大型艦船集成式冷媒水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及試驗

冷駿，張威，馬軍

1 海軍駐上海江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室，上海201913

2 中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

0 引 言

隨著現(xiàn)代艦船的大型化以及功能多樣化，艦船上除傳統(tǒng)空調(diào)用戶以外，還有許多其他用戶采用冷媒水作為冷源，以達到設(shè)備降溫或除濕的目的。因此，艦船冷媒水系統(tǒng)如果仍然采用傳統(tǒng)的多個分系統(tǒng)獨立運行，就會造成冷媒水系統(tǒng)配置的設(shè)備型號和數(shù)量眾多，會占用較多總體資源，維修保養(yǎng)工作量加大，而且也會造成系統(tǒng)管系過于繁雜、操作使用困難、無法滿足所需總體資源等問題。另外，還存在分立系統(tǒng)之間無法相互備份、冷水機組低負荷運行穩(wěn)定性較差等問題。因此，可將常規(guī)冷媒水系統(tǒng)的多個分立系統(tǒng)集成合并，由艦總體層面統(tǒng)籌規(guī)劃全艦冷源供給問題，不再為單個用戶配置獨立的冷卻系統(tǒng)，而是采用全艦冷媒水統(tǒng)一供給、集中監(jiān)控的形式，形成全艦冷源集中綜合調(diào)度調(diào)配能力，解決各個設(shè)備與系統(tǒng)間的冷源集中供應和備份問題，以減少資源消耗、簡化設(shè)備配置、優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計、實現(xiàn)冷卻資源的綜合利用。

集成式冷媒水系統(tǒng)的用戶主要包括普通的空調(diào)用戶和為某些電子設(shè)備服務的特殊用戶（即特殊空調(diào)用戶）。隨著艦船人機環(huán)技術(shù)的發(fā)展，居住艙室的背景噪聲、居住環(huán)境條件得到改善，居住艙室的熱舒適性能提高，可確保船上人員處于良好的身體狀況和精神狀態(tài)［1］。但空調(diào)用戶的冷媒水需求受外界溫度、濕度、日照等氣象因素，以及艦船艦艇艙室冷負荷的影響，系統(tǒng)對冷媒水的需求往往波動較大，因而對冷媒水系統(tǒng)的冷量配置和能量調(diào)節(jié)均有較大影響。特殊空調(diào)用戶的冷媒水需求主要根據(jù)其自身的使用特點確定，與時間、季節(jié)無關(guān)，全年均需使用，且負荷變化范圍大，無規(guī)律可循，但可靠性要求高，重要程度較普通空調(diào)用戶高。

冷媒水系統(tǒng)的水力失衡一直是實際工程中關(guān)心和需重點解決的問題。尚道東［2］通過仿真試驗研究了冷媒水節(jié)能控制對水力平衡的影響。蔡宏武［3］采用模擬仿真手段研究了影響冷媒水系統(tǒng)流量失衡的主要因素。高會榮［4］針對暖通冷媒水系統(tǒng)中的水力失調(diào)現(xiàn)象進行分析，闡述了水力失調(diào)的種類并提出解決途徑。目前，在實際應用當中，解決冷媒水系統(tǒng)水力失衡的常用方法是采用平衡閥，其中使用較多的是動態(tài)流量平衡閥。黃維與張柏［5］通過對比分析平衡閥與定流量閥這2 種調(diào)節(jié)閥的工作原理，認為平衡閥宜用在需要保持阻力平衡（流量平衡）的系統(tǒng)中，定流量閥宜用在需要保持流量不變的系統(tǒng)中。陳清與王成等［6-7］通過分析動態(tài)流量平衡閥的工作原理，提出利用動態(tài)流量平衡閥可以很好地解決空調(diào)水系統(tǒng)水力失衡的問題。孫晉飛［8］采用試驗的方式對動態(tài)流量平衡閥的運行特性進行研究，驗證了動態(tài)流量平衡閥對管網(wǎng)流量的控制效果。馮喜春［9］根據(jù)工程實際，提出了動態(tài)流量平衡閥在實際應用中需注意的問題。

