某電子集中冷卻系統(tǒng)平衡調試

劉　倩，張　揚，謝軍龍，徐新華

(1.華中科技大學 a.環(huán)境科學與工程學院；b.能源與動力工程學院，武漢 430074；

2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

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某電子集中冷卻系統(tǒng)平衡調試

劉倩1a，張揚2，謝軍龍1b，徐新華1a

(1.華中科技大學 a.環(huán)境科學與工程學院；b.能源與動力工程學院，武漢 430074；

2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

摘要：針對船舶電子設備集中冷卻系統(tǒng)管網(wǎng)復雜，流量測量裝置有限，實測設備阻力特性與設備出廠特性差異較大等因素造成的管網(wǎng)調試及運行維護困難，提出先小支路后大支路的水力平衡調試方法。通過FlowMaster數(shù)值模擬軟件建立管網(wǎng)模型，根據(jù)實測數(shù)據(jù)標定模型，對該調試方法進行模擬驗證。結果表明，該平衡調試方法可有效調節(jié)管網(wǎng)水力平衡。

關鍵詞：電子設備集中冷卻系統(tǒng)；管網(wǎng)平衡調試；敏感性分析；數(shù)值模擬

目前，船舶的電子設備冷卻方法多采用強迫空氣冷卻[1]；對大熱流密度的電子芯片，則多采用液體冷卻[2]。這兩種方式都可以通過水冷系統(tǒng)提供冷源[3-4]。對于采用水冷的電子設備冷卻系統(tǒng)，為電子設備的正常運行，需要確保水冷系統(tǒng)運行的有效性與可靠性。

集中冷卻水系統(tǒng)管網(wǎng)在建造完成后，必須進行水力平衡調節(jié)[5]。目前對用戶分布分散，管網(wǎng)較復雜的工業(yè)網(wǎng)管，多采用先主管后支管，先大用戶后小用戶，先粗條后精調的水力調試方法[6-7]。不同于建筑管網(wǎng)和一般工業(yè)管網(wǎng)，船舶電子設備的集中冷卻系統(tǒng)用戶設備流量要求差異大，布置分散，且船舶內空間有限，船體狹長，更容易造成水力失調[8]，又由于成本及安裝空間等問題，無法按照平衡調試操作要求安裝流量傳感器，使得管網(wǎng)水力平衡調試更為困難。因此采用適用于船舶電子設備冷卻管網(wǎng)的水力調節(jié)方法，有效實現(xiàn)管網(wǎng)水力平衡非常重要。為此，介紹某實際電子設備管網(wǎng)的水力平衡調試方法，并通過數(shù)值模擬的方法對水力平衡調節(jié)進行驗證[9]。

1系統(tǒng)原理與調試過程

1.1系統(tǒng)原理

某電子設備集中冷卻系統(tǒng)原理見圖1。

該冷卻水系統(tǒng)的用戶與冷源之間設有板式換熱器。整個系統(tǒng)的設計流量為25 m3/h，水泵的流量為28 m3/h，揚程為70 m。用戶側水系統(tǒng)包括3個大支路，A、B和C。A、B、C大支路的主干管管徑分別為DN25，DN32、DN40。3個大支路下均設有二級支路。其中大支路A包括3個二級支路A1、A2和A3，其主干管管徑均為DN25。這里對二級支路A3系統(tǒng)進行建模及分析。A3支路設4個用戶支路Z1、Z2、Z3和Z4，相互并聯(lián)，各用戶支路管徑均為DN15。支路A3的設計流量為1.2 m3/h，用戶支路的設計流量均為0.3 m3/h。A3系統(tǒng)的阻力損失范圍為0～0.5 MPa。管道內介質為水。

3個大支路A、B、C的回水干管上裝均設有靜態(tài)流量平衡閥，用于調節(jié)各支路間的流量平衡。各個大支路下的二級支路除設有靜態(tài)流量平衡閥外，還設有流量傳感器和壓差傳感器。如圖所示，二級支路A3設有1個流量傳感器，位于總管供水管?？偣軌翰顐鞲衅鳒y點為P0-1與P0-2。各用戶支路的壓差傳感器測點分別位于設備段前后，用于測量阻力損失。各用戶支路Z1～Z4設有球閥，用于調節(jié)支路間的流量平衡。

