大型艦船環狀冷媒水系統運行模式試驗研究

金正濤

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

大型艦船環狀冷媒水系統運行模式試驗研究

金正濤

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

［目的］為了解決大型艦船環狀冷媒水系統多種工況運行時的水力平衡問題，［方法］針對該系統的形式及特點，搭建縮比試驗平臺，對系統各區獨立運行、備用泵向各區供水、單泵及多泵聯合供水等多種運行模式進行試驗研究。分析在不同運行模式下各區用戶支路的流量分配特性。［結果］試驗結果表明，當位于艦船舯部的備用泵分別向其他各用戶區供水時，各用戶支路的實際流量達到設計流量的90%以上，其水力失調度為0.89～1.02；單泵向全艦供水時，用戶試驗流量僅達到設計流量的20.0%～37.1%，區間流量最大不平衡率均大于40%，存在嚴重的水力失調現象；對于系統多泵聯合供水運行模式，雙泵、三泵、四泵聯合供水模式下的最優運行工況可滿足艦船不同負荷下的水量需求，區間流量最大不平衡率小于15%，結果能滿足工程要求。［結論］試驗結果可為實艦運行與控制提供參考依據。

環狀冷媒水系統；流量分配；水力失調度；流量不平衡率

Abstract：［Objectives］This paper presents the form and operation characteristics of a refrigerant water loop system of a large ship.［Methods］To address the flow distribution problem under different operating modes,an scaled experimental platform is developed for the system.Experiments on the backup pump water supply and single-pump and multi-pump combined water supply are carried out in order to study the flow rate distribution characteristics of the system.［Results］According to the results,when the backup pump in the middle of the ship supplies water to other zones,the flow rates of the users in each zone are all higher than 90%of the designed values,with the hydraulic imbalance degree ranging from 0.89 to 1.02.When a single pump supplies water to all users of the ship,the flow rates of the users range from 20.0%to 37.1%of the designed values,with a peak imbalance ratio higher than 40%.For the multi-pump combined water supply mode,the optimal operating conditions of the two-pump,three-pump and four-pump combined water supply modes can meet the water demands of different loads respectively,with a maximum imbalance ratio between zones of less than 15%.［Conclusions］This study may provide a reference for the operation and control of the practical system.

Key words：refrigerant water loop system；flow rate distribution;hydraulic imbalance degree；flow rate imbalance ratio

0 引 言

現代大型艦船的功能復雜、空間大、空調和冷卻系統用戶多，通常需在艦船的艏、舯、艉部設置冷氣站和循環水泵以滿足全艦各用戶的需要。艦船環狀冷媒水系統是一種利用環狀管網將艦船各區用戶集合起來的新型系統。該系統在滿足各用戶對水量（冷量）需求的同時，還可在實際運行過程中實現統一調度，從而達到優化資源配置、降低能耗的目的。

在環狀冷媒水系統中，管網通常由多個環路并聯組成，在各環路之間進行流量分配時會相互影響［1］，往往出現水力失調的現象，因此水管網系統的水力平衡調節在實際工程應用中非常重要。針對此問題，研究人員開展了研究和試驗，并提出了相應的解決方案。高會榮［2］分析了空調水系統水力失調的現象及種類，提出了設置平衡閥等解決方案。冷駿等［3］針對大型艦船集成式冷媒水系統普通空調用戶與特殊空調用戶并聯運行時存在流量分配困難的問題，提出了支路雙流量并聯運行的優化設計方案。王婷［4］和張慶［5］對供熱管網的水力失調現象以及平衡措施進行了分析探討。劉樂［6］研究空調水系統的可調性，提出了一種基于能量分配的動態平衡技術。趙宗峰［7］通過試驗驗證了多熱源環狀供熱管網水力計算模型，分析了系統的水力特性。蔡悠笛等［8］和汪訓昌［9］結合實例研究了流量平衡閥在水系統平衡調試中的應用。孫晉飛［10］通過模擬與試驗驗證了動態流量平衡閥對管網流量的控制效果。

上述研究主要是針對空調冷媒水系統的常規工況，對于特殊的低負荷工況較少涉及。對于大型艦船低負荷工況，艦船環狀冷媒水系統可通過單泵以及多泵聯合供水等運行模式來滿足艦船的負荷需求，從而節約資源。此外，為保證冷媒水系統穩定運行，在艦船舯部設置備用泵（冷氣站）并接入環狀管網的方法，可用于應對其他用戶區的水環網突發故障。為適應不同的負荷需求，艦船環狀冷媒水系統的運行模式必將隨之改變，系統各種工況的水力特性也有待進一步的探討。

