大型艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)運行模式試驗研究

金正濤

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

大型艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)運行模式試驗研究

金正濤

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

［目的］為了解決大型艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)多種工況運行時的水力平衡問題，［方法］針對該系統(tǒng)的形式及特點，搭建縮比試驗平臺，對系統(tǒng)各區(qū)獨立運行、備用泵向各區(qū)供水、單泵及多泵聯(lián)合供水等多種運行模式進行試驗研究。分析在不同運行模式下各區(qū)用戶支路的流量分配特性。［結(jié)果］試驗結(jié)果表明，當(dāng)位于艦船舯部的備用泵分別向其他各用戶區(qū)供水時，各用戶支路的實際流量達到設(shè)計流量的90%以上，其水力失調(diào)度為0.89～1.02；單泵向全艦供水時，用戶試驗流量僅達到設(shè)計流量的20.0%～37.1%，區(qū)間流量最大不平衡率均大于40%，存在嚴(yán)重的水力失調(diào)現(xiàn)象；對于系統(tǒng)多泵聯(lián)合供水運行模式，雙泵、三泵、四泵聯(lián)合供水模式下的最優(yōu)運行工況可滿足艦船不同負荷下的水量需求，區(qū)間流量最大不平衡率小于15%，結(jié)果能滿足工程要求。［結(jié)論］試驗結(jié)果可為實艦運行與控制提供參考依據(jù)。

環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)；流量分配；水力失調(diào)度；流量不平衡率

Abstract：［Objectives］This paper presents the form and operation characteristics of a refrigerant water loop system of a large ship.［Methods］To address the flow distribution problem under different operating modes,an scaled experimental platform is developed for the system.Experiments on the backup pump water supply and single-pump and multi-pump combined water supply are carried out in order to study the flow rate distribution characteristics of the system.［Results］According to the results,when the backup pump in the middle of the ship supplies water to other zones,the flow rates of the users in each zone are all higher than 90%of the designed values,with the hydraulic imbalance degree ranging from 0.89 to 1.02.When a single pump supplies water to all users of the ship,the flow rates of the users range from 20.0%to 37.1%of the designed values,with a peak imbalance ratio higher than 40%.For the multi-pump combined water supply mode,the optimal operating conditions of the two-pump,three-pump and four-pump combined water supply modes can meet the water demands of different loads respectively,with a maximum imbalance ratio between zones of less than 15%.［Conclusions］This study may provide a reference for the operation and control of the practical system.

Key words：refrigerant water loop system；flow rate distribution;hydraulic imbalance degree；flow rate imbalance ratio

0 引 言

現(xiàn)代大型艦船的功能復(fù)雜、空間大、空調(diào)和冷卻系統(tǒng)用戶多，通常需在艦船的艏、舯、艉部設(shè)置冷氣站和循環(huán)水泵以滿足全艦各用戶的需要。艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)是一種利用環(huán)狀管網(wǎng)將艦船各區(qū)用戶集合起來的新型系統(tǒng)。該系統(tǒng)在滿足各用戶對水量（冷量）需求的同時，還可在實際運行過程中實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度，從而達到優(yōu)化資源配置、降低能耗的目的。

在環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)中，管網(wǎng)通常由多個環(huán)路并聯(lián)組成，在各環(huán)路之間進行流量分配時會相互影響［1］，往往出現(xiàn)水力失調(diào)的現(xiàn)象，因此水管網(wǎng)系統(tǒng)的水力平衡調(diào)節(jié)在實際工程應(yīng)用中非常重要。針對此問題，研究人員開展了研究和試驗，并提出了相應(yīng)的解決方案。高會榮［2］分析了空調(diào)水系統(tǒng)水力失調(diào)的現(xiàn)象及種類，提出了設(shè)置平衡閥等解決方案。冷駿等［3］針對大型艦船集成式冷媒水系統(tǒng)普通空調(diào)用戶與特殊空調(diào)用戶并聯(lián)運行時存在流量分配困難的問題，提出了支路雙流量并聯(lián)運行的優(yōu)化設(shè)計方案。王婷［4］和張慶［5］對供熱管網(wǎng)的水力失調(diào)現(xiàn)象以及平衡措施進行了分析探討。劉樂［6］研究空調(diào)水系統(tǒng)的可調(diào)性，提出了一種基于能量分配的動態(tài)平衡技術(shù)。趙宗峰［7］通過試驗驗證了多熱源環(huán)狀供熱管網(wǎng)水力計算模型，分析了系統(tǒng)的水力特性。蔡悠笛等［8］和汪訓(xùn)昌［9］結(jié)合實例研究了流量平衡閥在水系統(tǒng)平衡調(diào)試中的應(yīng)用。孫晉飛［10］通過模擬與試驗驗證了動態(tài)流量平衡閥對管網(wǎng)流量的控制效果。

