凝器传热端差和压力的变化见图4～5。

图4 循环水泵故障时冷凝器端差动态趋势

图5 循环水泵故障时冷凝器压力动态趋势

冷凝器在稳定运行时，当循环水泵故障，循环冷却水量减少，冷凝器换热量降低，传热端差减小，冷凝器内压力升高，真空度下降，最后维持在一较高的真空下运行。若出现此类故障，一般在降负荷的条件下，依然可以保持机组的运行，应及时找出并排除故障。该机组为汽轮循环水泵，循环水量不足故障来源可能是泵体本身的故障，汽轮机本体故障等，如水泵叶轮故障损坏、水泵入口管或水泵两侧漏空气、转速降低、循环水泵入口滤网堵塞等。此时若通过分析判断是由于水泵叶轮损坏所引起的水泵出力下降，应及时进行修理；若汽轮机存在漏汽应及时寻找和消除漏汽；应定期清除入口滤网，等。

4 结论

1)以蒸汽、空气、凝水和管侧4个区建立的冷凝器动态特性模型，能够反映其多介质并存、耦合的特点，且具有较强的通用性；模型中的总体传热系数可克服传统蒸汽凝结换热系数不能考虑蒸汽、空气流动以及水管布置形式影响，且减少了计算量、提高了计算精度。

2)基于冷凝器基本理论建立的冷凝器真空偏低故障树模型，条理清晰，逐级细化，定性地判断出了主辅机排汽负荷增大、真空系统不严密、水位调节装置和凝水泵故障、循环水泵故障和循环水管路堵塞等均会导致冷凝器真空偏低，这有助于技术人员更快、更准确查找故障原因。

3)综合定性的故障树方法和定量的动态仿真分析能够详细描述从故障发生到结束，冷凝器真空等参数的动态运行趋势：主机负荷在开始阶段增大较快，冷凝器压力增加也较快，随着负荷增加放缓，冷凝器压力增加也放缓，最后基本保持在某一低于最佳真空状态运行；当空气稍有漏入冷凝器时，冷凝器总体传热系数快速减小，蒸汽凝结受阻，蒸汽分压快速增加导致冷凝器真空快速降低，随着空气漏入量增多，空气分压对冷凝器压力的影响将占主导地位，真空继续下降。有针对性地给出了避免故障发生的措施。

引起冷凝器真空偏低的原因有很多，仍有待进一步开展故障原因的深入剖析以及大量的故障仿真试验，建立和完善冷凝器故障数据库。

[1] 刘胜，江娜.船舶动力装置冷凝器故障特征提取方法研究[J].船舶工程，2008，30(2)：24-26.

[2] 王波，杨建蒙，钟磊，等.基于模糊层次分析法的凝汽器真空降低影响因素分析与权重计算[J].热力发电，2011，40(4)：41-44.

[3] 徐星，黄启龙，戴维葆，等.考虑汽轮机工况变化的凝汽器最佳真空的确定及应用[J].动力工程学报，2015，35(1)：70-75.

[4] 倪何，程刚，孙丰瑞.某型舰用冷凝器动态数学模型的建立和应用[J].计算机仿真，2007，24(7)：337-341

[5] 董琦.凝汽器工作特性仿真研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.

[6] 王庆，王培红，兰立君.对凝汽器传热系数修正的研究[J].华东电力，2008，36(12)：96-99.

[7] 罗航.故障树分析的若干关键问题[D].成都：电子科技大学，2010.

Research on the Failure of Vacuum Decline and Dynamic Operation of the Marine Condenser

ZHANGLei,CAOYue-yun,WENG-Lei,CUIJia-lin

(Power Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To find out the reasons for the failure of vacuum degree of condenser becoming lower and its influence upon the operation of condenser, a reasonably dynamic theoretical model of condenser was established considering the stuctural features and operating principle of the condenser. A fault tree model of condenser vacuum decline was setup. The dynamic simulation of the lower vacuum of the condenser was carried out in the typical failure mode, such as the increase of the exhaust of the main engine, the imperfect vacuum system and the failure of the circulating water pump. The results showed that the theoretical model and the program have good precision and can reflect the change trend of the main paremeters.The basic measures to avoid the condenser vacuum degree becoming lower were also proposed.

condenser; vacuum; failure; dynamic simulation

U664.5;TK267

A

1671-7953(2017)06-0067-05

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.015

2017-01-18

2017-03-13

国家自然科学基金(51609251)

张磊(1986—)，男，博士，讲师

研究方向：舰船动力系统的科学管理