運用PIPENET軟件優化復雜中央淡水冷卻系統

王樹山，都基旭，余 婭

（大連中遠船務工程有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

大連中遠船務工程有限公司建造的 MC-CLASS極地模塊運輸船的冷卻水系統用戶較多，管路布置復雜，且分為船首、船尾兩部分低溫淡水冷卻系統[1]，如圖1所示。其中艏部淡水冷卻水系統主要設備包括：3臺中央淡水冷卻器、2臺低溫淡水泵、4臺主發電機組、港泊發電機組、側推電機、側推變頻器、側推變壓器、MGO冷卻器和其他設備。艉部淡水冷卻水系統主要設備包括：3臺中央淡水冷卻器、2臺低溫淡水泵、艉側推電機、艉側推變頻器、艉側推變壓器、2臺主推進電機、主推進變壓器、主推進變頻器、變距槳液壓泵站、中間軸承、齒輪箱和其他設備。

為了檢驗冷卻水系統是否滿足各用戶使用要求，提供足夠流量的冷卻水，為各設備用戶進行熱交換；為了更合理地分配冷卻水流量，節省現場調試施工工期[1]，以艏部系統為例，采用PIPENET軟件[2]對冷卻水系統進行分析并優化設定各設備冷卻水流量。

圖1 船舶淡水冷卻系統的管網模型

1 應用軟件優化艏部冷卻水系統流量

1.1 PIPENET軟件介紹

PIPENET軟件起源于二十世紀七十年代的劍橋大學，總部設在英國劍橋，并在全球多個國家和地區設有分支機構，已為全球工業服務 40年。PIPENET軟件包含3個主要模塊[2]。

1）標準模塊

該模塊擁有廣泛的工業用途，進行穩態工況下流體（液體、氣體、蒸汽）的水力計算。包括：系統的流場分布和阻力的計算、管道（或風道）和設備（泵、閥門、孔板等等）的選型和優化、異常工況（管道堵、漏和破裂）的模擬等。

2）消防模塊

該模塊是目前國際工程界獨一無二的專業消防系統設計計算軟件，符合美國消防協會（NFPA）、英國消防協會（FOC）以及國標（GB）等消防規范對消防系統設計的各種強制性計算要求。可滿足艦船、海洋平臺、石油、化工和電站等行業對消防系統的嚴格且特殊的設計要求。

3）瞬態模塊

該模塊模擬由于設備啟停、閥門操作等因素造成的管網內流場的變化；計算系統壓力及流量波動，分析水擊或汽錘，驗證系統對動態工況的響應性；檢驗控制系統在瞬態情況下是否會控制失效，最終達到快速、準確、高效和安全的建設目標。

PIPENET軟件具有高效、簡潔、準確的管網系統計算工具，管網水力計算、樹狀管網與環狀管網計算、多水源系統模擬等；流體包括液體、氣體及蒸汽等。基本涵蓋所有類型管網。

本文采用 PIPENET軟件的標準模塊，對冷卻水系統流量分配進行優化，調節使冷卻水系統達到平衡，并優化各冷卻水用戶的流量，提高整個冷卻時系統工作效率。

1.2 艏部冷卻水系統流量優化分配

艏部有1臺淡水離心泵只提供MGO CHILLER、主發電機和空調等系統的換熱，主發電機組的柴油機的換熱由其自身機帶泵提供動力循環，其中還涉及到了高低溫水混流的情況[3]。根據實際管路布置走向，在PIPENET軟件中構建管網模型（圖1），再簡化為管線圖，如圖2所示。

圖2 艏部冷卻水系統管線圖

將整個冷卻水系統建模后，需設置邊界條件，加入泵的性能曲線。此系統中，可以看作5個泵并聯，均從板冷出口進行出水，需要有5個出入口，如圖3所示。

根據以上條件運行整個系統，得出初步分析結論，可以發現流量、溫度不平均的設備，以及發現超出循環泵工作范圍的不正常工作點。再根據設計需求，調節流量偏大的設備，其中，甲板機械液壓動力單元（HPU）處于18 m高的位置，且管徑較細，容易產生壓力不足和流量不夠的現象，需要關注調節此處的壓力與流量，保證各實際工況下均能正常工作。

圖3 泵性能曲線

2 實船測量

根據以上 PIPENET軟件模擬結果，在試航期間對相應管路進行流量測量[3]。采用超聲波流量計，如圖4所示。由測量裝置和連接到測量裝置上的顯示裝置組成，可以實時測出管路中流體的實際流量。

圖4 對相應管路進行流量測量

測量結果見表1。

切換到各個點壓力界面，驗證設備的進出口壓力，發現HPU甲板機械的進口壓力為0.081 1 MPa，出口壓力為0.040 5 MPa，并沒有產生壓力不夠的現象。工作中的5個泵工作點位置如圖5所示，對于第1個離心泵廠家給出的泵的工作點應當為700 m3/h，0.3 MPa，實際調整后為687.57 m3/h，0.297 MPa。

表1 冷卻水用戶流量分配

3 結論

通過 PIPENET軟件模擬冷卻水系統工況，發現當達到所有用戶的換熱量與流量時，單臺板冷換熱量為5 750 kW，實際訂貨的板冷為8 200 kW。因此，板冷滿足要求，并且保證設計要求余量。各個用戶的要求流量與實際調節流量（表1）。在所有閥門全開的狀態用戶流量均偏大，可以從表1中看出需要重點調節的設備有包括：主發動機與發電機、空調部分、MGO CHILLER、推進器變頻器等。同時，給出節流孔孔板或閥門開度的指導。

圖5 5個工作泵的實際工作點

通過以上結論，運用 PIPENET軟件模擬分析管路系統，實現如下功能：校核管徑選擇是合理的；校核系統達到熱平衡計算結果，滿足各個用戶的換熱量；預測在冷卻水運行過程中達到平衡時閥門的調節狀態，指導現場施工調試，切實減少施工工時；校核板冷的選擇滿足整體換熱量要求；找出各個泵的實際工作工況點，有利于對泵工作狀態的調整；預測檢驗各個工況下可以滿足各設備正常運行所需的換熱量。通過實船對部分管路進行測量，驗證軟件計算結果較為可靠。