（核能科学与工程专业论文）船舶动力装置排汽回收系统研究.pdfVIP

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 通过对船舶动力装置排汽回收系统大负荷波动工况的仿真研究，其中冷 凝器是核心设备，可以辅助实验进行冷凝器性能研究，为排汽回收系统方案 的合理设计及调节器参数的最佳整定提供参考依据， 进行排汽回收系统运行工况分析，系统的最不利工况是在储汽罐排汽瞬 间蒸汽负荷最大，排汽完毕后蒸汽负荷最小几乎为零。本文从保证模型的精 度出发，探讨了仿真模型的建立方法，针对蒸汽动力装置排汽回收系统的运 行特点，参考冷凝器稳态模型，采用分布参数方法，建立冷凝器扰动工况下 的数学模型，并提出了求解方法，搭建仿真模型。验证所建立的仿真模型， 对排汽回收系统低压( 2 o m e a ) j g 行状态进行仿真研究，与同等压力下“0 1 ”动 力装置的实验结果对比分析，说明仿真模型的精度能够满足工程要求，所建 立的排汽回收系统扰动模型是可靠的，可用于排汽回收系统的动态特性研究。 然后在原有扰动模型的基础上，改变入口参数模块，进行系统高压( 6 o m p a ) 运行状态下的仿真计算，分析排汽回收系统大负荷扰动的动态特性，只要适 当地改变冷凝器循环水的流量就可以大大降低冷凝器的压力和温度波动。 关键词：排汽回收系统；大负荷扰动；动态分析 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h r o u 曲t h es i m u l a t i o nr e s e a r c ho ns t e a me x h a u s t - r e c o v e r ys y s t e mu n d e rt h e b i gl o a du n d u l a t i o no p e r a t i n gm o d eo ft h es h i pp o w e rd e v i c e s ，d e c r e a s i n gt h e e x p e r i m e n tt i m ed u r i n gt h ep r o c e s so fc o n d e n s e rr e s e a r c ha n dp e r f o r m a n c e a n a l y s i s ，i t w a sh e l p f u lf o rd e s i g n i n gs y s t e ma n dc o n t r o l l i n gm o d u l a t o r s p r e f e r e n c e s a n a l y z i n gt h ed y n a m i co p e r a t i o no ft h es t e a me x h a u s ts y s t e m ，t h ew o r s t w o r k i n gc o n d i t i o nw a st h a tt h es t e a ml o a do fc o n d e n s e rw a sm a x i m a lw h e nt h e s t e a mt a n kw a se x h a u s t i n ga n dt h e nm i n i m a la l m o s tg o tz e f ow h e nf i n i s h e d 1 1 l e p a p e rm a i n l ys t u d i e dt h em e t h o do fb u i l d i n gt h es i m u l a t i o nm o d e lo fc o n d e n s e r f r o mt h ea s p e c to fe n s u r i n gm o d e l sp r e c i s i o n , e s t a b l i s h e dd y n a m i cm a t h e m a t i c a i m o d e la c c o r d i n gt h eu n d u l a t i o no p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i ca n ds t e a d y - s t a t em o d e lo f t h es y s t e m b a s e do nt h i sm o d e l ，as i m u l a t i o nm o d e lw a go b t a i n e d ，a n di tw a s a s e dt os i m u l a t et h ew o r k i n gp r o c e s so ft h ec o n d e n s e r , m e a n w h i l eb u i l tt h e e x p e r i m e n td e v i c ea n dv e r i f i e dt h em o d e lt h r o u 曲c o m p a r i n ge x p e r i m e mr e s u l t m a d ei nn o 1a n ds i m u l a t i o nr e s u l to fs y