（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

在船用汽輪發(fā)電機組凝水系統(tǒng)中，用于自動調節(jié)機組冷凝器水位的水位調節(jié)器是一個關鍵設備，冷凝器水位的高低直接影響到冷凝器的工作性能，進而影響整個機組的熱經(jīng)濟性和安全可靠性[1]。水位調節(jié)器應使冷凝器水位在所有工況下均能維持在合理的高度范圍內，從而保證機組運行的穩(wěn)定性。在多型機組中都出現(xiàn)過機組低負載工況下水位無法穩(wěn)定的情況，故障原因則必須具體分析才能確定。因此，在水位調節(jié)器獨立試驗過程中摸清其性能特點，對整機組的試驗及運行大有益處。

1 研究對象

作為試驗對象的水位調節(jié)器的結構如圖1所示。水位調節(jié)器的試驗系統(tǒng)完全模擬機組實際的凝水系統(tǒng)。圖2是機組的試驗系統(tǒng)。圖3是水位調節(jié)器的調節(jié)原理圖。

水位調節(jié)器的調節(jié)原理為[2]：當冷凝器水位較高時，將開大通往熱井的排放窗口，大部分凝水排放到熱井，另有少部分凝水通過水位調節(jié)器回到冷凝器；當水位較低時，將開大回水窗口，少量凝水直接排放到熱井，大部分凝水通過水位調節(jié)器回到冷凝器。在機組水位正常時，水位調節(jié)器既不向熱井排水，也不通過熱井向冷凝器補水。當且僅當在開機狀態(tài)下，水位較低，系統(tǒng)無法為冷凝器補水時，水位調節(jié)器閥桿上移，此時，熱井及抽氣器凝水管路過來的凝水全部排放至冷凝器，直到水位恢復正常。

圖1 水位調節(jié)器

圖2 試驗系統(tǒng)原理

圖3 水位調節(jié)器的調節(jié)原理

2 3種故障的處理

2.1 實際壓差不足的故障處理

對水位調節(jié)器進行了初步試驗，由于此時水位調節(jié)器的實際性能未知，且需要摸索流量分配的規(guī)律，因此先對各窗口的最大流量及系統(tǒng)的匹配性進行摸底。試驗時發(fā)現(xiàn)：汽耗量在40 t/h以下時，流量計顯示不準確，需要重新設定。試驗結果如表1所示，水位控制目標值為（400±50）mm。

表1 水位調節(jié)器初步試驗結果

根據(jù)試驗結果可以發(fā)現(xiàn)：1）進入水位調節(jié)器的流量基本維持在85 t/h左右，表明這一窗口已經(jīng)達到最大流量；2）凝水流量為150 t/h時、汽耗量最低為70 t/h時，水位可以穩(wěn)定，但是考慮到汽耗量流量計顯示問題，這一結果并不完全可靠；在汽耗量低于70 t/h時，水位較難維持穩(wěn)定。

初步試驗表明：在設計計算中，按照機組實際運行條件，那么冷凝器內真空度（表壓）為?0.08 MPa，甚至更高。而在當前試驗條件下，冷凝器內為大氣壓力，即表壓為0 MPa。因此，由水調向冷凝器回水的窗口其前后壓差較實際運行時減小約0.08 MPa，總壓差約為0.47 MPa，減小的壓差約占總壓差的17%。根據(jù)公式若流量系數(shù)與計算時的取定值一致，則回水窗口的流量減少約9%。

熱井向冷凝器補水窗口前后壓差較實際減小0.08 MPa，此外實驗冷凝器安裝高度約為2 m，比實際運行的高度（約為5 m）減少約2 m，。因而造成試驗較運行時前后壓差減小約0.10 MPa，約占總壓差（約0.13 MPa）的85%，補水窗口流量減少約61%。

