艦船岸接供水運行模式的水力平衡試驗

周炫，嚴天，黃慶，謝軍龍，王飛飛

(1.中國艦船研究設計中心，武漢 430064；2.華中科技大學 a.建筑環境與能源應用工程系；b.制冷及低溫工程系，武漢 430074)

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艦船岸接供水運行模式的水力平衡試驗

周炫1，嚴天2a，黃慶2b，謝軍龍2b，王飛飛2a

(1.中國艦船研究設計中心，武漢 430064；2.華中科技大學 a.建筑環境與能源應用工程系；b.制冷及低溫工程系，武漢 430074)

針對岸接泵直接供水運行時，艦船各區用戶流量分配不均，存在明顯的水力失調問題。提出在冷媒水管網系統中增設動態流量平衡閥、增壓泵及分流跨接管3種水力平衡措施以改善系統水力失調。試驗結果表明，采用增壓泵和分流跨接管2種措施的效果更好，能使各區用戶的流量分配更均勻。

岸接供水；水力失調；動態流量平衡；增壓；分流跨接管

當流體管網系統各支路阻力特性差異較大時，支路末端的實際流量分配將偏離工程設計值，進而出現水力失調現象[1-6]。大型艦船冷媒水系統的管網形式非常復雜，各支路的負荷特性與流量需求差異極大，極易出現水力失調現象。因此，艦船冷媒水系統的水力平衡及調節尤為重要[7-8]。由于艦船的使用時間、地點多變，支路的流量需求變也會發生很大的變化。艦船在岸邊停靠時，仍需冷媒水對艦船空調用戶進行降溫或除濕。為節省艦船上的資源，通常可利用岸上的岸接泵分別向艦船供水，以滿足艦船各用戶支路冷媒水量(冷量)需求。在艦船進行岸接供水時，艦船用戶的水量需求與額定工況下的需求有所不同，這可能造成各支路的流量分配不均。另外，艦船各用戶位置相對分散，因而水管網系統在岸接供水時易出現水力失調現象。針對此問題，對某艦船冷媒水系統的岸接供水工況進行試驗。

1 試驗平臺搭建

艦船在岸邊停靠時，艦上各用戶區與岸接泵支路的距離不同，且布局各異，因而各用戶區的管網水力特性也有所不同。采用岸接泵直接向各區供水時，艦上各用戶區的流量易分配不均，出現水力失調現象。以艉部岸接供水為例，研究岸接供水運行模式下的艦船冷媒水系統的水力特性。利用縮比原理搭建某艦船冷媒水系統試驗平臺，如圖1所示。

艦船艉部共設有3個用戶區，各區間采用供回干管相連，其中一區用戶有8個用戶支路Z1～Z8，二區用戶有7個支路用戶Z1～Z7，三區用戶有5個用戶支路Z1～Z5。每個用戶區分別設有水泵支路以保證艦船各自分區的正常供水。艦船在岸邊停靠時，將岸接泵支路接入艦船水管網系統的二區與三區之間的供回干管上，以此實現對艦船各用戶的岸接供水。

試驗平臺按照實船冷媒水系統的布局設計。根據實船設計流量比可縮比得到試驗平臺系統在額定工況下各區、各用戶支路的設計流量。隨后，根據設計流速1～3 m/s[9]，確定各支路管徑，各支路的設計流量及管徑如表1所示。對于岸接供水工況，根據負荷特點，各支路流量只需滿足其在額定工況下設計流量的60%即可。在岸接泵支路向艦船供水工況下，各支路設計流量如表2所示。試驗平臺選用的岸接泵揚程為0.8 MPa(80 mH2O)，額定流量為60 m3/h。在試驗平臺中，水管網干管與各用戶支路的阻力特性均采用蝶閥進行模擬。

