大型艦船集成式冷媒水系統優化設計及試驗

冷駿，張威，馬軍

1 海軍駐上海江南造船（集團）有限責任公司軍事代表室，上海201913

2 中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

0 引 言

隨著現代艦船的大型化以及功能多樣化，艦船上除傳統空調用戶以外，還有許多其他用戶采用冷媒水作為冷源，以達到設備降溫或除濕的目的。因此，艦船冷媒水系統如果仍然采用傳統的多個分系統獨立運行，就會造成冷媒水系統配置的設備型號和數量眾多，會占用較多總體資源，維修保養工作量加大，而且也會造成系統管系過于繁雜、操作使用困難、無法滿足所需總體資源等問題。另外，還存在分立系統之間無法相互備份、冷水機組低負荷運行穩定性較差等問題。因此，可將常規冷媒水系統的多個分立系統集成合并，由艦總體層面統籌規劃全艦冷源供給問題，不再為單個用戶配置獨立的冷卻系統，而是采用全艦冷媒水統一供給、集中監控的形式，形成全艦冷源集中綜合調度調配能力，解決各個設備與系統間的冷源集中供應和備份問題，以減少資源消耗、簡化設備配置、優化系統設計、實現冷卻資源的綜合利用。

集成式冷媒水系統的用戶主要包括普通的空調用戶和為某些電子設備服務的特殊用戶（即特殊空調用戶）。隨著艦船人機環技術的發展，居住艙室的背景噪聲、居住環境條件得到改善，居住艙室的熱舒適性能提高，可確保船上人員處于良好的身體狀況和精神狀態［1］。但空調用戶的冷媒水需求受外界溫度、濕度、日照等氣象因素，以及艦船艦艇艙室冷負荷的影響，系統對冷媒水的需求往往波動較大，因而對冷媒水系統的冷量配置和能量調節均有較大影響。特殊空調用戶的冷媒水需求主要根據其自身的使用特點確定，與時間、季節無關，全年均需使用，且負荷變化范圍大，無規律可循，但可靠性要求高，重要程度較普通空調用戶高。

冷媒水系統的水力失衡一直是實際工程中關心和需重點解決的問題。尚道東［2］通過仿真試驗研究了冷媒水節能控制對水力平衡的影響。蔡宏武［3］采用模擬仿真手段研究了影響冷媒水系統流量失衡的主要因素。高會榮［4］針對暖通冷媒水系統中的水力失調現象進行分析，闡述了水力失調的種類并提出解決途徑。目前，在實際應用當中，解決冷媒水系統水力失衡的常用方法是采用平衡閥，其中使用較多的是動態流量平衡閥。黃維與張柏［5］通過對比分析平衡閥與定流量閥這2 種調節閥的工作原理，認為平衡閥宜用在需要保持阻力平衡（流量平衡）的系統中，定流量閥宜用在需要保持流量不變的系統中。陳清與王成等［6-7］通過分析動態流量平衡閥的工作原理，提出利用動態流量平衡閥可以很好地解決空調水系統水力失衡的問題。孫晉飛［8］采用試驗的方式對動態流量平衡閥的運行特性進行研究，驗證了動態流量平衡閥對管網流量的控制效果。馮喜春［9］根據工程實際，提出了動態流量平衡閥在實際應用中需注意的問題。