上述研究主要是針對空調(diào)冷媒水系統(tǒng)的常規(guī)工況，對于特殊的低負荷工況較少涉及。對于大型艦船低負荷工況，艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)可通過單泵以及多泵聯(lián)合供水等運行模式來滿足艦船的負荷需求，從而節(jié)約資源。此外，為保證冷媒水系統(tǒng)穩(wěn)定運行，在艦船舯部設(shè)置備用泵（冷氣站）并接入環(huán)狀管網(wǎng)的方法，可用于應(yīng)對其他用戶區(qū)的水環(huán)網(wǎng)突發(fā)故障。為適應(yīng)不同的負荷需求，艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)的運行模式必將隨之改變，系統(tǒng)各種工況的水力特性也有待進一步的探討。

為降低試驗成本，本文將根據(jù)實艦環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)的形式及運行特點，利用縮比原理搭建環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)的模擬試驗平臺。在此平臺上，開展環(huán)網(wǎng)分區(qū)獨立調(diào)試運行、備用泵支路向艦船其他區(qū)供水、單泵和多泵聯(lián)合向全艦供水等多種工況的試驗，并對各工況下水管網(wǎng)系統(tǒng)的流量分配特性進行分析。試驗分析結(jié)果可為實艦環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)的運行與控制提供參考依據(jù)。

1 系統(tǒng)及其運行特點

在現(xiàn)代艦船中，空調(diào)或冷卻用戶位置分散、距離遠、用途各異，冷媒水系統(tǒng)管網(wǎng)一般也比較長，所以需在艦船的艏、舯及艉部設(shè)置冷氣站和泵支路，以滿足各區(qū)用戶的冷量需求及保障水環(huán)網(wǎng)的穩(wěn)定運行。圖1所示為本文采用的艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)設(shè)計方案。由圖可見，全艦系統(tǒng)被劃分為5個用戶區(qū)和1個備用區(qū)，各區(qū)配置相同的水泵，各用戶區(qū)均設(shè)有水泵（冷氣站）支路，以服務(wù)各區(qū)內(nèi)用戶支路Z1～Z7（Z8或Z5）。圖中：YH為用戶末端；DY為水管網(wǎng)定壓點；設(shè)置在艦船艏部的1，2區(qū)為用戶區(qū)；設(shè)置在艦船艉部的4，5，6區(qū)為艉部用戶區(qū)；設(shè)置在艦船舯部的3區(qū)為備用區(qū)，該區(qū)配置的水泵作為備用泵分別向各區(qū)備用供水。系統(tǒng)各區(qū)通過環(huán)狀干管與跨接管相連，并設(shè)置隔斷閥，通過閥門切換來實現(xiàn)各區(qū)的獨立或聯(lián)合供水。

圖1 艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of ship refrigerant water loop system

根據(jù)艦船各空調(diào)用戶的負荷確定每條支路的流量，據(jù)此選擇艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)每條支路的管徑。然后，計算每條環(huán)路的阻力損失以選擇水泵型式。在實際運行中，當(dāng)支路阻力特性不變時，各區(qū)用戶采取獨立運行模式可滿足每條支路的滿負荷流量需求。當(dāng)任意分區(qū)水泵發(fā)生故障時，備用區(qū)可通過環(huán)狀干管與跨接管分別向各用戶區(qū)供水。此外，在不同負荷需求下，通過切換閥門，艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)采取多泵并聯(lián)方式向環(huán)狀總管供水的同時，在滿足全艦不同負荷下用戶水量需求的情況下，可以節(jié)省系統(tǒng)的資源。

