運(yùn)用PIPENET軟件優(yōu)化復(fù)雜中央淡水冷卻系統(tǒng)

王樹山，都基旭，余 婭

（大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司建造的 MC-CLASS極地模塊運(yùn)輸船的冷卻水系統(tǒng)用戶較多，管路布置復(fù)雜，且分為船首、船尾兩部分低溫淡水冷卻系統(tǒng)[1]，如圖1所示。其中艏部淡水冷卻水系統(tǒng)主要設(shè)備包括：3臺(tái)中央淡水冷卻器、2臺(tái)低溫淡水泵、4臺(tái)主發(fā)電機(jī)組、港泊發(fā)電機(jī)組、側(cè)推電機(jī)、側(cè)推變頻器、側(cè)推變壓器、MGO冷卻器和其他設(shè)備。艉部淡水冷卻水系統(tǒng)主要設(shè)備包括：3臺(tái)中央淡水冷卻器、2臺(tái)低溫淡水泵、艉側(cè)推電機(jī)、艉側(cè)推變頻器、艉側(cè)推變壓器、2臺(tái)主推進(jìn)電機(jī)、主推進(jìn)變壓器、主推進(jìn)變頻器、變距槳液壓泵站、中間軸承、齒輪箱和其他設(shè)備。

為了檢驗(yàn)冷卻水系統(tǒng)是否滿足各用戶使用要求，提供足夠流量的冷卻水，為各設(shè)備用戶進(jìn)行熱交換；為了更合理地分配冷卻水流量，節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試施工工期[1]，以艏部系統(tǒng)為例，采用PIPENET軟件[2]對(duì)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行分析并優(yōu)化設(shè)定各設(shè)備冷卻水流量。

圖1 船舶淡水冷卻系統(tǒng)的管網(wǎng)模型

1 應(yīng)用軟件優(yōu)化艏部冷卻水系統(tǒng)流量

1.1 PIPENET軟件介紹

PIPENET軟件起源于二十世紀(jì)七十年代的劍橋大學(xué)，總部設(shè)在英國劍橋，并在全球多個(gè)國家和地區(qū)設(shè)有分支機(jī)構(gòu)，已為全球工業(yè)服務(wù) 40年。PIPENET軟件包含3個(gè)主要模塊[2]。

1）標(biāo)準(zhǔn)模塊

該模塊擁有廣泛的工業(yè)用途，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工況下流體（液體、氣體、蒸汽）的水力計(jì)算。包括：系統(tǒng)的流場(chǎng)分布和阻力的計(jì)算、管道（或風(fēng)道）和設(shè)備（泵、閥門、孔板等等）的選型和優(yōu)化、異常工況（管道堵、漏和破裂）的模擬等。

2）消防模塊

該模塊是目前國際工程界獨(dú)一無二的專業(yè)消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，符合美國消防協(xié)會(huì)（NFPA）、英國消防協(xié)會(huì)（FOC）以及國標(biāo)（GB）等消防規(guī)范對(duì)消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各種強(qiáng)制性計(jì)算要求?？蓾M足艦船、海洋平臺(tái)、石油、化工和電站等行業(yè)對(duì)消防系統(tǒng)的嚴(yán)格且特殊的設(shè)計(jì)要求。

3）瞬態(tài)模塊

該模塊模擬由于設(shè)備啟停、閥門操作等因素造成的管網(wǎng)內(nèi)流場(chǎng)的變化；計(jì)算系統(tǒng)壓力及流量波動(dòng)，分析水擊或汽錘，驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)工況的響應(yīng)性；檢驗(yàn)控制系統(tǒng)在瞬態(tài)情況下是否會(huì)控制失效，最終達(dá)到快速、準(zhǔn)確、高效和安全的建設(shè)目標(biāo)。

PIPENET軟件具有高效、簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確的管網(wǎng)系統(tǒng)計(jì)算工具，管網(wǎng)水力計(jì)算、樹狀管網(wǎng)與環(huán)狀管網(wǎng)計(jì)算、多水源系統(tǒng)模擬等；流體包括液體、氣體及蒸汽等?；竞w所有類型管網(wǎng)。

本文采用 PIPENET軟件的標(biāo)準(zhǔn)模塊，對(duì)冷卻水系統(tǒng)流量分配進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)節(jié)使冷卻水系統(tǒng)達(dá)到平衡，并優(yōu)化各冷卻水用戶的流量，提高整個(gè)冷卻時(shí)系統(tǒng)工作效率。