s t e mo p e r a t i o nu n d e rl o wp r e s s u r e ( 2 0 m p a ) t h ev e r i f i c a t i o nr e s u l tc a ns a t i s f yt h ee n g i n e e r i n gr e q u i r e m 础，a n dt h e s i m u l a t i o nm o d e lh a dh i 曲r e l i a b i l i t ya n du t i l i t y b a s e do nt h i ss i m u l a t i o nm o & l ， c h a n g i n gt h ei n l e tp a r a m e t e r sa n da n a l y z i n gt h e f l u c t u a n tc h a r a c t e r i s t i co ft h e s y s t e mw o r k i n gu n d e rh i g hp r e s s u r e ( 6 0 m p a ) ，w ec a l lc o n c l u d et h a tt h ep r e s s u r e a n dt e m p e r a t u r eo fc o n d e n s e rw i l ld r o pt h r o u g ha p p r o p r i a t e l yc h a n g i n gt h ew a t e r f l o wr a t e k e yw o r d s ：s t e a me x h a u s t r e c o v e r ys y s t e m ；b i gl o a du n d u l a t i n g ；d y n a m i c a n a l y s i s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：鳓 日期：研年弓月多e t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 船舶动力装置排汽系统由储汽罐、冷凝器及相应的管道阀门、控制设备 组成，排汽系统的研究是件十分复杂的工作。 储汽罐供汽系统的特点是：锅炉一直以符合要求的一定流量向储汽罐供 汽，储汽罐需要多少蒸汽就存留多少，多余的蒸汽排掉。这样将阶跃性很强 的锅炉间断供汽矛盾转化为阶跃性很强的间断排汽，问题集中在如何安全的 将多余的高温高压蒸汽排掉。就我国国情而言，这种方案有很大的可行之处， 本论文主要针对这种方案进行分析，对排汽回收系统的大负荷扰动进行研究， 尤其是扰动过程排汽回收系统的动态过程，有别于一般的静态计算，而须采 用动态研究的方法。 排汽回收系统主要包括冷凝器、压力调节阀、控制设备组成。其中冷凝 器是最核心的设备。通过研究排汽回收系统的动态特性可以实现以下几个目 的： 第一，为船舶动力装置排汽回收系统方案的合理设计及调节器参数的最 佳整定提供参考依据。冷凝器的运行控制调节指标，需要充分了解冷凝器的 动态特性。 第二，指导冷凝器的工程设计。通过对冷凝器的动态特性研究，可以确 定个别因素对冷凝器热力性能的影响( 如换热面积、介质参数、管子排列方式 的选择，换热系数、出口温度、压力等动态特性的影响) ，从而对冷凝器结构 的设计提出更加合理的要求和建议，以便在冷凝器的设计过程中有意识地考 虑这些问题，避免不利因素。 第三，通过对排汽回收系统的动态过程数学模型研究，研究某些不能在 真实设备进行试验的现象。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 历史背景 锅炉向储汽罐的供汽方案有两种”1 ，一种是单独设置的专用锅炉，供汽 方案的出发点是锅炉的供汽特性与储汽罐的充汽特性是一致的，特点是锅炉 供汽为阶跃性很强的间断供汽，由流量控制阀自动调节蒸汽流量，以保持所 要求的储汽罐压力，从储汽罐来的蒸汽经压力调节阀送到管道上，以满足其 他设备瞬间的压力需要，由于每次储汽罐排出的蒸汽被消耗掉，所以船舶动 力装置必须进行附加水补给；另一种是用动力装置的锅炉连续供汽方案，与 前者相比，该方案是增加了一套排汽回收系统，其基本指导思想是：储汽罐 排汽是间断性的，而从锅炉出发连续供汽或是连续供汽特性是可行的，故采 用锅炉连续供汽，锅炉内多余的蒸汽排冷凝器的方案，以避免间断供汽给锅 炉带来的问题。 蒸汽流量调节是通过压差流量调节阀调节的，此阀受锅炉出口压力限制， 以便保持锅炉为一定的出口压力。 锅炉供汽过程：由锅炉向储汽罐连续供汽，供汽量为1 5 t h 、3 0 t h 、4 5 t h a 、 6 0 t h ，供汽是连续的。此时，通向冷凝器的旁通阀是关闭的，其余时间该阀 是打开的。不需要储汽罐排汽时，锅炉供给储汽罐的蒸汽由旁通阀排到冷凝 器中，所以，冷凝器的蒸汽流量从1 5 t h 至6 0 t h 。针对这一点，我们有以下 三个设想嘲： 第一，单独设高温高压冷凝器。即从储汽罐出来的多余蒸汽直接排入高 温高压冷凝器，经冷却后回收利用。这就要求冷凝器具有很好的变工况性能。 第二，不单独设高温高压冷凝器，蒸汽经减温减压后直接排入主冷凝器。 减温减压后的蒸汽直接排入主冷凝器，将会对主冷凝器造成一定的热冲击及 压力冲击，同时对主机运行也有一定影响。 