發(fā)動機(jī)研制試驗循環(huán)水系統(tǒng)建設(shè)要素分析

摘要：旨在通過循環(huán)水系統(tǒng)中水量、水壓及水質(zhì)要素對系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)濟(jì)及技術(shù)影響的分析，對優(yōu)化建設(shè)方案，選擇合理的運行模式進(jìn)行分析，用以節(jié)約項目前期建設(shè)投入。通過對相關(guān)研究資料的整理及查閱，結(jié)合自身的經(jīng)驗，首先對用水特點及常見的問題進(jìn)行了簡要的分析，隨后從水量、水壓及水質(zhì)3個建設(shè)要素對發(fā)動機(jī)研制試驗的影響進(jìn)行了分析，由此得出了發(fā)動機(jī)研制試驗基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，需配套建設(shè)循環(huán)水系統(tǒng)。根據(jù)發(fā)動機(jī)研制試驗本身用水特點，節(jié)省系統(tǒng)后期運行維護(hù)成本，減少因水系統(tǒng)運行質(zhì)量造成的試驗故障。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)設(shè)施循環(huán)水建設(shè)要素水量水壓水質(zhì)建設(shè)方案

中圖分類號：TK401

AnalysisoftheConstructionElementsoftheCirculatingWaterSysteminEngineDevelopmentTests

ZHANGQian

AECCHunanAviationPowerplantResearchInstitute，Zhuzhou，HunanProvince，412002China

Abstract：Byanalyzingtheeconomicandtechnologicalimpactsoftheelementsuchaswaterquantity，waterpressureandwaterqualityonsystemconstructioninacirculatingwatersystem，thearticleaimstoanalyzetheoptimizationoftheconstructionplanandtheselectionofareasonableoperatingmode，soastosaveinvestmentintheearlyconstructionoftheproject.Bythecollationandreviewofrelevantresearchdata，combinedwiththeauthor'sownexperience，thisstudyfirstbrieflyanalyzesthecharacteristicsandcommonproblemsofwateruse， thenanalyzestheimpactofthethreeconstructionelementsofwaterquantity，waterpressureandwaterqualityonenginedevelopmenttests，andconcludesthatintheinfrastructureconstructionofenginedevelopmenttests，itisnecessarytobuildthecirculatingwatersystem.Basedonthewatercharacteristicsoftheenginedevelopmenttestitself，theoperationandmaintenancecostsofthissysteminthelaterstagearesaved，andthetestfailurescausedbytheoperationqualityofthewatersystemarereduced.

KeyWords：Infrastructure;CirculatingWater;Constructionelement;Waterquantity;Waterpressure;Waterquality;Constructionscheme

根據(jù)國家建設(shè)資源節(jié)約型社會的要求，在發(fā)動機(jī)研制試驗配套水系統(tǒng)建設(shè)中，應(yīng)充分考慮水資源的利用效率，建設(shè)優(yōu)質(zhì)高效的循環(huán)水系統(tǒng)。循環(huán)水系統(tǒng)一般分為敞開式和封閉式兩大類。封閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)對于較大型循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，冷卻設(shè)備比較龐大復(fù)雜。發(fā)動機(jī)研制試驗區(qū)往往由多個試驗廠房（試車臺）組成，系統(tǒng)較大，用水點多且分散，所以一般采用敞開式循環(huán)水系統(tǒng)。本文針對發(fā)動機(jī)研制試驗對循環(huán)水的需求特性，通過對試驗基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)前期的建設(shè)方案要素進(jìn)行探討，為發(fā)動機(jī)研制試驗設(shè)施建設(shè)中循環(huán)水系統(tǒng)建設(shè)方案選擇提供思路。

1用水特點及常見問題

1.1用水特點

水因具有很好的流動性、穩(wěn)定性及不可壓縮，且比熱容相對較大，在吸收相同的熱量下，變化的溫度相對較小故被廣泛用作設(shè)備冷卻介質(zhì)。在發(fā)動機(jī)研制試驗中，無論是機(jī)械試驗、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗還是整機(jī)試驗，因用水設(shè)備差異性與用水不確定性，有著區(qū)別于其他工業(yè)循環(huán)用水的顯著特點[1]。

1.2常見問題

某航空發(fā)動機(jī)研制試驗基地采用泵直供且采用統(tǒng)一規(guī)格的水泵，小流量試驗時設(shè)備運行損耗大，能源消耗大；某發(fā)動機(jī)試驗區(qū)內(nèi)強(qiáng)度試驗廠房共用給回水管，用水差異較大的試驗設(shè)備，某試車臺在試驗中設(shè)備循環(huán)水進(jìn)水壓力0.43MPa，回水壓力0.42MPa，回水不暢，水溫超高，只能采用直排的方式來降低溫度；某試驗區(qū)域內(nèi)氣源廠房發(fā)現(xiàn)設(shè)備進(jìn)水水壓不足，經(jīng)檢查設(shè)備進(jìn)水的過濾器發(fā)現(xiàn)有泥沙淤積，增大了設(shè)備進(jìn)水的壓力損失[2]。