由于艦船的特殊構造，船體狹長，工作區與生活區混雜，不同用戶分布較為分散，且冷卻需求量及使用特點差異較大，冷媒水系統的水力失衡問題更為常見。如果直接采用陸上建筑常用的異程式水系統設計卻不采取限流措施，會導致嚴重的流量失衡，目前，普通艦船有的采用同程式水系統來確保艏、艉空調用戶流量分配均衡［10］。但對冷卻用戶種類及數量較多的艦船，由于其內部設備繁多，各式管路縱橫交錯，用于冷媒水系統管路鋪設的空間有限，只能采用異程式管網，因此需利用有限的空間最大限度地提高供回水干管的管徑以減小異程式水系統的水力失衡。但由于當前大多數艦船船身較長，再加上管路的布置需依附船內的結構設計，使得干管彎轉的管段較多，從而導致干管阻力依然相對較大。對于大型艦船，其空調動力設備會分布在艏部、舯部和艉部，以減少系統流量分配不均衡的問題，但當空調為部分負荷時，為節省能源，只需運行部分動力設備，如此便會導致冷媒水系統的艏、艉流量失衡。因此，在實船冷媒水系統設計時，會在不同區域之間設置限流裝置（如靜態流量平衡閥）以確保艏、艉流量平衡。但是，當大型艦船的特殊空調用戶需要確保足夠的水流量時，已處于流量分配均衡狀態的其他普通空調用戶的流量平衡將可能受到嚴重沖擊。對于此問題，尚未有研究人員提出有效的解決辦法。

為解決上述問題，本文將針對某大型艦船冷媒水系統特殊空調用戶的不同運行工況設計雙流量并聯運行管路，并采用試驗的方式驗證設計管路對全船冷媒水管網水力特性的影響。將按照實船冷媒水系統的實際運行模式研究未采用設計的雙流量并聯運行管路時，特殊空調用戶在低負荷運行與高負荷運行2 種工況下，普通空調用戶部分負荷時的流量分配情況，以及采用雙流量并聯運行管路時，特殊空調用戶低負荷運行時冷媒水系統的流量分配情況。試驗結果將證明針對特殊空調用戶不同運行工況而設計的雙流量并聯運行管路的可行性與有效性。

1 艦船集成式冷媒水系統及特殊空調用戶支路優化設計

艦船集成式冷媒水系統的設計方案如圖1 所示。其中NU 為普通空調用戶，SP 為特殊空調用戶，GS 為供水干管，HS 為回水干管，DY 為定壓點。由于艦船的特殊結構和用途，艦上冷媒水系統管網一般較長且艏、艉空調用戶間的距離較大，而冷氣站又一般放在船艙的艏部、舯部或者艉部，這樣就會導致艏、艉流量失衡的情況，同樣，也會導致特殊空調用戶支路流量不能滿足設計要求的問題。因此，在整個設計過程中，可采用供、回水干管取代分集水器以減少管道遠程輸送過程中的壓力損失，進而降低艏、艉流量分配的不均衡性。

圖1 船舶空調水系統布置原理圖Fig.1 Schematic layout of ship air-conditioning water system

實船中，冷媒水系統各用戶支路流量是根據各空調用戶的負荷大小進行設計，并根據設計流速為1～3 m/s 的原則［11］對各支路管徑進行匹配。各空調用戶支路設計流量如表1 所示。在實際應用中，冷媒水輸送管線較長，且管路中彎管較多。采用FlowMaster 流體計算軟件計算各管路的沿程阻力以及設計流量下的流速，同時進行管徑選型。根據管網各管段流速，計算最不利管路的阻力，選取水泵的額定流量為125 m3/h，額定揚程為50×103mmH2O。當水泵均按額定流量運行時，各空調用戶支路的流量將大于設計流量，多余流量將自動由各空調用戶支路中設計的旁通閥旁通。冷媒水系統各支路的實際流量通過各支路上設置的調節閥進行匹配調節，以使各水泵在額定工況下運行時各空調用戶支路的實際流量比與設計流量比一致，即系統各支路的流量處于平衡狀態。根據實船冷媒水系統運行特點，各支路流量在系統運行前需通過各支路上設置的調節閥將流量調節到實際計算流量。當系統運行時，各支路的阻力系數不變，即各支路調節閥的閥位不發生變化。系統運行工況的切換只需通過啟停水泵、打開或關閉各支路或干管上設置的開關閥即可。針對特殊空調用戶，為保證其各工況時的水流量需求，管徑需按照最大流量要求進行設計。

