大型艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)并網(wǎng)運行模擬分析

張軒，周炫，金正濤，李偉光

(中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

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大型艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)并網(wǎng)運行模擬分析

張軒，周炫，金正濤，李偉光

(中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

針對某大型艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)形式及特點，利用FlowMaster建立該環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)的模擬仿真平臺。通過對環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)單泵、雙泵、三泵以及四泵多種并網(wǎng)運行工況的模擬計算，分析不同運行工況下用戶區(qū)內(nèi)與區(qū)間的流量分配特性與水力失調(diào)情況。模擬結(jié)果表明，系統(tǒng)在并網(wǎng)運行時，各用戶區(qū)內(nèi)支路流量分配較均衡；單泵供全艦用戶運行時，各區(qū)用戶模擬流量為設(shè)計流量的26.7%～38.8%，區(qū)與區(qū)之間流量最大不平衡率為31.1%，出現(xiàn)明顯水力失調(diào)現(xiàn)象；對于多泵聯(lián)合供全船運行工況，各區(qū)用戶模擬流量分別為設(shè)計流量的51.8%～58.4%、77.0%～76.2%、88.7%～90.8%，能適應(yīng)艦船不同負(fù)荷需求，區(qū)與區(qū)之間流量最大不平衡率小于15%，流量分配較均勻，滿足工程要求。

環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)；并網(wǎng)運行；流量分配；水力失調(diào)

現(xiàn)代大型艦船結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能多樣，一般空調(diào)艙室及特定設(shè)備用戶區(qū)都需要采用冷媒水作為冷源，進(jìn)而對艙室與設(shè)備進(jìn)行降溫或除濕[1]。傳統(tǒng)的船舶冷媒水系統(tǒng)各區(qū)孤立，系統(tǒng)配置難度大，總體資源占用大，操作使用困難。此外，由于冷媒水系統(tǒng)孤立，冷量無法實現(xiàn)聯(lián)合輸送，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性差。為了進(jìn)一步適應(yīng)現(xiàn)代大型艦船的負(fù)荷需求，將全艦各區(qū)用戶并入環(huán)網(wǎng)，組成一種環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)，進(jìn)而對全艦各用戶區(qū)冷媒水系統(tǒng)的運行模式進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度調(diào)配，實現(xiàn)艦船各用戶區(qū)的分區(qū)運行以及并網(wǎng)聯(lián)合運行[2-7]。

與常規(guī)冷媒水系統(tǒng)不同，環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)在并網(wǎng)運行時，區(qū)與區(qū)之間會相互耦合，互相干擾。因此，環(huán)狀水系統(tǒng)水力特性與流量分配的研究對系統(tǒng)的實際運行有著十分重要的意義[8-9]。現(xiàn)代艦船結(jié)構(gòu)復(fù)雜，艦船冷媒水系統(tǒng)水力特性研究試驗難度大，利用仿真平臺對艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)的水力特性進(jìn)行模擬研究能夠極大的減少投入的時間與成本，具有極大的工程意義。

為了進(jìn)一步研究艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)并網(wǎng)運行時不同運行工況下各支路流量分配特性與水力失調(diào)情況，以某大型艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)為例，利用Flow-Master仿真軟件建立了該環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)的模擬仿真平臺，對系統(tǒng)單泵、雙泵、三泵以及四泵多種并網(wǎng)運行工況進(jìn)行了模擬計算，研究了系統(tǒng)在不同運行工況下各個用戶區(qū)內(nèi)以及區(qū)間的流量分配情況與水力失調(diào)現(xiàn)象。

1 艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)

艦船艏部有2個用戶區(qū)，艉部有3個用戶區(qū)，每個用戶區(qū)設(shè)置有1個泵支路及多個用戶支路，在艦船舯部設(shè)置備用泵(冷氣站)支路，可通過環(huán)網(wǎng)干管與跨接管向各個用戶區(qū)供水，各區(qū)用戶通過供回干管相連，實現(xiàn)系統(tǒng)不同運行模式的統(tǒng)一調(diào)配。艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)利用供、回干管取代分集水器，平衡系統(tǒng)管道輸送過程中的壓力損失，降低空調(diào)用戶區(qū)流量分配的不均衡性。此外，備用泵的設(shè)置能夠在分區(qū)水泵故障時向各分區(qū)供水，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

