大型艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)運(yùn)行模擬分析與試驗(yàn)

, ，，，

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064;2.華中科技大學(xué) a.建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系；b.制冷及低溫工程系，武漢 430074)

隨著艦船的現(xiàn)代化與多功能化，艦船各個(gè)用戶區(qū)均需要冷媒水以實(shí)現(xiàn)用戶的降溫與除濕。傳統(tǒng)艦船冷媒水系統(tǒng)各區(qū)獨(dú)立，用戶區(qū)之間無法實(shí)現(xiàn)冷量共享，艦船資源配置增加。此外，由于艦船使用時(shí)間、地點(diǎn)的不同，各用戶區(qū)負(fù)荷需求會(huì)發(fā)生明顯的變化，在艦船部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，冷媒水系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致用戶冷量供應(yīng)過大，溫度過低，達(dá)不到用戶區(qū)域環(huán)境溫度的要求，并會(huì)造成艦船資源的極大浪費(fèi)，因此，采用環(huán)狀干管將各區(qū)冷媒水系統(tǒng)連接起來，組成艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)艦船滿負(fù)荷下的獨(dú)立運(yùn)行工況以及部分負(fù)荷下的聯(lián)合供水運(yùn)行工況，在滿足用戶不同負(fù)荷下水量需求的同時(shí)，節(jié)省系統(tǒng)的資源浪費(fèi)。

在實(shí)際工程中，流體輸配系統(tǒng)的水力失調(diào)會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，特別是供熱空調(diào)系統(tǒng)中，流量的變化必然使其負(fù)擔(dān)輸配的冷熱量改變，導(dǎo)致失調(diào)[1]。冷媒水系統(tǒng)水力失調(diào)的原因有很多，文獻(xiàn)[2-3]分析了空調(diào)水系統(tǒng)中出現(xiàn)水力失調(diào)現(xiàn)象的原因，并對(duì)水力失調(diào)進(jìn)行了分類。文獻(xiàn)[4]通過模擬仿真的方式對(duì)影響冷媒水系統(tǒng)流量失衡的主要因素進(jìn)行了研究。目前，有不少學(xué)者對(duì)流體管網(wǎng)系統(tǒng)的水力平衡措施進(jìn)行了研究[5-7]，文獻(xiàn)[8]對(duì)動(dòng)態(tài)流量平衡閥的運(yùn)行特性進(jìn)行了試驗(yàn)分析，并驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)流量平衡閥對(duì)管網(wǎng)流量的控制效果。

艦船環(huán)狀管網(wǎng)系統(tǒng)利用環(huán)狀供回干管代替分集水器減少因遠(yuǎn)程輸送形成的壓力損失，能夠有效地提高系統(tǒng)的水力穩(wěn)定性[9]。當(dāng)艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)各區(qū)聯(lián)合供水時(shí)，用戶之間的流量會(huì)相互影響，且為適應(yīng)艦船不同的負(fù)荷需求，艦船冷媒水系統(tǒng)的運(yùn)行模式會(huì)隨之調(diào)整，其水力特性更加復(fù)雜。

為進(jìn)一步分析艦船冷媒水系統(tǒng)在不同運(yùn)行模式下的用戶的流量分配特性，文中建立艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)的模擬仿真模式與試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)不同負(fù)荷需求下多種工況進(jìn)行了模擬分析與試驗(yàn)研究，進(jìn)而獲得系統(tǒng)不同運(yùn)行模式下管網(wǎng)的流量分配特性，并通過對(duì)比進(jìn)一步分析實(shí)際艦船冷媒水系統(tǒng)的各種運(yùn)行模式的適用性。

1 艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)及其運(yùn)行特點(diǎn)

某艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)原理見圖1。系統(tǒng)共有6個(gè)區(qū)域，其中一、二區(qū)用戶為艦船艏部用戶，四、五、六區(qū)用戶為艦船艉部用戶，每個(gè)用戶區(qū)均設(shè)置有一個(gè)泵(冷氣站)支路以及多個(gè)用戶支路；三區(qū)為備用區(qū)，設(shè)置在艦船舯部，可通過環(huán)狀管網(wǎng)向各個(gè)用戶區(qū)的供水。系統(tǒng)各用戶設(shè)置有全年支路與夏季支路，可適應(yīng)艦船不同季節(jié)的工況運(yùn)行。用戶區(qū)之間通過環(huán)狀管網(wǎng)相連，通過區(qū)間閥門的開關(guān)切換可實(shí)現(xiàn)各用戶區(qū)的獨(dú)立運(yùn)行及聯(lián)合供水。