試驗平臺搭建完成后，首先對各區用戶支路、區間干管的阻力特性進行調試，使之與實際艦船的管網阻力匹配。調試完成后，管網各管段上的蝶閥開度和阻力特性不變。隨后，開啟各區間干管截止閥、關閉各區泵支路截止閥，使艦船各區聯通以進行岸接泵供水試驗。通過數據采集系統采集不同運行工況下的各用戶支路流量，進而對水管網系統的水力特性進行分析。

表1 試驗平臺各用戶額定工況下各支路設計流量

表2 試驗平臺岸接工況下用戶支路的設計流量 m3/h

2 艦船岸接供水直接運行試驗

水管網系統的支路水力失調程度可用實際流量與設計流量的比值衡量[10]，如式(1)所示。

(1)

式中：x為水力失調度，Qs為支路實際流量，Qg為支路設計流量。

x越接近于1，表示該支路的水力失調程度越小。此外，水力失調度越大，表示該支路的實際流量與占設計值之比越大。

表3為岸接供水工況下各用戶支路的流量分配與水力失調度。試驗結果表明，一區用戶流量偏小，僅為設計流量的80%左右，水力失調度為0.78～0.81；二區用戶流量基本達到設計值，水力失調度為0.99～1.14；三區用戶流量偏大，達到設計流量的112%左右，水力失調度為1.08～1.14。由此可見，在由岸接泵向各區供水時，艦船各區用戶流量分配不均，出現了明顯的水力失調現象，即一區用戶流量偏小，三區用戶流量偏大。主要原因是，岸接泵向艦船各區供水時，一區用戶距離岸接泵支路最遠，且與二區用戶共用同一供回干管，干管阻力損失相對最大，因此，一區用戶流量最小。

表3 艦船岸接供水時各支路試驗流量及水力失調度

3 艦船岸接供水的水力平衡措施

通過上式試驗知，岸接供水直接運行時，艦船艉部各區將出現嚴重的水力失衡。為改善此情況，提出在系統中增設3種水力平衡措施以改善系統水力失調：①動態流量平衡閥;②增壓泵及；③分流跨接管。通過試驗對3種措施在管網中的有效性和可行性進行試驗和分析。

如圖1所示，措施①在三區管網與岸接泵支路間的干管上增設動態流量平衡閥以實現對三區用戶的限流，使一、二區用戶流量增大，改善水力失衡；措施②在一區與二區用戶管網間的干管上設置增壓泵(額定流量20 m3/h，揚程0.15 MPa)，增加一區用戶冷媒水的資用壓頭，以期實現各區用戶的水力平衡的目的；措施③將岸接泵支路與一、二區用戶的區間干管通過分流跨接管相連，同時將一、二區用戶的區間干管隔斷閥關閉。在此措施中，岸接泵可通過分流跨接管向一區用戶直接供水，通過供回干管向二區、三區用戶供水，分流跨接管管徑為65 mm。

4 結果與分析

通過開關區間干管閥門，依次實現分別采用3種平衡措施后的艦船冷媒水岸接供水運行工況，試驗結果分別如表4～6所示。表4為冷媒水系統岸接供水工況在采用措施①后的艦船各支路的流量分配。結果表明，在三區干管與岸接泵支路間設置動態流量平衡閥后，三區用戶各支路流量相對于直接運行明顯減小，水力失調度減小為0.95～0.97，基本達到設計流量；二區用戶流量相對直接運行稍有增加，均為設計流量的110%；一區用戶各支路流量相對于直接運行明顯增加，約能達到設計流量的90%，水力失調度0.89～0.95。上述結果表明，采用平衡措施①即增設動態流量平衡閥后，艦船冷媒水系統在進行岸接供水工況時，各用戶支路水力失調現象得到明顯改善，但一區流量仍相對偏小。