圖1　集中冷卻系統(tǒng)及測量示意

Z1～Z4支路接入的電子設備均為同一型號，設備額定流量為0.3 m3/h。通過實測，額定流量下實際設備阻力差異較大，Z1～Z4支路設備阻力分別為0.289，0.301，0.375和0.475 MPa。本系統(tǒng)中流量傳感器量程為13 m3/h，精度為0.5%。壓差傳感器量程為0.6 MPa，精度為0.5%。

1.2調試過程

系統(tǒng)管網(wǎng)的水力平衡通過調節(jié)各管段上的靜態(tài)流量平衡閥(或用戶支路球閥)的開度來實現(xiàn)。在所有管路及配件安裝完畢，各用戶設備接入后，整個管網(wǎng)系統(tǒng)投入使用前，對管網(wǎng)阻力特性(阻抗S)進行調節(jié)，使系統(tǒng)實際運行滿足設計要求。各支路阻抗比根據(jù)式(1)通過設計流量比計算。

(1)

式中：Q——流體體積流量，m3/s；

S——管路阻抗，MPa/(m3·h-1)2。

1.3調試方案

首先對各支路系統(tǒng)流量配比進行調節(jié)，最后調節(jié)管網(wǎng)干管總平衡閥。按照從用戶支路到小支路再到大支路的順序進行。在調試前，系統(tǒng)各支路平衡閥及小支路球閥處于全開狀態(tài)。根據(jù)管網(wǎng)布置，首先從最下游的用戶支路開始，以并列用戶支路的最不利支路的阻抗S為參照，調節(jié)其他用戶支路上的球閥。使得各用戶支路阻抗比滿足設計要求。管網(wǎng)所有支路的用戶支路平衡調節(jié)結束后，由遠及近，依次調節(jié)支路管道上的平衡閥，最后調節(jié)各大支路總管上的平衡閥。小支路及大支路上均設有流量傳感器和壓差傳感器，因此可直接獲得總流量和總壓差計算得到對應的阻抗。但是小支路內各用戶支路上僅設有壓差傳感器，無流量傳感器，需要通過各用戶支路獨立運行(其他用戶支路關閉)，根據(jù)小支路流量傳感器獲得支路流量，得到用戶支路阻抗。

2系統(tǒng)模擬與標定

2.1模擬工具與系統(tǒng)建模

采用數(shù)值模擬工具FlowMaster，該軟件內置的一維流體動力系統(tǒng)解算器和流體系統(tǒng)仿真軟件包可用于對流體管路系統(tǒng)進行完整分析，并能對穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)過程進行模擬。自帶的組件庫涵蓋了目前流體系統(tǒng)所需的絕大多數(shù)標準組件。每個流體系統(tǒng)都由不同的流體元件構成，如泵、閥門、管路及末端設備等。

集中電子設備冷卻水系統(tǒng)的管道流速一般大于1 m/s，水流處于湍流狀態(tài)。系統(tǒng)里的組件主要包括閥門、管段及末端設備等，組件模型服從式(2)的壓力流量關系。泵的運行參數(shù)由泵的運行特性曲線和管網(wǎng)的阻力特性曲線共同確定，管網(wǎng)特性曲線數(shù)學模型見式(3)。

(2)

(3)

式中：Δp——壓降,Pa；

K——阻力系數(shù)；

A——管道截面積,m2；

qV——流體體積流量或水泵流量,m3/s；

ρ——流體密度,kg/m3；

H——水泵揚程，MPa；

S——管路阻抗，MPa/(m3·h-1)2；

B——壓差設定值，不采用壓差控制時，B=0。

重點對A3支路進行水力平衡分析，無需模擬整個管網(wǎng)。為簡化模擬，在A3支路供回水總管設置水泵，并設有調節(jié)閥用于模擬其他支路的損失。根據(jù)現(xiàn)場實測的各管段的長度和管徑、閥件數(shù)量(三通、彎頭、閥門)、設備阻力及水系統(tǒng)測點位置等建立該冷卻水系統(tǒng)的模擬模型。設備阻力通過現(xiàn)場實測得到。根據(jù)1.2用戶支路阻抗的獲得方法，各支路獨立運行得到每個小支路的流量，通過壓差傳感器獲得支路阻力損失。測試時，用戶支路閥門全開，由于壓差測點內管路損失遠小于設備阻力損失(設備阻力損失約0.3～0.5 MPa)。近似認為測得支路壓差為實際設備的阻力損失。集中冷卻系管網(wǎng)模型見圖2。