第三，单独设低温低压冷凝器，蒸汽经减温减压后直接排入此冷凝器。 这样就会增加一套减温减压装置来保证冷凝器运行的安全可靠。 从文献闭中我们得知，该供汽方案尚处于研究阶段，只是完成了局部实 验如储汽罐，锅炉的动态研究、第三种设想排汽回收系统中减温减压器的研 究。但是对第一点设想，没有排汽回收系统该方案的工程应用实践经验，甚 至连完整的陆上工程性实验都没有做过，所以，该排汽方案是未经验证与完 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 善的，仅是一种设想，本文重点研究第一点设想，针对排汽回收系统的大负 荷扰动情况，进行排汽系统的动态特性研究，重点是对系统中冷凝器的动态 特性研究。 1 3 排汽系统动态过程研究 对船舶动力装置排汽回收系统的研究在很早就开始了，只是对问题的研 究较简单，随着现代计算机技术及测试技术的迅猛发展，对排汽回收系统动 态特性的研究也有了进一步的深入。 1 3 ，1 研究方法 1 实验研究 实验研究就是在实际设备上通过实验而获得该系统某些参数的动态特 性。这种方法得到的数据是可靠的原始材料，其得到的数据是设计其系统的 重要依据。一般的热力系统实验研究主要有以下三种方法。 ( 1 ) 时间域法。对研究对象( 冷凝器) ，人为的加入一种特定的扰动( 间断， 矩形脉冲信号等) ，排汽回收系统中可以通过对排汽阀加入特定的扰动信号， 用于控制冷凝器入口蒸汽量，再用适当的设备记录下冷凝器的一些点的参数。 ( 2 ) 频率域法。该方法是以专用的信号发生器向研究对象输入正弦波。同 时记录下其输出的频率特性，通过对系统频率特性的分析来获得所需的动态 特性。 ( 3 ) 统计方法。该方法只是向研究对象输入随机信号或者不加任何信号， 用测量设备测出其输出的随机信号，然后通过数学运算，获得输入与输出之 间的关系。 这三种方法都各有优点。方法( 1 ) 比较直观，但是对于正常运行的设备加 入扰动后，会使其偏离正常工况，影响生产，有时甚至影响设备的安全。因 此输入扰动信号的幅度受到限制，一般对于间断信号其幅度为额定负荷的 1 0 , - - 1 5 ，矩形脉冲信号的幅度为2 0 , - - 3 0 。由于该方法简单直观，其应 用最为广泛。方法( 2 ) 原理简单，可以得到比较全面的动态描述。它不仅适用 线性系统，而且可以推广到非线性系统和变参数系统。但该方法需要可变频 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 率和振幅的正弦波发生器，而且时间比较长，这些因素限制了该方法的使用。 方法( 3 ) 虽然加入的扰动较小甚至不加扰动信号，但是该方法需要复杂的数学 运算，且精度较前两种方法低，因此该方法的使用较少。 船舶动力装置排汽回收系统，具有扰动大的特点，蒸汽负荷在0 1 0 0 之间，负荷的扰动大，这需要很好的控制系统，冷凝器的抗热冲击性能要好。 在对其动态扰动的研究中，可以采用时间域法，通过人为的控制排汽阀的排 汽量，对回收系统进行动态分析。 尽管这种研究回收系统的方法有无可怀疑的优点，但是它的研究受到很 大的限制。这种研究需要在实际的系统上运行，实际设备的论证，设计阶段 是无法完成的；且实验过程需要消耗大量的人力物力，需要的时间多，有些 实验还无法在实际设备上进行。 2 理论研究 理论研究就是根据对象的内部机理，经过分析，按照一些基本定理如质 量守恒，能量守恒，动量守恒建立起描述对象动态特性的数学模型，然后再 计算机或模拟计算机上求解，以获得所需的输入输出关系。理论研究一般分 为以下几个步骤： ( 1 ) 确定建立动态模型的目的。根据所要研究的对象，分析一个系统中所 要研究的部分。如研究船舶动力系统的动态特性时，则可将处于系统中的排 汽回收系统作单一环节来处理； ( 2 ) 提出合理的简化假设，对于蒸汽回收系统，假设负荷扰动对其中的管 路、阀门没什么影响，只是排汽对冷凝器有影响； ( 3 ) 建立动态数学模型，应用动量、质量、能量守恒方程，传热方程，状 态方程，建立起动态数学模型； ( 4 ) 选择计算方法并确定仿真模型； ( 5 ) 编制计算机程序； ( 6 ) 模型的完善化，由于模型时在一定的假设条件下建立的，应该分析其 是否合理，方法之一是将模型的计算结果与实验结果相比较，若超过允许的 偏差则需要对模型进行修改，直至模型符合实际； ( 7 ) 模型的应用，按照需要运行仿真模型，进行仿真试验。 同在实际设备上进行大量实验相比，利用计算机仿真进行排汽回收系统 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 某些特性的研究具有以下一些特点： ( 1 ) 模拟能力强，计算机仿真技术既能模拟真实条件，又能模拟一些理想 化的假定，拓宽了实验研究的范围，减少了实验的工作量； ( 2 ) 数据完整，计算机仿真可以提供研究范围内有关变量的具体数值，因 而可以补充实验研究所无法获得的数据； ( 3 ) 经济性好，利用数学模型进行实验的费用远远低于在实际设备上进行 实验研究的费用； ( 4 ) 周期短，计算机仿真方法可以从各种参数的大量匹配组合中选择多种 方案进行比较，选择最佳方案的快速和灵活是任何实验研究方法所无注比拟 的。 冷凝器是蒸汽排放系统中的复杂设备，冷凝器工作的好坏直接影响到整 个排汽系统的热经济性和运行可靠性。