由于艦船的特殊構(gòu)造，船體狹長，工作區(qū)與生活區(qū)混雜，不同用戶分布較為分散，且冷卻需求量及使用特點差異較大，冷媒水系統(tǒng)的水力失衡問題更為常見。如果直接采用陸上建筑常用的異程式水系統(tǒng)設(shè)計卻不采取限流措施，會導致嚴重的流量失衡，目前，普通艦船有的采用同程式水系統(tǒng)來確保艏、艉空調(diào)用戶流量分配均衡［10］。但對冷卻用戶種類及數(shù)量較多的艦船，由于其內(nèi)部設(shè)備繁多，各式管路縱橫交錯，用于冷媒水系統(tǒng)管路鋪設(shè)的空間有限，只能采用異程式管網(wǎng)，因此需利用有限的空間最大限度地提高供回水干管的管徑以減小異程式水系統(tǒng)的水力失衡。但由于當前大多數(shù)艦船船身較長，再加上管路的布置需依附船內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得干管彎轉(zhuǎn)的管段較多，從而導致干管阻力依然相對較大。對于大型艦船，其空調(diào)動力設(shè)備會分布在艏部、舯部和艉部，以減少系統(tǒng)流量分配不均衡的問題，但當空調(diào)為部分負荷時，為節(jié)省能源，只需運行部分動力設(shè)備，如此便會導致冷媒水系統(tǒng)的艏、艉流量失衡。因此，在實船冷媒水系統(tǒng)設(shè)計時，會在不同區(qū)域之間設(shè)置限流裝置（如靜態(tài)流量平衡閥）以確保艏、艉流量平衡。但是，當大型艦船的特殊空調(diào)用戶需要確保足夠的水流量時，已處于流量分配均衡狀態(tài)的其他普通空調(diào)用戶的流量平衡將可能受到嚴重沖擊。對于此問題，尚未有研究人員提出有效的解決辦法。

為解決上述問題，本文將針對某大型艦船冷媒水系統(tǒng)特殊空調(diào)用戶的不同運行工況設(shè)計雙流量并聯(lián)運行管路，并采用試驗的方式驗證設(shè)計管路對全船冷媒水管網(wǎng)水力特性的影響。將按照實船冷媒水系統(tǒng)的實際運行模式研究未采用設(shè)計的雙流量并聯(lián)運行管路時，特殊空調(diào)用戶在低負荷運行與高負荷運行2 種工況下，普通空調(diào)用戶部分負荷時的流量分配情況，以及采用雙流量并聯(lián)運行管路時，特殊空調(diào)用戶低負荷運行時冷媒水系統(tǒng)的流量分配情況。試驗結(jié)果將證明針對特殊空調(diào)用戶不同運行工況而設(shè)計的雙流量并聯(lián)運行管路的可行性與有效性。

1 艦船集成式冷媒水系統(tǒng)及特殊空調(diào)用戶支路優(yōu)化設(shè)計

艦船集成式冷媒水系統(tǒng)的設(shè)計方案如圖1 所示。其中NU 為普通空調(diào)用戶，SP 為特殊空調(diào)用戶，GS 為供水干管，HS 為回水干管，DY 為定壓點。由于艦船的特殊結(jié)構(gòu)和用途，艦上冷媒水系統(tǒng)管網(wǎng)一般較長且艏、艉空調(diào)用戶間的距離較大，而冷氣站又一般放在船艙的艏部、舯部或者艉部，這樣就會導致艏、艉流量失衡的情況，同樣，也會導致特殊空調(diào)用戶支路流量不能滿足設(shè)計要求的問題。因此，在整個設(shè)計過程中，可采用供、回水干管取代分集水器以減少管道遠程輸送過程中的壓力損失，進而降低艏、艉流量分配的不均衡性。

圖1 船舶空調(diào)水系統(tǒng)布置原理圖Fig.1 Schematic layout of ship air-conditioning water system

