大型艦船環狀冷媒水系統運行模擬分析與試驗

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(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)

隨著艦船的現代化與多功能化，艦船各個用戶區均需要冷媒水以實現用戶的降溫與除濕。傳統艦船冷媒水系統各區獨立，用戶區之間無法實現冷量共享，艦船資源配置增加。此外，由于艦船使用時間、地點的不同，各用戶區負荷需求會發生明顯的變化，在艦船部分負荷運行時，冷媒水系統獨立運行會導致用戶冷量供應過大，溫度過低，達不到用戶區域環境溫度的要求，并會造成艦船資源的極大浪費，因此，采用環狀干管將各區冷媒水系統連接起來，組成艦船環狀冷媒水系統。該系統能夠實現艦船滿負荷下的獨立運行工況以及部分負荷下的聯合供水運行工況，在滿足用戶不同負荷下水量需求的同時，節省系統的資源浪費。

在實際工程中，流體輸配系統的水力失調會嚴重影響系統的穩定性，特別是供熱空調系統中，流量的變化必然使其負擔輸配的冷熱量改變，導致失調[1]。冷媒水系統水力失調的原因有很多，文獻[2-3]分析了空調水系統中出現水力失調現象的原因，并對水力失調進行了分類。文獻[4]通過模擬仿真的方式對影響冷媒水系統流量失衡的主要因素進行了研究。目前，有不少學者對流體管網系統的水力平衡措施進行了研究[5-7]，文獻[8]對動態流量平衡閥的運行特性進行了試驗分析，并驗證了動態流量平衡閥對管網流量的控制效果。

艦船環狀管網系統利用環狀供回干管代替分集水器減少因遠程輸送形成的壓力損失，能夠有效地提高系統的水力穩定性[9]。當艦船環狀冷媒水系統各區聯合供水時，用戶之間的流量會相互影響，且為適應艦船不同的負荷需求，艦船冷媒水系統的運行模式會隨之調整，其水力特性更加復雜。

為進一步分析艦船冷媒水系統在不同運行模式下的用戶的流量分配特性，文中建立艦船環狀冷媒水系統的模擬仿真模式與試驗平臺，對系統不同負荷需求下多種工況進行了模擬分析與試驗研究，進而獲得系統不同運行模式下管網的流量分配特性，并通過對比進一步分析實際艦船冷媒水系統的各種運行模式的適用性。

1 艦船環狀冷媒水系統及其運行特點

某艦船環狀冷媒水系統原理見圖1。系統共有6個區域，其中一、二區用戶為艦船艏部用戶，四、五、六區用戶為艦船艉部用戶，每個用戶區均設置有一個泵(冷氣站)支路以及多個用戶支路；三區為備用區，設置在艦船舯部，可通過環狀管網向各個用戶區的供水。系統各用戶設置有全年支路與夏季支路，可適應艦船不同季節的工況運行。用戶區之間通過環狀管網相連，通過區間閥門的開關切換可實現各用戶區的獨立運行及聯合供水。

在進行系統設計時，支路流量可根據用戶的實際負荷需求確定，系統用戶總設計流量為2 500 m3/h，各支路的設計流量及支路間流量比見表1。泵支路設置了2臺水泵串聯運行，以提供系統的循環動力，用戶水泵揚程為30 m水柱，流量為630 m3/h。艦船在實際運行時，環狀冷媒水能夠根據不同季節特點調整系統的運行模式：夏季及過渡季運行時，所有用戶支路均開啟，靈活開關環網干管上的區間隔斷閥，實現艦船分區獨立供水以及全艦用戶聯合供水等多種運行模式；冬季運行時，關閉艦船夏季支路，切換區間閥門實現多用戶區聯合供水模式，以滿足支路冬季運行時的水量需求，減少系統的資源浪費。

