艦船岸接供水運行模式的水力平衡試驗

周炫，嚴(yán)天，黃慶，謝軍龍，王飛飛

(1.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064；2.華中科技大學(xué) a.建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系；b.制冷及低溫工程系，武漢 430074)

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艦船岸接供水運行模式的水力平衡試驗

周炫1，嚴(yán)天2a，黃慶2b，謝軍龍2b，王飛飛2a

(1.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064；2.華中科技大學(xué) a.建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系；b.制冷及低溫工程系，武漢 430074)

針對岸接泵直接供水運行時，艦船各區(qū)用戶流量分配不均，存在明顯的水力失調(diào)問題。提出在冷媒水管網(wǎng)系統(tǒng)中增設(shè)動態(tài)流量平衡閥、增壓泵及分流跨接管3種水力平衡措施以改善系統(tǒng)水力失調(diào)。試驗結(jié)果表明，采用增壓泵和分流跨接管2種措施的效果更好，能使各區(qū)用戶的流量分配更均勻。

岸接供水；水力失調(diào)；動態(tài)流量平衡；增壓；分流跨接管

當(dāng)流體管網(wǎng)系統(tǒng)各支路阻力特性差異較大時，支路末端的實際流量分配將偏離工程設(shè)計值，進(jìn)而出現(xiàn)水力失調(diào)現(xiàn)象[1-6]。大型艦船冷媒水系統(tǒng)的管網(wǎng)形式非常復(fù)雜，各支路的負(fù)荷特性與流量需求差異極大，極易出現(xiàn)水力失調(diào)現(xiàn)象。因此，艦船冷媒水系統(tǒng)的水力平衡及調(diào)節(jié)尤為重要[7-8]。由于艦船的使用時間、地點多變，支路的流量需求變也會發(fā)生很大的變化。艦船在岸邊?？繒r，仍需冷媒水對艦船空調(diào)用戶進(jìn)行降溫或除濕。為節(jié)省艦船上的資源，通?？衫冒渡系陌督颖梅謩e向艦船供水，以滿足艦船各用戶支路冷媒水量(冷量)需求。在艦船進(jìn)行岸接供水時，艦船用戶的水量需求與額定工況下的需求有所不同，這可能造成各支路的流量分配不均。另外，艦船各用戶位置相對分散，因而水管網(wǎng)系統(tǒng)在岸接供水時易出現(xiàn)水力失調(diào)現(xiàn)象。針對此問題，對某艦船冷媒水系統(tǒng)的岸接供水工況進(jìn)行試驗。

1 試驗平臺搭建

艦船在岸邊?？繒r，艦上各用戶區(qū)與岸接泵支路的距離不同，且布局各異，因而各用戶區(qū)的管網(wǎng)水力特性也有所不同。采用岸接泵直接向各區(qū)供水時，艦上各用戶區(qū)的流量易分配不均，出現(xiàn)水力失調(diào)現(xiàn)象。以艉部岸接供水為例，研究岸接供水運行模式下的艦船冷媒水系統(tǒng)的水力特性。利用縮比原理搭建某艦船冷媒水系統(tǒng)試驗平臺，如圖1所示。

艦船艉部共設(shè)有3個用戶區(qū)，各區(qū)間采用供回干管相連，其中一區(qū)用戶有8個用戶支路Z1～Z8，二區(qū)用戶有7個支路用戶Z1～Z7，三區(qū)用戶有5個用戶支路Z1～Z5。每個用戶區(qū)分別設(shè)有水泵支路以保證艦船各自分區(qū)的正常供水。艦船在岸邊?？繒r，將岸接泵支路接入艦船水管網(wǎng)系統(tǒng)的二區(qū)與三區(qū)之間的供回干管上，以此實現(xiàn)對艦船各用戶的岸接供水。