根據(jù)艦船上各個用戶的負(fù)荷大小確定艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)各支路的設(shè)計流量見表1。根據(jù)推薦流速1～3 m/s[10]匹配各用戶支路的管徑見表2，備用泵支路以及環(huán)網(wǎng)干管的管徑均為DN250。系統(tǒng)運行時，各支路的阻力特性不變，整個系統(tǒng)設(shè)置一個定壓點以保證系統(tǒng)正常運行的壓力需求。

2 系統(tǒng)建模

表1 艦船中各用戶支路設(shè)計流量

表2 艦船中各用戶支路的管徑

利用FlowMaster仿真軟件建立上述艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)的模擬仿真平臺，該模擬平臺完全按照實際艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)的布局與流量分配進(jìn)行設(shè)計與搭建，如圖1所示。在模擬仿真平臺的設(shè)計中，環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)的干管設(shè)計以及用戶區(qū)域的布局與實際艦船一致，環(huán)狀干管與跨接管的管徑均為DN250。全艦共有6個區(qū)，其中一區(qū)用戶與二區(qū)用戶為艏部用戶區(qū)，四、五、六區(qū)用戶為艦船艉部用戶區(qū)，一、二、五區(qū)用戶有7個用戶支路Z1～Z7，四區(qū)用戶有8個用戶支路Z1～Z8，六區(qū)用戶有5個用戶支路Z1～Z5，三區(qū)為備用泵(冷氣站)支路ZB3。對于用戶支路，由于末端設(shè)備布置復(fù)雜，其支路阻力可用阻力原件(閥門)簡化，以匹配實際艦船用戶支路的阻力特性，各區(qū)用戶支路布局與管路設(shè)計與實船保持一致。每個泵(冷氣站)支路ZB由兩臺水泵串聯(lián)組成提供循環(huán)動力以實現(xiàn)用戶支路的冷媒水輸送，水泵參數(shù)如表3所示。系統(tǒng)設(shè)置一個定壓點DY，壓力設(shè)置為10 kPa。

在整個環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)上，區(qū)與區(qū)之間設(shè)置有隔斷閥，支路尺寸與實船一致,見表2。根據(jù)實際艦船冷媒水系統(tǒng)的管道、閥門及水泵等部件的基本特性參數(shù)設(shè)置模型相應(yīng)組件的參數(shù)，模擬結(jié)果包括系統(tǒng)內(nèi)任意節(jié)點和組件的相關(guān)參數(shù)。

3 模擬平臺驗證與并網(wǎng)工況模擬

關(guān)閉艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)區(qū)間隔斷閥，對系統(tǒng)各區(qū)用戶獨立運行工況進(jìn)行模擬計算，各區(qū)獨立運行時一區(qū)用戶流量分配見表1。一區(qū)用戶支路模擬流量與設(shè)計流量相對偏差為0.04%～0.46%。對于其他用戶區(qū)，系統(tǒng)各區(qū)獨立運行時，全船各區(qū)用戶支路模擬流量與設(shè)計流量相對偏差均小1%，進(jìn)一步驗證了艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)模擬平臺的可靠性。

表3 系統(tǒng)水泵參數(shù)

切換區(qū)間閥門實現(xiàn)艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)的并網(wǎng)運行，分析系統(tǒng)在并網(wǎng)運行時各用戶各支路的流量特性。針對系統(tǒng)并網(wǎng)運行模式對四類不同的運行工況進(jìn)行模擬計算。根據(jù)艦船環(huán)狀管網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計特點，在同類工況下，泵存在多種組合方式，由于各區(qū)用戶總設(shè)計流量基本一致，不同泵組合向全船供水時，系統(tǒng)的水力特性十分類似。以其中一種組合為例，工況1：單泵(一區(qū)泵)供全船各區(qū)運行；工況2：雙泵(一、四區(qū)泵)聯(lián)合供全船各區(qū)運行；工況3：三泵(一、四、六區(qū)泵)聯(lián)合供全船各區(qū)運行；工況4：四泵(一、二、四、六區(qū)泵)聯(lián)合供全船各區(qū)運行。