實船中，冷媒水系統(tǒng)各用戶支路流量是根據(jù)各空調(diào)用戶的負荷大小進行設(shè)計，并根據(jù)設(shè)計流速為1～3 m/s 的原則［11］對各支路管徑進行匹配。各空調(diào)用戶支路設(shè)計流量如表1 所示。在實際應用中，冷媒水輸送管線較長，且管路中彎管較多。采用FlowMaster 流體計算軟件計算各管路的沿程阻力以及設(shè)計流量下的流速，同時進行管徑選型。根據(jù)管網(wǎng)各管段流速，計算最不利管路的阻力，選取水泵的額定流量為125 m3/h，額定揚程為50×103mmH2O。當水泵均按額定流量運行時，各空調(diào)用戶支路的流量將大于設(shè)計流量，多余流量將自動由各空調(diào)用戶支路中設(shè)計的旁通閥旁通。冷媒水系統(tǒng)各支路的實際流量通過各支路上設(shè)置的調(diào)節(jié)閥進行匹配調(diào)節(jié)，以使各水泵在額定工況下運行時各空調(diào)用戶支路的實際流量比與設(shè)計流量比一致，即系統(tǒng)各支路的流量處于平衡狀態(tài)。根據(jù)實船冷媒水系統(tǒng)運行特點，各支路流量在系統(tǒng)運行前需通過各支路上設(shè)置的調(diào)節(jié)閥將流量調(diào)節(jié)到實際計算流量。當系統(tǒng)運行時，各支路的阻力系數(shù)不變，即各支路調(diào)節(jié)閥的閥位不發(fā)生變化。系統(tǒng)運行工況的切換只需通過啟停水泵、打開或關(guān)閉各支路或干管上設(shè)置的開關(guān)閥即可。針對特殊空調(diào)用戶，為保證其各工況時的水流量需求，管徑需按照最大流量要求進行設(shè)計。

特殊空調(diào)用戶在實際使用時分為高負荷運行和低負荷運行2 種工況，所需水流量會隨運行方式的不同而發(fā)生改變。當特殊空調(diào)用戶為低負荷運行時，所需水量較小，但由于該支路是按高負荷運行所需流量進行設(shè)計，若不采用限流裝置，會導致特殊空調(diào)用戶支路水量過大，不僅造成能源浪費，還會導致其他各空調(diào)用戶支路流量分配失衡。如何能既滿足特殊空調(diào)用戶高負荷運行時的流量需求，又確保低負荷運行時的流量要求，對冷媒水系統(tǒng)設(shè)計人員來說是個難題。為解決此問題，提出了支路雙流量并聯(lián)運行方案，設(shè)計的管路如圖2 所示。該設(shè)計方案包括1 個電動球閥和與之并聯(lián)的1 個動態(tài)流量平衡閥。當特殊空調(diào)用戶高負荷運行，不需要限流時，開啟特殊空調(diào)用戶支路上設(shè)置的電動球閥，水流同時通過電動球閥和動態(tài)流量平衡閥（圖2 中虛線箭頭）；當特殊空調(diào)用戶低負荷運行，需要限流時，將關(guān)閉特殊空調(diào)用戶支路上設(shè)置的電動球閥，使水流只經(jīng)過動態(tài)流量平衡閥（圖2中實線箭頭），從而達到限流的目的。

表1 實船中各空調(diào)用戶支路設(shè)計流量Tab.1 Designed flow rate of the refrigerant system of the ship

圖2 設(shè)備空調(diào)支路雙流量并聯(lián)管路示意圖Fig.2 Dual-flow parallel pipeline schematic diagram

2 試驗臺設(shè)計及搭建

為研究特殊空調(diào)用戶不同工作狀態(tài)時，冷媒水系統(tǒng)管網(wǎng)的水力特性以及所設(shè)計雙流量并聯(lián)運行管路在實際應用中的作用效果，通過一定比例縮放搭建了冷媒水管網(wǎng)試驗臺。此試驗臺包括冷媒水管網(wǎng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

