蒸汽動力系統在不同工況下的凝水分配協調性分析

張凡，吳廉巍，張僑禹

1 中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064

2 海軍裝備部駐武漢地區第二軍事代表室，湖北 武漢 430064

0 引 言

凝水系統是船用蒸汽動力系統中連接冷凝器、凝水泵、除氧器等設備的關鍵紐帶，通過凝水節流調節閥、循環調節閥以及儲水調節閥等控制元件，即可實現凝水系統的協調分配，從而滿足系統在不同運行工況下的凝水流量和壓力要求。如果系統的設計或布置方案不合理，則3 個調節閥的組合使用將無法實現凝水系統的協調分配，進而導致凝水流量分配不均、部分設備的凝水流量過大或過小，最終影響整個凝水管網的穩定運行[1-4]。

近年來，國內外學者針對凝水管網的水力計算開展了大量研究工作。Miller[5]開展了常見元器件（例如，直管段、三通、彎頭、閥門等）在不同雷諾數以及組合方式下的阻力特性分析，所得實驗數據已被廣泛應用于工程實踐。Tveit 等[6]、Tian 等[7]和Jiang 等[8]研究了環狀及枝狀等管網的水力損失情況，得出枝狀管網的水力損失小于環狀管網的結論。劉方等[9]針對船舶淡水冷卻系統的流量分配，提出了新的流量補償計算方法。張文斌等[10]研究了系統參數對凝水泵運行邊界條件的影響。然而，現有研究大多針對的是單一穩定工況，鮮有針對系統多運行工況在不同控制方案下的凝水流量分配的研究成果。

基于此，本文擬采用Flowmaster 仿真計算軟件，建立船舶凝水系統的管網仿真模型，分析凝水系統在不同運行工況下的分配協調性，用以為實船凝水系統設計和優化提供參考。

1 研究對象

1.1 船用蒸汽動力凝水系統

圖1 凝水系統組成圖Fig. 1 The connection diagram of condensate water system

搭建船用蒸汽動力凝水系統的某陸上試驗臺架，其組成結構如圖1 所示。凝水泵從冷凝器中抽取凝水，加壓之后經濾器輸送至除氧器。同時，系統中設有再循環管路和儲水管路，分別用于冷凝器中液位偏低時的凝水再循環和除氧器中液位偏高時將部分凝水輸送至水柜。選擇冷凝器的安裝高度為基準高度，水柜和除氧器分別位于基準高度10 m 和6 m 以上的位置。

為實現凝水的有效分配，需分別設置凝水節流閥、循環閥和儲水閥這3 個控制元件。其中，節流閥和循環閥配合使用，且動作方向相反，用以精確控制冷凝器的液位；儲水閥通過在除氧器之前對凝水進行分流來控制除氧器的液位。

1.2 仿真模型

Flowmaster 軟件采用流體網絡分析方法，首先將系統簡化為節點和管段，然后聯立求解流體的連續性方程、動量方程和能量方程。假設某管網由B條管段和N+1 個節點組成，其網絡模型的數學表達形式如下：

式中：A為管網的N×B階關聯矩陣；G為支路的流量，其為B階列向量；M為節點質量，其為N階列向量；t為時間；AT為管網的B×N階關聯矩陣；p為節點處的壓力；S為各支路的阻力系數，為B×B階對角矩陣；ρ 為節點處的流體密度；g為重力加速度；Z為管段高度差，其為B階列向量；D為支路上的動力源升壓，其為B階列向量；L為各管段的流感，在數值上等于流量變化1 個單位時引起的壓力變化量；A·q為各支路流入節點的熱流量之和，其中q為熱流密度；A·(q+r)為各支路流出節點的熱流量之和，其中r為熱交換量；H為各節點的焓值。

利用Flowmaster 仿真計算軟件建立船用蒸汽動力凝水系統的仿真模型，如圖2 所示，其中數字1～22 為管路節點標識符。

為便于計算，凝水系統中的濾器、彎頭等器件均采用阻力元件來模擬其壓力損失。由于本文將主要研究穩態運行工況下凝水系統各支路的壓力和流量分布情況，而不考慮冷凝器等容器的液位動態控制，故可將冷凝器、除氧器和水柜均設定為固定壓力容器（組件僅有一個接口），且水柜通大氣。本文將凝水泵抽取源和循環管路回水源分開設置，其他參數均按照陸上試驗系統在高/低工況下的實際性能參數進行設置。為便于對比分析，所有參數均以系統在高工況下的額定值為基準進行歸一化處理，其中：冷凝器、除氧器的工作壓力分別為?0.2，0.06；節流閥、循環閥和儲水閥均為線性特性，節流閥的流量系數CV=1，循環閥和儲水閥的流量系數CV=0.32。

圖2 凝水系統的仿真模型Fig. 2 The simulation model of condensate water system

2 仿真結果分析

2.1 低工況下凝水系統的運行情況

計算低工況下凝水系統的分配情況時，需重點監測節流閥后、循環閥后和儲水閥后的壓力值，以及節流閥后、循環閥后、除氧器前和儲水閥后的流量值。由于該系統設有3 個調節閥，為便于分析，本文將針對2 種運行情況開展研究，分別為：在節流閥和循環閥定閥位下，研究儲水閥的儲水能力；在儲水閥定閥位下，研究節流閥和循環閥在不同開度的凝水流量分配情況。

