大型船舶變頻供水管網(wǎng)壓力平衡與控制策略仿真

劉毅，潘錦平

(中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

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大型船舶變頻供水管網(wǎng)壓力平衡與控制策略仿真

劉毅，潘錦平

(中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

為解決大型船舶供水管網(wǎng)壓力不平衡問題，進(jìn)行變頻供水管網(wǎng)的仿真計算，分析管網(wǎng)壓力平衡與控制策略，通過不同供水方式和不同控制策略的仿真，得出變頻供水中采用增加高程分區(qū)的方式可以使末端用戶用水的穩(wěn)定性提高，最不利點(diǎn)恒壓控制方式對末端用戶流量調(diào)節(jié)效果更佳，有利于整個管網(wǎng)系統(tǒng)的相對穩(wěn)定。

大型船舶；變頻供水；壓力平衡；仿真研究

目前，大型船舶多采用變頻供水的方式向全船各用戶輸送日用淡水。以往的變頻供水管網(wǎng)存在末端用戶水量不平衡的問題，特別是隨著給水系統(tǒng)的復(fù)雜程度增加(主要是甲板層數(shù)增加、用水點(diǎn)增加)，問題日益突出[1]。

大型船舶甲板層數(shù)多，供水管路輸送距離長，用水點(diǎn)分散，導(dǎo)致用水高峰時，一些用戶往往水流小、壓頭低；空閑時又出現(xiàn)水量大、壓頭過高等問題。

在供水管網(wǎng)設(shè)計時，水泵的揚(yáng)程是按照最遠(yuǎn)最不利用戶的需要進(jìn)行選型。對大多數(shù)用戶而言，水泵的揚(yáng)程存在很大富余。當(dāng)船上供水高度、供水距離及用戶點(diǎn)不斷增加時，最遠(yuǎn)用戶與最近用戶的用水壓差相差就越大，這種富余也就越大，導(dǎo)致供水管網(wǎng)很難做到壓力平衡。

為解決上述問題，對變頻供水管網(wǎng)進(jìn)行仿真計算，探討管網(wǎng)壓力平衡與控制策略，為實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供可靠的依據(jù)。

1 變頻供水系統(tǒng)分析

1.1 基本特性

船用供水系統(tǒng)通常是由泵組件和管道組成。泵的的揚(yáng)程特性曲線如圖1所示，在定轉(zhuǎn)速下?lián)P程H與流量Q之間的關(guān)系曲線f(Q)。由圖1可見，流量Q與揚(yáng)程H成反向背離關(guān)系，即Q越大，揚(yáng)程H越小；Q越小，H越大。而管道阻力特性則是表明在管組特性不變的情況下，管阻h與流量Qu之間的關(guān)系h=f(Qu)。管阻特性曲線反映了變化的流量與需克服的管道阻力的變化規(guī)律。二者曲線的交點(diǎn)A2，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)。在這一點(diǎn)，用戶的用水流量Q和供水系統(tǒng)的供水流量處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

同樣可以看到當(dāng)系統(tǒng)所需流量減少時，管道曲線上移與揚(yáng)程特性曲線相交于工作點(diǎn)A1點(diǎn)處，此時管道中流量減小，揚(yáng)程增大，出現(xiàn)超壓出流現(xiàn)象，近泵段末端用戶的體驗(yàn)是水流很大，壓力很高；當(dāng)整個系統(tǒng)處于用水高峰時，管道曲線下移與泵曲線相交于工作點(diǎn)A3處，此時管道中流量增大，揚(yáng)程減小，最遠(yuǎn)端不利點(diǎn)用戶體驗(yàn)是水流很小，壓力很低。

進(jìn)一步設(shè)想當(dāng)A1點(diǎn)和A3點(diǎn)的揚(yáng)程差異較大時，即使采用閥門來控制，也往往難以起到較好的作用，此時最低用戶點(diǎn)和最高用戶點(diǎn)的體驗(yàn)將出現(xiàn)極端情況。