試驗平臺按照實船冷媒水系統(tǒng)的布局設(shè)計。根據(jù)實船設(shè)計流量比可縮比得到試驗平臺系統(tǒng)在額定工況下各區(qū)、各用戶支路的設(shè)計流量。隨后，根據(jù)設(shè)計流速1～3 m/s[9]，確定各支路管徑，各支路的設(shè)計流量及管徑如表1所示。對于岸接供水工況，根據(jù)負(fù)荷特點，各支路流量只需滿足其在額定工況下設(shè)計流量的60%即可。在岸接泵支路向艦船供水工況下，各支路設(shè)計流量如表2所示。試驗平臺選用的岸接泵揚程為0.8 MPa(80 mH2O)，額定流量為60 m3/h。在試驗平臺中，水管網(wǎng)干管與各用戶支路的阻力特性均采用蝶閥進(jìn)行模擬。

試驗平臺搭建完成后，首先對各區(qū)用戶支路、區(qū)間干管的阻力特性進(jìn)行調(diào)試，使之與實際艦船的管網(wǎng)阻力匹配。調(diào)試完成后，管網(wǎng)各管段上的蝶閥開度和阻力特性不變。隨后，開啟各區(qū)間干管截止閥、關(guān)閉各區(qū)泵支路截止閥，使艦船各區(qū)聯(lián)通以進(jìn)行岸接泵供水試驗。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集不同運行工況下的各用戶支路流量，進(jìn)而對水管網(wǎng)系統(tǒng)的水力特性進(jìn)行分析。

表1 試驗平臺各用戶額定工況下各支路設(shè)計流量

表2 試驗平臺岸接工況下用戶支路的設(shè)計流量 m3/h

2 艦船岸接供水直接運行試驗

水管網(wǎng)系統(tǒng)的支路水力失調(diào)程度可用實際流量與設(shè)計流量的比值衡量[10]，如式(1)所示。

(1)

式中：x為水力失調(diào)度，Qs為支路實際流量，Qg為支路設(shè)計流量。

x越接近于1，表示該支路的水力失調(diào)程度越小。此外，水力失調(diào)度越大，表示該支路的實際流量與占設(shè)計值之比越大。

表3為岸接供水工況下各用戶支路的流量分配與水力失調(diào)度。試驗結(jié)果表明，一區(qū)用戶流量偏小，僅為設(shè)計流量的80%左右，水力失調(diào)度為0.78～0.81；二區(qū)用戶流量基本達(dá)到設(shè)計值，水力失調(diào)度為0.99～1.14；三區(qū)用戶流量偏大，達(dá)到設(shè)計流量的112%左右，水力失調(diào)度為1.08～1.14。由此可見，在由岸接泵向各區(qū)供水時，艦船各區(qū)用戶流量分配不均，出現(xiàn)了明顯的水力失調(diào)現(xiàn)象，即一區(qū)用戶流量偏小，三區(qū)用戶流量偏大。主要原因是，岸接泵向艦船各區(qū)供水時，一區(qū)用戶距離岸接泵支路最遠(yuǎn)，且與二區(qū)用戶共用同一供回干管，干管阻力損失相對最大，因此，一區(qū)用戶流量最小。

表3 艦船岸接供水時各支路試驗流量及水力失調(diào)度

3 艦船岸接供水的水力平衡措施

通過上式試驗知，岸接供水直接運行時，艦船艉部各區(qū)將出現(xiàn)嚴(yán)重的水力失衡。為改善此情況，提出在系統(tǒng)中增設(shè)3種水力平衡措施以改善系統(tǒng)水力失調(diào)：①動態(tài)流量平衡閥;②增壓泵及；③分流跨接管。通過試驗對3種措施在管網(wǎng)中的有效性和可行性進(jìn)行試驗和分析。

如圖1所示，措施①在三區(qū)管網(wǎng)與岸接泵支路間的干管上增設(shè)動態(tài)流量平衡閥以實現(xiàn)對三區(qū)用戶的限流，使一、二區(qū)用戶流量增大，改善水力失衡；措施②在一區(qū)與二區(qū)用戶管網(wǎng)間的干管上設(shè)置增壓泵(額定流量20 m3/h，揚程0.15 MPa)，增加一區(qū)用戶冷媒水的資用壓頭，以期實現(xiàn)各區(qū)用戶的水力平衡的目的；措施③將岸接泵支路與一、二區(qū)用戶的區(qū)間干管通過分流跨接管相連，同時將一、二區(qū)用戶的區(qū)間干管隔斷閥關(guān)閉。在此措施中，岸接泵可通過分流跨接管向一區(qū)用戶直接供水，通過供回干管向二區(qū)、三區(qū)用戶供水，分流跨接管管徑為65 mm。