首先，取常用狀態的閥門開度值，將節流閥和循環閥的開度分別設為30%和45%，而儲水閥則從0 開始，以10% 的步長增加閥門開度，直至全開。凝水系統壓力和流量分配情況的仿真結果如圖3 所示。為驗證仿真模型的準確性，本文將模型計算結果與試驗數據（源自圖1 所示的陸上試驗臺架實測結果）進行了對比。由圖3 可以看出，仿真結果與試驗數據基本吻合，驗證了本文仿真模型的準確性；隨著儲水閥開度的不斷增加，節流閥和循環閥后的壓力有所降低，而儲水閥后的壓力則緩慢升高；同時，除氧器前的凝水流量逐漸降低，而儲水流量則不斷增加；當儲水閥全開時，儲水流量約為0.128。

然后，根據低工況下的系統運行狀態，按照表1 設置節流閥和循環閥的開度，而儲水閥的開度則固定為80%，其凝水分配情況的仿真結果如圖4 所示。

圖3 低工況下儲水閥開度對凝水分配的影響Fig. 3 The influence of storage valve opening on condensate water distribution under low working condition

表1 低工況下不同調節閥的開度組合Table 1 Opening combination of different regulating valves under low working condition

從圖4 可以看出：隨著節流閥逐漸開大和循環閥逐漸關小，節流閥和儲水閥后的壓力隨之不斷增加，而循環閥后的壓力則逐漸降低，直至接近冷凝器的真空值；同時，經節流閥進入除氧器和經儲水閥進入水柜的凝水流量不斷增加，而再循環流量則不斷減小。圖4 還呈現了一個非常重要的問題，即當節流閥開度小于13%時，儲水閥后的流量為負，這說明此時儲水閥中的凝水為倒流狀態，也即水柜中的凝水將倒流進入除氧器，因此此時不僅無法實現儲水，反而還會導致對除氧器的反向補水。

圖4 低工況下節流閥和循環閥開度對凝水分配的影響Fig. 4 The influence of throttle valve and recirculation valve openings on condensate water distribution under low working condition

綜上所述，在低工況下，僅當節流閥開度大于13%時，3 個調節閥才可以實現對凝水分配系統的有效管理；當節流閥處于小開度時，凝水系統將無法實現儲水功能；在節流閥處于30%、循環閥處于45%的常用工況下，最大儲水量為0.128，儲水能力較為有限。

2.2 高工況下凝水系統的運行情況

在高工況下，凝水系統的蒸發量較大，大量凝水將進入除氧器，即凝水的再循環量較小，故節流閥將處于高閥位，而循環閥則處于低閥位。

首先，根據系統運行狀態，將節流閥和循環閥的開度分別設為90%和18%，而儲水閥則從0 開始，以10%的步長增加閥門開度，直至全開。凝水系統壓力和流量分配情況的仿真結果如圖5 所示。由圖中可看出：隨著儲水閥開度的不斷增加，節流閥和循環閥后的壓力逐漸降低，而儲水閥后的壓力則有所增加，且其增加速率明顯高于低工況；當儲水閥的開度增加時，儲水流量快速升高，而進入除氧器的流量則明顯減小，這說明此時凝水分配的協調性更好；當儲水閥全開時，儲水流量約為0.404。

圖5 高工況下儲水閥對凝水分配的影響Fig. 5 The influence of storage valve opening on condensate water distribution under high working condition

表2 高工況下不同調節閥的開度組合Table 2 Opening combination of different regulating valves under high working condition

然后，根據高工況下的系統運行狀態，按照表2 設置節流閥和循環閥的開度，而儲水閥的開度則固定為80%，其凝水分配情況的仿真結果如圖6 所示。由圖中可以看出：相較于低工況，高工況下節流閥后與儲水閥后的壓力差更大；在調節閥的各種組合控制方案下，凝水分配協調性的改善效果更為明顯。

3 優化設計方案

圖6 高工況下節流閥和循環閥開度對凝水分配的影響Fig. 6 The influence of throttle valve and recirculation valve openings on condensate water distribution under high working condition

為解決現有設計方案在低工況下凝水存儲能力不足，甚至儲水閥的凝水倒流問題，并保證系統的原組成設備性能不變，本文基于凝水系統管路布置提出了2 種優化設計方案，用以為實船應用提供參考。

第1 種方案是調整設備的安裝高度。為了減小儲水阻力，可以適當降低水柜的安裝高度。為了避免在任何運行工況下的凝水倒流問題，需保證水柜與除氧器的高度差加上水柜液面高度小于除氧器壓力值所對應的水柱高度。經分析，在保證除氧器安裝高度不變的前提下，水柜的安裝高度應不大于8 m。因此，第1 種優化方案將水柜的安裝高度修改為8 m，其他均與原方案保持一致。

第2 種方案是在不調整系統設備安裝位置的前提下，將儲水管路連接至節流閥之前，以增加儲水壓頭，從而保證儲水閥前的足夠壓力。

根據表1 設置閥門的運行狀態，2 種優化方案與原方案的儲水能力仿真對比結果如圖7 所示。

由圖7 可以看出，2 種優化設計方案均可以改善儲水能力，尤其是節流閥小開度時的儲水能力存在明顯提升；在各種閥門組合控制下，均未出現凝水經儲水閥倒流的現象，從而解決了低工況下凝水系統的儲水問題。

圖7 低工況下2 種優化設計方案與原設計方案儲水能力的對比分析Fig. 7 Comparison of water storage capacity between two optimized design schemes and the original design scheme under low working condition

4 結 語

本文基于船用蒸汽動力凝水系統的仿真模型，進行了高工況和低工況下的凝水分配協調性分析。結果顯示，在低工況下，不僅儲水能力非常有限，而且還出現了凝水系統無法儲水，甚至是水柜凝水倒流進入除氧器的問題；在高工況下，凝水分配的協調性相對較好。同時，本文還提出了降低水柜安裝高度和調整系統管路連接方式這2 種優化設計方案，計算驗證結果表明，該優化方案可以有效改善低工況下的凝水分配協調性。