有鉴于此，通过仿真实验研究，确切 地认识和了解发生冷凝器内的流动和传热过程，掌握冷凝器的动态特性，提 高热力计算精度和其运行水平。通过动态仿真，可反映冷凝器的动态特性是 很有意义的课题。冷凝器在设计过程中只能给出在几个工况下的设计值，无 法给出大负荷扰动工况的参数变化，通过冷凝器的动态仿真能够得到其在扰 动工况下主要参数的动态变化趋势。 1 3 2 研究现状 随着现代计算机的发展及对蒸汽回收系统的进一步认识，从理论上对船 舶动力装置的研究已进行了很多，当然有些实验研究是必不可少的，因为理 论研究还没有发展到可以完全解决排汽回收系统动态特性所有问题的地步。 但是，由于实验设备和经济条件的限制，排放回收系统较大负荷波动实验无 法在真实设备上进行，所以将计算机仿真技术应用于分析、验证运行程序就 成为了有效途径之一。计算机仿真技术就其本质而言是基于数学模型的研究 方法，也就是说，系统( 即研究对象) 的数学模型在给定区域条件下，在计算 机上运转9 。根据仿真的需要，可以得到系统在给定条件下的性能和运算过 程中的各种参数及其变化趋势。计算机仿真作为- 1 3 利用模型进行实验研究 和培训的技术，具有可控、安全、经济、节约时间、容许多次重复的特点。 另外，我们目前所获得的资料中，大多是制冷系统、电站凝汽设备的， 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 而关于船舶蒸汽动力装置排汽回收系统研究，目前在国内进行的很少。以前 排汽回收系统的设备组成复杂，蒸汽经减温减压器降温减压后排入冷凝器， 增加了设备的复杂性，运行不经济。如图1 1 所示。 图1 1 蒸汽排放系统原理图 排汽回收系统动态研究的前景展望有以下几点： ( i ) 提高排汽回收系统的经济与安全性能。简化排汽回收系统的设备构 成，通过合理的参数整定及安装高精度的调节控制系统，提高其安全性能： ( 2 ) 建立高精度的数学模型。只有高精度的数学模型才能应用于生产过程 的分析，新设备特性的预测、运行方式、控制系统的设计及参数整定等项目 的研究。这就要建模过程中充分考虑便参数、分布参数的特点，求解过程中 选择适当的算法，因为算法与计算精度有关； ( 3 ) 对仿真软件的要求。因为模型的求解都是在计算机上完成的，因此对 计算软件提出了一定的要求。软件应具有方便、灵活的图形建模功能，模块 化结构，开发新设备模块的完善建模环境和运行、结果分析的仿真环境，即 一体化仿真软件。将人工智能技术引入船舶动力装置排气回收系统动态特性 研究中，构成智能化的仿真专家系统。 1 4 本文的主要工作 1 了解排汽回收系统的设备组成。并了解冷凝器的具体构造，掌握冷凝 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 器的基本理论，研究冷凝器在结构参数、物性参数对冷凝器流动特性和传热 过程的影响，深入掌握了冷凝器静态性能计算的理论和方法，为建立冷凝器 的动态数学模型提供理论依据。 2 排汽回收系统的运行工况研究。分析蒸汽大负荷扰动运行工况的整个 过程及其特点，是建立适合该运行工况下排汽系统数学模型的蔚提条件。 3 基于目前大多数仿真软件对冷凝器研究不足的现象，结合仿真要求， 从冷凝器稳态运行时的数学模型出发，按照冷凝器的工作原理建立其在扰动 工况下的动态数学模型，对冷凝器动态数学模型，在合理的范围内进行了简 化处理，并提出了针对大扰动工况下数学模型的计算方法。 4 。利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件编制、调试冷凝器动态数学模型， 较核模型的正确性和实用性。该模型不但要能满足静态精度的要求，而且要 能够正确地、全面地模拟冷凝器的动态特性。在冷凝器稳态工况模型的基础 上，按照冷凝器的工作原理搭建及调试冷凝器扰动工况模块，要注意解决参 数的设置以及在m a t l a b 中调试时容易出现的问题。 5 通过排汽回收系统排汽压力2 0 m p a 时的仿真曲线与实验曲线对比， 验证冷凝器扰动数学模型的正确性，发现不足之处，分析并改善模型，再利 用完善的扰动仿真模型，对排汽回收系统排汽压力6 0 m p a 扰动工况下进仿 真计算，得到结果，分析其动态特性。 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第2 章排汽回收系统动态过程分析 2 1 排汽回收系统 船舶动力装置排汽回收系统由储汽罐、压力调节阀、冷凝器、抽汽器、 循环水泵、冷凝水泵等设备及管路阀件和控制系统组成。 储汽罐也就是说将一定量的水引入储汽罐的底部，这些水在预定的压力 时是在蒸汽下面的，储汽罐内的压力下降时，储气罐中的水随压力下降而散 发，由此而产生的蒸汽能维持在预定的压力，在排汽期间，管道始终处于较 高的压力水平。 压力调节阀主要是控制储汽罐内的压力为5 2 9 m p a 至5 9 7 m p a ，当压力 大于5 9 7 m p a 时，压力调节阀打开，将罐内蒸汽直接引入高温高压冷凝器中， 当压力小于5 2 9 m p a 时，关闭压力调节阀。 图2 1 排汽回收系统原理图 整个排汽系统的核心是冷凝器冷凝器作为一个重要的冷却装置，将高 温高压的蒸汽冷凝，并将纯净的凝结水抽出作为给水继续使用，不断的将凝 结时放出的热量带走，而且将冷凝器内的空气抽出，在排汽口建立和维持一 定的真空度。