4 結(jié)果與分析

通過開關(guān)區(qū)間干管閥門，依次實現(xiàn)分別采用3種平衡措施后的艦船冷媒水岸接供水運行工況，試驗結(jié)果分別如表4～6所示。表4為冷媒水系統(tǒng)岸接供水工況在采用措施①后的艦船各支路的流量分配。結(jié)果表明，在三區(qū)干管與岸接泵支路間設(shè)置動態(tài)流量平衡閥后，三區(qū)用戶各支路流量相對于直接運行明顯減小，水力失調(diào)度減小為0.95～0.97，基本達(dá)到設(shè)計流量；二區(qū)用戶流量相對直接運行稍有增加，均為設(shè)計流量的110%；一區(qū)用戶各支路流量相對于直接運行明顯增加，約能達(dá)到設(shè)計流量的90%，水力失調(diào)度0.89～0.95。上述結(jié)果表明，采用平衡措施①即增設(shè)動態(tài)流量平衡閥后，艦船冷媒水系統(tǒng)在進(jìn)行岸接供水工況時，各用戶支路水力失調(diào)現(xiàn)象得到明顯改善，但一區(qū)流量仍相對偏小。

采用措施②后的艦船各支路的流量分配見表5。從結(jié)果可知，在一區(qū)用戶與二區(qū)用戶之間設(shè)置增壓泵后，一區(qū)用戶各支路流量相對于直接運行明顯增加，基本達(dá)到設(shè)計流量的95%以上，各支路水力失調(diào)度為0.95～1.00；二區(qū)用戶各支路流量相對于直接運行稍有減少，為設(shè)計流量的95%左右；三區(qū)用戶各支路流量相對于直接運行明顯減小，水力失調(diào)度減小至1.02～1.04。上述結(jié)果表明，采用平衡措施②即設(shè)置增壓泵后，全艦各用戶支路的流量均能達(dá)到需求流量的92%以上，且分配基本平衡，水力失調(diào)問題基本解決。

表4 采用動態(tài)流量平衡閥后艦船岸接供水試驗結(jié)果

表5 采用增壓泵后艦船岸接供水試驗結(jié)果

表6為冷媒水系統(tǒng)岸接供水工況在采用措施(3)后的艦船各支路的流量分配。試驗結(jié)果表明，采用分流跨接管平衡措施后，一區(qū)用戶各支路流量相對于直接運行明顯增加，達(dá)到設(shè)計流量的98%，各支路水力失調(diào)度為0.97～1.03；二區(qū)用戶各支路流量達(dá)到設(shè)計流量的104%左右，其支路水力失調(diào)度為1.02～1.07；三區(qū)用戶各支路流量相對于直接運行明顯減小，達(dá)到設(shè)計流量的103.4%左右，水力失調(diào)度減小至1.01～1.05。當(dāng)采用平衡措施(3)，即使岸接泵支路由分流跨接管直接向一區(qū)用戶供水、由供回干管向二、三區(qū)用戶供水時，全艦各用戶支路的流量均能達(dá)到需求流量的98%-106%，且分配基本平衡，水力失調(diào)現(xiàn)象消失，滿足工程實際需求。

試驗表明，設(shè)置動態(tài)流量平衡閥、增壓泵及分流跨接管3種平衡措施均能明顯改善艦船冷媒水系統(tǒng)岸接供水工況的水力失調(diào)現(xiàn)象。相較而言，采用增壓泵與分流跨接管2種措施改善水力失衡的效果更好，能使艦船用戶各支路的流量分配更均勻。

