大型艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)運行模擬分析與試驗

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(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)

隨著艦船的現(xiàn)代化與多功能化，艦船各個用戶區(qū)均需要冷媒水以實現(xiàn)用戶的降溫與除濕。傳統(tǒng)艦船冷媒水系統(tǒng)各區(qū)獨立，用戶區(qū)之間無法實現(xiàn)冷量共享，艦船資源配置增加。此外，由于艦船使用時間、地點的不同，各用戶區(qū)負荷需求會發(fā)生明顯的變化，在艦船部分負荷運行時，冷媒水系統(tǒng)獨立運行會導(dǎo)致用戶冷量供應(yīng)過大，溫度過低，達不到用戶區(qū)域環(huán)境溫度的要求，并會造成艦船資源的極大浪費，因此，采用環(huán)狀干管將各區(qū)冷媒水系統(tǒng)連接起來，組成艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)艦船滿負荷下的獨立運行工況以及部分負荷下的聯(lián)合供水運行工況，在滿足用戶不同負荷下水量需求的同時，節(jié)省系統(tǒng)的資源浪費。

在實際工程中，流體輸配系統(tǒng)的水力失調(diào)會嚴重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，特別是供熱空調(diào)系統(tǒng)中，流量的變化必然使其負擔(dān)輸配的冷熱量改變，導(dǎo)致失調(diào)[1]。冷媒水系統(tǒng)水力失調(diào)的原因有很多，文獻[2-3]分析了空調(diào)水系統(tǒng)中出現(xiàn)水力失調(diào)現(xiàn)象的原因，并對水力失調(diào)進行了分類。文獻[4]通過模擬仿真的方式對影響冷媒水系統(tǒng)流量失衡的主要因素進行了研究。目前，有不少學(xué)者對流體管網(wǎng)系統(tǒng)的水力平衡措施進行了研究[5-7]，文獻[8]對動態(tài)流量平衡閥的運行特性進行了試驗分析，并驗證了動態(tài)流量平衡閥對管網(wǎng)流量的控制效果。

艦船環(huán)狀管網(wǎng)系統(tǒng)利用環(huán)狀供回干管代替分集水器減少因遠程輸送形成的壓力損失，能夠有效地提高系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性[9]。當(dāng)艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)各區(qū)聯(lián)合供水時，用戶之間的流量會相互影響，且為適應(yīng)艦船不同的負荷需求，艦船冷媒水系統(tǒng)的運行模式會隨之調(diào)整，其水力特性更加復(fù)雜。

為進一步分析艦船冷媒水系統(tǒng)在不同運行模式下的用戶的流量分配特性，文中建立艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)的模擬仿真模式與試驗平臺，對系統(tǒng)不同負荷需求下多種工況進行了模擬分析與試驗研究，進而獲得系統(tǒng)不同運行模式下管網(wǎng)的流量分配特性，并通過對比進一步分析實際艦船冷媒水系統(tǒng)的各種運行模式的適用性。

1 艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)及其運行特點

某艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)原理見圖1。系統(tǒng)共有6個區(qū)域，其中一、二區(qū)用戶為艦船艏部用戶，四、五、六區(qū)用戶為艦船艉部用戶，每個用戶區(qū)均設(shè)置有一個泵(冷氣站)支路以及多個用戶支路；三區(qū)為備用區(qū)，設(shè)置在艦船舯部，可通過環(huán)狀管網(wǎng)向各個用戶區(qū)的供水。系統(tǒng)各用戶設(shè)置有全年支路與夏季支路，可適應(yīng)艦船不同季節(jié)的工況運行。用戶區(qū)之間通過環(huán)狀管網(wǎng)相連，通過區(qū)間閥門的開關(guān)切換可實現(xiàn)各用戶區(qū)的獨立運行及聯(lián)合供水。

在進行系統(tǒng)設(shè)計時，支路流量可根據(jù)用戶的實際負荷需求確定，系統(tǒng)用戶總設(shè)計流量為2 500 m3/h，各支路的設(shè)計流量及支路間流量比見表1。泵支路設(shè)置了2臺水泵串聯(lián)運行，以提供系統(tǒng)的循環(huán)動力，用戶水泵揚程為30 m水柱，流量為630 m3/h。艦船在實際運行時，環(huán)狀冷媒水能夠根據(jù)不同季節(jié)特點調(diào)整系統(tǒng)的運行模式：夏季及過渡季運行時，所有用戶支路均開啟，靈活開關(guān)環(huán)網(wǎng)干管上的區(qū)間隔斷閥，實現(xiàn)艦船分區(qū)獨立供水以及全艦用戶聯(lián)合供水等多種運行模式；冬季運行時，關(guān)閉艦船夏季支路，切換區(qū)間閥門實現(xiàn)多用戶區(qū)聯(lián)合供水模式，以滿足支路冬季運行時的水量需求，減少系統(tǒng)的資源浪費。

