發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)循環(huán)水系統(tǒng)建設(shè)要素分析

摘要：旨在通過(guò)循環(huán)水系統(tǒng)中水量、水壓及水質(zhì)要素對(duì)系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)濟(jì)及技術(shù)影響的分析，對(duì)優(yōu)化建設(shè)方案，選擇合理的運(yùn)行模式進(jìn)行分析，用以節(jié)約項(xiàng)目前期建設(shè)投入。通過(guò)對(duì)相關(guān)研究資料的整理及查閱，結(jié)合自身的經(jīng)驗(yàn)，首先對(duì)用水特點(diǎn)及常見(jiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，隨后從水量、水壓及水質(zhì)3個(gè)建設(shè)要素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)的影響進(jìn)行了分析，由此得出了發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，需配套建設(shè)循環(huán)水系統(tǒng)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)本身用水特點(diǎn)，節(jié)省系統(tǒng)后期運(yùn)行維護(hù)成本，減少因水系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量造成的試驗(yàn)故障。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)設(shè)施循環(huán)水建設(shè)要素水量水壓水質(zhì)建設(shè)方案

中圖分類(lèi)號(hào)：TK401

AnalysisoftheConstructionElementsoftheCirculatingWaterSysteminEngineDevelopmentTests

ZHANGQian

AECCHunanAviationPowerplantResearchInstitute，Zhuzhou，HunanProvince，412002China

Abstract：Byanalyzingtheeconomicandtechnologicalimpactsoftheelementsuchaswaterquantity，waterpressureandwaterqualityonsystemconstructioninacirculatingwatersystem，thearticleaimstoanalyzetheoptimizationoftheconstructionplanandtheselectionofareasonableoperatingmode，soastosaveinvestmentintheearlyconstructionoftheproject.Bythecollationandreviewofrelevantresearchdata，combinedwiththeauthor'sownexperience，thisstudyfirstbrieflyanalyzesthecharacteristicsandcommonproblemsofwateruse， thenanalyzestheimpactofthethreeconstructionelementsofwaterquantity，waterpressureandwaterqualityonenginedevelopmenttests，andconcludesthatintheinfrastructureconstructionofenginedevelopmenttests，itisnecessarytobuildthecirculatingwatersystem.Basedonthewatercharacteristicsoftheenginedevelopmenttestitself，theoperationandmaintenancecostsofthissysteminthelaterstagearesaved，andthetestfailurescausedbytheoperationqualityofthewatersystemarereduced.

KeyWords：Infrastructure;CirculatingWater;Constructionelement;Waterquantity;Waterpressure;Waterquality;Constructionscheme

根據(jù)國(guó)家建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)的要求，在發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)配套水系統(tǒng)建設(shè)中，應(yīng)充分考慮水資源的利用效率，建設(shè)優(yōu)質(zhì)高效的循環(huán)水系統(tǒng)。循環(huán)水系統(tǒng)一般分為敞開(kāi)式和封閉式兩大類(lèi)。封閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)對(duì)于較大型循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，冷卻設(shè)備比較龐大復(fù)雜。發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)區(qū)往往由多個(gè)試驗(yàn)廠房（試車(chē)臺(tái)）組成，系統(tǒng)較大，用水點(diǎn)多且分散，所以一般采用敞開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)。本文針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)對(duì)循環(huán)水的需求特性，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)前期的建設(shè)方案要素進(jìn)行探討，為發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)設(shè)施建設(shè)中循環(huán)水系統(tǒng)建設(shè)方案選擇提供思路。

1用水特點(diǎn)及常見(jiàn)問(wèn)題

1.1用水特點(diǎn)

水因具有很好的流動(dòng)性、穩(wěn)定性及不可壓縮，且比熱容相對(duì)較大，在吸收相同的熱量下，變化的溫度相對(duì)較小故被廣泛用作設(shè)備冷卻介質(zhì)。在發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)中，無(wú)論是機(jī)械試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)還是整機(jī)試驗(yàn)，因用水設(shè)備差異性與用水不確定性，有著區(qū)別于其他工業(yè)循環(huán)用水的顯著特點(diǎn)[1]。

1.2常見(jiàn)問(wèn)題

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)基地采用泵直供且采用統(tǒng)一規(guī)格的水泵，小流量試驗(yàn)時(shí)設(shè)備運(yùn)行損耗大，能源消耗大；某發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)強(qiáng)度試驗(yàn)廠房共用給回水管，用水差異較大的試驗(yàn)設(shè)備，某試車(chē)臺(tái)在試驗(yàn)中設(shè)備循環(huán)水進(jìn)水壓力0.43MPa，回水壓力0.42MPa，回水不暢，水溫超高，只能采用直排的方式來(lái)降低溫度；某試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)氣源廠房發(fā)現(xiàn)設(shè)備進(jìn)水水壓不足，經(jīng)檢查設(shè)備進(jìn)水的過(guò)濾器發(fā)現(xiàn)有泥沙淤積，增大了設(shè)備進(jìn)水的壓力損失[2]。