其原理系统图见图2 1 。 g 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 排汽回收系统动态过程 2 2 1 排汽回收系统运行工况概述 排汽回收系统运行的最大特点是变工况，以下是在一个波次( 2 0 次1 储汽 罐充放汽的过程中，其扰动运行工况分析。 通常要求，在下达命令后3 分钟内开始。假如初始储汽罐处于较高的汽 压状态，命令下达后需1 分钟作准备，1 分钟将储汽罐充汽量由1 5 t h 缓慢线 性升至1 0 8 t h ，1 分钟调整与准备过程保持在1 0 8 t h 的充汽量，这些新汽实 际上储汽罐全部排给了蒸汽排放回收系统。2 0 次之间有1 9 次间歇，储汽罐 充满后大约1 0 秒钟用于调整稳定，这1 9 次1 0 秒钟维持1 0 8 陆的新汽也都经 储汽罐排给了蒸汽排放系统。在第2 0 次起飞完毕储汽罐充满蒸汽备用后( 4 0 秒) ，用一分钟将锅炉对储汽罐的供汽由1 0 8 t h 匀速降至1 5 t h ，这一过程的 新汽也经储汽罐排给蒸汽排放系统。1 0 分钟准备、检查，排汽流量为1 5 t h 。 以上为一个波次的连续扰动工况新蒸汽消耗。这一过程中冷凝器的入口蒸汽 流量随时间的变化简单示意如下图2 。2 所示。 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 1 4 0 01 6 0 0 t ( s ) 图2 2 一个波次内蒸汽流量随时间变化曲线 由图2 2 可以知道，在负荷扰动过程中，流入冷凝器的蒸汽呈阶跃性相 当强的间断供汽，矛盾的焦点集中在以下几点： 1 命令下达后，在1 分钟之内，工作人员进行准备，此时，锅炉供给储 9 e 2 o a b 4 2 o ( e ，6 邑o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 汽罐的蒸汽量保持在1 5 t h 不变，冷凝器的负荷稳定在1 5 t h 不变； 2 命令下达1 分钟后，锅炉供给储汽罐的蒸汽量在1 分钟之内由1 5 t h 均匀增至最大流量1 0 8 t h ，这一过程冷凝器的负荷是均匀增加的； 3 命令下达后的第3 分钟内，锅炉的供汽量是以最大流量1 0 8 t h 不变 的，而储汽罐此时的压力已达恒定( 额定) 值，流入的新汽都需经冷凝器，这 一过程，冷凝器需承受1 分钟的t 0 8 t h 流量的稳定蒸汽负荷； 4 储汽罐排汽时，冷凝器的蒸汽流量迅速由1 0 8 t h 降至0 ，这一过程是 瞬时的： 5 一次完毕后，锅炉给储汽罐充汽，此时冷凝器的进汽流量为0 。而在 大约4 0 秒后，储汽罐压力达到额定值，冷凝器的进汽流量瞬时由0 突变为 1 0 8 t m ： 6 在2 次排汽之间有1 次间歇，储汽罐充满汽后大约1 0 秒钟用于调整 稳定，1 0 秒钟内冷凝器的蒸汽量为1 0 8 t h ，1 0 秒后，供给冷凝器的蒸汽量迅 速变为o ，扰动时间约为2 3 秒。在2 0 次排汽之间，有1 9 次间歇，这一过 程将迅速不断地重复1 9 次； 7 在第2 0 次排汽完毕，储汽罐充满蒸汽备用后，用1 分钟将锅炉对储 汽罐的供汽量由1 0 8 t h 匀速降至1 5 t h ，这一过程的新汽也经冷凝器冷却； 8 1 0 分钟的检查、准备，锅炉以1 5 t l l 的供汽流量经储汽罐流入冷凝器。 1 0 分钟之后，重复以上过程。 根据以上分析，以一个波次( 2 0 次) 为例分析冷凝器的工作过程，在一个 波次内，该装置工作时间为6 0 + 6 0 + 1 0 1 9 + 6 0 + 1 0 6 0 = 9 7 0 秒= 1 6 分1 0 秒。 而一个波次的时间为6 0 + 6 0 + 2 x 2 0 + 4 0 x 2 0 + 1 9 1 0 + 6 0 + 1 0 6 0 - - 9 7 0 + 8 4 0 秒 = 3 0 分l o 秒。可以看出，大负荷扰动过程中，冷凝器是一个关键设备，其蒸 汽流量受储汽罐及压力调节阀的控制呈阶跃性很强的间断供汽过程，其流入 蒸汽的流量随时间变化从理论上简单描述如图2 2 所示。而其压力随时间的 变化与储汽罐有直接关系。在一个波次的扰动过程中，储汽罐非扰动时的排 汽量、排汽压力、排汽温度即为冷凝器的进汽量、进汽压力、迸汽温度。 2 2 2 冷凝器的运行工况 冷凝器作为船舶动力装置的换热器，在装置稳定运行时，蒸汽以过热气 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 体状态进入冷凝器，逐渐冷却到气液两相状态，并进一步冷却至液体状态后 离开冷凝器。它是排汽回收系统中重要的设备，它能否安全运行对整个船舶 动力装置是很重要的，所以对冷凝器的研究就显得很重要了。 冷凝器运行的最大特点是它的变工况h 。冷凝器作为储汽罐排汽系统中 的一个重要设备，其作用是将储汽罐多余的高温高压蒸汽排入冷凝器后降压 冷凝，其运行工况受扰动工况直接影响。 冷凝器的运行过程是比较复杂的。在动态过程中，上述工况均可能发生， 特别是在储汽罐储汽完毕后，流入冷凝器的蒸汽流量瞬时由o 变为最大流量 1 0 8 t h ，相反，在扰动过程中，蒸汽流量瞬时又由1 0 8 t h 变为0 。这一负荷变 化迅速且波动幅度大，对冷凝器影响很大。