特殊空調用戶在實際使用時分為高負荷運行和低負荷運行2 種工況，所需水流量會隨運行方式的不同而發生改變。當特殊空調用戶為低負荷運行時，所需水量較小，但由于該支路是按高負荷運行所需流量進行設計，若不采用限流裝置，會導致特殊空調用戶支路水量過大，不僅造成能源浪費，還會導致其他各空調用戶支路流量分配失衡。如何能既滿足特殊空調用戶高負荷運行時的流量需求，又確保低負荷運行時的流量要求，對冷媒水系統設計人員來說是個難題。為解決此問題，提出了支路雙流量并聯運行方案，設計的管路如圖2 所示。該設計方案包括1 個電動球閥和與之并聯的1 個動態流量平衡閥。當特殊空調用戶高負荷運行，不需要限流時，開啟特殊空調用戶支路上設置的電動球閥，水流同時通過電動球閥和動態流量平衡閥（圖2 中虛線箭頭）；當特殊空調用戶低負荷運行，需要限流時，將關閉特殊空調用戶支路上設置的電動球閥，使水流只經過動態流量平衡閥（圖2中實線箭頭），從而達到限流的目的。

表1 實船中各空調用戶支路設計流量Tab.1 Designed flow rate of the refrigerant system of the ship

圖2 設備空調支路雙流量并聯管路示意圖Fig.2 Dual-flow parallel pipeline schematic diagram

2 試驗臺設計及搭建

為研究特殊空調用戶不同工作狀態時，冷媒水系統管網的水力特性以及所設計雙流量并聯運行管路在實際應用中的作用效果，通過一定比例縮放搭建了冷媒水管網試驗臺。此試驗臺包括冷媒水管網系統和數據采集系統。

冷媒水管網系統試驗臺完全按照實船冷媒水系統的布局及流量分配比進行設計，包括4 個主泵支路（4 臺水泵），7 個空調用戶支路和1 個特殊空調用戶支路。其中編號分別為BⅠ，BⅡ和BⅢ的3 臺水泵，位于艉部、舯部和艏部，以為空調用戶提供流量，1 臺編號BⅣ的水泵位于艏部前端，專門為特殊空調用戶提供流量。4 個主泵支路的編號分別為Z3，Z5，Z6 和Z11，其中Z3 支路為艉部泵支路，Z5 支路為舯部泵支路，Z6 支路為艏部泵支路，Z11 支路為特殊空調用戶泵支路。7 個空調用戶支路編號分別為Z1，Z2，Z4，Z7，Z8，Z9，Z10，其中Z1，Z2 和Z4 這3 條支路為艉部支路，Z7，Z8，Z9 和Z10 這4 條支路為艏部支路。特殊空調用戶支路編號為Z12。

各支路設計流量（滿負荷設計流量）、流量比及試驗管網實際流量如表2 所示。設計的艏、艉流量比為1.55∶1，其中艏部流量為Z7，Z8，Z9 和Z10 支路的流量之和，艉部流量為Z1，Z2 和Z4 支路流量之和。各支管的設計流速為1～3 m/s。其中各泵支路的流量與水泵的額定流量一致，均為18 m3/h，水泵的額定揚程為24×103mmH2O。試驗管網各空調用戶的實際流量同樣比設計流量大（此處按照實船設計思想設計，在實船中，為確保各用戶支路滿負荷運行時的流量需求，所選水泵的額定流量及揚程偏大）。同樣，各空調用戶的實際流量比與設計流量比保持一致（各支路流量等比例放大）。空調用戶部分負荷時的設計流量為滿負荷的60%。Z12 支路，即特殊空調用戶支路設置有2 個分支路：一個裝有電動球閥，一個裝有動態流量平衡閥（即雙流量并聯運行管路），如圖2 所示。為保證整個管網的分區運行，設置2 個定壓點，分別位于空調用戶側的回水干管上和特殊空調用戶側的回水干管上。定壓點壓力設置為10×103mmH2O，采用自動加壓泵進行壓力控制。