圖2　集中冷卻系統(tǒng)管網(wǎng)模型

2.2模型標定(調試平衡前)

在設備安裝安畢，系統(tǒng)水力平衡調試前，保持各支路所有閥門均為全開，對管網(wǎng)及設備特性進行測試，通過實測數(shù)據(jù)對模型進行標定。根據(jù)實際測得的各用戶支路上的壓差及系統(tǒng)供回水總干管上壓差來適當調整支路阻力件阻力系數(shù)，進行模型與實際管網(wǎng)的阻力特性匹配。

由于Z1～Z4各小支路上未設置流量傳感器，而A3總管上設有流量傳感器。故通過各支路獨立運行獲得流量。具體標定過程如下：全開支路Z4上的閥門，其他并聯(lián)支路閥門關閉，調整干管上靜態(tài)流量平衡閥使得管路流量為0.3 m3/h左右，測得干管供回水管壓差及支路壓差。冷卻系統(tǒng)模型保持與實測相同的工況，調節(jié)總管加載的壓差，使得模擬流量在0.3 m3/h左右。模擬得到的干管供回水壓差及支路壓差，適當調整模型支路阻力件阻力系數(shù)，使模擬值與實測值吻合。

根據(jù)模擬計算，模擬流量與實測流量誤差為很小。每個工況的壓差測量值與模擬值對比結果見表1，Z1～Z4各支路及管網(wǎng)干管誤差均在1%以下。因此，認為試驗平臺管網(wǎng)水系統(tǒng)管網(wǎng)模擬模型與實際管網(wǎng)吻合。

在此狀態(tài)下，模擬模型的Z1～Z4用戶支路全部打開，并聯(lián)運行，可獲得各用戶支路的流量分配，經(jīng)計算各支路流量不平衡率為3%～16%，其中最不利環(huán)路的用戶支路Z4不平衡率最大，為16.09%存在嚴重水力失調的現(xiàn)象，影響電子設備的正常運行，因此需要對實際系統(tǒng)進行進一步的平衡調試。

表1　各小支路的測量值與模擬值對比(調試平衡前)

3系統(tǒng)平衡分析

3.1系統(tǒng)平衡調試與模擬驗證

水系統(tǒng)管網(wǎng)的水力平衡通過調節(jié)各個管段上的靜態(tài)流量平衡閥(或用戶支路球閥)的開度來實現(xiàn)。由表1可見，Z4支路為最不利支路，以Z4支路為參考，Z3支路獨立運行，不斷調節(jié)Z3支路球閥(Z3支路其它閥門均保持全開)，使得計算得到支路阻抗?jié)M足式(1)得到的阻抗比。相同地，依次調節(jié)Z2、Z1用戶支路的球閥，實現(xiàn)各個用戶支路流量比符合設計要求。在模擬平臺上，需要調節(jié)各用戶支路上的球閥，根據(jù)模擬計算，模擬流量與實測流量誤差為很小。每個工況的測量值與模擬值對比結果見表2。Z1～Z4各支路及管網(wǎng)干管的壓差誤差均在1%以下。因此，調平衡后的試驗平臺管網(wǎng)水系統(tǒng)管網(wǎng)模型與實際管網(wǎng)吻合。

在系統(tǒng)水力平衡調試后，A3支路下的Z1～Z4

表2　各小支路的測量值與模擬值對比(調試平衡后)