因此，從供水平衡的角度來講：當(dāng)供水系統(tǒng)的高程出現(xiàn)較大變化時，單一的定頻的供水往往難以取得良好的效果。這點(diǎn)也可以從后續(xù)的仿真計算中得出。

1.2 系統(tǒng)原理

目前，我國采用較多的水泵調(diào)速技術(shù)主要有：液力耦合器調(diào)速，可控硅串級調(diào)速，電磁滑差離合器調(diào)速和變頻調(diào)速等。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用證明，變頻調(diào)速是調(diào)速技術(shù)中最具實(shí)用性的調(diào)速方式。

變頻泵調(diào)速原理：

交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為[2]：

(1)

式中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；f為電源頻率，Hz；p為電極對數(shù)；S為電機(jī)轉(zhuǎn)差率。

由式(1)可見，改變f，p，S時，均可調(diào)節(jié)n，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。

變頻調(diào)速水泵運(yùn)行中，壓力檢測點(diǎn)的管網(wǎng)壓力H信號由壓力傳感器傳輸給控制器。當(dāng)管網(wǎng)壓力值Hm低于或高于設(shè)定壓力H0時，控制器將根據(jù)恒壓或恒流量的控制要求向變頻調(diào)速器發(fā)出提高或降低電源頻率的信號。水泵的轉(zhuǎn)速將隨之變頻調(diào)速器電機(jī)轉(zhuǎn)速提高或降低相應(yīng)提高或降低。要使建筑供水系統(tǒng)保持恒壓或恒流量供水，則必須將系統(tǒng)壓力或流量基本上維持在設(shè)定壓力或流量—即最有利工況范圍內(nèi)供水。在變頻調(diào)速加壓供水過程中，水泵運(yùn)行的變化如圖 2 所示。

H0為恒壓線，當(dāng)H2高于H0運(yùn)行時，變頻恒壓供水自動控制系統(tǒng)監(jiān)測到此狀況后，對變頻器發(fā)出信號，通過改變各項運(yùn)行參數(shù)來對供水系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，在自動調(diào)節(jié)過程中，水泵轉(zhuǎn)速逐漸降低，Q-H曲線逐漸下降，水泵運(yùn)行工況點(diǎn)由A2向A1，A0移動，同時揚(yáng)程由H2向H1、H0移動，Q2也向Q1、Q0移動，當(dāng)Hm低于H0時，變頻調(diào)速系統(tǒng)在自動調(diào)節(jié)過程中，其工況點(diǎn)的變化與上述變化相反。即由Am逐漸向A0移動。這樣的自動控制調(diào)節(jié)使其揚(yáng)程與系統(tǒng)阻力相適應(yīng)，保持了整個管網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

2 變頻供水管網(wǎng)仿真

2.1 仿真平臺的選擇

在借鑒已有的相關(guān)研究和開發(fā)成果的基礎(chǔ)上[3]，提出以MATLAB/SIMULINK工具為平臺，并通過模塊化建模的思路來實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能仿真。

對MATLAB應(yīng)用于流體管網(wǎng)仿真的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[4]，MATLAB/SIMULINK仿真結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果相似度較高，可以作為管網(wǎng)壓力平衡研究的手段。

2.2 供水管網(wǎng)的設(shè)計

為了研究變頻供水管網(wǎng)壓力平衡與控制策略，擬選擇洗浴供水系統(tǒng)作為研究、仿真對象。該管段中共設(shè)置淋浴噴頭80個，分8層布置，層高為2.65 m，總高28.55 m。具體系統(tǒng)圖見圖3。

根據(jù)《建筑積水排水設(shè)計手冊(第二版)》中關(guān)于公共浴室給水設(shè)計小時流量的計算公式[5]：

qg=∑q0n0b/1 000

(2)

式中：qg為計算管道的設(shè)計小時流量，m3/h；q0為同類型的一個衛(wèi)生器具給水額定流量，L/h；n0為同類型衛(wèi)生器具數(shù)；b為同類型衛(wèi)生器具的同時使用系數(shù)。