1.2 艏部冷卻水系統(tǒng)流量?jī)?yōu)化分配

艏部有1臺(tái)淡水離心泵只提供MGO CHILLER、主發(fā)電機(jī)和空調(diào)等系統(tǒng)的換熱，主發(fā)電機(jī)組的柴油機(jī)的換熱由其自身機(jī)帶泵提供動(dòng)力循環(huán)，其中還涉及到了高低溫水混流的情況[3]。根據(jù)實(shí)際管路布置走向，在PIPENET軟件中構(gòu)建管網(wǎng)模型（圖1），再簡(jiǎn)化為管線圖，如圖2所示。

圖2 艏部冷卻水系統(tǒng)管線圖

將整個(gè)冷卻水系統(tǒng)建模后，需設(shè)置邊界條件，加入泵的性能曲線。此系統(tǒng)中，可以看作5個(gè)泵并聯(lián)，均從板冷出口進(jìn)行出水，需要有5個(gè)出入口，如圖3所示。

根據(jù)以上條件運(yùn)行整個(gè)系統(tǒng)，得出初步分析結(jié)論，可以發(fā)現(xiàn)流量、溫度不平均的設(shè)備，以及發(fā)現(xiàn)超出循環(huán)泵工作范圍的不正常工作點(diǎn)。再根據(jù)設(shè)計(jì)需求，調(diào)節(jié)流量偏大的設(shè)備，其中，甲板機(jī)械液壓動(dòng)力單元（HPU）處于18 m高的位置，且管徑較細(xì)，容易產(chǎn)生壓力不足和流量不夠的現(xiàn)象，需要關(guān)注調(diào)節(jié)此處的壓力與流量，保證各實(shí)際工況下均能正常工作。

圖3 泵性能曲線

2 實(shí)船測(cè)量

根據(jù)以上 PIPENET軟件模擬結(jié)果，在試航期間對(duì)相應(yīng)管路進(jìn)行流量測(cè)量[3]。采用超聲波流量計(jì)，如圖4所示。由測(cè)量裝置和連接到測(cè)量裝置上的顯示裝置組成，可以實(shí)時(shí)測(cè)出管路中流體的實(shí)際流量。

圖4 對(duì)相應(yīng)管路進(jìn)行流量測(cè)量

測(cè)量結(jié)果見表1。

切換到各個(gè)點(diǎn)壓力界面，驗(yàn)證設(shè)備的進(jìn)出口壓力，發(fā)現(xiàn)HPU甲板機(jī)械的進(jìn)口壓力為0.081 1 MPa，出口壓力為0.040 5 MPa，并沒有產(chǎn)生壓力不夠的現(xiàn)象。工作中的5個(gè)泵工作點(diǎn)位置如圖5所示，對(duì)于第1個(gè)離心泵廠家給出的泵的工作點(diǎn)應(yīng)當(dāng)為700 m3/h，0.3 MPa，實(shí)際調(diào)整后為687.57 m3/h，0.297 MPa。

表1 冷卻水用戶流量分配

3 結(jié)論

通過 PIPENET軟件模擬冷卻水系統(tǒng)工況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)達(dá)到所有用戶的換熱量與流量時(shí)，單臺(tái)板冷換熱量為5 750 kW，實(shí)際訂貨的板冷為8 200 kW。因此，板冷滿足要求，并且保證設(shè)計(jì)要求余量。各個(gè)用戶的要求流量與實(shí)際調(diào)節(jié)流量（表1）。在所有閥門全開的狀態(tài)用戶流量均偏大，可以從表1中看出需要重點(diǎn)調(diào)節(jié)的設(shè)備有包括：主發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)、空調(diào)部分、MGO CHILLER、推進(jìn)器變頻器等。同時(shí)，給出節(jié)流孔孔板或閥門開度的指導(dǎo)。

圖5 5個(gè)工作泵的實(shí)際工作點(diǎn)

通過以上結(jié)論，運(yùn)用 PIPENET軟件模擬分析管路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)如下功能：校核管徑選擇是合理的；校核系統(tǒng)達(dá)到熱平衡計(jì)算結(jié)果，滿足各個(gè)用戶的換熱量；預(yù)測(cè)在冷卻水運(yùn)行過程中達(dá)到平衡時(shí)閥門的調(diào)節(jié)狀態(tài)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工調(diào)試，切實(shí)減少施工工時(shí)；校核板冷的選擇滿足整體換熱量要求；找出各個(gè)泵的實(shí)際工作工況點(diǎn)，有利于對(duì)泵工作狀態(tài)的調(diào)整；預(yù)測(cè)檢驗(yàn)各個(gè)工況下可以滿足各設(shè)備正常運(yùn)行所需的換熱量。通過實(shí)船對(duì)部分管路進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證軟件計(jì)算結(jié)果較為可靠。