2 試驗縮比及平臺搭建

試驗平臺按照實際艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)的布局及流量分配比進行設(shè)計。因?qū)嵟灥睦涿剿到y(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、管路尺寸大、操作難度高，本文擬利用縮比原理搭建平臺系統(tǒng)進行試驗。根據(jù)流體力學(xué)知識，管網(wǎng)各支路分配流量比與各支路1/之比相等，其中：S為各支路管網(wǎng)阻抗，也稱阻力系數(shù)，該值僅與管網(wǎng)本身的物理特性有關(guān)。由于管網(wǎng)水力平衡調(diào)節(jié)的核心是控制各支路之間的流量分配比例關(guān)系，故只需在試驗管網(wǎng)中構(gòu)建出與實艦一致的1/比值關(guān)系，即可達到縮比目的。設(shè)計流量是指在空調(diào)正常工況下水泵應(yīng)提供的冷媒水流量。根據(jù)實艦設(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。然后，將流速控制在1～3 m/s［11］之間，使實艦環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)與試驗平臺管網(wǎng)管道內(nèi)的流量均處于紊流狀態(tài)，而流體流動處于阻力平方區(qū)，管網(wǎng)流量分配僅與管網(wǎng)各個管段的阻抗之比相關(guān)。在進行縮比試驗時，試驗平臺管網(wǎng)的各支路流量分配比與實艦環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)的各支路流量分配比一致，即分區(qū)內(nèi)各支路流量占分區(qū)設(shè)計總流量的比例相同。此時，各支路間的阻抗比值與實艦環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)各支路的阻抗比值也相同，這反映了實艦環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)的流量分配特性。表1所示為搭建的系統(tǒng)各區(qū)用戶（不含3區(qū)備用區(qū)）的設(shè)計流量值。表中：流量占比為支路設(shè)計流量占泵設(shè)計流量的比值，其值與實艦的保持一致。

表1 各區(qū)用戶支路的設(shè)計流量Table 1 Designed flow rate of the users in each zone

搭建環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)試驗平臺時，各區(qū)用戶及其支路的布置與實艦的一致。確定各支路流量后，根據(jù)1～3 m/s流速的設(shè)計原則，進一步確定各支路的管徑。泵支路與干管管徑均為DN65（mm），其他各用戶支路管徑如表2所示。

表2 各區(qū)用戶支路的管徑Table 2 Pipe diameters of the users in each zone

試驗平臺管網(wǎng)系統(tǒng)的各用戶區(qū)之間設(shè)置隔斷截止閥，通過開關(guān)閥門可實現(xiàn)各區(qū)用戶采用獨立或聯(lián)合供水運行等多種形式。各區(qū)泵支路、用戶支路、區(qū)間干管上均安裝有蝶閥，以模擬實艦上對應(yīng)的管段、設(shè)備等組件的阻力。

系統(tǒng)各分區(qū)水泵的揚程為0.55 MPa，額定流量為33.3 m3/h。根據(jù)經(jīng)驗，實艦用戶支路管網(wǎng)和水泵支路的阻力損失分別約占水泵揚程的70%和30%。在對試驗平臺進行調(diào)試時，關(guān)閉干管截止閥使各分區(qū)能獨立運行，通過調(diào)節(jié)截止閥使各支路流量達到設(shè)計值。調(diào)節(jié)蝶閥，以使管網(wǎng)中各分區(qū)之間的干管阻抗與預(yù)先通過模擬獲得的實艦上對應(yīng)管段的阻抗保持一致。

試驗平臺配備有完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可通過設(shè)置在平臺上各干管、支路的測點采集試驗供水、回水壓力和流量等數(shù)據(jù)。

3 平臺驗證及工況試驗

完成上述調(diào)試后，可對各用戶區(qū)獨立運行進行校驗。通過試驗可知，各區(qū)用戶支路的實際流量均能達到設(shè)計值，相對偏差為±0.02。

隨后，在試驗平臺上開展環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)的其他運行模式試驗。主要包括如下：

1）備用泵供水工況試驗，模擬艦船其他分區(qū)水泵支路存在突發(fā)故障的情況。通過設(shè)在舯部的備用泵支路向其他各區(qū)分別供水，以校驗其能否滿足5種工況下的水量需求。

2）單泵向全艦供水工況的試驗，校驗單臺水泵向全艦用戶供水的能力。主要過程為：開啟各區(qū)間的隔斷閥和某一分區(qū)的水泵支路，以及關(guān)閉其他各區(qū)水泵支路進行6種工況（含備用泵）下的單泵向全艦供水試驗。

