區(qū)域冷卻系統(tǒng)流量平衡技術

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

現(xiàn)代船舶的海水冷卻系統(tǒng)向集成化、區(qū)域化供給方式轉變[1],在船舶設計過程中統(tǒng)籌規(guī)劃全船冷卻資源供給，采用區(qū)域冷卻系統(tǒng)型式，對全船冷卻水統(tǒng)一供給、集中監(jiān)控成為新的趨勢。將全船海水冷卻系統(tǒng)分為多個區(qū)域，對區(qū)域內(nèi)設備進行統(tǒng)一供給，可提高全船冷卻水集中調(diào)配能力，解決各個設備與系統(tǒng)間的冷卻水集中供給和備用問題，提高系統(tǒng)集成化程度，實現(xiàn)冷卻資源的綜合利用[2]。在實際的冷卻水區(qū)域化和集成化供給時，由于受到設計、施工、用戶數(shù)量變化、末端用戶位置差異等因素的影響，冷卻水管網(wǎng)容易出現(xiàn)水力失調(diào)的現(xiàn)象[3]。水力失調(diào)會造成管路流量不足，設備因冷卻不良產(chǎn)生故障；或管路流量偏大，管內(nèi)海水流速高，管路、設備腐蝕加快等問題，影響船上設備的正常使用。目前冷卻水系統(tǒng)在流量平衡控制方面，主要是采用手動調(diào)整截止閥、球閥、閘閥等閥門開度、設置節(jié)流孔板等方式進行靜態(tài)水力平衡控制[4]，由于沒有開度指示、系統(tǒng)調(diào)試復雜、使用過程中調(diào)整困難，水力失調(diào)現(xiàn)象時有發(fā)生；在動態(tài)水力失調(diào)控制方面，常采用壓差控制閥等進行動態(tài)水力平衡控制，但都是被動控制措施，很少采取主動控制措施[5]。為此,考慮對區(qū)域冷卻系統(tǒng)采用流量平衡技術，針對某船提出了一種區(qū)域冷卻系統(tǒng)流量平衡方案。對系統(tǒng)的靜態(tài)流量平衡和動態(tài)流量平衡均采取控制措施。

1 區(qū)域冷卻系統(tǒng)流量平衡技術

1.1 水力失調(diào)

水力失調(diào)以實際流量與設計流量的比值，即水力失調(diào)度來進行衡量。

Xi=Qsi/Qgi

(1)

式中：Xi為被平衡管段水力失調(diào)度；Qsi為被衡量管段的實際流量；Qgi為被衡量管段的設計流量。若Xi=1，該管段處于穩(wěn)定工況；當Xi與1相差越大時，表明該管段的水力失調(diào)越嚴重。

水力失調(diào)又分為靜態(tài)失調(diào)和動態(tài)失調(diào)。

1.1.1 靜態(tài)水力失調(diào)

用戶在系統(tǒng)設計狀態(tài)下所獲得的流量與設備設計流量不符，稱為靜態(tài)水力失調(diào)，是穩(wěn)態(tài)的，根本性的。靜態(tài)水力失調(diào)不加以解決將始終存在，這一問題產(chǎn)生的主要原因是系統(tǒng)在設計和施工過程中管路的阻力特性與系統(tǒng)設計時的管道阻力特性不一致造成的。

1.1.2 動態(tài)水力失調(diào)

動態(tài)水力失調(diào)是由于用戶對流量進行調(diào)節(jié)而引起系統(tǒng)的阻力分布變化，并導致系統(tǒng)中其他用戶流量發(fā)生變化而造成的失調(diào)現(xiàn)象。這種失調(diào)是變化的、動態(tài)的。動態(tài)失調(diào)造成水流量不受控，系統(tǒng)越大，動態(tài)失調(diào)所造成的影響越嚴重[6]。

對于區(qū)域冷卻系統(tǒng)，既存在靜態(tài)水力失調(diào)，又存在動態(tài)水力失調(diào)，需要在系統(tǒng)設計和調(diào)試過程中解決靜態(tài)水力失調(diào)的問題，在系統(tǒng)運行過程中解決動態(tài)水力失調(diào)問題。因此，區(qū)域冷卻系統(tǒng)應同時具有靜態(tài)和動態(tài)流量平衡能力。