混合淋浴頭的給水額定流量0.15 L/s ，公共浴室淋浴頭的同時使用系數(shù)取100%，使用數(shù)量為80個。代入式(1)可得：

qg=0.15×80×100%=43.2m3/h

據(jù)此選擇Q=24 m3/h，揚(yáng)程H=60 m的多級離心泵2臺。

2.3 雙泵并聯(lián)供水仿真模擬

按照前文的初始條件，選用混合淋浴頭為供水模型數(shù)量為80個，同時使用系數(shù)取100%。選擇Q=24 m3/h，揚(yáng)程H=60 m的多級離心泵2臺。將上述管網(wǎng)系統(tǒng)及泵組在MATLAB中進(jìn)行建模[6]，仿真模型圖如圖4所示。選取最不利點(diǎn)標(biāo)高18.55 m的管道給水末端淋浴頭進(jìn)行觀察，其流量為-0.001 966 L/s，即該管路已處于了欠壓斷流狀態(tài)。如圖5所示。

選取最近點(diǎn)標(biāo)高0 m的管道給水末端淋浴頭進(jìn)行觀察，其流量為1.272 L/s，近端用戶的流量又過大。如圖6所示。

選擇泵組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行觀察，由圖7可以看到泵1的壓力為0.245 3 MPa，泵2的壓力為0.246 3 MPa，總管流量計的讀數(shù)為21.59 L/s。結(jié)合圖9可以看出當(dāng)前2臺泵的運(yùn)行點(diǎn)已經(jīng)偏離了泵的正常運(yùn)行區(qū)， 該泵的正常運(yùn)行區(qū)段揚(yáng)程H在49.5～66 m之間，對應(yīng)Q值為5～8.33 L/s。

由此可以看出由于層高過高，并聯(lián)1路直接供水的方式不能滿足滿負(fù)荷運(yùn)行時最不利點(diǎn)用戶的需求。

2.4 變頻分段供水仿真模擬

供水的初始條件同上，仍選用混合淋浴頭為供水模型，數(shù)量為80個，同時使用系數(shù)取100%。根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計手冊》中推薦的高程分區(qū)供水方式。具體方案是分成上下2部分供水，即1號泵負(fù)責(zé)為4～7層甲板的用戶提供用水；2號泵負(fù)責(zé)為1～3及+1甲板的用戶提供用水。

分別選擇Q=24 m3/h，揚(yáng)程H=40 m的二級離心泵1臺和Q=24 m3/h，揚(yáng)程H=60 m的三級離心泵1臺。詳見圖8。

分別將1號泵和2號泵運(yùn)行后最不利點(diǎn)及最近點(diǎn)的流量值列出，見表1。

表1 最不利點(diǎn)及最近點(diǎn)參數(shù) L/s

與2.3的計算結(jié)果相比，最不利點(diǎn)及最近點(diǎn)的用水情況都有較大改善?？梢钥闯?，通過高程分區(qū)使末端用戶的流量波動有較大的緩解。

3 平衡與控制策略

變頻恒壓供水系統(tǒng)供水壓力的控制點(diǎn)可以采用泵出口恒壓控制和最不利供水點(diǎn)控制。泵出口恒壓控制：即將壓力反饋點(diǎn)設(shè)在泵口處，屬于出口恒壓末端變流量的控制方式。最不利點(diǎn)恒壓控制：將系統(tǒng)反饋點(diǎn)設(shè)置管網(wǎng)的最不利點(diǎn)處，屬于最不利點(diǎn)恒壓變流量的控制方式。

對變頻分段供水分別采取2種壓力控制方式進(jìn)行研究。

3.1 出口恒壓控制仿真模擬

利用MATLAB中的PID控制器對系統(tǒng)進(jìn)行反饋控制。構(gòu)造恒壓控制模型如圖9。

該模型中將泵1出口和泵2出口處的壓力分別設(shè)置為0.2和0.3 MPa。在此次仿真計算中將各區(qū)段中的20個淋浴頭隨機(jī)打開，另外20個淋浴頭隨機(jī)關(guān)閉，以模擬正常使用工況時淋浴頭變化的狀態(tài)，同時觀察最不利點(diǎn)用戶的流量變化情況。