采用措施②后的艦船各支路的流量分配見表5。從結果可知，在一區用戶與二區用戶之間設置增壓泵后，一區用戶各支路流量相對于直接運行明顯增加，基本達到設計流量的95%以上，各支路水力失調度為0.95～1.00；二區用戶各支路流量相對于直接運行稍有減少，為設計流量的95%左右；三區用戶各支路流量相對于直接運行明顯減小，水力失調度減小至1.02～1.04。上述結果表明，采用平衡措施②即設置增壓泵后，全艦各用戶支路的流量均能達到需求流量的92%以上，且分配基本平衡，水力失調問題基本解決。

表4 采用動態流量平衡閥后艦船岸接供水試驗結果

表5 采用增壓泵后艦船岸接供水試驗結果

表6為冷媒水系統岸接供水工況在采用措施(3)后的艦船各支路的流量分配。試驗結果表明，采用分流跨接管平衡措施后，一區用戶各支路流量相對于直接運行明顯增加，達到設計流量的98%，各支路水力失調度為0.97～1.03；二區用戶各支路流量達到設計流量的104%左右，其支路水力失調度為1.02～1.07；三區用戶各支路流量相對于直接運行明顯減小，達到設計流量的103.4%左右，水力失調度減小至1.01～1.05。當采用平衡措施(3)，即使岸接泵支路由分流跨接管直接向一區用戶供水、由供回干管向二、三區用戶供水時，全艦各用戶支路的流量均能達到需求流量的98%-106%，且分配基本平衡，水力失調現象消失，滿足工程實際需求。

試驗表明，設置動態流量平衡閥、增壓泵及分流跨接管3種平衡措施均能明顯改善艦船冷媒水系統岸接供水工況的水力失調現象。相較而言，采用增壓泵與分流跨接管2種措施改善水力失衡的效果更好，能使艦船用戶各支路的流量分配更均勻。

表6 采用分流跨接管后艦船岸接供水試驗結果

5 結論

試驗表明，岸接泵直接供水運行時，艦船艉部各區用戶流量分配不均，一、二和三區用戶流量分別約為需求流量的78%，102%和110%，存在明顯的水力失調現象。

提出在系統中增設動態流量平衡閥、增壓泵及分流跨接管3種水力平衡措施。結果表明，相比于直接運行：①增設動態平衡閥平衡措施后，三區各支路流量明顯減小，基本達到設計流量，一區用戶各支路流量約為設計流量的90%左右，水管網水力失調現象得到改善；②在一、二區用戶區間干管上設置增壓泵后，全艦各用戶流量達到設計流量的94.5%～102.5%，流量分配較均勻，水力失衡問題基本得到解決；③岸接泵支路由分流跨接管直接向一區用戶供水、由供回干管向二、三區用戶供水時，全艦各用戶支路的流量能達到需求流量的98%～106%，且分配較平衡，水力失調現象消失。

所提出的3種平衡措施均可有效地改善艦船艉部岸接供水工況下用戶的水力失調現象。相較而言，采用增壓泵和分流跨接管兩種措施的效果更好，能使艦船艉部用戶各支路流量分配更均勻。

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Experimental Study on Hydraulic Balance of the Shore-connected Water Supply System

ZHOU Xuan1, YAN Tian2a, HUANG Qing2b, XIE Jun-long2b, WANG Fei-fei2a

(1.China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; 2.a.Dept. of Building Environment and Energy Engineering; b.Dept. of Refrigeration and Cryogenic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

In order to solve the problem of the uneven flow distribution and hydraulic imbalance when the shore-connected water supply system runs directly, three hydraulic balance approaches were put forward by using auto-flow balancing valve, booster pump and bypass flow pipe respectively. The testing results showed that all of the three approaches can improve the hydraulic imbalance of the refrigerant water system. Among them, the use of the booster pump or the bypass flow has better performance to improve the hydraulic imbalance.

shore-connected water supply; hydraulic imbalance; auto-flow balancing; pressure relay; bypass flow pipe

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.034

2017-03-07

國家部委基金資助項目

周炫(1989—)，男，碩士，助理工程師

研究方向：艦船空調通風

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0143-04

修回日期：2017-03-27