大型船舶變頻供水管網壓力平衡與控制策略仿真

劉毅，潘錦平

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

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大型船舶變頻供水管網壓力平衡與控制策略仿真

劉毅，潘錦平

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

為解決大型船舶供水管網壓力不平衡問題，進行變頻供水管網的仿真計算，分析管網壓力平衡與控制策略，通過不同供水方式和不同控制策略的仿真，得出變頻供水中采用增加高程分區的方式可以使末端用戶用水的穩定性提高，最不利點恒壓控制方式對末端用戶流量調節效果更佳，有利于整個管網系統的相對穩定。

大型船舶；變頻供水；壓力平衡；仿真研究

目前，大型船舶多采用變頻供水的方式向全船各用戶輸送日用淡水。以往的變頻供水管網存在末端用戶水量不平衡的問題，特別是隨著給水系統的復雜程度增加(主要是甲板層數增加、用水點增加)，問題日益突出[1]。

大型船舶甲板層數多，供水管路輸送距離長，用水點分散，導致用水高峰時，一些用戶往往水流小、壓頭低；空閑時又出現水量大、壓頭過高等問題。

在供水管網設計時，水泵的揚程是按照最遠最不利用戶的需要進行選型。對大多數用戶而言，水泵的揚程存在很大富余。當船上供水高度、供水距離及用戶點不斷增加時，最遠用戶與最近用戶的用水壓差相差就越大，這種富余也就越大，導致供水管網很難做到壓力平衡。

為解決上述問題，對變頻供水管網進行仿真計算，探討管網壓力平衡與控制策略，為實現供水系統的優化設計提供可靠的依據。

1 變頻供水系統分析

1.1 基本特性

船用供水系統通常是由泵組件和管道組成。泵的的揚程特性曲線如圖1所示，在定轉速下揚程H與流量Q之間的關系曲線f(Q)。由圖1可見，流量Q與揚程H成反向背離關系，即Q越大，揚程H越小；Q越小，H越大。而管道阻力特性則是表明在管組特性不變的情況下，管阻h與流量Qu之間的關系h=f(Qu)。管阻特性曲線反映了變化的流量與需克服的管道阻力的變化規律。二者曲線的交點A2，稱為供水系統的工作點。在這一點，用戶的用水流量Q和供水系統的供水流量處于平衡狀態，供水系統既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性，系統穩定運行。

同樣可以看到當系統所需流量減少時，管道曲線上移與揚程特性曲線相交于工作點A1點處，此時管道中流量減小，揚程增大，出現超壓出流現象，近泵段末端用戶的體驗是水流很大，壓力很高；當整個系統處于用水高峰時，管道曲線下移與泵曲線相交于工作點A3處，此時管道中流量增大，揚程減小，最遠端不利點用戶體驗是水流很小，壓力很低。

進一步設想當A1點和A3點的揚程差異較大時，即使采用閥門來控制，也往往難以起到較好的作用，此時最低用戶點和最高用戶點的體驗將出現極端情況。

因此，從供水平衡的角度來講：當供水系統的高程出現較大變化時，單一的定頻的供水往往難以取得良好的效果。這點也可以從后續的仿真計算中得出。

1.2 系統原理

目前，我國采用較多的水泵調速技術主要有：液力耦合器調速，可控硅串級調速，電磁滑差離合器調速和變頻調速等。經過實際應用證明，變頻調速是調速技術中最具實用性的調速方式。

變頻泵調速原理：

交流電機的轉速表達式為[2]：

(1)

式中：n為電機轉速，r/min；f為電源頻率，Hz；p為電極對數；S為電機轉差率。

由式(1)可見，改變f，p，S時，均可調節n，實現電機調速。

變頻調速水泵運行中，壓力檢測點的管網壓力H信號由壓力傳感器傳輸給控制器。當管網壓力值Hm低于或高于設定壓力H0時，控制器將根據恒壓或恒流量的控制要求向變頻調速器發出提高或降低電源頻率的信號。水泵的轉速將隨之變頻調速器電機轉速提高或降低相應提高或降低。要使建筑供水系統保持恒壓或恒流量供水，則必須將系統壓力或流量基本上維持在設定壓力或流量—即最有利工況范圍內供水。在變頻調速加壓供水過程中，水泵運行的變化如圖 2 所示。