為降低試驗成本，本文將根據實艦環狀冷媒水系統的形式及運行特點，利用縮比原理搭建環狀冷媒水系統的模擬試驗平臺。在此平臺上，開展環網分區獨立調試運行、備用泵支路向艦船其他區供水、單泵和多泵聯合向全艦供水等多種工況的試驗，并對各工況下水管網系統的流量分配特性進行分析。試驗分析結果可為實艦環狀冷媒水系統的運行與控制提供參考依據。

1 系統及其運行特點

在現代艦船中，空調或冷卻用戶位置分散、距離遠、用途各異，冷媒水系統管網一般也比較長，所以需在艦船的艏、舯及艉部設置冷氣站和泵支路，以滿足各區用戶的冷量需求及保障水環網的穩定運行。圖1所示為本文采用的艦船環狀冷媒水系統設計方案。由圖可見，全艦系統被劃分為5個用戶區和1個備用區，各區配置相同的水泵，各用戶區均設有水泵（冷氣站）支路，以服務各區內用戶支路Z1～Z7（Z8或Z5）。圖中：YH為用戶末端；DY為水管網定壓點；設置在艦船艏部的1，2區為用戶區；設置在艦船艉部的4，5，6區為艉部用戶區；設置在艦船舯部的3區為備用區，該區配置的水泵作為備用泵分別向各區備用供水。系統各區通過環狀干管與跨接管相連，并設置隔斷閥，通過閥門切換來實現各區的獨立或聯合供水。

圖1 艦船環狀冷媒水系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of ship refrigerant water loop system

根據艦船各空調用戶的負荷確定每條支路的流量，據此選擇艦船環狀冷媒水系統每條支路的管徑。然后，計算每條環路的阻力損失以選擇水泵型式。在實際運行中，當支路阻力特性不變時，各區用戶采取獨立運行模式可滿足每條支路的滿負荷流量需求。當任意分區水泵發生故障時，備用區可通過環狀干管與跨接管分別向各用戶區供水。此外，在不同負荷需求下，通過切換閥門，艦船環狀冷媒水系統采取多泵并聯方式向環狀總管供水的同時，在滿足全艦不同負荷下用戶水量需求的情況下，可以節省系統的資源。

2 試驗縮比及平臺搭建

試驗平臺按照實際艦船環狀冷媒水系統的布局及流量分配比進行設計。因實艦的冷媒水系統結構復雜、管路尺寸大、操作難度高，本文擬利用縮比原理搭建平臺系統進行試驗。根據流體力學知識，管網各支路分配流量比與各支路1/之比相等，其中：S為各支路管網阻抗，也稱阻力系數，該值僅與管網本身的物理特性有關。由于管網水力平衡調節的核心是控制各支路之間的流量分配比例關系，故只需在試驗管網中構建出與實艦一致的1/比值關系，即可達到縮比目的。設計流量是指在空調正常工況下水泵應提供的冷媒水流量。根據實艦設計流量比，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。然后，將流速控制在1～3 m/s［11］之間，使實艦環狀冷媒水系統與試驗平臺管網管道內的流量均處于紊流狀態，而流體流動處于阻力平方區，管網流量分配僅與管網各個管段的阻抗之比相關。在進行縮比試驗時，試驗平臺管網的各支路流量分配比與實艦環狀冷媒水系統的各支路流量分配比一致，即分區內各支路流量占分區設計總流量的比例相同。此時，各支路間的阻抗比值與實艦環狀冷媒水系統各支路的阻抗比值也相同，這反映了實艦環狀冷媒水系統的流量分配特性。表1所示為搭建的系統各區用戶（不含3區備用區）的設計流量值。表中：流量占比為支路設計流量占泵設計流量的比值，其值與實艦的保持一致。

表1 各區用戶支路的設計流量Table 1 Designed flow rate of the users in each zone

搭建環狀冷媒水系統試驗平臺時，各區用戶及其支路的布置與實艦的一致。確定各支路流量后，根據1～3 m/s流速的設計原則，進一步確定各支路的管徑。泵支路與干管管徑均為DN65（mm），其他各用戶支路管徑如表2所示。