用戶支路全部打開(調節(jié)閥門保持開度不變)，運行流量為1.206 m3/h(設計流量為1.2 m3/h)。在模擬平臺上，同樣的Z1～Z4用戶支路的開關閥門全部打開，并聯(lián)運行。模擬模型在上述平衡調試之后，不再改變管道各部件阻力系數(shù)。模擬模型運行在實際流量條件下，觀測壓差與各用戶支路流量。模擬干管流量為1.207 m3/h，模擬偏差為很小。每個支路的模擬流量與不平衡率結果見表3，各支路流量分布在0.298～0.308 m3/h。各支路流量不平衡率分布均在3%以內。

3.2系統(tǒng)敏感性分析

各設備雖為統(tǒng)一規(guī)格型號，但由于制作過程或現(xiàn)場安裝導致實際阻力特性差異較大，導致各支路的不平衡率較大。當出現(xiàn)某用戶設備故障需進行設備更換時，若不經(jīng)任何調試直接運行可能會導致系統(tǒng)較大的不平衡率，造成設備無法正常運行。進一步基于調平衡后的管網(wǎng)模型預測各支路進行設備更換后管網(wǎng)系統(tǒng)的流量平衡特性。

當某一支路設備需更換時，考慮更換的設備規(guī)格與目前安裝的設備規(guī)格相同，即額定流量為0.3 m3/h，設備阻力分別為0.289、0.301、0.375及0.475 MPa。管網(wǎng)設計流量為1.2 m3/h，各用戶支路全開，模擬某個支路的設備替換為另3個阻力特性不同的設備系統(tǒng)的壓力及流量分布，并進一步計算各支路的不平衡率(其他3個支路設備運行正常)。各支路不平衡率的模擬結果見表4。

表3　平衡調試后各支路流量及平衡特性

例如，Z4支路的原設備(阻力為0.475 MPa)替換為阻力為0.289 MPa的設備時，管網(wǎng)用戶支路不平衡率會顯著增大，Z1、Z2及Z3的不平衡率分別為-8.07%、-8.32%及-5.08%，Z4支路的不平衡率達到21.47%。當Z1、Z2及Z3支路更換設備阻力特性與實際安裝設備阻力特性相差較大時，均會引起系統(tǒng)較大的水力不平衡。因此，該管網(wǎng)系統(tǒng)敏感性較強，設備更換后需重新進行水力平衡調試，否則可能會引起設備無法正常運行。

表4　各支路流量平衡特性的影響(接入不同電子設備)

注：表中黑體數(shù)據(jù)表示該設備為支路實際安裝設備。

4結論

本水力平衡調試方法能有效實現(xiàn)管網(wǎng)水力平衡。管網(wǎng)平衡調試前支路不平衡率分布在3%～16%，調平衡后，各支路不平衡率均為3%以下。進一步利用模擬模型對該系統(tǒng)的敏感性進行了分析。當系統(tǒng)出現(xiàn)設備故障需要更換時，需要對系統(tǒng)重新進行調平衡，以保證設備正常安全運行，否則可造成支路不平衡率達21.47%。

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Balance Commissioning and Analysis of a Centralized Refrigerant System for Electronic Devices

LIU Qian1a, ZHANG Yang2, XIE Jun-long1b, XU Xin-hua1a

(1a School of Environment Science and Engineering; b School of Energy and Power Engineering,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;2 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:A pipe network hydraulic balance commissioning method is presented for a centralized refrigerant system of ship electronic equipment regarding the difficult of its hydraulic balance commissioning and operational maintenance duo to the complex pipe network and the limited measurement devices etc. FlowMaster software is used to develop the pipe network model, and this model is calibrated by using the actual measured hydraulic characteristic of the pipe system and devices. The model is used to verify the effectiveness of this commissioning method. The results show that this balance commissioning method can effectively balance the flow distribution of the pipe network

Key words:centralized refrigerant system of electronic devices; hydraulic balance commissioning; sensitivity analysis; numerical simulation

中圖分類號：U664.5

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)02-0095-05

第一作者簡介：劉倩(1992-)，女，碩士生E-mail:444590374@qq.com

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.025

修回日期：2016-01-21

研究方向:空調水系統(tǒng)控制及故障診斷