2循環(huán)水系統(tǒng)建設(shè)的要素及影響

2.1水量

循環(huán)水量直接決定了發(fā)動機(jī)研制試驗基礎(chǔ)設(shè)施中循環(huán)水系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模的大小。在航空發(fā)動機(jī)研制這種非連續(xù)、非同時設(shè)備全開用水的試驗區(qū)建設(shè)過程中，只有合理的循環(huán)水量才能節(jié)約項目投資成本，最大限度地利用水資源，且達(dá)到理想的用水效果[3]。

2.1.1水量的確定

確定系統(tǒng)的循環(huán)水量先需確定單臺設(shè)備的用水需求。一般來說，設(shè)備用水的數(shù)據(jù)廠家會根據(jù)經(jīng)驗值提供，有的需通過水力計算校核，如水力測功器。

以美國康恩公司404-020水力測功器為例，其給出計算公式如下：公式如下：

Qmax=14.33P/（t2-t1）（1）

式（1）中：Qmax為流量，單位為（L/min）；P為吸收功率，單位為kW；t1為進(jìn)水溫度，單位為℃；t2為出水溫度，單位為℃。

根據(jù)測功器給出進(jìn)水溫度限值t1=32℃以內(nèi)，出水溫度上限值t2=70℃，測功器最大吸收功率Pmax=1193kW，即可計算出Qmax=450L/min，從而確定該設(shè)備的循環(huán)水量。

當(dāng)單臺設(shè)備循環(huán)水量確定之后方可計算總循環(huán)水量。某航空發(fā)動機(jī)試驗區(qū)對轉(zhuǎn)槳扇綜合試驗器提供用水量數(shù)據(jù)為40m3/h，而用氣設(shè)備渦槳發(fā)動機(jī)動力渦輪試驗器提供用水量數(shù)據(jù)為1800m3/h，配套氣源設(shè)備中某型壓縮機(jī)用水量為340m3/h。根據(jù)試驗器本身的性質(zhì)決定的用水量的不同，并考慮開車組合及各試車臺同時試車率，可將用水設(shè)備分系統(tǒng)建設(shè)，效率低的循環(huán)水系統(tǒng)。

2.1.2水量對系統(tǒng)建設(shè)的影響

（1）總水量的大小決定了系統(tǒng)水池的大小。

①敞開式循環(huán)冷卻水的系統(tǒng)容積宜小于小時循環(huán)水量的1/3。當(dāng)按下式計算的系統(tǒng)容積超過前述規(guī)定時，應(yīng)調(diào)整水池容積[3]。

V=Vf+Vp+Vt（2）

式（2）中：V為系統(tǒng)容積，單位為m3；Vf為設(shè)備中的水容積，單位為m3；Vp為管道容積，單位為m3；Vt為水池容積，單位為m3。注：考慮今后的發(fā)展，在場地允許的條件下還是要盡量按上限值設(shè)計。

②根據(jù)需求不同，系統(tǒng)會設(shè)計有一個或者多個水池。

（2）循環(huán)水量的變化決定了系統(tǒng)中設(shè)備處理流量的選擇。

冷卻塔處理水量應(yīng)根據(jù)換熱設(shè)備的數(shù)量及工況進(jìn)行選擇。循環(huán)水量的大小決定了選擇冷卻塔與整個試驗區(qū)運行工況進(jìn)行匹配。根據(jù)循環(huán)水量的變化組合使用冷卻塔可以最大程度地利用冷卻塔效率，降低設(shè)備空載率及故障率，達(dá)到節(jié)約投資、減少運行成本、節(jié)省能耗的目的[4]。

水泵的流量選型取決于循環(huán)水量的大小變化。采用泵直供的壓力流為試驗設(shè)備提供循環(huán)冷卻水的系統(tǒng)中，需合理選用水泵運行供水，盡量接近水泵自身特性曲線中的高效率段，冷卻塔與水泵進(jìn)行流量匹配；采用高位水池/水塔重力流供水的系統(tǒng)中，水泵流量選型可在冷卻塔選型確定后與冷卻塔匹配。

（3）設(shè)備用水量的大小決定了循環(huán)水管網(wǎng)管徑。

輸配水管網(wǎng)作為一次性投入的基建項目，其管徑大小取決于輸水量的大小。在管網(wǎng)建設(shè)中，考慮采用經(jīng)濟(jì)流速來平衡投資與運行費用，使管網(wǎng)設(shè)計更加合理[5]。

2.2水壓

發(fā)動機(jī)研制試驗基礎(chǔ)設(shè)施中設(shè)備對循環(huán)水壓力的要求至關(guān)重要，只有根據(jù)設(shè)備對循環(huán)水壓力和精度要求，對進(jìn)行整體分項統(tǒng)籌考慮，才能夠合理建設(shè)試驗區(qū)循環(huán)水系統(tǒng)，減少投資，提高系統(tǒng)運行經(jīng)濟(jì)性[6]。