在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，支路流量可根據(jù)用戶的實(shí)際負(fù)荷需求確定，系統(tǒng)用戶總設(shè)計(jì)流量為2 500 m3/h，各支路的設(shè)計(jì)流量及支路間流量比見表1。泵支路設(shè)置了2臺(tái)水泵串聯(lián)運(yùn)行，以提供系統(tǒng)的循環(huán)動(dòng)力，用戶水泵揚(yáng)程為30 m水柱，流量為630 m3/h。艦船在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，環(huán)狀冷媒水能夠根據(jù)不同季節(jié)特點(diǎn)調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行模式：夏季及過渡季運(yùn)行時(shí)，所有用戶支路均開啟，靈活開關(guān)環(huán)網(wǎng)干管上的區(qū)間隔斷閥，實(shí)現(xiàn)艦船分區(qū)獨(dú)立供水以及全艦用戶聯(lián)合供水等多種運(yùn)行模式；冬季運(yùn)行時(shí)，關(guān)閉艦船夏季支路，切換區(qū)間閥門實(shí)現(xiàn)多用戶區(qū)聯(lián)合供水模式，以滿足支路冬季運(yùn)行時(shí)的水量需求，減少系統(tǒng)的資源浪費(fèi)。

2 系統(tǒng)仿真模型與試驗(yàn)平臺(tái)

2.1 仿真模型

采用的模擬仿真工具為FlowMaster，該軟件包括管網(wǎng)系統(tǒng)中的閥門、管段、水泵以及末端設(shè)備等多個(gè)流體元件，可對(duì)流體管路系統(tǒng)進(jìn)行完整分析，并能對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)過程進(jìn)行模擬[10]。管網(wǎng)系統(tǒng)各部件壓力與流量的關(guān)系滿足流體流動(dòng)基本阻力方程。

(1)

式中：ΔP為部件壓降，Pa；K為阻力系數(shù)；ρ為流體密度，kg/m3；v為流體流速，m/s。水泵模型可根據(jù)實(shí)際水泵參數(shù)進(jìn)行擬合得到，其具體運(yùn)行參數(shù)可由水泵特性曲線與管網(wǎng)阻力特性共同確定。

根據(jù)實(shí)際艦船冷媒水系統(tǒng)各管段的管徑、長(zhǎng)度、三通及彎頭數(shù)量等參數(shù)建立了該系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多種運(yùn)行工況的模擬分析。圖2為一區(qū)用戶系統(tǒng)的系統(tǒng)模型，由7個(gè)用戶支路Z1～Z7和1個(gè)泵支路ZB組成。其中用戶支路Z1～Z4為全年支路，支路Z1～Z5為夏季支路，泵支路設(shè)置有2臺(tái)水泵串聯(lián)以提供用戶支路的水量輸送，用戶支路的管徑與實(shí)船保持一致，各支路設(shè)計(jì)流量如表1所示，末端簡(jiǎn)化為一個(gè)阻力元件，以實(shí)現(xiàn)支路阻力特性的模擬。依次建立各區(qū)用戶管網(wǎng)模型，并通過環(huán)狀供回干管將各用戶區(qū)連接起來，進(jìn)而完成整個(gè)艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)的仿真平臺(tái)的搭建。系統(tǒng)各區(qū)之間設(shè)置了隔斷閥模型，通過閥門開關(guān)與水泵啟停指令即可控制系統(tǒng)工況切換，實(shí)現(xiàn)冷媒水管網(wǎng)系統(tǒng)的多工況模擬。

圖2 一區(qū)用戶冷媒水系統(tǒng)模型原理

2.2 試驗(yàn)平臺(tái)

為研究艦船冷媒水系統(tǒng)的水力特性，利用縮比原理搭建該系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺(tái)，各個(gè)用戶區(qū)的布置與實(shí)船保持一致，支路阻力特性采用蝶閥模擬，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的簡(jiǎn)化。冷媒水系統(tǒng)泵支路設(shè)置1臺(tái)水泵，揚(yáng)程為55 m水柱，流量為33.3 m3/h。此外，根據(jù)表1中實(shí)船各支路之間的設(shè)計(jì)流量比計(jì)算試驗(yàn)平臺(tái)各支路的設(shè)計(jì)流量，并采用經(jīng)濟(jì)流速1～3 m/s[11]匹配各支路的管徑，冷媒水系統(tǒng)各支路的設(shè)計(jì)流量及管徑見表2。試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)置了完整數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集不同運(yùn)行工況時(shí)各管段的壓力與流量。