1.2 靜態(tài)流量平衡技術

為解決靜態(tài)水力失調(diào)，需在每個支管設置靜態(tài)流量平衡設備，如截止閥、球閥、閘閥、節(jié)流孔板、靜態(tài)平衡閥等，這些設備經(jīng)過調(diào)整調(diào)試后可以有效控制系統(tǒng)設計工況下的水力失調(diào)。

在靜態(tài)流量平衡設備中，截止閥、球閥、閘閥等屬于快開屬性，手動調(diào)節(jié)不便；節(jié)流孔板存在調(diào)試復雜的問題；靜態(tài)平衡閥由于具有流量與開度成等百分比關系、開度指示精確、設有開度鎖定裝置、便于調(diào)試等優(yōu)點[7-8]，近年來在陸用暖通行業(yè)被廣泛應用，船上區(qū)域冷卻系統(tǒng)為便于操作調(diào)試，可以借鑒使用靜態(tài)平衡閥。

1.3 動態(tài)流量平衡技術

區(qū)域冷卻系統(tǒng)運行過程中，除存在所有用戶同時工作的狀態(tài)外，也存在部分用戶停用、管路泄漏或堵塞等造成動態(tài)水力失調(diào)的情況，為對支路上的流量進行動態(tài)調(diào)節(jié)，使流量重新穩(wěn)定并滿足流量平衡控制要求，需在每個支路上設置動態(tài)流量平衡閥。動態(tài)流量平衡閥分為固定流量型和電動調(diào)節(jié)型動態(tài)流量平衡閥(本文中簡稱電動調(diào)節(jié)閥)，固定流量型流量平衡閥，如壓差控制閥，在壓差變化時通過閥門自身調(diào)整閥門開度可以保持流量不變，屬于被動控制；電動調(diào)節(jié)閥通過開度調(diào)整可以調(diào)整管路流量，屬于主動控制；兩者均可用作動態(tài)流量平衡控制，在需要對管路流量進行精確的閉環(huán)控制時需采用電動調(diào)節(jié)閥。

1.4 流量平衡控制策略

為實現(xiàn)對管路流量的精確控制，需在區(qū)域冷卻支路上設置流量計，對流量進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)流量的閉環(huán)控制。當采集到的流量值與監(jiān)控箱上設定的流量值偏差超出一定范圍時，監(jiān)控箱輸出電動閥控制信號至各電動閥執(zhí)行機構，對其開度進行調(diào)節(jié)，直至流量偏差恢復正常。為保證設備有足夠的冷卻水，防止缺水情況發(fā)生，支路水力失調(diào)度控制在1.0～1.1范圍內(nèi)視為合格。為防止系統(tǒng)流量過大，管路流速高造成管路腐蝕，設有旁通管路，并設有電動調(diào)節(jié)閥，通過其開度調(diào)整將多余的海水排舷外。Xi≤0.85或Xi≥1.2時，發(fā)出報警，提醒人員進行排查。支管流量平衡控制流程見圖1。

圖1 支管流量平衡控制流程

2 某船區(qū)域冷卻系統(tǒng)方案

某船全船主要機械設備均采用海水進行冷卻，其中主機、柴油發(fā)電機組設有獨立的海水冷卻系統(tǒng)，齒輪箱、調(diào)距槳及軸系設備由于其使用時機的一致性也單獨設置海水冷卻系統(tǒng)，其余如大氣冷凝器、水冷機柜、單元式空調(diào)、制氮裝置、空壓機、舵機、減搖鰭、各種液壓泵站及雷達等設備的冷卻水由全船統(tǒng)一供給。為提高冷卻設備的使用率，簡化系統(tǒng)設備配置，減少空間和重量，將這些設備按照其所處的艙室及位置，沿船長方向根據(jù)防火區(qū)的劃分，將全船需要統(tǒng)一提供海水冷卻的設備劃分為若干個冷卻區(qū)域，每個區(qū)域為一獨立的區(qū)域冷卻系統(tǒng)。