2 系統仿真模型與試驗平臺

2.1 仿真模型

采用的模擬仿真工具為FlowMaster，該軟件包括管網系統中的閥門、管段、水泵以及末端設備等多個流體元件，可對流體管路系統進行完整分析，并能對管網系統穩態、瞬態過程進行模擬[10]。管網系統各部件壓力與流量的關系滿足流體流動基本阻力方程。

(1)

式中：ΔP為部件壓降，Pa；K為阻力系數；ρ為流體密度，kg/m3；v為流體流速，m/s。水泵模型可根據實際水泵參數進行擬合得到，其具體運行參數可由水泵特性曲線與管網阻力特性共同確定。

根據實際艦船冷媒水系統各管段的管徑、長度、三通及彎頭數量等參數建立了該系統的仿真模型，進而實現系統多種運行工況的模擬分析。圖2為一區用戶系統的系統模型，由7個用戶支路Z1～Z7和1個泵支路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，泵支路設置有2臺水泵串聯以提供用戶支路的水量輸送，用戶支路的管徑與實船保持一致，各支路設計流量如表1所示，末端簡化為一個阻力元件，以實現支路阻力特性的模擬。依次建立各區用戶管網模型，并通過環狀供回干管將各用戶區連接起來，進而完成整個艦船環狀冷媒水系統的仿真平臺的搭建。系統各區之間設置了隔斷閥模型，通過閥門開關與水泵啟停指令即可控制系統工況切換，實現冷媒水管網系統的多工況模擬。

圖2 一區用戶冷媒水系統模型原理

2.2 試驗平臺

為研究艦船冷媒水系統的水力特性，利用縮比原理搭建該系統的試驗平臺，各個用戶區的布置與實船保持一致，支路阻力特性采用蝶閥模擬，實現平臺的簡化。冷媒水系統泵支路設置1臺水泵，揚程為55 m水柱，流量為33.3 m3/h。此外，根據表1中實船各支路之間的設計流量比計算試驗平臺各支路的設計流量，并采用經濟流速1～3 m/s[11]匹配各支路的管徑，冷媒水系統各支路的設計流量及管徑見表2。試驗平臺設置了完整數據采集系統，采集不同運行工況時各管段的壓力與流量。

表2 試驗平臺各區支路設計流量

根據實船各管段的阻力損失占揚程比依次調試試驗平臺各管段的阻力特性，根據經驗可知，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。完成系統各管段阻力調試后，通過切換閥門與啟停水泵以實現多種運行工況的試驗研究。

3 水力特性評價指標及工況描述

3.1 水力特性指標

采用試驗或模擬流量占支路設計流量的百分比衡量艦船用戶在不同運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。

分別對艦船冷媒水系統分區獨立運行工況進行模擬分析與試驗研究，其各用戶支路的流量均基本達到設計流量，流量最大偏差值小于5%，表明艦船冷媒水系統模擬與試驗平臺上各支路的阻力調試均已完成，系統各區獨立運行工況能夠適應艦船滿負荷運行，進一步驗證了系統仿真模型與試驗平臺的準確性。

3.2 系統工況描述

根據實際艦船冷媒水系統的負荷特性及運行特點，分別采用模擬與試驗兩種方式對系統不同季節下的聯合供水工況進行研究，以分析不同運行工況下系統的水力特性，其主要研究內容：①夏季夜間及過渡季部分負荷運行工況，即開啟全船所有區間隔斷閥，分別采用單泵、雙泵、三泵以及四泵向全船各個用戶支路供水，以滿足用戶不同負荷下的水量需求；②全艦聯合供水冬季運行工況，關閉全船夏季支路，由于艦船全年支路滿負荷下的設計流量為總設計流量的40%左右，根據艦船冬季運行特點，采用單泵、雙泵向全艦用戶冬季運行，以實現全艦冬季運行時的冷媒水量需求，其中一、二、五區用戶支路Z5～Z7，四區用戶支路Z6～Z8，六區用戶支路Z4～Z5為艦船各區夏季支路。