根據(jù)上述分析，應增大回水及補水的壓差。為了模擬真實情況，并盡可能減小工程量，為冷凝器增加真空泵，真空泵可在試驗時將冷凝器抽真空，以模擬實際運行工況。

2.2 小流量工況水位持續(xù)下降的故障分析

增加真空泵后，試驗時在冷凝器內建立真空?0.05 MPa，試驗結果如表2所示，水位控制目標值為（300±50）mm。從表2可以看出：冷凝器內建立真空后，水位調節(jié)器流量特性有明顯改善，但在小流量（＜5t/h）時，水位無法保持在設定值。

如上所述，即使在冷凝器建立真空，仍然存在小汽耗量下水位不穩(wěn)定的情況。分析此類套筒閥的結構，發(fā)現(xiàn)一個共性問題，即其在小流量下難以維持穩(wěn)定。套筒與滑閥之間存在一定的間隙，否則無法順暢地相對滑動，此前多臺水位調節(jié)器的卡澀均是因套筒與滑閥不對中或兩者間間隙過小所引起的。而由于間隙的存在，必然會造成一定量的流體從中泄漏。根據(jù)套筒與滑閥的配合尺寸，進行了泄漏流量的計算。套筒與滑閥的配合直徑為135 mm，設計間隙b為0.14 mm ～0.32 mm，泄漏面積A=π×135×b/2，Amin=29.7 mm2，Amax=67.86 mm2。

表2 建立真空后試驗結果

當汽耗量＜5t/h時，水位調節(jié)器的排水口全關，補水口全開，此時根據(jù)理論計算水位調節(jié)器向熱井的泄漏量Qth約為1.62 t/h～3.7 t/h，因此實際的間隙泄漏要小于3.7 t/h。根據(jù)估算，機組的空載流量約為4.96 t/h。因此，在機組空載時，泄漏量小于空載流量，即使系統(tǒng)不進行額外補水，也可保證機組在空載時保持穩(wěn)定的水位。

2.3 突加試驗水位持續(xù)上升的故障處理

冷凝器建立真空后，各穩(wěn)態(tài)工況及突卸試驗均滿足設計要求，但在突加工況下，必須調節(jié)排系統(tǒng)閥門，增大排至系統(tǒng)的流量才能保持水位穩(wěn)定[3]。水位調節(jié)器排水窗口的實測流量系數(shù)僅為0.64左右，與計算時所取定的0.78相差較多。因此，決定對窗口進行修型，擴大其面積，如圖4所示。

圖4 排水窗口修型（單位：mm）

修型后再次進行試驗，試驗數(shù)據(jù)如表3所示。試驗時真空值為?0.06 MPa，設定水位（300±50）mm，凝水流量約保持為149.2 t/h，排系統(tǒng)水量約保持在70 t/h。在各穩(wěn)態(tài)工況及突加、突卸工況下，水位波動均滿足要求。

3 結論

本文對某型船用汽輪發(fā)電機組水位調節(jié)器在性能試驗過程中出現(xiàn)的壓差不符合運行情況、小流量下水位持續(xù)下降、突加工況下水位持續(xù)上升共3個故障進行了分析和處理。通過在試驗系統(tǒng)內增加真空泵為冷凝器建立真空、小流量間隙泄漏流量分析、套筒的排水窗口修型并進行試驗，確保水位調節(jié)器具有良好的性能，滿足機組運行要求。該水位調節(jié)器的試驗及故障處理方法可成為后續(xù)設計提供參考。

表3 窗口修型后試驗結果

[1] 許濤, 張鯤羽, 李少軍. 汽輪機凝水調節(jié)的自動控制分析研究[J]. 艦船科學技術, 2016(8): 86-89.

[2] 馬俊, 張為榮. 船用汽輪發(fā)電機組冷凝器的兩種現(xiàn)用水位調節(jié)器的比較[J]. 機電一體化, 2007(6):76-78.

[3] 須一宏, 朱蕾, 靳軍. 小型汽輪機凝水系統(tǒng)的特性匹配與計算[J]. 電站輔機, 2009(6): 16-19, 43.