大型船舶淡水閉式循環(huán)冷卻管網(wǎng)水力平衡的優(yōu)化仿真計算

(中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢 430064)

淡水閉式循環(huán)管網(wǎng)能有效解決冷卻管網(wǎng)腐蝕[1]和海生物污損問題[2]，但是其水力特性計算和水力平衡是管網(wǎng)設(shè)計的重點和難點。而大型船舶淡水閉式循環(huán)冷卻管網(wǎng)冷卻用戶數(shù)量多、布置分散，用戶冷卻水需求跨度大、隨工況波動范圍大、設(shè)備故障頻率高，管網(wǎng)的水力特性更加復(fù)雜。因此，開展系統(tǒng)設(shè)計前的管網(wǎng)水力特性計算。

1 典型管網(wǎng)特點

冷卻水源為1臺淡水循環(huán)泵，水泵的參數(shù)為：流量110 m3/h，揚程65 mH2O。整個系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，冷卻工質(zhì)為水，用戶數(shù)量為12組：設(shè)備1、4、7、9流量需求為8 m3/h，設(shè)備2、3、10、11流量需求為10 m3/h，，設(shè)備5、6流量需求為6 m3/h，設(shè)備8、12流量需求為12 m3/h。系統(tǒng)主管管徑DN125，支管管徑與用戶冷卻水需求量相匹配。

根據(jù)管網(wǎng)設(shè)計要求，分別設(shè)計兩套淡水閉式循環(huán)管網(wǎng)。

1)第一套是12組設(shè)備串聯(lián)在一起，稱之為“串聯(lián)系統(tǒng)”，見圖1。

圖1 典型淡水閉式循環(huán)冷卻串聯(lián)管網(wǎng)原理示意

2)第二套是將設(shè)備4、5、6、7與設(shè)備8、9、10、11、12根據(jù)其位置關(guān)系串聯(lián)再并聯(lián)起來，稱之為“并聯(lián)系統(tǒng)”，見圖2。

圖2 典型淡水閉式循環(huán)冷卻并聯(lián)管網(wǎng)原理示意

采用FLOWMASTER數(shù)值仿真軟件詳細(xì)分析整個冷卻系統(tǒng)中流量的分布[4]，為淡水閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)，完善冷卻管網(wǎng)的設(shè)計。

2 典型串聯(lián)系統(tǒng)水力平衡優(yōu)化

2.1 管路優(yōu)化

采用流量調(diào)節(jié)閥對各設(shè)備冷卻水流量進行調(diào)節(jié)，串聯(lián)管網(wǎng)各設(shè)備流量分配對比見表1。

表1 串聯(lián)管網(wǎng)各設(shè)備流量分配對比

從表1中可見，未設(shè)置調(diào)節(jié)閥時，管網(wǎng)流量分配嚴(yán)重失衡。各設(shè)備流量分配過大，普遍超過所需流量50%以上。冷卻水超流將嚴(yán)重影響各設(shè)備正常工作和降低系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。

通過流量調(diào)節(jié)閥對系統(tǒng)管網(wǎng)進行優(yōu)化，各設(shè)備流量基本維持在需求量附近，相對誤差在2%以內(nèi)。并且各設(shè)備閥門開度都在合理范圍之內(nèi)，主閥門開度為0.20，其余各設(shè)備流量調(diào)節(jié)閥開度在0.25～0.65之間，留有較大余量，這樣便于根據(jù)突發(fā)情況再次調(diào)整閥門，使各設(shè)備安全運行。

2.2 設(shè)備故障響應(yīng)特性

在設(shè)備運行時，可能會遇到單個或者多組設(shè)備發(fā)生故障需要關(guān)閉的情況。

當(dāng)發(fā)生單一設(shè)備故障、多設(shè)備故障時，通過仿真計算串聯(lián)管網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備的流量值，分析串聯(lián)系統(tǒng)管網(wǎng)的設(shè)備故障響應(yīng)特性，檢驗串聯(lián)系管網(wǎng)的可靠性。

