大型艦船環狀冷媒水系統并網運行模擬分析

張軒，周炫，金正濤，李偉光

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

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大型艦船環狀冷媒水系統并網運行模擬分析

張軒，周炫，金正濤，李偉光

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

針對某大型艦船環狀冷媒水系統形式及特點，利用FlowMaster建立該環狀冷媒水系統的模擬仿真平臺。通過對環狀冷媒水系統單泵、雙泵、三泵以及四泵多種并網運行工況的模擬計算，分析不同運行工況下用戶區內與區間的流量分配特性與水力失調情況。模擬結果表明，系統在并網運行時，各用戶區內支路流量分配較均衡；單泵供全艦用戶運行時，各區用戶模擬流量為設計流量的26.7%～38.8%，區與區之間流量最大不平衡率為31.1%，出現明顯水力失調現象；對于多泵聯合供全船運行工況，各區用戶模擬流量分別為設計流量的51.8%～58.4%、77.0%～76.2%、88.7%～90.8%，能適應艦船不同負荷需求，區與區之間流量最大不平衡率小于15%，流量分配較均勻，滿足工程要求。

環狀冷媒水系統；并網運行；流量分配；水力失調

現代大型艦船結構復雜，功能多樣，一般空調艙室及特定設備用戶區都需要采用冷媒水作為冷源，進而對艙室與設備進行降溫或除濕[1]。傳統的船舶冷媒水系統各區孤立，系統配置難度大，總體資源占用大，操作使用困難。此外，由于冷媒水系統孤立，冷量無法實現聯合輸送，系統運行穩定性差。為了進一步適應現代大型艦船的負荷需求，將全艦各區用戶并入環網，組成一種環狀冷媒水系統，進而對全艦各用戶區冷媒水系統的運行模式進行統一調度調配，實現艦船各用戶區的分區運行以及并網聯合運行[2-7]。

與常規冷媒水系統不同，環狀冷媒水系統在并網運行時，區與區之間會相互耦合，互相干擾。因此，環狀水系統水力特性與流量分配的研究對系統的實際運行有著十分重要的意義[8-9]。現代艦船結構復雜，艦船冷媒水系統水力特性研究試驗難度大，利用仿真平臺對艦船環狀冷媒水系統的水力特性進行模擬研究能夠極大的減少投入的時間與成本，具有極大的工程意義。

為了進一步研究艦船環狀冷媒水系統并網運行時不同運行工況下各支路流量分配特性與水力失調情況，以某大型艦船環狀冷媒水系統為例，利用Flow-Master仿真軟件建立了該環狀冷媒水系統的模擬仿真平臺，對系統單泵、雙泵、三泵以及四泵多種并網運行工況進行了模擬計算，研究了系統在不同運行工況下各個用戶區內以及區間的流量分配情況與水力失調現象。

1 艦船環狀冷媒水系統

艦船艏部有2個用戶區，艉部有3個用戶區，每個用戶區設置有1個泵支路及多個用戶支路，在艦船舯部設置備用泵(冷氣站)支路，可通過環網干管與跨接管向各個用戶區供水，各區用戶通過供回干管相連，實現系統不同運行模式的統一調配。艦船環狀冷媒水系統利用供、回干管取代分集水器，平衡系統管道輸送過程中的壓力損失，降低空調用戶區流量分配的不均衡性。此外，備用泵的設置能夠在分區水泵故障時向各分區供水，提高系統的穩定性。

根據艦船上各個用戶的負荷大小確定艦船環狀冷媒水系統各支路的設計流量見表1。根據推薦流速1～3 m/s[10]匹配各用戶支路的管徑見表2，備用泵支路以及環網干管的管徑均為DN250。系統運行時，各支路的阻力特性不變，整個系統設置一個定壓點以保證系統正常運行的壓力需求。

2 系統建模

表1 艦船中各用戶支路設計流量

表2 艦船中各用戶支路的管徑

利用FlowMaster仿真軟件建立上述艦船環狀冷媒水系統的模擬仿真平臺，該模擬平臺完全按照實際艦船環狀冷媒水系統的布局與流量分配進行設計與搭建，如圖1所示。在模擬仿真平臺的設計中，環狀冷媒水系統的干管設計以及用戶區域的布局與實際艦船一致，環狀干管與跨接管的管徑均為DN250。全艦共有6個區，其中一區用戶與二區用戶為艏部用戶區，四、五、六區用戶為艦船艉部用戶區，一、二、五區用戶有7個用戶支路Z1～Z7，四區用戶有8個用戶支路Z1～Z8，六區用戶有5個用戶支路Z1～Z5，三區為備用泵(冷氣站)支路ZB3。對于用戶支路，由于末端設備布置復雜，其支路阻力可用阻力原件(閥門)簡化，以匹配實際艦船用戶支路的阻力特性，各區用戶支路布局與管路設計與實船保持一致。每個泵(冷氣站)支路ZB由兩臺水泵串聯組成提供循環動力以實現用戶支路的冷媒水輸送，水泵參數如表3所示。系統設置一個定壓點DY，壓力設置為10 kPa。

在整個環網系統上，區與區之間設置有隔斷閥，支路尺寸與實船一致,見表2。根據實際艦船冷媒水系統的管道、閥門及水泵等部件的基本特性參數設置模型相應組件的參數，模擬結果包括系統內任意節點和組件的相關參數。