3.2 最不利點(diǎn)恒壓控制仿真模擬

該模型中分別在4甲板和8甲板供水支管上設(shè)置壓力傳感器，將壓力值設(shè)定在0.02 MPa，仿真的其他條件與泵口恒壓相同。各區(qū)段中的20個淋浴頭隨機(jī)打開，另外20個淋浴頭隨機(jī)關(guān)閉，以模擬正常使用工況時淋浴頭變化的狀態(tài)，同時觀察最不利點(diǎn)用戶的流量變化情況。構(gòu)造恒壓控制模型如圖10。

3.3 對比分析

分別將2種控制方式下8甲板最末端用戶的運(yùn)行結(jié)果通過示波器顯示出來，見圖11和圖12。比較以上2張輸出波形圖，可以看出以下幾點(diǎn)：

1)末端流量與閥門隨機(jī)開關(guān)的變化度保持一致。

2)圖中圈出的2點(diǎn)相比，圖12中波形下降的趨勢大于圖11。

在仿真模擬中，設(shè)定的變化條件較實(shí)際情況惡劣，意味著末端用戶數(shù)量的變化幅度是比較大的。但即使在此條件下，反饋控制還是顯示出其對末端流量的調(diào)節(jié)能力。同時從圖中圈出的2處位置中看出，圖12中向下的變化趨勢大于圖11，意味著在同樣的變化前提下，最不利點(diǎn)恒壓控制對流量的調(diào)節(jié)作用要比泵口恒壓控制的作用要明顯許多。

這也與對2個壓力點(diǎn)控制的分析也是吻合的，即：當(dāng)流量變化時，最不利點(diǎn)水壓為恒壓，整個管網(wǎng)的水壓相對穩(wěn)定，使用效果好。泵口恒壓控制時，泵口壓力穩(wěn)定，而末端用戶的流量變化相對大些。

4 結(jié)論

1)變頻泵組的引入使管網(wǎng)系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)因子增加，有利于改善供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2)變頻供水中采用增加高程分區(qū)的方式可以使末端用戶用水的穩(wěn)定性提高。

3)最不利點(diǎn)恒壓控制方式對末端用戶流量調(diào)節(jié)效果更佳，并有利于整個管網(wǎng)系統(tǒng)的相對穩(wěn)定；泵口恒壓控制時，末端用戶的流量變化相對大些。

[1] 王維義，戴克文.船舶與海洋平臺生活區(qū)供水系統(tǒng)存在的問題及解決方案[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2013(14):39-40.

[2] 桂劉豐.傳統(tǒng)高位水箱供水與變頻方式供水比較研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2009(5):100.

[3] 宋振國，蔣丁宇，張曉濱.船舶管網(wǎng)系統(tǒng)水力特性研究及其應(yīng)用[J].中國艦船研究，2014，9(4)：93-98，103.

[4] 姚磊.基于Simulink的流體管網(wǎng)仿真[J].大功率變流技術(shù),2010(5):5-8,22.

[5] 中國建筑設(shè)計研究院.建筑給水排水設(shè)計手冊：上冊[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[6] 姚宇,俞國平,胡少華.基于MATLAB的給水管網(wǎng)可視化模型和仿真計算[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報,2006,19(2):54-59.

Simulated of Pressure Balance and Control Strategy of Providing-water with Frequency Converter Pipe Network for Large Ship

LIU Yi, PAN Jin-ping

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

To solve the pressure imbalance problems of providing-water pipe network for large ship, the providing-water pipe network with frequency converter was simulated to analyze the pressure balance and control strategy. The simulation results of different water-supply modes and control strategy showed that by using a high-level district, the frequency converter can improve the stability of the end user, It can improve the relative stability of pipe network system, and it gives a better result of flow regulating for the end user, in the way of using constant-pressure control of the most adverse user.

large ship; providing-water with frequency converter; pressure balance; simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.017

2017-03-07

劉毅(1985—)，男，碩士，工程師

研究方向：船舶系統(tǒng)

U644.8

A

1671-7953(2017)03-0077-07

修回日期：2017-03-27