表2 各區用戶支路的管徑Table 2 Pipe diameters of the users in each zone

試驗平臺管網系統的各用戶區之間設置隔斷截止閥，通過開關閥門可實現各區用戶采用獨立或聯合供水運行等多種形式。各區泵支路、用戶支路、區間干管上均安裝有蝶閥，以模擬實艦上對應的管段、設備等組件的阻力。

系統各分區水泵的揚程為0.55 MPa，額定流量為33.3 m3/h。根據經驗，實艦用戶支路管網和水泵支路的阻力損失分別約占水泵揚程的70%和30%。在對試驗平臺進行調試時，關閉干管截止閥使各分區能獨立運行，通過調節截止閥使各支路流量達到設計值。調節蝶閥，以使管網中各分區之間的干管阻抗與預先通過模擬獲得的實艦上對應管段的阻抗保持一致。

試驗平臺配備有完整的數據采集系統，可通過設置在平臺上各干管、支路的測點采集試驗供水、回水壓力和流量等數據。

3 平臺驗證及工況試驗

完成上述調試后，可對各用戶區獨立運行進行校驗。通過試驗可知，各區用戶支路的實際流量均能達到設計值，相對偏差為±0.02。

隨后，在試驗平臺上開展環狀冷媒水系統的其他運行模式試驗。主要包括如下：

1）備用泵供水工況試驗，模擬艦船其他分區水泵支路存在突發故障的情況。通過設在舯部的備用泵支路向其他各區分別供水，以校驗其能否滿足5種工況下的水量需求。

2）單泵向全艦供水工況的試驗，校驗單臺水泵向全艦用戶供水的能力。主要過程為：開啟各區間的隔斷閥和某一分區的水泵支路，以及關閉其他各區水泵支路進行6種工況（含備用泵）下的單泵向全艦供水試驗。

3）多泵聯合向全艦供水運行試驗，校驗多臺水泵向全艦用戶供水的能力。主要過程為：開啟各區間的隔斷閥和若干分區的水泵支路以及關閉其他水泵支路，分別實現雙泵、三泵及四泵向全艦供水工況的試驗。試驗工況共55種（含備用泵），包括雙泵15種、三泵20種及四泵20種。

4 試驗結果與分析

通過開關區間干管、分區水泵支路閥門，依次實現備用泵供水工況、單泵向全艦供水工況和多泵聯合向全艦供水運行工況試驗。試驗完成后，得到的結果分別如表3～表5所示。

表3 備用泵向全艦各區用戶供水時各支路的試驗流量Table 3 Testing flow rate of each branch when backup pump to supply water for all user zones

表4 單泵向全艦各區用戶供水時各支路的試驗流量Table 4 Testing flow rate of each branch when single pump to supply water for all user zones

表5 多泵采用最優工況向全艦各區用戶供水時各支路的試驗流量Table 5 Testing flow rate of each branch when multi-pumps to supply water for all user zones in optimal operating mode

本文采用水力失調度分析備用泵供水工況中其他各區用戶支路的流量分配特性［1］。水力失調度的定義如式（1）所示。

式中：xi為被衡量管路的水力失調度，該值越接近于1，表明支路的水力失調程度越小；Qsi為支路實際試驗流量；Qgi為支路設計流量。

表3為備用泵分別向全艦各區用戶供水時用戶支路的試驗流量與水力失調度。從試驗結果可知，備用泵分別向各區用戶供水時，用戶支路的試驗流量基本能達到設計流量。其中，向1，2，4，5，6區分別供水時水力失調度為0.94～1.02，流量分配滿足設計需求，即水力失調度宜為0.9～1.1，這些用戶區都可達到水力平衡；向5區用戶供水時，因備用泵區3區～5區管網的跨接管較長，阻力損失較大，導致5區用戶支路的實際流量相對偏小，水力失調度為0.89～0.92，但此時用戶區各支路流量能達到90%左右，且流量分配較均勻，仍可滿足該區水流量的需求。