从安全的角度出发”1 ，希望冷凝 器动态特性要好，负荷变化适用性要宽；从冷凝器生产、设计角度分析，存 在着参数的最佳适用范围，同时还会与自控水平等因素有关。对负荷变化适 用的要求与产品技术性能的适用性是一对矛盾。大负荷扰动工况的迅速变化 对冷凝器的运行是很不利的，这给工程设计人员提出了一个难题。 冷凝器最不利的工况是蒸汽流量由最大流量1 0 8 t h 瞬时变为0 或由0 瞬 时变为最大流量。针对上述问题。在工程选型设计时比较准确地把握原始设 计参数、冷凝器入口的压力、温度以及流量，其中准确把握流量的时间变化、 压力控制阀调节、冷却水流量、温度调节、结构特点及工作原理等是很重要 的。 2 2 3 冷凝器的结构特点及工作原理 壳管式冷凝器是由外壳所构成的，外壳通常呈圆柱形或椭圆柱形如图 2 3 所示，其上连接着形成水室的特殊端盖。在这些端盖和外壳质坚固装着有 孔的管板，在这些空中则装有很多的冷却水管。冷却水管通常集聚成簇并且 占满外壳内部容积的绝大部分。在冷凝器横截面中，管族的排列轮廓是根据 冷凝器中管子的合理布置方法，由管板上管孔的特殊排列来确定的。蒸汽的 管口位于冷凝器外壳的上部，它直接或通过补偿器接到蒸汽装置上。在外壳 的下部有凝结水的聚集箱( 或是热井) 。空气管管口位于外壳下部的侧面，空 气的抽出即经过这个管口来进行。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 冷却水入口l 蒸汽出口i 蒸 气入口 冷却水出口；4 凝结水 图2 3 冷凝器的结构图 蒸汽经接纳管口进入冷凝器的汽域，蒸汽与冷的管壁接触因而开始凝结， 同时将凝结潜热通过管子表面传给冷却水。冷却水以入口温度经过冷却水管 口进入水室，在这里冷水即分配到位于冷凝器外壳下部的第一道流程的各根 水管。冷却水顺着第一道六成的水管流到另一个水室，然后进入下一个流程 的水管与蒸汽进行热交换，经过这样反复几个流程后，最后从出口管排出。 由于系统的不严密性，需要不断的从冷凝器中抽除空气，才能保证系统的真 空度要求。而抽除的气体中含有蒸汽和空气，在凝结开始的阶段空气量和全 部的蒸汽量相比，其数值是不大的。随着蒸汽和空气朝向抽气口流动，蒸汽 不断的凝结下来，因而混合物中蒸汽的质量就逐渐减小，空气的相对含量逐 渐增大，直到进入空气冷却区时已经达到很大的数值，蒸汽的凝结过程已经 终止。冷凝器内压力变化、冷却水温度变化及蒸汽凝结量需要通过热力计算 得到。 2 ，2 4 冷凝器的热力计算 传热学和工程热力学有关理论构成了冷凝器的理论基础，反映冷凝器特 性的有关理论和计算公式如下： 1 热平衡方程式 根据传热学理论m 嗍，作为换热器的冷凝器，假定不考虑它与外界大气之 间的换热，则其热平衡方程式为： g = d i ( 吃一见) = k 出。a = g 。c 。0 2 一t 1 ) ( 2 1 ) 式中q 冷凝器热负荷，w ； d 。冷凝器蒸汽负荷，k s ； 。冷凝器入口蒸汽比焓，j l ( g ； 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 h c 凝结水比焓，j k g ； k 总传热系数，w ( m 2 k ) ； 血。对数平均温差，k ； 一冷却面积，m 2 ： g 。冷却水流量，k g s ； c 。冷却水比容，j ，( k g k ) ； t ，冷却水出口温度，； t 冷却水进口温度，。 2 传热端差 传热端差点与冷凝器冷却面积、传热系数、冷却水量及冷却水温有关， 口堕 吼4 ： ：毒l ( 2 - 2 ) e 。r 6 一1 pc i q 一1 传热端差的计算公式表明州，一是由冷凝器换热情况、真空系统和冷却 水工作情况的参数x 、6 0 及结构参数彳所决定的。运行中如果冷凝器漏气或 抽气器故障造成空气积聚，引起传热系数下降，端差随之增大；当蒸汽负荷 下降到一定阶段之后，k 将开始随之明显降低，而且降低的速度越来越快， 最后能把由蒸汽负荷减小带来的冷凝器压力的减低因素抵消掉，即冷凝器压 力不再继续随蒸汽负荷减小而降低。 3 对数平均温差m 1 a t m = 箍2 型i na t 2 - 盖 + 8 , ( 2 - 3 ) t | 一k6 | 式中f 冷凝器壳侧蒸汽的凝结温度，。 4 总传热系数的计算1 ( 1 ) 别尔曼公式 k = 4 0 7 0 ( 妒。仍仍 ( 2 - 4 ) 式中善表面清洁状况和管材及壁厚影响修正系数； 妒，冷却水流速及管径修正系数； 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 仍冷却水温度修正系数； 冷却水流程修正系数； 钆冷凝器蒸汽负荷变化的修正系数。 f 按下式确定 善= 。专， ( 2 5 ) 式中看，冷却表面清洁系数，与冷却水供水方式和永值有关，在直流 供水且水中矿物质含量较少时，毒。= 0 8 5 0 9 0 ，在循环供水 时， 。= 0 7 5 0 8 5 ； 善。取决于冷却管材料与壁厚的系数，对于壁厚为l m m 的黄铜管 为1 0 ，b 1 0 管为0 9 2 ，不锈钢管为o 8 2 。 吼是冷却水流速，冷却管内径、冷却永进口温度及修正系数 的函数，按下 式计算 舻伴) ，( 2 - 6 ) 刮d ， 式中，管内冷却水流速，以； 谚冷却管内径，姗； 并计算指数，按下式计算 当 0 6 时，工= o 1 2 ( 1 + o 1 5 t r l ) ( 2 - 7 ) 当 0 6 时，x = o 6 霸主要取决于冷却水入口温度门，但也与系数和冷凝器的蒸汽负荷有关， 当九s3 5 时t 纠一慧( 3 5 _ ( 2 - 8 ) 其中 b = o 5 2 一o 0 0 7 2 d , 式中d ，冷凝器的比蒸汽负荷，k ( m 2 s ) 。 