船舶環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)冬季工況運行模擬分析

鄭軍林，嚴(yán) 天，徐新華

(1.海軍裝備部駐武漢地區(qū)第二軍事代表室，湖北 武漢 430000；2.華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

船舶環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)是一種將各區(qū)用戶并入環(huán)網(wǎng)的集成式冷媒水系統(tǒng)，可服務(wù)于全船各個空調(diào)用戶區(qū)以及設(shè)備用戶區(qū)，適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能多樣的現(xiàn)代大型船舶[1]。此類系統(tǒng)包括夏季支路與全年支路。受外界溫度、濕度、日照、季節(jié)等因素以及船舶艙室冷負(fù)荷的影響，船舶空調(diào)用戶區(qū)冷負(fù)荷波動較大[2]，對于一般空調(diào)用戶，通常只需在夏季使用冷媒水對艙室降溫或除濕，擔(dān)負(fù)此功能的管路可稱為夏季支路；在設(shè)備用戶區(qū)的電子設(shè)備，則需全年供冷以進(jìn)行設(shè)備散熱，擔(dān)負(fù)此功能的管路可稱為全年支路。船上的電子設(shè)備因其自身的使用特點隨時改變[3]，所需冷量不恒定，全年支路的水流量也將隨之改變。因此，研究船舶在不同負(fù)荷需求下的環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)運行模式非常重要。

目前，國內(nèi)很多學(xué)者已對管網(wǎng)水系統(tǒng)的水力特性及平衡手段進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4 - 5]研究了空調(diào)水系統(tǒng)的水力失調(diào)現(xiàn)象及原因，并提出了相應(yīng)的平衡措施。文獻(xiàn)[6]對一次泵空調(diào)冷水系統(tǒng)的水力特性與節(jié)能方式進(jìn)行了分析研究。文獻(xiàn)[7]利用圖論原理模擬研究了供熱管網(wǎng)水力平衡特性。文獻(xiàn)[8 - 9]研究了水力平衡閥的特點及其在冷媒水系統(tǒng)中的適用特性。文獻(xiàn)[10]根據(jù)實船特點對同程式冷媒水系統(tǒng)的水力特性進(jìn)行了分析，研究表明在實船上同程式冷媒水系統(tǒng)有較好的水力穩(wěn)定性。

在冬季，船舶夏季支路關(guān)閉，環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)的水量需求減小。為優(yōu)化系統(tǒng)配置、節(jié)省船舶能耗，可通過各區(qū)聯(lián)合供水以實現(xiàn)系統(tǒng)的冬季負(fù)荷需求。船舶冷媒水管網(wǎng)的冬季運行模式根據(jù)全年支路所需流量確定。此外，管網(wǎng)系統(tǒng)各用戶區(qū)布置分散，如進(jìn)行聯(lián)合供水，各分區(qū)之間流量存在耦合關(guān)系，因此，船舶各支路的流量分配、水力特性尚不明確，需開展進(jìn)一步研究。

為解決上述問題，本文根據(jù)船舶環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)冬季運行特點及負(fù)荷（流量）需求，提出單泵及雙泵分別供全船全年用戶支路的冬季運行模式。本文采用Flowmaster軟件建立該環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)的仿真模型，對提出的2種運行模式進(jìn)行模擬仿真。進(jìn)一步地，對2種冬季運行模式下的各支路的流量分配、水力特性等進(jìn)行分析，校驗這2種模式的可行性，為實際船舶環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)在冬季的運行與控制提供參考依據(jù)。