根據(jù)區(qū)域內(nèi)設備冷卻水用量，配置區(qū)域海水冷卻泵，流量在區(qū)域內(nèi)所有設備冷卻水用量的110%～120%之間。根據(jù)設備的布置位置及其海水冷卻需求進行區(qū)域冷卻管網(wǎng)設計，各區(qū)域冷卻系統(tǒng)互相獨立，每臺區(qū)域冷卻水泵由消防總管內(nèi)的消防水減壓后作為備用。由于每個區(qū)域內(nèi)的設備使用時機不同，存在不同使用工況，因此區(qū)域冷卻系統(tǒng)是變流量系統(tǒng)。

流量平衡控制方面，為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)的穩(wěn)定時間，同時也為了方便系統(tǒng)控制，靜態(tài)流量平衡采用靜態(tài)平衡閥進行控制，根據(jù)仿真計算結果和現(xiàn)場調(diào)試情況確定靜態(tài)平衡閥的設定開度，然后鎖定。動態(tài)流量平衡采用電動調(diào)節(jié)閥進行控制，每個用戶支路上均安裝有流量計，系統(tǒng)設有控制箱，對各支路的流量進行監(jiān)測，按照前述控制策略對包括旁通管路上動態(tài)平衡閥在內(nèi)的所有電動調(diào)節(jié)閥進行控制，以實現(xiàn)動態(tài)流量平衡，各支路的組件結構見圖2(用戶在出口端)。

圖2 流量調(diào)節(jié)組件結構

為方便操作和控制，初始調(diào)試時，區(qū)域內(nèi)所有用戶均開啟，各用戶支路上的電動調(diào)節(jié)閥均處于全開狀態(tài)，調(diào)整每個用戶支路上的靜態(tài)平衡閥，使所有支路的水力失調(diào)度均控制在1.00～1.03之間，此時旁通管路上的電動調(diào)節(jié)閥及所有靜態(tài)平衡閥的開度即為其初始設定值。

3 區(qū)域冷卻系統(tǒng)仿真計算

3.1 系統(tǒng)仿真建模

各區(qū)域冷卻系統(tǒng)單獨工作，相互之間沒有聯(lián)系。選擇該船的2號區(qū)域冷卻系統(tǒng)進行仿真計算，2號區(qū)域基本情況見圖3。

圖3 2號區(qū)域基本情況

利用PIPENET對圖3所示管網(wǎng)進行建模。為保證模型的準確度與建模的方便性，按照實船用戶、管路和閥附件位置布置進行建模，其中用戶根據(jù)其流道特性以阻尼器等價。區(qū)域冷卻系統(tǒng)模型結構見圖4。

圖4 2號區(qū)域冷卻系統(tǒng)仿真計算模型

3.2 仿真計算內(nèi)容及結果

對系統(tǒng)的管路、閥附件、用戶等計算參數(shù)進行設定，系統(tǒng)的入口以泵的出口為邊界條件，選用泵的額定流量和揚程。系統(tǒng)為開式系統(tǒng)，所有出口與大氣直接連通，壓力邊界條件設置為大氣壓力值。

1)在各用戶均運轉的工況下，對靜態(tài)平衡閥和旁通管路的流量調(diào)節(jié)閥參數(shù)進行調(diào)整，使各用戶的水力失調(diào)度均在1.00～1.03內(nèi)，確定其參數(shù)和開度。其中靜態(tài)平衡閥不同型號具有不同的流量和壓差調(diào)整范圍，其開度和壓差具有對應關系，通過計算可以得出其調(diào)試時的初始設定值；流量調(diào)節(jié)閥可以計算出全開狀態(tài)的進出口壓差值。

2)在部分用戶停止運轉的工況下，其相應的流量調(diào)節(jié)閥關閉，對系統(tǒng)中其他流量調(diào)節(jié)閥進行調(diào)整，找出合適的流量調(diào)節(jié)閥參數(shù)。

3)分析計算結果，找出不合理因素，對管網(wǎng)進行調(diào)整。

經(jīng)過多次計算和管路調(diào)整，系統(tǒng)各用戶同時運轉時，各支路靜態(tài)平衡閥和流量調(diào)節(jié)閥的計算參數(shù)見表1。

表1 靜態(tài)平衡閥和流量調(diào)節(jié)閥參數(shù)