冷媒水管網(wǎng)系統(tǒng)試驗臺完全按照實船冷媒水系統(tǒng)的布局及流量分配比進行設(shè)計，包括4 個主泵支路（4 臺水泵），7 個空調(diào)用戶支路和1 個特殊空調(diào)用戶支路。其中編號分別為BⅠ，BⅡ和BⅢ的3 臺水泵，位于艉部、舯部和艏部，以為空調(diào)用戶提供流量，1 臺編號BⅣ的水泵位于艏部前端，專門為特殊空調(diào)用戶提供流量。4 個主泵支路的編號分別為Z3，Z5，Z6 和Z11，其中Z3 支路為艉部泵支路，Z5 支路為舯部泵支路，Z6 支路為艏部泵支路，Z11 支路為特殊空調(diào)用戶泵支路。7 個空調(diào)用戶支路編號分別為Z1，Z2，Z4，Z7，Z8，Z9，Z10，其中Z1，Z2 和Z4 這3 條支路為艉部支路，Z7，Z8，Z9 和Z10 這4 條支路為艏部支路。特殊空調(diào)用戶支路編號為Z12。

各支路設(shè)計流量（滿負荷設(shè)計流量）、流量比及試驗管網(wǎng)實際流量如表2 所示。設(shè)計的艏、艉流量比為1.55∶1，其中艏部流量為Z7，Z8，Z9 和Z10 支路的流量之和，艉部流量為Z1，Z2 和Z4 支路流量之和。各支管的設(shè)計流速為1～3 m/s。其中各泵支路的流量與水泵的額定流量一致，均為18 m3/h，水泵的額定揚程為24×103mmH2O。試驗管網(wǎng)各空調(diào)用戶的實際流量同樣比設(shè)計流量大（此處按照實船設(shè)計思想設(shè)計，在實船中，為確保各用戶支路滿負荷運行時的流量需求，所選水泵的額定流量及揚程偏大）。同樣，各空調(diào)用戶的實際流量比與設(shè)計流量比保持一致（各支路流量等比例放大）?？照{(diào)用戶部分負荷時的設(shè)計流量為滿負荷的60%。Z12 支路，即特殊空調(diào)用戶支路設(shè)置有2 個分支路：一個裝有電動球閥，一個裝有動態(tài)流量平衡閥（即雙流量并聯(lián)運行管路），如圖2 所示。為保證整個管網(wǎng)的分區(qū)運行，設(shè)置2 個定壓點，分別位于空調(diào)用戶側(cè)的回水干管上和特殊空調(diào)用戶側(cè)的回水干管上。定壓點壓力設(shè)置為10×103mmH2O，采用自動加壓泵進行壓力控制。

本試驗臺安裝了一套完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其中包括壓力傳感器、流量傳感器和信號采集器（Agilent），以及工控機等。

3 試驗工況及過程

本試驗的主要研究內(nèi)容為：

1）不使用雙流量并聯(lián)運行方案情況下特殊空調(diào)用戶低負荷和高負荷運行時管網(wǎng)的水力特性試驗。

2）使用本文設(shè)計的雙流量并聯(lián)運行方案情況下特殊空調(diào)用戶低負荷運行時管網(wǎng)的水力特性試驗。

普通空調(diào)用戶的運行工況為夏季夜間、春秋工況，即部分負荷運行工況（部分負荷約為滿負荷的60%），此時，開啟BⅡ和BⅢ水泵提供流量。當特殊空調(diào)用戶高負荷時，開啟BⅣ水泵專供特殊空調(diào)用戶，此時，特殊空調(diào)用戶不需限流且與空調(diào)用戶分區(qū)運行（即互不影響）。當特殊空調(diào)用戶低負荷時，與普通空調(diào)用戶合區(qū)運行，BⅣ水泵關(guān)閉，由空調(diào)用戶水泵BⅡ和BⅢ提供流量。

表2 各支路設(shè)計流量Tab.2 Designed flow rate of each user

試驗進行前，需對試驗管網(wǎng)進行調(diào)試，具體過程如下：

1）滿負荷運行空調(diào)用戶部分，即BⅠ，BⅡ和BⅢ水泵全開時，將各支路流量調(diào)至表1 所示的實際管網(wǎng)流量。

2）關(guān)閉BⅠ水泵，調(diào)節(jié)艏部與舯部之間的限流閥，以使艏、艉流量比為設(shè)計流量比1.55∶1，此時，各支路流量比將再次與設(shè)計流量比保持一致。