H0為恒壓線，當H2高于H0運行時，變頻恒壓供水自動控制系統監測到此狀況后，對變頻器發出信號，通過改變各項運行參數來對供水系統進行調整，在自動調節過程中，水泵轉速逐漸降低，Q-H曲線逐漸下降，水泵運行工況點由A2向A1，A0移動，同時揚程由H2向H1、H0移動，Q2也向Q1、Q0移動，當Hm低于H0時，變頻調速系統在自動調節過程中，其工況點的變化與上述變化相反。即由Am逐漸向A0移動。這樣的自動控制調節使其揚程與系統阻力相適應，保持了整個管網系統的穩定。

2 變頻供水管網仿真

2.1 仿真平臺的選擇

在借鑒已有的相關研究和開發成果的基礎上[3]，提出以MATLAB/SIMULINK工具為平臺，并通過模塊化建模的思路來實現管網系統穩態性能仿真。

對MATLAB應用于流體管網仿真的實驗驗證[4]，MATLAB/SIMULINK仿真結果與試驗驗證的結果相似度較高，可以作為管網壓力平衡研究的手段。

2.2 供水管網的設計

為了研究變頻供水管網壓力平衡與控制策略，擬選擇洗浴供水系統作為研究、仿真對象。該管段中共設置淋浴噴頭80個，分8層布置，層高為2.65 m，總高28.55 m。具體系統圖見圖3。

根據《建筑積水排水設計手冊(第二版)》中關于公共浴室給水設計小時流量的計算公式[5]：

qg=∑q0n0b/1 000

(2)

式中：qg為計算管道的設計小時流量，m3/h；q0為同類型的一個衛生器具給水額定流量，L/h；n0為同類型衛生器具數；b為同類型衛生器具的同時使用系數。

混合淋浴頭的給水額定流量0.15 L/s ，公共浴室淋浴頭的同時使用系數取100%，使用數量為80個。代入式(1)可得：

qg=0.15×80×100%=43.2m3/h

據此選擇Q=24 m3/h，揚程H=60 m的多級離心泵2臺。

2.3 雙泵并聯供水仿真模擬

按照前文的初始條件，選用混合淋浴頭為供水模型數量為80個，同時使用系數取100%。選擇Q=24 m3/h，揚程H=60 m的多級離心泵2臺。將上述管網系統及泵組在MATLAB中進行建模[6]，仿真模型圖如圖4所示。選取最不利點標高18.55 m的管道給水末端淋浴頭進行觀察，其流量為-0.001 966 L/s，即該管路已處于了欠壓斷流狀態。如圖5所示。

選取最近點標高0 m的管道給水末端淋浴頭進行觀察，其流量為1.272 L/s，近端用戶的流量又過大。如圖6所示。

選擇泵組的運行狀態進行觀察，由圖7可以看到泵1的壓力為0.245 3 MPa，泵2的壓力為0.246 3 MPa，總管流量計的讀數為21.59 L/s。結合圖9可以看出當前2臺泵的運行點已經偏離了泵的正常運行區， 該泵的正常運行區段揚程H在49.5～66 m之間，對應Q值為5～8.33 L/s。

由此可以看出由于層高過高，并聯1路直接供水的方式不能滿足滿負荷運行時最不利點用戶的需求。

2.4 變頻分段供水仿真模擬

供水的初始條件同上，仍選用混合淋浴頭為供水模型，數量為80個，同時使用系數取100%。根據《建筑給水排水設計手冊》中推薦的高程分區供水方式。具體方案是分成上下2部分供水，即1號泵負責為4～7層甲板的用戶提供用水；2號泵負責為1～3及+1甲板的用戶提供用水。

分別選擇Q=24 m3/h，揚程H=40 m的二級離心泵1臺和Q=24 m3/h，揚程H=60 m的三級離心泵1臺。詳見圖8。

分別將1號泵和2號泵運行后最不利點及最近點的流量值列出，見表1。

表1 最不利點及最近點參數 L/s

與2.3的計算結果相比，最不利點及最近點的用水情況都有較大改善。可以看出，通過高程分區使末端用戶的流量波動有較大的緩解。

3 平衡與控制策略

變頻恒壓供水系統供水壓力的控制點可以采用泵出口恒壓控制和最不利供水點控制。泵出口恒壓控制：即將壓力反饋點設在泵口處，屬于出口恒壓末端變流量的控制方式。最不利點恒壓控制：將系統反饋點設置管網的最不利點處，屬于最不利點恒壓變流量的控制方式。