本試驗臺安裝了一套完整的數據采集系統，其中包括壓力傳感器、流量傳感器和信號采集器（Agilent），以及工控機等。

3 試驗工況及過程

本試驗的主要研究內容為：

1）不使用雙流量并聯運行方案情況下特殊空調用戶低負荷和高負荷運行時管網的水力特性試驗。

2）使用本文設計的雙流量并聯運行方案情況下特殊空調用戶低負荷運行時管網的水力特性試驗。

普通空調用戶的運行工況為夏季夜間、春秋工況，即部分負荷運行工況（部分負荷約為滿負荷的60%），此時，開啟BⅡ和BⅢ水泵提供流量。當特殊空調用戶高負荷時，開啟BⅣ水泵專供特殊空調用戶，此時，特殊空調用戶不需限流且與空調用戶分區運行（即互不影響）。當特殊空調用戶低負荷時，與普通空調用戶合區運行，BⅣ水泵關閉，由空調用戶水泵BⅡ和BⅢ提供流量。

表2 各支路設計流量Tab.2 Designed flow rate of each user

試驗進行前，需對試驗管網進行調試，具體過程如下：

1）滿負荷運行空調用戶部分，即BⅠ，BⅡ和BⅢ水泵全開時，將各支路流量調至表1 所示的實際管網流量。

2）關閉BⅠ水泵，調節艏部與舯部之間的限流閥，以使艏、艉流量比為設計流量比1.55∶1，此時，各支路流量比將再次與設計流量比保持一致。

完成調試后，即可進行試驗。

4 試驗結果與分析

試驗結果如表3 和表4 所示，其中，表3 為特殊空調用戶高負荷運行時，普通空調用戶部分負荷的試驗結果；表4 為特殊空調用戶低負荷運行，普通空調用戶部分負荷時，對特殊空調用戶采用雙流量并聯運行管路進行限流和不限流2 種情況下的試驗結果。

表3 特殊空調用戶高負荷運行時的試驗結果Tab.3 Test results with the special air-conditioning users under high load condition

表4 特殊空調用戶低負荷運行時的試驗結果Tab.4 Test results with the special air-conditioning users under low load condition

特殊空調用戶高負荷時與空調用戶分區運行，如表3 所示，BⅣ水泵專供特殊空調用戶且不進行限流，BⅡ和BⅢ水泵供普通空調用戶，此時，特殊空調用戶流量為17.93 m3/h，與設計流量18 m3/h 一致，滿足設計流量要求。而各空調用戶流量均超過滿負荷設計流量的63%，且艏、艉流量比為1.55∶1，與設計流量比一致，各支路流量比同樣與設計流量比一致，滿足流量設計要求。

特殊空調用戶低負荷，普通空調用戶部分負荷時，如表4 所示，BⅡ和BⅢ水泵供全船（含電子設備）。當采用雙流量并聯運行方案進行限流時，各空調用戶支路流量均超過滿負荷設計流量的62%，且艏、艉流量比為1.55∶1，各支路流量比同樣與設計流量比一致，滿足設計要求。此時，電子設備支路流量為2.7 m3/h，為設計流量的90%，比設計流量低10%，在試驗管網中選用的動態流量平衡閥自身限流誤差范圍內，因此實際限流值符合理論設計范圍。當不采用雙流量并聯運行方案進行限流時，特殊空調用戶支路流量遠大于所需流量，艏部各空調用戶支路流量均低于滿負荷流量的50%，艏、艉流量比為1.23∶1，亦小于設計流量比，各支路流量比與設計流量比之間存在較大偏差，不能滿足部分負荷時的設計要求，艏、艉流量失衡。