表2 試驗(yàn)平臺(tái)各區(qū)支路設(shè)計(jì)流量

根據(jù)實(shí)船各管段的阻力損失占揚(yáng)程比依次調(diào)試試驗(yàn)平臺(tái)各管段的阻力特性，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，額定工況下用戶支路的阻力損失與泵支路的阻力損失約為7∶3。完成系統(tǒng)各管段阻力調(diào)試后，通過切換閥門與啟停水泵以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)行工況的試驗(yàn)研究。

3 水力特性評(píng)價(jià)指標(biāo)及工況描述

3.1 水力特性指標(biāo)

采用試驗(yàn)或模擬流量占支路設(shè)計(jì)流量的百分比衡量艦船用戶在不同運(yùn)行工況下的流量分配，其支路流量不平衡率σ為

(2)

式中：Xmax為流量占比的最大值，Xmin為流量占比的最小值。

分別對(duì)艦船冷媒水系統(tǒng)分區(qū)獨(dú)立運(yùn)行工況進(jìn)行模擬分析與試驗(yàn)研究，其各用戶支路的流量均基本達(dá)到設(shè)計(jì)流量，流量最大偏差值小于5%，表明艦船冷媒水系統(tǒng)模擬與試驗(yàn)平臺(tái)上各支路的阻力調(diào)試均已完成，系統(tǒng)各區(qū)獨(dú)立運(yùn)行工況能夠適應(yīng)艦船滿負(fù)荷運(yùn)行，進(jìn)一步驗(yàn)證了系統(tǒng)仿真模型與試驗(yàn)平臺(tái)的準(zhǔn)確性。

3.2 系統(tǒng)工況描述

根據(jù)實(shí)際艦船冷媒水系統(tǒng)的負(fù)荷特性及運(yùn)行特點(diǎn)，分別采用模擬與試驗(yàn)兩種方式對(duì)系統(tǒng)不同季節(jié)下的聯(lián)合供水工況進(jìn)行研究，以分析不同運(yùn)行工況下系統(tǒng)的水力特性，其主要研究?jī)?nèi)容：①夏季夜間及過渡季部分負(fù)荷運(yùn)行工況，即開啟全船所有區(qū)間隔斷閥，分別采用單泵、雙泵、三泵以及四泵向全船各個(gè)用戶支路供水，以滿足用戶不同負(fù)荷下的水量需求；②全艦聯(lián)合供水冬季運(yùn)行工況，關(guān)閉全船夏季支路，由于艦船全年支路滿負(fù)荷下的設(shè)計(jì)流量為總設(shè)計(jì)流量的40%左右，根據(jù)艦船冬季運(yùn)行特點(diǎn)，采用單泵、雙泵向全艦用戶冬季運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)全艦冬季運(yùn)行時(shí)的冷媒水量需求，其中一、二、五區(qū)用戶支路Z5～Z7，四區(qū)用戶支路Z6～Z8，六區(qū)用戶支路Z4～Z5為艦船各區(qū)夏季支路。

4 結(jié)果對(duì)比分析

4.1 夏季夜間及過渡季部分負(fù)荷運(yùn)行工況

分別對(duì)艦船環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)單泵、雙泵、三泵及四泵向全船供水運(yùn)行工況進(jìn)行模擬分析與試驗(yàn)研究，其中單泵向全船供水時(shí)，用戶流量分別能達(dá)到設(shè)計(jì)流量的20.0%～37.1%，區(qū)間流量不平衡率大于40%，系統(tǒng)出現(xiàn)了明顯的水力失調(diào)現(xiàn)象。雙泵、三泵向全船供水時(shí)，其最優(yōu)工況下用戶流量分別能達(dá)到設(shè)計(jì)流量的50%與70%左右，區(qū)間流量不平衡率小于15%，可滿足艦船用戶不同負(fù)荷(50%或70%左右)下的流量需求。表3為四泵供全船運(yùn)行時(shí)的模擬與試驗(yàn)結(jié)果。從研究結(jié)果可知，冷媒水系統(tǒng)四泵向全船聯(lián)合供水時(shí)，艦船各區(qū)用戶模擬流量與試驗(yàn)流量均能到達(dá)設(shè)計(jì)流量的80%以上，區(qū)間流量不平衡率分別為2.3%～4.0%與6.1%～14.9%，流量分配均勻性好，可作為艦船部分負(fù)荷(80%左右)時(shí)的運(yùn)行模式。研究結(jié)果進(jìn)一步表明，當(dāng)采用一、二、四、六區(qū)泵與一、二、五、六區(qū)泵聯(lián)合供水時(shí)，用戶區(qū)間流量不平衡率均小于10%，流量分配更均勻，系統(tǒng)水力特性更好。