對變頻分段供水分別采取2種壓力控制方式進行研究。

3.1 出口恒壓控制仿真模擬

利用MATLAB中的PID控制器對系統進行反饋控制。構造恒壓控制模型如圖9。

該模型中將泵1出口和泵2出口處的壓力分別設置為0.2和0.3 MPa。在此次仿真計算中將各區段中的20個淋浴頭隨機打開，另外20個淋浴頭隨機關閉，以模擬正常使用工況時淋浴頭變化的狀態，同時觀察最不利點用戶的流量變化情況。

3.2 最不利點恒壓控制仿真模擬

該模型中分別在4甲板和8甲板供水支管上設置壓力傳感器，將壓力值設定在0.02 MPa，仿真的其他條件與泵口恒壓相同。各區段中的20個淋浴頭隨機打開，另外20個淋浴頭隨機關閉，以模擬正常使用工況時淋浴頭變化的狀態，同時觀察最不利點用戶的流量變化情況。構造恒壓控制模型如圖10。

3.3 對比分析

分別將2種控制方式下8甲板最末端用戶的運行結果通過示波器顯示出來，見圖11和圖12。比較以上2張輸出波形圖，可以看出以下幾點：

1)末端流量與閥門隨機開關的變化度保持一致。

2)圖中圈出的2點相比，圖12中波形下降的趨勢大于圖11。

在仿真模擬中，設定的變化條件較實際情況惡劣，意味著末端用戶數量的變化幅度是比較大的。但即使在此條件下，反饋控制還是顯示出其對末端流量的調節能力。同時從圖中圈出的2處位置中看出，圖12中向下的變化趨勢大于圖11，意味著在同樣的變化前提下，最不利點恒壓控制對流量的調節作用要比泵口恒壓控制的作用要明顯許多。

這也與對2個壓力點控制的分析也是吻合的，即：當流量變化時，最不利點水壓為恒壓，整個管網的水壓相對穩定，使用效果好。泵口恒壓控制時，泵口壓力穩定，而末端用戶的流量變化相對大些。

4 結論

1)變頻泵組的引入使管網系統的可調節因子增加，有利于改善供水系統的穩定性。

2)變頻供水中采用增加高程分區的方式可以使末端用戶用水的穩定性提高。

3)最不利點恒壓控制方式對末端用戶流量調節效果更佳，并有利于整個管網系統的相對穩定；泵口恒壓控制時，末端用戶的流量變化相對大些。

[1] 王維義，戴克文.船舶與海洋平臺生活區供水系統存在的問題及解決方案[J].科技創新導報,2013(14):39-40.

[2] 桂劉豐.傳統高位水箱供水與變頻方式供水比較研究[J].科技創新導報,2009(5):100.

[3] 宋振國，蔣丁宇，張曉濱.船舶管網系統水力特性研究及其應用[J].中國艦船研究，2014，9(4)：93-98，103.

[4] 姚磊.基于Simulink的流體管網仿真[J].大功率變流技術,2010(5):5-8,22.

[5] 中國建筑設計研究院.建筑給水排水設計手冊：上冊[M].2版.北京：中國建筑工業出版社,2008.

[6] 姚宇,俞國平,胡少華.基于MATLAB的給水管網可視化模型和仿真計算[J].蘇州科技學院學報,2006,19(2):54-59.

Simulated of Pressure Balance and Control Strategy of Providing-water with Frequency Converter Pipe Network for Large Ship

LIU Yi, PAN Jin-ping

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

To solve the pressure imbalance problems of providing-water pipe network for large ship, the providing-water pipe network with frequency converter was simulated to analyze the pressure balance and control strategy. The simulation results of different water-supply modes and control strategy showed that by using a high-level district, the frequency converter can improve the stability of the end user, It can improve the relative stability of pipe network system, and it gives a better result of flow regulating for the end user, in the way of using constant-pressure control of the most adverse user.

large ship; providing-water with frequency converter; pressure balance; simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.017

2017-03-07

劉毅(1985—)，男，碩士，工程師

研究方向：船舶系統

U644.8

A

1671-7953(2017)03-0077-07

修回日期：2017-03-27