上述結果表明，當艦船的其他分區水泵支路存在突發故障時，備用泵支路能對該區進行備用供水，以滿足其用水需求，且不存在水力失調現象，能滿足工程要求。

本文用試驗流量與設計流量之比以及支路流量最大不平衡率表征單泵、多泵向全艦各用戶區供水時的流量分配特性。其中，流量最大不平衡率的計算公式如下：

流量最大不平衡率=（試驗流量與設計流量比值的最大值-試驗流量與設計流量比值的最小值）/試驗流量與設計流量比值的最大值×100%

表4所示為單泵向全艦各用戶區供水時各區用戶的流量分配值。表中I～XI運行工況分別表示為：1區泵向全艦供水；2區泵向全艦供水；3區（備用）泵向全艦供水；4區泵向全艦供水；5區泵向全艦供水；6區泵向全艦供水。各區用戶的設計流量為33.30 m3/h。I～XI運行工況下的流量最大不平衡率分別為45.8%，40.1%，40.4%，42.6%，43.0%，40.9%。由試驗結果可知，各用戶區的試驗流量僅達到設計流量的20.0%～37.1%，各區用戶流量最大不平衡率均大于40%，存在明顯的水力失調現象。

對于多泵聯合運行向全艦各用戶區供水的工況，因水泵存在多種組合方式，故多泵聯合供水有多種不同的運行工況。試驗時，依次對雙泵、三泵以及四泵向全艦供水的所有運行工況進行試驗。由試驗結果可知，各運行工況下各區用戶的流量最大不平衡率分別為13.9%～42.6%，6.4%～31.5%，6.1%～26.3%。根據用戶的流量最大不平衡率可知，流量不平衡率最小的工況可以認為是多泵聯合運行向全艦供水的最優工況。

表5所示為多泵聯合運行向全艦各用戶區供水時最優工況的試驗結果。表中I～III運行工況分別表示為：雙泵（1，4區泵）向全艦供水；三泵（1，2，5區泵）向全艦供水；四泵（1，2，5，6區泵）向全艦供水。各區用戶的設計流量為33.30 m3/h。I～III運行工況下的流量最大不平衡率分別為13.9%，6.4%，6.1%。

雙泵最優工況為1區泵與4區泵向全艦供水的工況，該工況下用戶試驗流量達到設計流量的46.7%～51.8%，可滿足系統50%負荷時的水量需求，區間流量最大不平衡率為13.9%，流量分配不均勻程度較小；三泵最優工況為1，2，5區泵向全艦供水的工況，該工況下用戶試驗流量達到設計流量的70.5%～75.3%，滿足系統部分負荷（如70%）時的水量需求，區間流量最大不平衡率僅為6.4%，無水力失調現象；四泵最優工況為1，2，5，6區泵向全艦供水的工況，該工況下用戶試驗流量達到設計流量的84.2%～89.6%，可滿足系統80%負荷下的水量需求，區間流量最大不平衡率為6.1%，流量分配較均勻，無水力失調現象，滿足工程設計要求。

上述試驗結果表明，系統采用單泵向全艦各用戶區供水運行時，艦船用戶流量分配不均，存在明顯的水力失調現象；雙泵、三泵、四泵聯合供水運行模式下的最優工況均能滿足艦船不同負荷時的水量需求，且不存在水力失調現象。

5 結 語

本文研究了艦船環狀冷媒水系統的運行特性，利用縮比原理搭建了該系統的試驗平臺。通過試驗研究了備用泵供水工況、單泵向全艦供水工況、多泵聯合向全艦供水運行工況下各用戶區支路的流量分配特性，進一步分析了系統多種運行工況的可行性。試驗結果表明：

1）當艦船其他分區水泵支路存在突發故障時，備用泵支路能對該用戶區進行備用供水，用戶區支路的試驗流量基本達到設計流量，其水力失調度為0.89～1.02，不存在水力失調現象，能滿足用水需求和工程要求。

2）單泵向全艦供水時，各用戶區的試驗流量僅達到設計流量的20.0%～37.1%，各用戶區流量最大平衡率均大于40%，存在明顯的水力失調現象。

3）雙泵、三泵、四泵聯合供水模式下的最優運行工況分別能滿足50%，70%，80%不同負荷時的水量需求，用戶區之間的流量最大不平衡率小于15%，能滿足工程要求。

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Experimental study on operating modes of refrigerant water loop system of large ships

JIN Zhengtao
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

U664.86

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.05.015

2017-02-13< class="emphasis_bold">網絡出版時間：

時間：2017-9-26 10:29

金正濤（通信作者），男，1979年生，碩士，高級工程師。研究方向：船舶系統。E-mail：81562849@qq.com

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170926.1029.008.html期刊網址：www.ship-research.com

金正濤.大型艦船環狀冷媒水系統運行模式試驗研究［J］.中國艦船研究，2017，12（5）：120-125.

JIN Z T.Experimental study on operating modes of refrigerant water loop system of large ships［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（5）：120-125.