由試驗結果可以看出，雙流量并聯運行方案在應用中效果明顯，且操作簡單。因此，在特殊空調用戶支路上設置雙流量并聯運行管路可靠且必要。

5 結 語

本文針對大型艦船集成式冷媒水系統特殊空調用戶的不同運行工況設計了雙流量并聯運行管路，并通過試驗的方式進行了驗證。同時研究了特殊空調用戶高負荷和低負荷運行時管網的水力特性，以及雙流量并聯運行管路中限流閥對管網水力特性的影響。試驗結果表明，在特殊空調用戶支路上設置雙流量并聯運行管路，當特殊空調用戶高負荷運行時，采用不限流模式能夠滿足特殊空調用戶及其他各空調用戶的流量需求。當特殊空調用戶低負荷運行時，采用限流模式，同樣能夠滿足特殊空調用戶及其他各空調用戶的流量需求，且不會對其他普通空調用戶支路流量分配產生較大影響。不對該支路進行限流時，特殊空調用戶支路流量將會過大且其他各空調用戶支路將出現水力失衡的問題，部分空調用戶支路流量不能滿足設計要求。試驗證明雙流量并聯運行管路在特殊空調用戶支路上的應用是合理、高效的；通過在特殊空調用戶支路上采取雙流量并聯運行管路，可有效解決集成式冷媒水系統不同運行工況下的流量再平衡問題。

［1］張衛東，王世忠，王新海，等. 船舶艙室空調送風優化技術［J］.艦船科學技術，2011，33（2）：121-125.ZHANG Weidong，WANG Shizhong，WANG Xinhai，et al. The optimization techniques of the air-condition?ing supply air for ship cabin［J］. Ship Science and Technology，2011，33（2）：121-125.

［2］尚道東.空調水系統節能控制若干問題試驗研究［D］.大連：大連理工大學，2013.

［3］蔡宏武. 實際運行調節下的空調水系統特性研究［D］.北京：清華大學，2009.

［4］高會榮.暖通空調水系統中水力失調現象及其解決方法［J］.山西建筑，2011，37（20）：123-124.GAO Huirong. Hydraulic maladjustment phenomena and solving methods in heat ventilate air conditioning water system［J］. Shanxi Architecture，2011，37（20）：123-124.

［5］黃維，張柏.平衡閥與定流量閥在水系統平衡中的不同應用［J］.暖通空調，1999，29（5）：69-71.HUANG Wei，ZHANG Bo. The different applications of the balance valve and the constant flow valve in the water system balancing［J］.Journal of Heating Ventilat?ing and Airconditioning，1999，29（5）：69-71.

［6］陳清，陳振雙，涂光備.動態流量平衡閥的原理及其應用［J］.煤氣與熱力，2000，20（6）：443-445.CHEN Qing，CHEN Zhenshuang，TU Guangbei. The working principle and application of the dynamic flow control valve［J］. Gas and Heat，2000，20（6）：443-445.

［7］王成，郝巖峰，施舜天.動態流量平衡閥在暖通工程中的應用［J］. 制冷空調與電力機械，2003，24（2）：42-46.WANG Cheng，HAO Yanfeng，SHI Shuntian. The ap?plication of the dynamic flow control valve in HVAC［J］. Refrigeration Air Conditioning and Electric Power Machinery，2003，24（2）：42-46.

［8］孫晉飛.動態流量平衡閥平衡控制特性研究及在中央空調水系統中的應用［D］. 青島：青島理工大學，2011.

［9］馮喜春. 動態平衡閥在空調系統中的應用［J］. 科技傳播，2011（6 下）：129-130.

［10］由成良.同程式空調水系統的實船設計應用［J］.船舶，2014（3）：56-60.YOU Chengliang. Practical design and application of water system in reverse return air conditioning water system［J］.Ship and Boat，2014（3）：56-60.

［11］中國船舶工業總公司.GB/T 13409-92 船舶起居處所空氣調節與通風設計參數和計算方法［S］.北京：中國標準出版社，1992.