某船用水位调节器在试验过程中出现的故障及故障处理

2018-06-21

机电设备 2018年3期

（上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

在船用汽轮发电机组凝水系统中，用于自动调节机组冷凝器水位的水位调节器是一个关键设备，冷凝器水位的高低直接影响到冷凝器的工作性能，进而影响整个机组的热经济性和安全可靠性[1]。水位调节器应使冷凝器水位在所有工况下均能维持在合理的高度范围内，从而保证机组运行的稳定性。在多型机组中都出现过机组低负载工况下水位无法稳定的情况，故障原因则必须具体分析才能确定。因此，在水位调节器独立试验过程中摸清其性能特点，对整机组的试验及运行大有益处。

1 研究对象

作为试验对象的水位调节器的结构如图1所示。水位调节器的试验系统完全模拟机组实际的凝水系统。图2是机组的试验系统。图3是水位调节器的调节原理图。

水位调节器的调节原理为[2]：当冷凝器水位较高时，将开大通往热井的排放窗口，大部分凝水排放到热井，另有少部分凝水通过水位调节器回到冷凝器；当水位较低时，将开大回水窗口，少量凝水直接排放到热井，大部分凝水通过水位调节器回到冷凝器。在机组水位正常时，水位调节器既不向热井排水，也不通过热井向冷凝器补水。当且仅当在开机状态下，水位较低，系统无法为冷凝器补水时，水位调节器阀杆上移，此时，热井及抽气器凝水管路过来的凝水全部排放至冷凝器，直到水位恢复正常。

图1 水位调节器

图2 试验系统原理

图3 水位调节器的调节原理

2 3种故障的处理

2.1 实际压差不足的故障处理

对水位调节器进行了初步试验，由于此时水位调节器的实际性能未知，且需要摸索流量分配的规律，因此先对各窗口的最大流量及系统的匹配性进行摸底。试验时发现：汽耗量在40 t/h以下时，流量计显示不准确，需要重新设定。试验结果如表1所示，水位控制目标值为（400±50）mm。

表1 水位调节器初步试验结果

根据试验结果可以发现：1）进入水位调节器的流量基本维持在85 t/h左右，表明这一窗口已经达到最大流量；2）凝水流量为150 t/h时、汽耗量最低为70 t/h时，水位可以稳定，但是考虑到汽耗量流量计显示问题，这一结果并不完全可靠；在汽耗量低于70 t/h时，水位较难维持稳定。

初步试验表明：在设计计算中，按照机组实际运行条件，那么冷凝器内真空度（表压）为−0.08 MPa，甚至更高。而在当前试验条件下，冷凝器内为大气压力，即表压为0 MPa。因此，由水调向冷凝器回水的窗口其前后压差较实际运行时减小约0.08 MPa，总压差约为0.47 MPa，减小的压差约占总压差的17%。根据公式若流量系数与计算时的取定值一致，则回水窗口的流量减少约9%。

热井向冷凝器补水窗口前后压差较实际减小0.08 MPa，此外实验冷凝器安装高度约为2 m，比实际运行的高度（约为5 m）减少约2 m，。因而造成试验较运行时前后压差减小约0.10 MPa，约占总压差（约0.13 MPa）的85%，补水窗口流量减少约61%。

根据上述分析，应增大回水及补水的压差。为了模拟真实情况，并尽可能减小工程量，为冷凝器增加真空泵，真空泵可在试验时将冷凝器抽真空，以模拟实际运行工况。

2.2 小流量工况水位持续下降的故障分析

增加真空泵后，试验时在冷凝器内建立真空−0.05 MPa，试验结果如表2所示，水位控制目标值为（300±50）mm。从表2可以看出：冷凝器内建立真空后，水位调节器流量特性有明显改善，但在小流量（＜5t/h）时，水位无法保持在设定值。

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稳定的情况。分析此类套筒阀的结构，发现一个共性问题，即其在小流量下难以维持稳定。套筒与滑阀之间存在一定的间隙，否则无法顺畅地相对滑动，此前多台水位调节器的卡涩均是因套筒与滑阀不对中或两者间间隙过小所引起的。而由于间隙的存在，必然会造成一定量的流体从中泄漏。根据套筒与滑阀的配合尺寸，进行了泄漏流量的计算。套筒与滑阀的配合直径为135 mm，设计间隙b为0.14 mm ～0.32 mm，泄漏面积A=π×135×b/2，Amin=29.7 mm2，Amax=67.86 mm2。

表2 建立真空后试验结果

当汽耗量＜5t/h时，水位调节器的排水口全关，补水口全开，此时根据理论计算水位调节器向热井的泄漏量Qth约为1.62 t/h～3.7 t/h，因此实际的间隙泄漏要小于3.7 t/h。根据估算，机组的空载流量约为4.96 t/h。因此，在机组空载时，泄漏量小于空载流量，即使系统不进行额外补水，也可保证机组在空载时保持稳定的水位。

2.3 突加试验水位持续上升的故障处理

冷凝器建立真空后，各稳态工况及突卸试验均满足设计要求，但在突加工况下，必须调节排系统阀门，增大排至系统的流量才能保持水位稳定[3]。水位调节器排水窗口的实测流量系数仅为0.64左右，与计算时所取定的0.78相差较多。因此，决定对窗口进行修型，扩大其面积，如图4所示。

图4 排水窗口修型（单位：mm）

修型后再次进行试验，试验数据如表3所示。试验时真空值为−0.06 MPa，设定水位（300±50）mm，凝水流量约保持为149.2 t/h，排系统水量约保持在70 t/h。在各稳态工况及突加、突卸工况下，水位波动均满足要求。

3 结论

本文对某型船用汽轮发电机组水位调节器在性能试验过程中出现的压差不符合运行情况、小流量下水位持续下降、突加工况下水位持续上升共3个故障进行了分析和处理。通过在试验系统内增加真空泵为冷凝器建立真空、小流量间隙泄漏流量分析、套筒的排水窗口修型并进行试验，确保水位调节器具有良好的性能，满足机组运行要求。该水位调节器的试验及故障处理方法可成为后续设计提供参考。