2 系統(tǒng)仿真模型與試驗平臺

2.1 仿真模型

采用的模擬仿真工具為FlowMaster，該軟件包括管網(wǎng)系統(tǒng)中的閥門、管段、水泵以及末端設(shè)備等多個流體元件，可對流體管路系統(tǒng)進行完整分析，并能對管網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)過程進行模擬[10]。管網(wǎng)系統(tǒng)各部件壓力與流量的關(guān)系滿足流體流動基本阻力方程。

(1)

式中：ΔP為部件壓降，Pa；K為阻力系數(shù)；ρ為流體密度，kg/m3；v為流體流速，m/s。水泵模型可根據(jù)實際水泵參數(shù)進行擬合得到，其具體運行參數(shù)可由水泵特性曲線與管網(wǎng)阻力特性共同確定。

根據(jù)實際艦船冷媒水系統(tǒng)各管段的管徑、長度、三通及彎頭數(shù)量等參數(shù)建立了該系統(tǒng)的仿真模型，進而實現(xiàn)系統(tǒng)多種運行工況的模擬分析。圖2為一區(qū)用戶系統(tǒng)的系統(tǒng)模型，由7個用戶支路Z1～Z7和1個泵支路ZB組成。其中用戶支路Z1～Z4為全年支路，支路Z1～Z5為夏季支路，泵支路設(shè)置有2臺水泵串聯(lián)以提供用戶支路的水量輸送，用戶支路的管徑與實船保持一致，各支路設(shè)計流量如表1所示，末端簡化為一個阻力元件，以實現(xiàn)支路阻力特性的模擬。依次建立各區(qū)用戶管網(wǎng)模型，并通過環(huán)狀供回干管將各用戶區(qū)連接起來，進而完成整個艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)的仿真平臺的搭建。系統(tǒng)各區(qū)之間設(shè)置了隔斷閥模型，通過閥門開關(guān)與水泵啟停指令即可控制系統(tǒng)工況切換，實現(xiàn)冷媒水管網(wǎng)系統(tǒng)的多工況模擬。

圖2 一區(qū)用戶冷媒水系統(tǒng)模型原理

2.2 試驗平臺

為研究艦船冷媒水系統(tǒng)的水力特性，利用縮比原理搭建該系統(tǒng)的試驗平臺，各個用戶區(qū)的布置與實船保持一致，支路阻力特性采用蝶閥模擬，實現(xiàn)平臺的簡化。冷媒水系統(tǒng)泵支路設(shè)置1臺水泵，揚程為55 m水柱，流量為33.3 m3/h。此外，根據(jù)表1中實船各支路之間的設(shè)計流量比計算試驗平臺各支路的設(shè)計流量，并采用經(jīng)濟流速1～3 m/s[11]匹配各支路的管徑，冷媒水系統(tǒng)各支路的設(shè)計流量及管徑見表2。試驗平臺設(shè)置了完整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集不同運行工況時各管段的壓力與流量。

表2 試驗平臺各區(qū)支路設(shè)計流量

根據(jù)實船各管段的阻力損失占揚程比依次調(diào)試試驗平臺各管段的阻力特性，根據(jù)經(jīng)驗可知，額定工況下用戶支路的阻力損失與泵支路的阻力損失約為7∶3。完成系統(tǒng)各管段阻力調(diào)試后，通過切換閥門與啟停水泵以實現(xiàn)多種運行工況的試驗研究。

3 水力特性評價指標(biāo)及工況描述

3.1 水力特性指標(biāo)

采用試驗或模擬流量占支路設(shè)計流量的百分比衡量艦船用戶在不同運行工況下的流量分配，其支路流量不平衡率σ為

(2)

式中：Xmax為流量占比的最大值，Xmin為流量占比的最小值。

分別對艦船冷媒水系統(tǒng)分區(qū)獨立運行工況進行模擬分析與試驗研究，其各用戶支路的流量均基本達到設(shè)計流量，流量最大偏差值小于5%，表明艦船冷媒水系統(tǒng)模擬與試驗平臺上各支路的阻力調(diào)試均已完成，系統(tǒng)各區(qū)獨立運行工況能夠適應(yīng)艦船滿負荷運行，進一步驗證了系統(tǒng)仿真模型與試驗平臺的準(zhǔn)確性。

3.2 系統(tǒng)工況描述

根據(jù)實際艦船冷媒水系統(tǒng)的負荷特性及運行特點，分別采用模擬與試驗兩種方式對系統(tǒng)不同季節(jié)下的聯(lián)合供水工況進行研究，以分析不同運行工況下系統(tǒng)的水力特性，其主要研究內(nèi)容：①夏季夜間及過渡季部分負荷運行工況，即開啟全船所有區(qū)間隔斷閥，分別采用單泵、雙泵、三泵以及四泵向全船各個用戶支路供水，以滿足用戶不同負荷下的水量需求；②全艦聯(lián)合供水冬季運行工況，關(guān)閉全船夏季支路，由于艦船全年支路滿負荷下的設(shè)計流量為總設(shè)計流量的40%左右，根據(jù)艦船冬季運行特點，采用單泵、雙泵向全艦用戶冬季運行，以實現(xiàn)全艦冬季運行時的冷媒水量需求，其中一、二、五區(qū)用戶支路Z5～Z7，四區(qū)用戶支路Z6～Z8，六區(qū)用戶支路Z4～Z5為艦船各區(qū)夏季支路。