当3 5 c 2 t y l 4 5 。c 时，识= l + 0 0 0 2 ( 一3 5 ) 览主要取决于冷却水流程数，也与冷却水入口温度t a 有关， 纠+ 等c - 一匆 式中z 流程数。 用于冷凝器变工况计算时考虑蒸汽负荷变化影响的修正。 1 4 ( 2 9 ) 佗- l o ) 按下式计算 ( 2 - 1 1 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 当或( 以) 。1 时，- - 1( 2 - 1 2 ) 式中( 以) 。冷凝器的临界比蒸汽负荷，g m 2 s ，( 以) 。按下式计算： ( 吃) 。= ( 0 8 0 o l t ：，x 以) 出 ( 2 1 3 ) 式中似l 冷凝器的设计比蒸汽负荷，g m 2 。s 当t ( t ) 。 1 时 铲去 2 一去】2 蔬口一赢1 眨一1 4 ) ( 2 ) 分部计算关系式 分别计算出适于整台冷凝器的冷却水侧对流放热系数，( w ( m 2 k ) ) 和 蒸汽侧对流放热系数心铡必i n 2 k ) ) 后，直接利用公式计算总传热系数，故称 分部计算关系式。 小马j j 再 g j 5 一 一 l l n _ l 口。噍口。从一吃 式中 q 蒸汽凝结对流放热系数，w ( m 2 嘻厂) ； a 。泠却水对流放热系数，w ( m 2 k ) ； 嘎、如分别为冷却管的外径和内径，m ； 旯冷却管材的导热系数，w ( m 2 酗。 其中冷却水对流放热系数口，按下式计算 q = o 0 2 3 r e ”p r o a 争 ( 2 1 6 ) 式中 a 。冷却水导热系数，w ( m 2 ，k ) ； r c 雷诺准则数 r e ：兰丝 ( 2 1 7 ) 式中v 。冷却水流速，r i d s 心冷却水运动粘度，m 2 s p r 普朗特准则数 p r ： f 2 1 8 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其中：仃冷却水热扩散率，m 2 s 为了确定上面3 个式中冷却水的物性参数a 。、仃，先要计算出冷 却水的平均温度0 作为定性温度a 为此需先求出q 、及f 2 。q 可由式( 2 - 1 ) 求得，但r j 可按冷凝器计算压力b 查表得到。 同样可由( 2 - 1 ) 求得f 2 - l 。于是 f 2 = t l + 0 1 0 = 亡“+ t 2 ) 式( 2 - 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 、( 2 一1 8 ) 中其余的参数7 一a 。、仃可按照冷却水的定性 温度0 查表得到。 凝结水膜层平均温度计算 凝结水膜层平均温度f ，是确定冷却管外壁面上凝结水膜层物性参数的 定性温度。假定m 。为适于整台冷凝器的蒸汽与冷却管外壁之间的平均温 度，则 f r ：一年 ( 2 - 1 9 ) 其中a 可按下式计算： 嵋= 虬一g c 毒毫+ 鲁i n 鲁， c z 之 式中4 冷凝器比热负荷，按下式计算 g = 詈器 ( 2 - 2 1 ) 式中 g ，假定的冷凝器比蒸汽负荷，吲c r n 2 s ) 。 可见，采用分部计算关系式时，要预先假定晶值，通过逐步逼近方法，最终 确定总传热系数。 其中a 按下式计算 叱= 1 2 9 兀”m 4 5 ( 1 + 詈) j ( 矿5 a 。4 “ ( 2 2 2 ) 在上式中，a 。是纯净静止蒸汽在单根水平圆管外壁上发生膜层凝结时的对 流放热系数，按传热学理论中著名的努谢尔特公式计算： 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a 。= o 7 2 8 ( 2 2 3 ) 式中成凝结水密度，k g m 3 ，按凝结水膜层平均温度f ，查表： 丸凝结水导热系数，w ( m 2 k ) ，按f ，查表； y 。凝结水运动粘度，m 2 s ，按，r 查表； r 汽化潜熟，j k g ，按f ，查表； g 重力加速度，取为9 8 1 m s 2 。 札是纯净静止蒸汽在单根水平圆管外壁上发生凝结时的努谢尔特数，可按 丸、吐及口。计算如下： m = a 。q ，丸 ( 2 2 4 ) 上式( 2 - 2 2 ) ，岛“表示空气漏入冷凝器对蒸汽侧对流放热的影响。 蒸汽在冷凝器管束中刚开始凝结时的相对空气含量按下式计算： s o2 赢( 2 - 2 5 ) 式中q 冷凝器的空气漏入量，k g s ，q 按下式计算： 瓯= 兰2 5 + 2 ( 2 - 2 6 ) ! ( 1 + 妄) ，表示冷凝器冷却水流程数z 对蒸汽侧对流放热的影响。 ( ；) o j ，表示冷凝器冷却管排列与布置以及管束型式对蒸汽侧对流放热的 影响。；定义为管柬蒸汽进口处各冷却管之间最窄通道面积之和嘉与管束全 部冷却管构成的冷却面积a = 万d i n l 之比，即 ；= 鲁= 靠= 南 陋z ， 式中s 管柬蒸汽进口处各冷却管之间最窄通道宽度之和。 由此可见，采用分部计算关系式计算总传热系数时，不仅要预先假定岛 值。