1 船舶環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)及其冬季運行特性

船舶環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)將分散于船舶各區(qū)的用冷用戶通過環(huán)狀干管連接，能適應(yīng)現(xiàn)代船舶的負(fù)荷特性及冷媒水量需求。本文的研究對象是某大型船舶環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)。該系統(tǒng)共有6個用戶區(qū)。一區(qū)、二區(qū)設(shè)在船舶首部，四區(qū)、五區(qū)、六區(qū)用戶設(shè)置在船舶尾部。三區(qū)為備用泵支路，該區(qū)無用戶支路，設(shè)置在船舶中部，用以應(yīng)對船舶用戶區(qū)水管網(wǎng)有突發(fā)故障。每個用戶區(qū)分別設(shè)有分區(qū)水泵支路，對應(yīng)的水泵可編號為B1，B2，B3，B4，B5，B6。系統(tǒng)各用戶區(qū)均含有全年支路與夏季支路，其中，夏季支路為船舶一般空調(diào)用戶，全年支路可為設(shè)備的冷卻與除濕提供冷量。根據(jù)用戶負(fù)荷大小可得各用戶區(qū)的設(shè)計流量均為500 m3/h，船舶冷媒水總設(shè)計流量為2 500 m3/h。全年支路總設(shè)計流量為970.3 m3/h，占全船水系統(tǒng)的總設(shè)計流量的40%左右。實船上各區(qū)全年支路設(shè)計流量及管徑如表1所示。

表1 實際船舶中全年用戶支路設(shè)計流量Tab.1 Annual user branches design flow in the actual ship

船舶在冬季運行時，無需對艙室進(jìn)行空調(diào)制冷，因而可關(guān)閉夏季支路，僅使全年支路運行。因此，在冬季時，船舶水系統(tǒng)中冷媒水量需求將被削減很多，且隨設(shè)備負(fù)荷的變化而改變。因此，在冬季運行時，船舶環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)的運行模式也應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

為研究船舶水系統(tǒng)的冬季運行模式，本文擬研究單泵、雙泵分別向全船全年用戶支路供水2種運行模式。通過模擬仿真，可獲知水系統(tǒng)在2種運行模式下，不同的水泵組合工況對全船全年用戶支路的流量分配與水力特性的影響，進(jìn)而可驗證2種運行模式的可行性。

2 系統(tǒng)模型

在采用Flowmaster仿真軟件對船舶環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)進(jìn)行建模時，系統(tǒng)中的管段、閥門等阻力元件的壓力與流量的關(guān)系滿足基本流體輸配特性[11]，如下式：

其中：ΔP為組件壓降，Pa；ξ為阻力系數(shù)，A為管道截面積，m2；Q為流體流量，m3/s；ρ為流體密度，kg/m3。

水泵運行模型，采用2階曲線擬合，如下式：

其中：H為水泵揚程，a，b，c為系數(shù)；管網(wǎng)特性曲線如下式[12]：

其中P為管網(wǎng)所需壓頭，B為水泵入口靜壓，S為阻抗系數(shù)。水泵運行工況點可根據(jù)水泵模型以及船舶環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)管網(wǎng)阻力確定如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)水泵運行工況點的確定Fig.1 Determination of operating point of system water pump

Flowmaster軟件中包含水泵、水管管路、閥門、附件等相關(guān)部件的組件模型，在系統(tǒng)建模時，根據(jù)實際系統(tǒng)形式調(diào)用相應(yīng)組件，通過節(jié)點連接，模型搭建示意圖如圖2所示。船舶環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)各用戶支路的設(shè)計流量、管徑、布局等與實船保持一致。系統(tǒng)共分6個區(qū)，其中一，二，四，五，六為用戶區(qū)（一，二區(qū)設(shè)在船舶首部，四、五、六區(qū)用戶設(shè)置在船舶尾部），三區(qū)為備用區(qū)（備用泵，設(shè)置在中部）。每個用戶區(qū)有5～7條用戶支路與1條泵支路。以一區(qū)為例，一區(qū)用戶有7個支路Z1～Z7，其中全年支路為支路Z1～Z4，夏季支路為支路Z5～Z7（冬季關(guān)閉）。泵支路ZB在用戶支路Z1與Z2之間，水泵額定流量為630 m3/h，揚程為 0.60 MPa。

圖2 環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of the loop refrigerant water system model