完成調(diào)試后，即可進行試驗。

4 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如表3 和表4 所示，其中，表3 為特殊空調(diào)用戶高負荷運行時，普通空調(diào)用戶部分負荷的試驗結(jié)果；表4 為特殊空調(diào)用戶低負荷運行，普通空調(diào)用戶部分負荷時，對特殊空調(diào)用戶采用雙流量并聯(lián)運行管路進行限流和不限流2 種情況下的試驗結(jié)果。

表3 特殊空調(diào)用戶高負荷運行時的試驗結(jié)果Tab.3 Test results with the special air-conditioning users under high load condition

表4 特殊空調(diào)用戶低負荷運行時的試驗結(jié)果Tab.4 Test results with the special air-conditioning users under low load condition

特殊空調(diào)用戶高負荷時與空調(diào)用戶分區(qū)運行，如表3 所示，BⅣ水泵專供特殊空調(diào)用戶且不進行限流，BⅡ和BⅢ水泵供普通空調(diào)用戶，此時，特殊空調(diào)用戶流量為17.93 m3/h，與設(shè)計流量18 m3/h 一致，滿足設(shè)計流量要求。而各空調(diào)用戶流量均超過滿負荷設(shè)計流量的63%，且艏、艉流量比為1.55∶1，與設(shè)計流量比一致，各支路流量比同樣與設(shè)計流量比一致，滿足流量設(shè)計要求。

特殊空調(diào)用戶低負荷，普通空調(diào)用戶部分負荷時，如表4 所示，BⅡ和BⅢ水泵供全船（含電子設(shè)備）。當采用雙流量并聯(lián)運行方案進行限流時，各空調(diào)用戶支路流量均超過滿負荷設(shè)計流量的62%，且艏、艉流量比為1.55∶1，各支路流量比同樣與設(shè)計流量比一致，滿足設(shè)計要求。此時，電子設(shè)備支路流量為2.7 m3/h，為設(shè)計流量的90%，比設(shè)計流量低10%，在試驗管網(wǎng)中選用的動態(tài)流量平衡閥自身限流誤差范圍內(nèi)，因此實際限流值符合理論設(shè)計范圍。當不采用雙流量并聯(lián)運行方案進行限流時，特殊空調(diào)用戶支路流量遠大于所需流量，艏部各空調(diào)用戶支路流量均低于滿負荷流量的50%，艏、艉流量比為1.23∶1，亦小于設(shè)計流量比，各支路流量比與設(shè)計流量比之間存在較大偏差，不能滿足部分負荷時的設(shè)計要求，艏、艉流量失衡。

由試驗結(jié)果可以看出，雙流量并聯(lián)運行方案在應用中效果明顯，且操作簡單。因此，在特殊空調(diào)用戶支路上設(shè)置雙流量并聯(lián)運行管路可靠且必要。

5 結(jié) 語

本文針對大型艦船集成式冷媒水系統(tǒng)特殊空調(diào)用戶的不同運行工況設(shè)計了雙流量并聯(lián)運行管路，并通過試驗的方式進行了驗證。同時研究了特殊空調(diào)用戶高負荷和低負荷運行時管網(wǎng)的水力特性，以及雙流量并聯(lián)運行管路中限流閥對管網(wǎng)水力特性的影響。試驗結(jié)果表明，在特殊空調(diào)用戶支路上設(shè)置雙流量并聯(lián)運行管路，當特殊空調(diào)用戶高負荷運行時，采用不限流模式能夠滿足特殊空調(diào)用戶及其他各空調(diào)用戶的流量需求。當特殊空調(diào)用戶低負荷運行時，采用限流模式，同樣能夠滿足特殊空調(diào)用戶及其他各空調(diào)用戶的流量需求，且不會對其他普通空調(diào)用戶支路流量分配產(chǎn)生較大影響。不對該支路進行限流時，特殊空調(diào)用戶支路流量將會過大且其他各空調(diào)用戶支路將出現(xiàn)水力失衡的問題，部分空調(diào)用戶支路流量不能滿足設(shè)計要求。試驗證明雙流量并聯(lián)運行管路在特殊空調(diào)用戶支路上的應用是合理、高效的；通過在特殊空調(diào)用戶支路上采取雙流量并聯(lián)運行管路，可有效解決集成式冷媒水系統(tǒng)不同運行工況下的流量再平衡問題。

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