表6 采用分流跨接管后艦船岸接供水試驗結(jié)果

5 結(jié)論

試驗表明，岸接泵直接供水運行時，艦船艉部各區(qū)用戶流量分配不均，一、二和三區(qū)用戶流量分別約為需求流量的78%，102%和110%，存在明顯的水力失調(diào)現(xiàn)象。

提出在系統(tǒng)中增設(shè)動態(tài)流量平衡閥、增壓泵及分流跨接管3種水力平衡措施。結(jié)果表明，相比于直接運行：①增設(shè)動態(tài)平衡閥平衡措施后，三區(qū)各支路流量明顯減小，基本達(dá)到設(shè)計流量，一區(qū)用戶各支路流量約為設(shè)計流量的90%左右，水管網(wǎng)水力失調(diào)現(xiàn)象得到改善；②在一、二區(qū)用戶區(qū)間干管上設(shè)置增壓泵后，全艦各用戶流量達(dá)到設(shè)計流量的94.5%～102.5%，流量分配較均勻，水力失衡問題基本得到解決；③岸接泵支路由分流跨接管直接向一區(qū)用戶供水、由供回干管向二、三區(qū)用戶供水時，全艦各用戶支路的流量能達(dá)到需求流量的98%～106%，且分配較平衡，水力失調(diào)現(xiàn)象消失。

所提出的3種平衡措施均可有效地改善艦船艉部岸接供水工況下用戶的水力失調(diào)現(xiàn)象。相較而言，采用增壓泵和分流跨接管兩種措施的效果更好，能使艦船艉部用戶各支路流量分配更均勻。

[1] 高會榮.暖通空調(diào)水系統(tǒng)中水力失調(diào)現(xiàn)象及其解決方法[J].山西建筑，2011(20):123-124.

[2] 郝存忠,王美萍.供熱系統(tǒng)水力失調(diào)原因分析與解決措施[J].科技情報開發(fā)運經(jīng)濟,2006(24):196-197.

[3] 戴彬彬,段雪松.水力平衡調(diào)試在空調(diào)水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J],建筑技術(shù)，2013(3):249-251

[4] 汪訓(xùn)昌.定流量閥在變流量水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].制冷與空調(diào), 2001(06):52-54.

[5] 孫晉飛.動態(tài)流量平衡閥平衡控制特性研究及在中央空調(diào)水系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].青島：青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,2011.

[6] 王成,郝巖峰,施舜天.動態(tài)流量平衡閥在暖通工程中的應(yīng)用[J].制冷空調(diào)與電力機械,2003(2):42-46.

[7] 冷峻,張威,馬軍.大型艦船集成式冷媒水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及試驗[J].中國艦船研究,2015,10(3):102-107.

[8] 由成良.同程式空調(diào)水系統(tǒng)的實船設(shè)計應(yīng)用[J].船舶,2014(3): 56-60.

[9] 中華人民共和國國家技術(shù)監(jiān)督局.船舶起居處所空氣調(diào)節(jié)與通風(fēng)設(shè)計參數(shù)和計算方法GB/T 13409—92 [S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1992.

[10] 付祥釗.流體輸配管網(wǎng)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2005.

Experimental Study on Hydraulic Balance of the Shore-connected Water Supply System

ZHOU Xuan1, YAN Tian2a, HUANG Qing2b, XIE Jun-long2b, WANG Fei-fei2a

(1.China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; 2.a.Dept. of Building Environment and Energy Engineering; b.Dept. of Refrigeration and Cryogenic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

In order to solve the problem of the uneven flow distribution and hydraulic imbalance when the shore-connected water supply system runs directly, three hydraulic balance approaches were put forward by using auto-flow balancing valve, booster pump and bypass flow pipe respectively. The testing results showed that all of the three approaches can improve the hydraulic imbalance of the refrigerant water system. Among them, the use of the booster pump or the bypass flow has better performance to improve the hydraulic imbalance.

shore-connected water supply; hydraulic imbalance; auto-flow balancing; pressure relay; bypass flow pipe

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.034

2017-03-07

國家部委基金資助項目

周炫(1989—)，男，碩士，助理工程師

研究方向：艦船空調(diào)通風(fēng)

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0143-04

修回日期：2017-03-27