模型的輸入為水泵運行頻率（本文為50 Hz運行）以及各區(qū)支路閥門的開度，輸出為各區(qū)支路的流量。模型內(nèi)各個組件及設(shè)備參數(shù)（水泵的性能曲線、設(shè)備的設(shè)計流量與設(shè)計流量下對應(yīng)的設(shè)備水阻）根據(jù)實際船舶冷媒水系統(tǒng)設(shè)計選取，管道尺寸、水管粗糙度與閥門等參數(shù)與實際船舶保持一致。在此模型中，管路及閥門的阻力特性可利用軟件自帶組件進(jìn)行模擬（輸入管道尺寸、長度、水管粗糙度等參數(shù)），對于末端設(shè)備，其阻力特性采用阻力件（閥門）進(jìn)行模擬，其阻力特性可根據(jù)其設(shè)計參數(shù)利用式（1）進(jìn)行調(diào)試（保證額定流量下的壓力損失與實際設(shè)計水阻一致）。在系統(tǒng)模擬時，水泵入口設(shè)置定壓點，設(shè)定值為10mH2O（保持正壓）以保證系統(tǒng)正常運行。此外，為驗證模型可靠性，進(jìn)一步模擬了設(shè)計工況（船舶按設(shè)計工況，即各支路全開，各區(qū)單泵獨立運行）下的流量分配。以一區(qū)為例，利用該模型模擬一區(qū)獨立運行工況下支路流量，如表2所示。結(jié)果表明，設(shè)計工況下各支路流量與設(shè)計流量的偏差值均小于1%，模型精度滿足工程需求。

表2 各區(qū)獨立運行時一區(qū)用戶支路流量Tab.2 Flow of the first district user when each district operates independently

3 運行模式及工況

根據(jù)船舶冬季運行特性與使用特點，本文通過模擬仿真研究冷媒水系統(tǒng)中單泵、雙泵聯(lián)合向全船各用戶區(qū)的全年支路供水2種模式。單泵供全船冬季運行模式中，共6種運行工況，即使用泵支路B1，B2，B3（備用泵）、B4，B5，B6（系統(tǒng)每個區(qū)都有一條泵支路，即水泵所在的支路，以一區(qū)用戶為例，其水泵支路在支路Z1與支路Z2之間，見圖2）分別向全船各全年用戶支路供水；雙泵供全船冬季運行模式中，共有15種運行工況，即使用雙泵支路組合（含備用泵），B1和B2，B1和B3等組合分別向全船各用戶全年支路供水。上述2種模式包含了備用泵支路供水的工況，可用以模擬應(yīng)對船上其他某區(qū)的泵支路突發(fā)故障的情形。

在模擬平臺上，通過支路隔斷閥關(guān)閉全船的各夏季用戶支路，可使船舶環(huán)狀管網(wǎng)冷媒水系統(tǒng)的冬季運行。通過正確啟停水泵與開關(guān)閥門，對船舶冷媒水系統(tǒng)中單泵、雙泵供水模式下的各工況進(jìn)行模擬分析，從而得到冷媒水環(huán)狀管網(wǎng)系統(tǒng)在冬季運行時，各全年用戶支路的流量分配與水力特性。

值得說明的是，本文研究的環(huán)狀管網(wǎng)含有6個水泵支路，雖可實現(xiàn)三泵、四泵、五泵等組合供全船冬季運行用水模式，但模擬結(jié)果表明這些組合能使船上全年用戶支路的流量與設(shè)計值之比高達(dá)120%以上。因此，文中未給出對此類運行模式的結(jié)果。

4 結(jié)果與分析

針對每一特定工況，本文采用最大流量不平衡率表征船舶環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)在冬季運行時，同一用戶區(qū)各全年用戶支路的流量分配特性。這里，最大流量不平衡率如下：

其中：Xmax為某支路模擬流量與設(shè)計值之比的最大值，Xmin為某支路模擬流量與設(shè)計值之比的最小值。

此外，針對同一運行模式（單泵或雙泵），本文采用在不同工況中得到的某支路的模擬流量最大偏差率，研究船舶環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性。從模擬結(jié)果知，對同一工況，全船各區(qū)的全年用戶支路的水力特性和流量分配趨勢基本一致。因此，后文僅以一區(qū)用戶為例進(jìn)行。