3）多泵聯(lián)合向全艦供水運行試驗，校驗多臺水泵向全艦用戶供水的能力。主要過程為：開啟各區(qū)間的隔斷閥和若干分區(qū)的水泵支路以及關(guān)閉其他水泵支路，分別實現(xiàn)雙泵、三泵及四泵向全艦供水工況的試驗。試驗工況共55種（含備用泵），包括雙泵15種、三泵20種及四泵20種。

4 試驗結(jié)果與分析

通過開關(guān)區(qū)間干管、分區(qū)水泵支路閥門，依次實現(xiàn)備用泵供水工況、單泵向全艦供水工況和多泵聯(lián)合向全艦供水運行工況試驗。試驗完成后，得到的結(jié)果分別如表3～表5所示。

表3 備用泵向全艦各區(qū)用戶供水時各支路的試驗流量Table 3 Testing flow rate of each branch when backup pump to supply water for all user zones

表4 單泵向全艦各區(qū)用戶供水時各支路的試驗流量Table 4 Testing flow rate of each branch when single pump to supply water for all user zones

表5 多泵采用最優(yōu)工況向全艦各區(qū)用戶供水時各支路的試驗流量Table 5 Testing flow rate of each branch when multi-pumps to supply water for all user zones in optimal operating mode

本文采用水力失調(diào)度分析備用泵供水工況中其他各區(qū)用戶支路的流量分配特性［1］。水力失調(diào)度的定義如式（1）所示。

式中：xi為被衡量管路的水力失調(diào)度，該值越接近于1，表明支路的水力失調(diào)程度越?。籕si為支路實際試驗流量；Qgi為支路設(shè)計流量。

表3為備用泵分別向全艦各區(qū)用戶供水時用戶支路的試驗流量與水力失調(diào)度。從試驗結(jié)果可知，備用泵分別向各區(qū)用戶供水時，用戶支路的試驗流量基本能達到設(shè)計流量。其中，向1，2，4，5，6區(qū)分別供水時水力失調(diào)度為0.94～1.02，流量分配滿足設(shè)計需求，即水力失調(diào)度宜為0.9～1.1，這些用戶區(qū)都可達到水力平衡；向5區(qū)用戶供水時，因備用泵區(qū)3區(qū)～5區(qū)管網(wǎng)的跨接管較長，阻力損失較大，導(dǎo)致5區(qū)用戶支路的實際流量相對偏小，水力失調(diào)度為0.89～0.92，但此時用戶區(qū)各支路流量能達到90%左右，且流量分配較均勻，仍可滿足該區(qū)水流量的需求。

上述結(jié)果表明，當(dāng)艦船的其他分區(qū)水泵支路存在突發(fā)故障時，備用泵支路能對該區(qū)進行備用供水，以滿足其用水需求，且不存在水力失調(diào)現(xiàn)象，能滿足工程要求。

本文用試驗流量與設(shè)計流量之比以及支路流量最大不平衡率表征單泵、多泵向全艦各用戶區(qū)供水時的流量分配特性。其中，流量最大不平衡率的計算公式如下：

流量最大不平衡率=（試驗流量與設(shè)計流量比值的最大值-試驗流量與設(shè)計流量比值的最小值）/試驗流量與設(shè)計流量比值的最大值×100%

表4所示為單泵向全艦各用戶區(qū)供水時各區(qū)用戶的流量分配值。表中I～XI運行工況分別表示為：1區(qū)泵向全艦供水；2區(qū)泵向全艦供水；3區(qū)（備用）泵向全艦供水；4區(qū)泵向全艦供水；5區(qū)泵向全艦供水；6區(qū)泵向全艦供水。各區(qū)用戶的設(shè)計流量為33.30 m3/h。I～XI運行工況下的流量最大不平衡率分別為45.8%，40.1%，40.4%，42.6%，43.0%，40.9%。由試驗結(jié)果可知，各用戶區(qū)的試驗流量僅達到設(shè)計流量的20.0%～37.1%，各區(qū)用戶流量最大不平衡率均大于40%，存在明顯的水力失調(diào)現(xiàn)象。