4 結(jié)果對比分析

4.1 夏季夜間及過渡季部分負荷運行工況

分別對艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)單泵、雙泵、三泵及四泵向全船供水運行工況進行模擬分析與試驗研究，其中單泵向全船供水時，用戶流量分別能達到設(shè)計流量的20.0%～37.1%，區(qū)間流量不平衡率大于40%，系統(tǒng)出現(xiàn)了明顯的水力失調(diào)現(xiàn)象。雙泵、三泵向全船供水時，其最優(yōu)工況下用戶流量分別能達到設(shè)計流量的50%與70%左右，區(qū)間流量不平衡率小于15%，可滿足艦船用戶不同負荷(50%或70%左右)下的流量需求。表3為四泵供全船運行時的模擬與試驗結(jié)果。從研究結(jié)果可知，冷媒水系統(tǒng)四泵向全船聯(lián)合供水時，艦船各區(qū)用戶模擬流量與試驗流量均能到達設(shè)計流量的80%以上，區(qū)間流量不平衡率分別為2.3%～4.0%與6.1%～14.9%，流量分配均勻性好，可作為艦船部分負荷(80%左右)時的運行模式。研究結(jié)果進一步表明，當(dāng)采用一、二、四、六區(qū)泵與一、二、五、六區(qū)泵聯(lián)合供水時，用戶區(qū)間流量不平衡率均小于10%，流量分配更均勻，系統(tǒng)水力特性更好。

此外，系統(tǒng)模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比可知，艦船冷媒水系統(tǒng)模擬運行時的流量分配比試驗運行時的流量分配更均勻，區(qū)間流量不平衡率更小，這是由于實船冷媒水系統(tǒng)用戶支路的管徑比試驗平臺系統(tǒng)用戶支路的管徑更大，系統(tǒng)四泵聯(lián)合運行時流量更容易平衡，水力特性更好，滿足工程實踐要求。

表3 四泵向全船供水模擬與試驗結(jié)果 %

4.2 冬季全船聯(lián)合供水工況

關(guān)閉全船夏季支路，對單泵及雙泵供全船冬季運行工況進行模擬分析與試驗研究。表4為單泵向全船供水時，各用戶區(qū)全年支路的流量分配。從結(jié)果可以看到，單泵全船冬季運行時，各區(qū)用戶全年支路流量能到達設(shè)計流量的57.5%～71.8%，基本滿足艦船冬季工況下部分負荷(60%左右)下的水量需求，其中四區(qū)泵供全船冬季模擬與試驗運行時系統(tǒng)的區(qū)間流量不平衡率均最小，分別為5.7%與11.1%，用戶流量分配基本平衡，可作為艦船冬季部分負荷運行時的最優(yōu)工況。此外，通過模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比可知，系統(tǒng)試驗運行時流量不平衡率均小于15%，模擬實船運行時系統(tǒng)水力特性更好，表明在實際艦船中，環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)單泵供全船冬季運行時，系統(tǒng)流量更易平衡，水力特性更好。

根據(jù)艦船雙泵供全船冬季運行時的模擬與試驗結(jié)果可知，系統(tǒng)雙泵向全船全年支路供水時，艦船用戶模擬流量與試驗流量可達到設(shè)計流量的95%以上，其區(qū)間模擬流量不平衡率為2.9%～4.6%，試驗流量不平衡率為4.7%～14.9%，表明系統(tǒng)雙泵供全船冬季運行工況能夠很好的滿足艦船冬季的負荷需求，并呈現(xiàn)出了很好的水力平衡特性，可作為艦船冬季運行滿負荷下的運行模式。

表4 單泵供全船冬季運行用戶的流量分配 %

5 結(jié)論

對艦船夏季夜間與過渡季運行工況，系統(tǒng)雙泵、三泵向全船所有用戶供水時，其用戶流量分別能達到設(shè)計流量的50%與70%左右，最優(yōu)工況下區(qū)間流量不平衡率小于10%，可滿足艦船用戶不同負荷(50%或70%左右)下的流量需求。四泵供全船所有用戶運行時，其用戶流量分別為設(shè)計流量的80%以上，其中采用一、二、四、六區(qū)泵與一、二、五、六區(qū)泵聯(lián)合供水時，系統(tǒng)用戶區(qū)間流量不平衡率最小，可作為艦船部分負荷(80%左右)時的運行模式。

艦船冷媒水系統(tǒng)單泵、雙泵供全船全年支路冬季運行時，用戶流量分別到達設(shè)計流量的70%與95%左右，其支路不平衡率均小于15%，滿足艦船冬季滿負荷及部分負荷(70%)條件下用戶的水量需求。

此外，將艦船不同運行工況下的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，系統(tǒng)模擬運行時用戶的流量分配比試驗平衡時用戶的流量分配更均勻，水力特性更好，表明在聯(lián)合供水工況下，由于實際艦船冷媒水系統(tǒng)管徑更大，系統(tǒng)運行時用戶流量更易平衡，其水力特性更好，滿足工程實踐要求。