表3為單泵供全船冬季運行時一區(qū)全年用戶支路的流量分配。模擬結(jié)果表明，在單泵模式的各工況下，一區(qū)全年用戶支路流量均能達(dá)到設(shè)計值的66.5%～72.0%；各支路間流量不平衡率小于1%，流量分配均勻，無水力失調(diào)現(xiàn)象。因此，單泵供全船模式可滿足船舶在冬季運行全年用戶支路的部分負(fù)荷需求。當(dāng)單泵（B1～B6）分別供全船冬季運行時，其支路流量的最大偏差為7.27%～7.41%，全年支路的流量分配與特性基本一致。結(jié)果進(jìn)一步表明了環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)單泵供全船冬季運行時，各支路流量與設(shè)計值偏差小于15%，流量分配滿足工況運行需求，水力穩(wěn)定性較好[11]。

此外，由模擬結(jié)果知，單泵模式下，每一工況均表現(xiàn)為最靠近對應(yīng)運行泵支路的用戶區(qū)支路流量最大。主要原因是，越靠近泵支路，干管阻力越小，流量因而越大。

表3 單泵供全船冬季運行時一區(qū)用戶全年支路流量分配Tab.3 Flow of the first district user when a single pump operated for the whole ship users in winter

表4為雙泵組合供全船冬季運行時一區(qū)全年用戶支路的流量分配。結(jié)果表明：在雙泵供全船冬季運行模式的各工況下，一區(qū)全年用戶支路能達(dá)到設(shè)計值的97.5%～102.3%，這說明任意雙泵組合均能滿足供全船冬季運行時全年用戶支路滿負(fù)荷運行；同時，同一工況中，一區(qū)各支路最大流量不平衡率小于0.5%，因此，雙泵組合能使全船各全年用戶支路的流量分配均勻，無水力失調(diào)現(xiàn)象。此外，針對雙泵供水模式，不同工況（雙泵組合）對應(yīng)得到的一區(qū)各全年用戶支路流量分配基本一致，其支路流量最大偏差均小于5%；相比于單泵模式，雙泵聯(lián)合能使環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)水力穩(wěn)定性更高。

表2和表3表明備用泵支路參與的組合，也能使船舶在冬季運行時的全年用戶支路流量分別達(dá)到設(shè)計值的70%（單泵模式）和100%（雙泵模式）。這表明，備用泵支路與其他區(qū)的泵支路功能相同，具有可替換性。因此，采用備用泵支路參與的組合能應(yīng)對船舶在冬季運行時，某用戶區(qū)水泵支路存在突發(fā)故障的情形。

上述結(jié)果表明，船舶環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)中采用單泵、雙泵聯(lián)合向全船上的全年用戶支路供水時，能分別滿足船舶在冬季工況的部分負(fù)荷（70%）需求和滿負(fù)荷（100%）需求，水力穩(wěn)定性較好，且能達(dá)到水力平衡。

表4 雙泵（含備用泵）供全船冬季運行時一區(qū)用戶全年支路流量分配Tab.4 Flow of the first district user when two pumps operated for the whole ship users in winter

5 結(jié) 語

本文通過模擬仿真研究冷媒水系統(tǒng)中單泵、雙泵聯(lián)合向全船冬季運行時的全年用戶支路供水兩種模式。隨后，本文分析單泵、雙泵模式下多種工況中的用戶全年支路的流量分配、水力特性與穩(wěn)定性。結(jié)果表明：

1）采用任意單泵向全船上的全年用戶支路供水時，能滿足船舶在冬季工況的部分負(fù)荷（70%）需求，且支路最大不平衡率小于0.5%；而采用不同水泵供水時，同一支路流量最大偏差均小于8%，水力穩(wěn)定性好；

2）采用任意雙泵組合向全船上的全年用戶支路供水時，能滿足船舶在冬季工況的滿負(fù)荷（100%）需求，且支路最大不平衡率小于0.5%；而采用不同水泵組合供水時，同一支路流量最大偏差均小于5%，可滿足工程需求；

3）備用泵支路與其他區(qū)的泵支路的功能相同，具有可替換性。某用戶區(qū)水泵支路存在突發(fā)故障時，備用泵支路可參與水泵運行滿足船舶冬季運行工況需求。