對于多泵聯(lián)合運行向全艦各用戶區(qū)供水的工況，因水泵存在多種組合方式，故多泵聯(lián)合供水有多種不同的運行工況。試驗時，依次對雙泵、三泵以及四泵向全艦供水的所有運行工況進行試驗。由試驗結(jié)果可知，各運行工況下各區(qū)用戶的流量最大不平衡率分別為13.9%～42.6%，6.4%～31.5%，6.1%～26.3%。根據(jù)用戶的流量最大不平衡率可知，流量不平衡率最小的工況可以認為是多泵聯(lián)合運行向全艦供水的最優(yōu)工況。

表5所示為多泵聯(lián)合運行向全艦各用戶區(qū)供水時最優(yōu)工況的試驗結(jié)果。表中I～III運行工況分別表示為：雙泵（1，4區(qū)泵）向全艦供水；三泵（1，2，5區(qū)泵）向全艦供水；四泵（1，2，5，6區(qū)泵）向全艦供水。各區(qū)用戶的設(shè)計流量為33.30 m3/h。I～III運行工況下的流量最大不平衡率分別為13.9%，6.4%，6.1%。

雙泵最優(yōu)工況為1區(qū)泵與4區(qū)泵向全艦供水的工況，該工況下用戶試驗流量達到設(shè)計流量的46.7%～51.8%，可滿足系統(tǒng)50%負荷時的水量需求，區(qū)間流量最大不平衡率為13.9%，流量分配不均勻程度較?。蝗米顑?yōu)工況為1，2，5區(qū)泵向全艦供水的工況，該工況下用戶試驗流量達到設(shè)計流量的70.5%～75.3%，滿足系統(tǒng)部分負荷（如70%）時的水量需求，區(qū)間流量最大不平衡率僅為6.4%，無水力失調(diào)現(xiàn)象；四泵最優(yōu)工況為1，2，5，6區(qū)泵向全艦供水的工況，該工況下用戶試驗流量達到設(shè)計流量的84.2%～89.6%，可滿足系統(tǒng)80%負荷下的水量需求，區(qū)間流量最大不平衡率為6.1%，流量分配較均勻，無水力失調(diào)現(xiàn)象，滿足工程設(shè)計要求。

上述試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)采用單泵向全艦各用戶區(qū)供水運行時，艦船用戶流量分配不均，存在明顯的水力失調(diào)現(xiàn)象；雙泵、三泵、四泵聯(lián)合供水運行模式下的最優(yōu)工況均能滿足艦船不同負荷時的水量需求，且不存在水力失調(diào)現(xiàn)象。

5 結(jié) 語

本文研究了艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)的運行特性，利用縮比原理搭建了該系統(tǒng)的試驗平臺。通過試驗研究了備用泵供水工況、單泵向全艦供水工況、多泵聯(lián)合向全艦供水運行工況下各用戶區(qū)支路的流量分配特性，進一步分析了系統(tǒng)多種運行工況的可行性。試驗結(jié)果表明：

1）當(dāng)艦船其他分區(qū)水泵支路存在突發(fā)故障時，備用泵支路能對該用戶區(qū)進行備用供水，用戶區(qū)支路的試驗流量基本達到設(shè)計流量，其水力失調(diào)度為0.89～1.02，不存在水力失調(diào)現(xiàn)象，能滿足用水需求和工程要求。

2）單泵向全艦供水時，各用戶區(qū)的試驗流量僅達到設(shè)計流量的20.0%～37.1%，各用戶區(qū)流量最大平衡率均大于40%，存在明顯的水力失調(diào)現(xiàn)象。

3）雙泵、三泵、四泵聯(lián)合供水模式下的最優(yōu)運行工況分別能滿足50%，70%，80%不同負荷時的水量需求，用戶區(qū)之間的流量最大不平衡率小于15%，能滿足工程要求。

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Experimental study on operating modes of refrigerant water loop system of large ships

JIN Zhengtao
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

U664.86

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.05.015

2017-02-13< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間：

時間：2017-9-26 10:29

金正濤（通信作者），男，1979年生，碩士，高級工程師。研究方向：船舶系統(tǒng)。E-mail：81562849@qq.com

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170926.1029.008.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

金正濤.大型艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)運行模式試驗研究［J］.中國艦船研究，2017，12（5）：120-125.

JIN Z T.Experimental study on operating modes of refrigerant water loop system of large ships［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（5）：120-125.