2.2.1水壓的確定

單臺設(shè)備的進(jìn)口所需壓力值由廠家給定，一般為0.3～0.4MPa。少數(shù)試驗設(shè)備所需水壓達(dá)到4MPa。供水壓力需保持穩(wěn)定，壓力波動值一般為±7kPa。出于流量及壓力的考慮，整個發(fā)動機(jī)研制試驗區(qū)內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)建議分為：一般試驗、供用氣試驗及水力測功3個循環(huán)水系統(tǒng)。少數(shù)需要高壓水的試驗設(shè)備可單獨考慮水池水泵進(jìn)行增壓[7]。

2.2.2水壓對系統(tǒng)建設(shè)的影響

（1）水壓要求決定水池形式與數(shù)量。

在水力測功器循環(huán)水系統(tǒng)建設(shè)中應(yīng)考慮高位水池/水塔或采用可靠性高的穩(wěn)壓供水設(shè)備，保障系統(tǒng)供水的連續(xù)及水壓的穩(wěn)定。由于設(shè)備及試驗狀態(tài)不同，可能導(dǎo)致設(shè)備出水不暢，散熱效果差，應(yīng)適當(dāng)考慮中間水池，讓設(shè)備回水與大氣接通以減小回水阻力。對于高壓用水設(shè)備，需單獨建設(shè)水泵吸水池[8]。

（2）系統(tǒng)水壓大小決定了水泵的揚程選擇。

對于系統(tǒng)循環(huán)主水泵，其揚程與循環(huán)水系統(tǒng)所需要的水壓一致。如設(shè)有中間水池或高壓水泵吸水池，其水泵揚程可參照系統(tǒng)所需水壓計算公式進(jìn)行計算。與實際接近的壓力計算值可使所選擇的水泵工況點處于水泵運行的高效段。

（3）水壓的變化影響管網(wǎng)的建設(shè)。

為保障水力測功器正常工作，通常在水池/水塔單獨設(shè)置供水管接入用水設(shè)備。對于其他試驗設(shè)備，循環(huán)水系統(tǒng)需考慮采用放大回水管徑或建設(shè)中間回水池的方式來削弱設(shè)備回水之間的影響。

2.3水質(zhì)

在循環(huán)水系統(tǒng)中，處理水溫符合散熱器的要求試驗才能正常進(jìn)行。而采用敞開式循環(huán)的水系統(tǒng)在運行過程中，導(dǎo)致循環(huán)水的溶解氧一直處于飽和狀態(tài)，鈣鎂離子析出傾向增大，可能造成試驗設(shè)備換熱效率降低，嚴(yán)重時會造成設(shè)備的腐蝕，引發(fā)事故。故在發(fā)動機(jī)研制試驗循環(huán)水設(shè)施建設(shè)中，應(yīng)選用適當(dāng)?shù)睦鋮s設(shè)備以及冷卻水處理的設(shè)施設(shè)備[9]。

2.3.1水質(zhì)的確定

水溫數(shù)據(jù)由用水設(shè)備提供。發(fā)動機(jī)研制采用的試驗設(shè)備，其溫差為10℃左右；水力測功器溫差在28℃左右。對于有特殊要求則由設(shè)備配套考慮降溫措施。

敞開式循環(huán)水系統(tǒng)的用水設(shè)備一般會提出用水條，如表1所示；當(dāng)用水設(shè)備對水質(zhì)要求不明確時，可參考敞開式循環(huán)冷卻水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[3]。

2.3.2水質(zhì)對系統(tǒng)建設(shè)的影響

（1）水溫決定冷卻塔選型。循環(huán)水系統(tǒng)中，降低水溫由冷卻塔實現(xiàn)。因此對水溫的要求決定了冷卻塔選型。在發(fā)動機(jī)研制試驗的處理水溫及溫差要求下，?？紤]選用高溫型冷卻塔。

（2）水質(zhì)要求決定配套水處理設(shè)施的建設(shè)。試驗基地采用自來水作為循環(huán)水水源，但水質(zhì)要求存在差異，如生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中總硬度（以Ca2+計）450mg/L，高于敞開式循環(huán)冷卻水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許值200mg/L。某航空發(fā)動機(jī)研制試驗區(qū)2014年水質(zhì)檢測結(jié)果為：目測可見較多藻類；pH值：8.62；總硬度（以Ca2+計）：106.92mg/L。該區(qū)循環(huán)水未經(jīng)處理，檢測項目略高于離心機(jī)的水質(zhì)要求限值，因此還需要采取一定的水處理措施。

3結(jié)論

在發(fā)動機(jī)研制試驗循環(huán)水系統(tǒng)建設(shè)中，應(yīng)綜合考慮水量、水壓、水溫水質(zhì)對建設(shè)方案的影響，在方案確定時避免以往在試驗過程中出現(xiàn)過的問題，避免建設(shè)系統(tǒng)能力過小導(dǎo)致不滿足最終建成試驗區(qū)的需求；對水壓的考量必須充分考慮不同設(shè)備之間水壓的相互影響，避免回水不暢導(dǎo)致的試驗故障；水質(zhì)的考慮應(yīng)選用恰當(dāng)?shù)睦鋮s設(shè)備保障水溫，選擇適用的水處理設(shè)備保證水質(zhì)。綜合考量各項建設(shè)要素才能保證建成的水系統(tǒng)高效順暢運行。

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