3 模擬平臺驗證與并網工況模擬

關閉艦船環狀冷媒水系統區間隔斷閥，對系統各區用戶獨立運行工況進行模擬計算，各區獨立運行時一區用戶流量分配見表1。一區用戶支路模擬流量與設計流量相對偏差為0.04%～0.46%。對于其他用戶區，系統各區獨立運行時，全船各區用戶支路模擬流量與設計流量相對偏差均小1%，進一步驗證了艦船環狀冷媒水系統模擬平臺的可靠性。

表3 系統水泵參數

切換區間閥門實現艦船環狀冷媒水系統的并網運行，分析系統在并網運行時各用戶各支路的流量特性。針對系統并網運行模式對四類不同的運行工況進行模擬計算。根據艦船環狀管網的系統設計特點，在同類工況下，泵存在多種組合方式，由于各區用戶總設計流量基本一致，不同泵組合向全船供水時，系統的水力特性十分類似。以其中一種組合為例，工況1：單泵(一區泵)供全船各區運行；工況2：雙泵(一、四區泵)聯合供全船各區運行；工況3：三泵(一、四、六區泵)聯合供全船各區運行；工況4：四泵(一、二、四、六區泵)聯合供全船各區運行。

表4 一區獨立運行時一區用戶支路流量

4 模擬結果與分析

采用模擬流量與實際流量的比值與流量不平衡率分析系統各用戶區內與區間的流量分配特性以及水力失調情況。

表5為艦船環狀冷媒水系統并網運行時單泵、雙泵、三泵以及四泵向全船供水時一區用戶各支路模擬流量、支路流量不平衡率。從模擬結果可知：單泵向全船用戶供水時，一區用戶各支路模擬流量為設計流量的37.5%～39.4%，各支路流量最大不平衡率為5.0%；雙泵向全船用戶供水時，一區用戶各支路模擬流量為設計流量的58.0%～59.1%，各支路流量最大不平衡率為1.9%；對于工況3，一區用戶各支路模擬流量為設計流量的76.8%～77.4%，各支路流量最大不平衡率僅為0.8%；對于四泵聯合供水工況，一區用戶各支路模擬流量為設計流量的90.2%～91.1%，各支路流量最大不平衡率為1.0%。模擬結果進一步表明艦船環狀冷媒水系統并網運行時，不同運行工況下用戶區內各支路流量分配較均衡。

系統并網運行時不同工況下各用戶區的流量分配特性見表6。單泵向全船供水時，各區用戶模擬流量能達到設計流量的26.7%～38.8%，且由于一區泵開啟，一區用戶流量達到最大，區與區之間流量最大不平衡率為31.1%，表明單泵向全船供水時，各區用戶之間流量出現了明顯的水力失衡的現象；雙泵向全船供水時，各區用戶模擬流量能達到設計流量的51.8%～58.4%，區與區之間流量最大不平衡率為11.3%，水力失衡現象明顯減小。三泵向全船供水時，各區用戶模擬流量能達到設計流量的76.2%～77.0%，可滿足艦船部分負荷需求，區與區之間流量最大不平衡率為2.9%，表明各區用戶之間流量分配比較均衡；四泵供全船各區用戶運行時，各區用戶模擬流量能達到設計流量的88.7%～90.8%，基本滿足工程正常運行需求，區與區之間流量最大不平衡率為2.0%，各區用戶之間水力失衡現象消失，流量分配十分均衡。

表5 并網運行時不同運行工況下一區用戶各支路流量

注：*流量最大不平衡率=[(模擬流量占設計流量比最大值-模擬流量占設計流量比最小值)/模擬流量占設計流量比最大值] ×100%。

表6 并網運行時不同運行工況下各區用戶模擬流量

5 結論

根據模擬結果，艦船環狀冷媒水系統在并網運行時，可根據艦船不同的負荷需求調節系統的運行模式，其中雙泵及三泵向全船供水時，各支路流量能達到50%以上，能滿足艦船部分負荷需求，四泵向全船供水時運行，各支路流量基本達到設計流量的90%左右，基本能滿足全船正常運行時的水量需求。

[1] 冷峻,張威,馬軍.大型艦船集成式冷媒水系統優化設計及試驗[J].中國艦船研究,2015,10(3):102-107.

[2] 付祥釗.流體輸配管網[M].北京：中國建筑工業出版社,2005.

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

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Simulation Analysis of Parallel Operation of a Loop Refrigerant Water System for Large Ships

ZHANG Xuan, ZHOU Xuan, JIN Zheng-tao, LI Wei-guang

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

Aiming at the loop refrigerant water system for large ships, a simulation platform was established in FlowMaster environment. Different parallel operation modes with single pump, 2 pumps, 3 pumps and 4 pumps respectively were simulated to analyze the flow distribution characteristics and hydraulic misadjustment of the system under different modes. The results showed that the flow distribution in one user area is good and relatively balanced for the system parallel operation. The simulation flow rates in each user area range from 26.7% to 38.8% of the design flow rates respectively. However, the largest flow imbalance ratio between users area is 31.1% with obvious hydraulic misadjustment. For parallel operation with multiple pumps, the flow rate in each user area can reach 51.8%～58.4%, 77.0%～76.2%,and 88.7%～90.8% of design flow rates for 2 pumps, 3 pumps and 4 pumps modes respectively. The largest flow imbalance ratio is less than 15% which may meet the needs of different load and satisfy engineering practice as well.

loop refrigerant water system; parallel operation; flow rate distribution; hydraulic misadjustment

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.033

2017-03-07

國家部委基金資助項目

張軒(1981—)，男，學士，工程師

研究方向：液冷技術

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0139-04

修回日期：2017-03-27