從表2可以看出，單一設(shè)備故障模式下，關(guān)閉故障設(shè)備進出口的閥門，系統(tǒng)管網(wǎng)通過流量再平衡的方式，可以實現(xiàn)正常運行。單獨關(guān)閉設(shè)備1、2、3、5、6、7時，對系統(tǒng)整體水力特性影響不是很大。除被關(guān)閉設(shè)備外，系統(tǒng)管網(wǎng)中其他設(shè)備流量變化比例未超過需求值的10%，各設(shè)備可以正常運行。但是，單獨關(guān)閉處于冷卻系統(tǒng)末端的設(shè)備8、9、10、11、12時，都會對這5個設(shè)備中的其他4個產(chǎn)生較大影響，流量值波動超過需求值的10%，影響設(shè)備正常運行。此時需要通過優(yōu)化系統(tǒng)管網(wǎng)中的流量調(diào)節(jié)閥，對系統(tǒng)流量進行重新分配調(diào)節(jié)。

從表3可以看出，多設(shè)備故障模式下，各設(shè)備流量波動較大，嚴(yán)重影響了設(shè)備的正常運行，因此需要對串聯(lián)管網(wǎng)系統(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)節(jié)。系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)節(jié)的手段還是通過調(diào)節(jié)各設(shè)備進出口的流量調(diào)節(jié)閥，使得管網(wǎng)流量重新分配。

表2 串聯(lián)管網(wǎng)單一設(shè)備故障模式下各設(shè)備流量變化比例值對比 %

表3 串聯(lián)管網(wǎng)多設(shè)備故障模式下各設(shè)備流量變化比例值對比表

在串聯(lián)系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化前，當(dāng)設(shè)備1、2同時故障時，管網(wǎng)內(nèi)剩余各設(shè)備流量都發(fā)生了12%以上的波動，且變化幅度幾乎一致。通過調(diào)節(jié)閥門對系統(tǒng)管網(wǎng)進行優(yōu)化后，使剩余各設(shè)備流量恢復(fù)到正常值。通過將調(diào)節(jié)閥門開度增加，各設(shè)備流量值波動處于3%的幅度以內(nèi)。

2.3 典型串聯(lián)管路優(yōu)化結(jié)果

通過數(shù)值仿真優(yōu)化設(shè)計，串聯(lián)系統(tǒng)管網(wǎng)各設(shè)備流量均達到了流量需求值。

通過仿真，還可以編制各種突發(fā)情況處理表，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，只需要按照表格對相關(guān)閥門調(diào)節(jié)。例如，當(dāng)設(shè)備1、2、3、4、5、6、7其中之一發(fā)生故障需要關(guān)閉時，直接關(guān)閉故障設(shè)備閥門即可；但是當(dāng)設(shè)備8、9、10、11、12發(fā)生故障時，必須調(diào)節(jié)相關(guān)閥門；當(dāng)設(shè)備1、2同時發(fā)生故障時，只需要將調(diào)節(jié)閥門開度增加即可保證其他設(shè)備正常運行。

3 典型并聯(lián)系統(tǒng)水力平衡優(yōu)化

3.1 管路優(yōu)化

根據(jù)并聯(lián)管網(wǎng)的特點，設(shè)備1、2、3靠在一起，與泵相鄰，故將其串聯(lián)在主路上，然后分為上下兩個支路，分別供應(yīng)設(shè)備4、5、6、7和設(shè)備8、9、10、11、12。

優(yōu)化設(shè)計后的并聯(lián)系統(tǒng)管網(wǎng)各設(shè)備流量分布見表4。從表4可以看出，對于并聯(lián)系統(tǒng)管網(wǎng)，采用流量調(diào)節(jié)閥對各設(shè)備的流量進行調(diào)節(jié)優(yōu)化后，各設(shè)備的流量基本維持在需求量附近，相對誤差在3%以內(nèi)。并且各設(shè)備閥門開度都在合理范圍之內(nèi)，主控閥門開度為0.2，下支管控制閥門開度為0.26，其余各設(shè)備流量調(diào)節(jié)閥開度在0.25～0.50之間，留有較大余量，這樣便于根據(jù)突發(fā)情況再次調(diào)整閥門，使各設(shè)備安全運行。

表4 并聯(lián)管網(wǎng)優(yōu)化后各設(shè)備流量分配表

3.2 設(shè)備故障響應(yīng)特性

當(dāng)發(fā)生單一設(shè)備故障時，通過仿真計算并聯(lián)管網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備的流量值，分析并聯(lián)系統(tǒng)管網(wǎng)的設(shè)備故障響應(yīng)特性，檢驗并聯(lián)系管網(wǎng)的可靠性。