此外，系統(tǒng)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，艦船冷媒水系統(tǒng)模擬運(yùn)行時(shí)的流量分配比試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)的流量分配更均勻，區(qū)間流量不平衡率更小，這是由于實(shí)船冷媒水系統(tǒng)用戶支路的管徑比試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)用戶支路的管徑更大，系統(tǒng)四泵聯(lián)合運(yùn)行時(shí)流量更容易平衡，水力特性更好，滿足工程實(shí)踐要求。

表3 四泵向全船供水模擬與試驗(yàn)結(jié)果 %

4.2 冬季全船聯(lián)合供水工況

關(guān)閉全船夏季支路，對(duì)單泵及雙泵供全船冬季運(yùn)行工況進(jìn)行模擬分析與試驗(yàn)研究。表4為單泵向全船供水時(shí)，各用戶區(qū)全年支路的流量分配。從結(jié)果可以看到，單泵全船冬季運(yùn)行時(shí)，各區(qū)用戶全年支路流量能到達(dá)設(shè)計(jì)流量的57.5%～71.8%，基本滿足艦船冬季工況下部分負(fù)荷(60%左右)下的水量需求，其中四區(qū)泵供全船冬季模擬與試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的區(qū)間流量不平衡率均最小，分別為5.7%與11.1%，用戶流量分配基本平衡，可作為艦船冬季部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的最優(yōu)工況。此外，通過模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，系統(tǒng)試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)流量不平衡率均小于15%，模擬實(shí)船運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)水力特性更好，表明在實(shí)際艦船中，環(huán)狀冷媒水系統(tǒng)單泵供全船冬季運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)流量更易平衡，水力特性更好。

根據(jù)艦船雙泵供全船冬季運(yùn)行時(shí)的模擬與試驗(yàn)結(jié)果可知，系統(tǒng)雙泵向全船全年支路供水時(shí)，艦船用戶模擬流量與試驗(yàn)流量可達(dá)到設(shè)計(jì)流量的95%以上，其區(qū)間模擬流量不平衡率為2.9%～4.6%，試驗(yàn)流量不平衡率為4.7%～14.9%，表明系統(tǒng)雙泵供全船冬季運(yùn)行工況能夠很好的滿足艦船冬季的負(fù)荷需求，并呈現(xiàn)出了很好的水力平衡特性，可作為艦船冬季運(yùn)行滿負(fù)荷下的運(yùn)行模式。

表4 單泵供全船冬季運(yùn)行用戶的流量分配 %

5 結(jié)論

對(duì)艦船夏季夜間與過渡季運(yùn)行工況，系統(tǒng)雙泵、三泵向全船所有用戶供水時(shí)，其用戶流量分別能達(dá)到設(shè)計(jì)流量的50%與70%左右，最優(yōu)工況下區(qū)間流量不平衡率小于10%，可滿足艦船用戶不同負(fù)荷(50%或70%左右)下的流量需求。四泵供全船所有用戶運(yùn)行時(shí)，其用戶流量分別為設(shè)計(jì)流量的80%以上，其中采用一、二、四、六區(qū)泵與一、二、五、六區(qū)泵聯(lián)合供水時(shí)，系統(tǒng)用戶區(qū)間流量不平衡率最小，可作為艦船部分負(fù)荷(80%左右)時(shí)的運(yùn)行模式。

艦船冷媒水系統(tǒng)單泵、雙泵供全船全年支路冬季運(yùn)行時(shí)，用戶流量分別到達(dá)設(shè)計(jì)流量的70%與95%左右，其支路不平衡率均小于15%，滿足艦船冬季滿負(fù)荷及部分負(fù)荷(70%)條件下用戶的水量需求。

此外，將艦船不同運(yùn)行工況下的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，系統(tǒng)模擬運(yùn)行時(shí)用戶的流量分配比試驗(yàn)平衡時(shí)用戶的流量分配更均勻，水力特性更好，表明在聯(lián)合供水工況下，由于實(shí)際艦船冷媒水系統(tǒng)管徑更大，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)用戶流量更易平衡，其水力特性更好，滿足工程實(shí)踐要求。