4 結果對比分析

4.1 夏季夜間及過渡季部分負荷運行工況

分別對艦船環狀冷媒水系統單泵、雙泵、三泵及四泵向全船供水運行工況進行模擬分析與試驗研究，其中單泵向全船供水時，用戶流量分別能達到設計流量的20.0%～37.1%，區間流量不平衡率大于40%，系統出現了明顯的水力失調現象。雙泵、三泵向全船供水時，其最優工況下用戶流量分別能達到設計流量的50%與70%左右，區間流量不平衡率小于15%，可滿足艦船用戶不同負荷(50%或70%左右)下的流量需求。表3為四泵供全船運行時的模擬與試驗結果。從研究結果可知，冷媒水系統四泵向全船聯合供水時，艦船各區用戶模擬流量與試驗流量均能到達設計流量的80%以上，區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，可作為艦船部分負荷(80%左右)時的運行模式。研究結果進一步表明，當采用一、二、四、六區泵與一、二、五、六區泵聯合供水時，用戶區間流量不平衡率均小于10%，流量分配更均勻，系統水力特性更好。

此外，系統模擬結果與試驗結果對比可知，艦船冷媒水系統模擬運行時的流量分配比試驗運行時的流量分配更均勻，區間流量不平衡率更小，這是由于實船冷媒水系統用戶支路的管徑比試驗平臺系統用戶支路的管徑更大，系統四泵聯合運行時流量更容易平衡，水力特性更好，滿足工程實踐要求。

表3 四泵向全船供水模擬與試驗結果 %

4.2 冬季全船聯合供水工況

關閉全船夏季支路，對單泵及雙泵供全船冬季運行工況進行模擬分析與試驗研究。表4為單泵向全船供水時，各用戶區全年支路的流量分配。從結果可以看到，單泵全船冬季運行時，各區用戶全年支路流量能到達設計流量的57.5%～71.8%，基本滿足艦船冬季工況下部分負荷(60%左右)下的水量需求，其中四區泵供全船冬季模擬與試驗運行時系統的區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荷運行時的最優工況。此外，通過模擬結果與試驗結果對比可知，系統試驗運行時流量不平衡率均小于15%，模擬實船運行時系統水力特性更好，表明在實際艦船中，環狀冷媒水系統單泵供全船冬季運行時，系統流量更易平衡，水力特性更好。

根據艦船雙泵供全船冬季運行時的模擬與試驗結果可知，系統雙泵向全船全年支路供水時，艦船用戶模擬流量與試驗流量可達到設計流量的95%以上，其區間模擬流量不平衡率為2.9%～4.6%，試驗流量不平衡率為4.7%～14.9%，表明系統雙泵供全船冬季運行工況能夠很好的滿足艦船冬季的負荷需求，并呈現出了很好的水力平衡特性，可作為艦船冬季運行滿負荷下的運行模式。

表4 單泵供全船冬季運行用戶的流量分配 %

5 結論

對艦船夏季夜間與過渡季運行工況，系統雙泵、三泵向全船所有用戶供水時，其用戶流量分別能達到設計流量的50%與70%左右，最優工況下區間流量不平衡率小于10%，可滿足艦船用戶不同負荷(50%或70%左右)下的流量需求。四泵供全船所有用戶運行時，其用戶流量分別為設計流量的80%以上，其中采用一、二、四、六區泵與一、二、五、六區泵聯合供水時，系統用戶區間流量不平衡率最小，可作為艦船部分負荷(80%左右)時的運行模式。

艦船冷媒水系統單泵、雙泵供全船全年支路冬季運行時，用戶流量分別到達設計流量的70%與95%左右，其支路不平衡率均小于15%，滿足艦船冬季滿負荷及部分負荷(70%)條件下用戶的水量需求。

此外，將艦船不同運行工況下的模擬結果與試驗結果進行對比，系統模擬運行時用戶的流量分配比試驗平衡時用戶的流量分配更均勻，水力特性更好，表明在聯合供水工況下，由于實際艦船冷媒水系統管徑更大，系統運行時用戶流量更易平衡，其水力特性更好，滿足工程實踐要求。