從表5可以看出，采用并聯(lián)系統(tǒng)管網(wǎng)，當(dāng)發(fā)生單一設(shè)備故障時，會出現(xiàn)部分設(shè)備冷卻水流量大幅降低的情況，影響設(shè)備的正常使用。

當(dāng)只有設(shè)備1、2、3、5、6單獨發(fā)生故障，關(guān)閉設(shè)備供回水閥門時，不影響其他設(shè)備的正常使用，即冷卻水流量變化幅度≤10%。

表5 并聯(lián)管網(wǎng)單一設(shè)備故障模式下各設(shè)備流量變化比例值對比表 %

但是，當(dāng)設(shè)備4、7、8、9單獨發(fā)生故障，關(guān)閉設(shè)備供回水閥門時，會對部分設(shè)備冷卻水流量產(chǎn)生較大的影響，冷卻水流量變化幅度≥10%，需要相應(yīng)調(diào)整這些設(shè)備的流量調(diào)節(jié)閥，對設(shè)備冷卻水流量進行優(yōu)化。

當(dāng)設(shè)備10、11、12單獨發(fā)生故障，關(guān)閉設(shè)備供回水閥門時，對該支路上的設(shè)備會產(chǎn)生較大影響，需要通過在該支管上設(shè)置支管控制閥門來優(yōu)化系統(tǒng)管網(wǎng)流量分配。

仿真結(jié)果說明，并聯(lián)系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)備在此時不具備設(shè)備故障自適應(yīng)的特性。如果要維持整個系統(tǒng)管網(wǎng)流量的合理分配，需要重新調(diào)整相應(yīng)設(shè)備的流量調(diào)節(jié)閥門，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

進一步的仿真表明，當(dāng)設(shè)備11單獨發(fā)生故障，關(guān)閉設(shè)備供回水閥門時，可以通過調(diào)節(jié)支管控制閥門的開度，由原0.26的開度，調(diào)整為0.20的開度來保證系統(tǒng)整體正常運行。

從表6可以看出，在調(diào)整支管控制閥門開度后，整個管網(wǎng)的流量分配更加均衡，各設(shè)備冷卻水流量變化幅度≤10%，能夠正常使用。

3.3 典型并聯(lián)管路優(yōu)化結(jié)果

通過數(shù)值仿真優(yōu)化設(shè)計，并聯(lián)系統(tǒng)管網(wǎng)各設(shè)備流量均達到了流量需求值。

其次，當(dāng)單個或者多個設(shè)備發(fā)生故障時，為保證各設(shè)備的穩(wěn)定運行，系統(tǒng)需要對流量控制閥做出調(diào)整，維持管網(wǎng)流量的合理分配。但是，“并聯(lián)系統(tǒng)”管網(wǎng)具有一定的冗余特性。當(dāng)一條之路上設(shè)備故障時，僅會對該支路上的設(shè)備產(chǎn)生影響，而不會影響到其他支路上的設(shè)備。

表6 關(guān)閉設(shè)備11并優(yōu)化后各設(shè)備流量對比

4 結(jié)論

1)“串聯(lián)系統(tǒng)”和“并聯(lián)系統(tǒng)”的設(shè)計方式，均能使得各設(shè)備流量均達到流量需求值，保證設(shè)備的正常使用。

2)通過在閉式循環(huán)冷卻總管、支管和各設(shè)備進出口設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥，可以有效調(diào)節(jié)系統(tǒng)管網(wǎng)的流量分配，使得管網(wǎng)的水力特性和運行經(jīng)濟性得到提升。

3)優(yōu)化后的管路系統(tǒng)，預(yù)留了足夠的流量控制手段，確保當(dāng)發(fā)生設(shè)備故障時，其他設(shè)備依舊正常運行。

4)當(dāng)發(fā)生單一設(shè)備故障時，“串聯(lián)系統(tǒng)”和“并聯(lián)系統(tǒng)”對比，前者的設(shè)備故障響應(yīng)特性更優(yōu)，對管網(wǎng)內(nèi)剩余設(shè)備的流量值影響較小。

5)綜合而論，采用“串聯(lián)系統(tǒng)”布設(shè)管道相對簡單，管道總長度也較小;而“并聯(lián)系統(tǒng)”具備一定的冗余特性，也就是一條支路主管道故障時，不會影響到太多設(shè)備。