还要根据冷凝器设计参考母型的或按初步方案设计确定的管束型式，预 先给定j ，通过逐步逼近方法，最终确定总传热系数。此外从5 的定义可以看 出，它是表征冷凝器管束“深度”的参数。因此，式( 2 2 2 ) e 8 的o ) o ”实际上 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表示了蒸汽在管束内流动过程中速度的变化以及从冷却管滴落的凝结水对蒸 汽侧对流放热的影响。 式( 2 2 2 ) q b 的数团用于考虑汽流对冷却管上凝结水膜层的动力作用，按下 式计算： 兀= 等 式中见蒸汽密度，k g m 3 ，按冷凝器压力见查表； 矿管间流速，蒸汽进口处各冷却管之间最窄通道处的蒸汽平均流 速，m s ，按下式计算： l 。乓( 2 - 2 9 ) 纯j t 左可根据预先假定的及j s t a g e y ： 无：j 堡( 2 - 3 0 ) 2 2 5 影响表面式冷凝器汽侧传热性能的因素 1 蒸汽中空气含量对放热的影响”2 1 在实际运行过程中，冷凝器中不可避免地存在一部分空气，空气的来源 有两方面，一方面是由蒸汽直接带入的，另一方面是通过真空系统不严密处 漏入的。在冷凝器的入口处，空气在总气流中所占的份额很少，一般不超过 o 0 1 随着蒸汽向抽气口方向的流动，蒸汽逐渐凝结，则空气所占的份额逐 渐增加，在冷凝器的抽气口处，空气含量迅速增加，可达5 0 6 0 左右， 这时空气对于放热会发生很大的影响。 在壁面处，由于蒸汽凝结的结果，靠近壁面处蒸汽的分压力将减少，并 且越近壁面处减少得越多。根据道尔顿定律，壁面各处混合物的总压力是不 变的，则愈靠近壁面处空气分压力愈大。所以靠近壁面处空气的浓度比较大， 形成一层空气膜，远离壁面处的蒸汽必须穿过这一空气膜才能达到液膜表面 处凝结，这相当于增加了热阻，使放热系数下降。 2 蒸汽流速对放热的影响” 1 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 当蒸汽流速较大时，必须考虑到蒸汽凝结放热的影响。对于纯净蒸汽， 当流速增高且汽流与液膜流动方向一致时，由于蒸汽和液膜之间的摩擦会导 致液膜厚度减薄，并使液膜中出现局部紊流流动，这些都会使凝结放热系数 增加。当蒸汽流速在4 0 5 0 m s 时，其凝结放热系数较静止蒸汽凝结放热系 数提高3 0 左右，而当流速小于l o m s 时，蒸汽凝结放热系数的提高不明显。 3 管子排列对放热的影响” 蒸汽在水平管束外凝结时，各排管子的凝结情况和管子的排列方式有关。 在管子的各种排列方式下，由于上排管凝结液的下落，使下面各排管的液膜 厚度逐渐增加，导致其放热系数逐渐减小。 水平管束常见的排列方式有下列几种： 顺排。第一排管类似单管时的凝结放热，下面各排管将全部接受上排管 的凝结液。管子外表面的凝结液膜随着排数的增加而迅速增厚，所以管束的 平均放热系数比单管凝结时的放热系数要小得多。 叉排。叉排又称三角形排列或错排，第一排、第二排管类似单管时的放 热，而其后各排将接受上排管子的凝结液，其放热系数将较顺排高。 辐向排列。蒸汽在这种管束外凝结时，管子问凝结液体的流动情况较复 杂。显然辐向排列时下面各排管液膜增厚的程度将比顺排时要轻一些。 2 3 本章小结 本章对冷凝器的结构特点、工作原理、热力性质及其影响因素进行了介 绍和分析，并简单介绍了工作系统，即排汽回收系统，并对系统的运行过程 作了概述，通过了解系统大负荷扰动工况的运行特点，可知冷凝器的负荷扰 动很大，流入冷凝器的蒸汽流量瞬时由0 变为最大流量1 0 8 t h ；相反，在扰 动过程中，蒸汽流量瞬时又由1 0 8 t h 变为0 ，大负荷扰动工况的迅速变化给 冷凝器的运行是很不利的。通过分析冷凝器的结构特性、运行工况、动态过 程、热力性质及其影响因素，便于建立系统扰动工况下的数学模型。 t 9 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 3 1 简述 第3 章排汽回收系统数学模型 数学模型是由一些数学关系综合而成，这些公式包括数学公式来描述一 种过程，或者用经验公式、表格、图形或其他数学形式来描述某些状态参数 之间的关系，它包括系统的各个输入、输出变量之间的主要数学关系”。数 学模型的主体通常是组联立的代数或微分方程式，可分为静态数学模型和 动态数学模型。静态数学模型用来描述系统在稳定状态或平衡状态下各种输 入变量与输出变量之间的关系，它能反映系统或过程的静态特性，可以直接 或间接地取自各种静态计算方法，也可以由实验结果得到。动态数学模型用 来描述系统在不稳定状态下各种变量随时间变化的关系。当系统从一个稳定 状态变化到另一个稳定状态下时，哪些参数会发生变化，其变化的速度及历 程如何等等，都属于动态数学模型要解决的问题。在仿真机上采用的都是动 态数学模型。为了使动态数学模型及其计算不至于过分复杂，在建模时往往 进行更多的简化，以满足实时仿真的要求。这样由动态数学模型所得计算结 果的误差往往大于静态数学模型的误差。 数学模型一般应包括三个部分：输入、输出、系数。输入、输出用于连 接各模型，确定各设备或系统之间物理参数的关系。系数用于设置与设备特 性及系统参数有关的一些常数，如容积、受热面积、比容、黏度等系统常数 计物性参数。通常将用于求解某一具体设备或系统的数学模型成为模块。对 于工作原理相同的设备，可以用同一数学模