注：此時旁通閥開度為0.21。

此外，還對部分用戶(6個工況)運轉的工況進行了模擬計算，由于篇幅有限，只列出當用戶2、3、8關閉的工況下，各支路流量計算結果見表2。

表2 部分設備運轉時仿真計算結果

注：此時旁通閥開度為0.42，壓差為電動調(diào)節(jié)閥進出口壓差。

仿真計算結果表明，通過對區(qū)域冷卻系統(tǒng)進行建模和仿真計算，可以為系統(tǒng)管子通徑調(diào)整和靜態(tài)平衡閥、電動調(diào)節(jié)閥的參數(shù)確定和初始設定提供依據(jù)。

4 區(qū)域冷卻系統(tǒng)典型管路試驗

4.1 試驗管路及臺架

區(qū)域冷卻系統(tǒng)典型管路試驗在區(qū)域冷卻系統(tǒng)模擬試驗臺上進行，該試驗臺為開式循環(huán)系統(tǒng)。水泵將水從水池中抽上來，經(jīng)進水總管通向5條試驗管路，經(jīng)排水總管后，最后返回蓄水池。5條試驗管路通徑分別為DN25、DN40、DN50、DN65、DN100，依次設有手動球閥、靜態(tài)平衡閥、流量計、電動調(diào)節(jié)閥和模擬用戶(靜態(tài)平衡閥)，進、排水總管通徑均為DN250，并設有單獨的區(qū)域冷卻控制箱。試驗臺構造見圖5，試驗臺實景見圖6。

圖5 區(qū)域冷卻系統(tǒng)試驗臺構造示意

圖6 區(qū)域冷卻系統(tǒng)試驗臺實景

4.2 試驗方法及結果

試驗選取試驗臺上DN25、DN40和DN50 3條典型用戶管路作為試驗對象，3條試驗管路分別布置一組相應規(guī)格的流量調(diào)節(jié)組件，并與控制箱相連。選取DN65管路作為旁通管路，旁通管路上安裝有電動調(diào)節(jié)閥，用于調(diào)節(jié)旁通管路流量。進、排水管路采用臺架進、排水總管，水泵流量為50 m3/h(13.9 L/s)，揚程0.7 MPa。

試驗選取3組不同的管路流量值作為目標流量值，測試流量調(diào)節(jié)閥開度穩(wěn)定后的管路流量，檢驗區(qū)域冷卻控制箱能否將管路流量調(diào)至目標值。

試驗方法如下。

1)在控制箱上將電動流量調(diào)節(jié)閥調(diào)整至全開狀態(tài)，手動調(diào)整靜態(tài)平衡閥至管路最大設定流量時的開度，校核后鎖定。將第一組管路目標流量值填入相應的管路流量設定框內(nèi)。啟動水泵，調(diào)節(jié)水泵出口流量至50 m3/h。

2)在控制箱控制界面上點擊自動運行按鈕，自動控制流量調(diào)節(jié)組件對系統(tǒng)上的電動調(diào)節(jié)閥進行開度調(diào)節(jié)。

3)等待一段時間，待數(shù)顯流量計讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄相應管路的實際流量值(讀取3次求平均值)，轉入下一組試驗。

試驗結果見表3。

表3 試驗數(shù)據(jù)記錄表

由表3可見，流量調(diào)節(jié)誤差在2.5%～5.7%之間，滿足要求，說明采用靜態(tài)平衡閥和流量調(diào)節(jié)閥的流量平衡措施可以滿足區(qū)域冷卻系統(tǒng)的水力失調(diào)控制要求。同時記錄系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間，從給出設定流量到流量穩(wěn)定,時間均在15～30 s之間，說明系統(tǒng)具有較好的動態(tài)調(diào)整性能。

5 結論

船舶區(qū)域冷卻系統(tǒng)是一種新型的冷卻系統(tǒng)，在區(qū)域冷卻系統(tǒng)典型管路試驗中，水利失調(diào)度滿足設計要求。由于試驗費用和場地的限制，試驗中只設置了3條支路，與實船的區(qū)域冷卻管系存在較大差異，系統(tǒng)性能還待實船試驗進一步驗證。