表4 一區(qū)獨立運行時一區(qū)用戶支路流量

4 模擬結(jié)果與分析

采用模擬流量與實際流量的比值與流量不平衡率分析系統(tǒng)各用戶區(qū)內(nèi)與區(qū)間的流量分配特性以及水力失調(diào)情況。

表5為艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)并網(wǎng)運行時單泵、雙泵、三泵以及四泵向全船供水時一區(qū)用戶各支路模擬流量、支路流量不平衡率。從模擬結(jié)果可知：單泵向全船用戶供水時，一區(qū)用戶各支路模擬流量為設(shè)計流量的37.5%～39.4%，各支路流量最大不平衡率為5.0%；雙泵向全船用戶供水時，一區(qū)用戶各支路模擬流量為設(shè)計流量的58.0%～59.1%，各支路流量最大不平衡率為1.9%；對于工況3，一區(qū)用戶各支路模擬流量為設(shè)計流量的76.8%～77.4%，各支路流量最大不平衡率僅為0.8%；對于四泵聯(lián)合供水工況，一區(qū)用戶各支路模擬流量為設(shè)計流量的90.2%～91.1%，各支路流量最大不平衡率為1.0%。模擬結(jié)果進(jìn)一步表明艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)并網(wǎng)運行時，不同運行工況下用戶區(qū)內(nèi)各支路流量分配較均衡。

系統(tǒng)并網(wǎng)運行時不同工況下各用戶區(qū)的流量分配特性見表6。單泵向全船供水時，各區(qū)用戶模擬流量能達(dá)到設(shè)計流量的26.7%～38.8%，且由于一區(qū)泵開啟，一區(qū)用戶流量達(dá)到最大，區(qū)與區(qū)之間流量最大不平衡率為31.1%，表明單泵向全船供水時，各區(qū)用戶之間流量出現(xiàn)了明顯的水力失衡的現(xiàn)象；雙泵向全船供水時，各區(qū)用戶模擬流量能達(dá)到設(shè)計流量的51.8%～58.4%，區(qū)與區(qū)之間流量最大不平衡率為11.3%，水力失衡現(xiàn)象明顯減小。三泵向全船供水時，各區(qū)用戶模擬流量能達(dá)到設(shè)計流量的76.2%～77.0%，可滿足艦船部分負(fù)荷需求，區(qū)與區(qū)之間流量最大不平衡率為2.9%，表明各區(qū)用戶之間流量分配比較均衡；四泵供全船各區(qū)用戶運行時，各區(qū)用戶模擬流量能達(dá)到設(shè)計流量的88.7%～90.8%，基本滿足工程正常運行需求，區(qū)與區(qū)之間流量最大不平衡率為2.0%，各區(qū)用戶之間水力失衡現(xiàn)象消失，流量分配十分均衡。

表5 并網(wǎng)運行時不同運行工況下一區(qū)用戶各支路流量

注：*流量最大不平衡率=[(模擬流量占設(shè)計流量比最大值-模擬流量占設(shè)計流量比最小值)/模擬流量占設(shè)計流量比最大值] ×100%。

表6 并網(wǎng)運行時不同運行工況下各區(qū)用戶模擬流量

5 結(jié)論

根據(jù)模擬結(jié)果，艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)在并網(wǎng)運行時，可根據(jù)艦船不同的負(fù)荷需求調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行模式，其中雙泵及三泵向全船供水時，各支路流量能達(dá)到50%以上，能滿足艦船部分負(fù)荷需求，四泵向全船供水時運行，各支路流量基本達(dá)到設(shè)計流量的90%左右，基本能滿足全船正常運行時的水量需求。

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Simulation Analysis of Parallel Operation of a Loop Refrigerant Water System for Large Ships

ZHANG Xuan, ZHOU Xuan, JIN Zheng-tao, LI Wei-guang

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

Aiming at the loop refrigerant water system for large ships, a simulation platform was established in FlowMaster environment. Different parallel operation modes with single pump, 2 pumps, 3 pumps and 4 pumps respectively were simulated to analyze the flow distribution characteristics and hydraulic misadjustment of the system under different modes. The results showed that the flow distribution in one user area is good and relatively balanced for the system parallel operation. The simulation flow rates in each user area range from 26.7% to 38.8% of the design flow rates respectively. However, the largest flow imbalance ratio between users area is 31.1% with obvious hydraulic misadjustment. For parallel operation with multiple pumps, the flow rate in each user area can reach 51.8%～58.4%, 77.0%～76.2%,and 88.7%～90.8% of design flow rates for 2 pumps, 3 pumps and 4 pumps modes respectively. The largest flow imbalance ratio is less than 15% which may meet the needs of different load and satisfy engineering practice as well.

loop refrigerant water system; parallel operation; flow rate distribution; hydraulic misadjustment

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.033

2017-03-07

國家部委基金資助項目

張軒(1981—)，男，學(xué)士，工程師

研究方向：液冷技術(shù)

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0139-04

修回日期：2017-03-27