2循環(huán)水系統(tǒng)建設(shè)的要素及影響

2.1水量

循環(huán)水量直接決定了發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施中循環(huán)水系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模的大小。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制這種非連續(xù)、非同時(shí)設(shè)備全開(kāi)用水的試驗(yàn)區(qū)建設(shè)過(guò)程中，只有合理的循環(huán)水量才能節(jié)約項(xiàng)目投資成本，最大限度地利用水資源，且達(dá)到理想的用水效果[3]。

2.1.1水量的確定

確定系統(tǒng)的循環(huán)水量先需確定單臺(tái)設(shè)備的用水需求。一般來(lái)說(shuō)，設(shè)備用水的數(shù)據(jù)廠家會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值提供，有的需通過(guò)水力計(jì)算校核，如水力測(cè)功器。

以美國(guó)康恩公司404-020水力測(cè)功器為例，其給出計(jì)算公式如下：公式如下：

Qmax=14.33P/（t2-t1）（1）

式（1）中：Qmax為流量，單位為（L/min）；P為吸收功率，單位為kW；t1為進(jìn)水溫度，單位為℃；t2為出水溫度，單位為℃。

根據(jù)測(cè)功器給出進(jìn)水溫度限值t1=32℃以?xún)?nèi)，出水溫度上限值t2=70℃，測(cè)功器最大吸收功率Pmax=1193kW，即可計(jì)算出Qmax=450L/min，從而確定該設(shè)備的循環(huán)水量。

當(dāng)單臺(tái)設(shè)備循環(huán)水量確定之后方可計(jì)算總循環(huán)水量。某航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)區(qū)對(duì)轉(zhuǎn)槳扇綜合試驗(yàn)器提供用水量數(shù)據(jù)為40m3/h，而用氣設(shè)備渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力渦輪試驗(yàn)器提供用水量數(shù)據(jù)為1800m3/h，配套氣源設(shè)備中某型壓縮機(jī)用水量為340m3/h。根據(jù)試驗(yàn)器本身的性質(zhì)決定的用水量的不同，并考慮開(kāi)車(chē)組合及各試車(chē)臺(tái)同時(shí)試車(chē)率，可將用水設(shè)備分系統(tǒng)建設(shè)，效率低的循環(huán)水系統(tǒng)。

2.1.2水量對(duì)系統(tǒng)建設(shè)的影響

（1）總水量的大小決定了系統(tǒng)水池的大小。

①敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水的系統(tǒng)容積宜小于小時(shí)循環(huán)水量的1/3。當(dāng)按下式計(jì)算的系統(tǒng)容積超過(guò)前述規(guī)定時(shí)，應(yīng)調(diào)整水池容積[3]。

V=Vf+Vp+Vt（2）

式（2）中：V為系統(tǒng)容積，單位為m3；Vf為設(shè)備中的水容積，單位為m3；Vp為管道容積，單位為m3；Vt為水池容積，單位為m3。注：考慮今后的發(fā)展，在場(chǎng)地允許的條件下還是要盡量按上限值設(shè)計(jì)。

②根據(jù)需求不同，系統(tǒng)會(huì)設(shè)計(jì)有一個(gè)或者多個(gè)水池。

（2）循環(huán)水量的變化決定了系統(tǒng)中設(shè)備處理流量的選擇。

冷卻塔處理水量應(yīng)根據(jù)換熱設(shè)備的數(shù)量及工況進(jìn)行選擇。循環(huán)水量的大小決定了選擇冷卻塔與整個(gè)試驗(yàn)區(qū)運(yùn)行工況進(jìn)行匹配。根據(jù)循環(huán)水量的變化組合使用冷卻塔可以最大程度地利用冷卻塔效率，降低設(shè)備空載率及故障率，達(dá)到節(jié)約投資、減少運(yùn)行成本、節(jié)省能耗的目的[4]。

水泵的流量選型取決于循環(huán)水量的大小變化。采用泵直供的壓力流為試驗(yàn)設(shè)備提供循環(huán)冷卻水的系統(tǒng)中，需合理選用水泵運(yùn)行供水，盡量接近水泵自身特性曲線中的高效率段，冷卻塔與水泵進(jìn)行流量匹配；采用高位水池/水塔重力流供水的系統(tǒng)中，水泵流量選型可在冷卻塔選型確定后與冷卻塔匹配。

（3）設(shè)備用水量的大小決定了循環(huán)水管網(wǎng)管徑。

輸配水管網(wǎng)作為一次性投入的基建項(xiàng)目，其管徑大小取決于輸水量的大小。在管網(wǎng)建設(shè)中，考慮采用經(jīng)濟(jì)流速來(lái)平衡投資與運(yùn)行費(fèi)用，使管網(wǎng)設(shè)計(jì)更加合理[5]。

2.2水壓

發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施中設(shè)備對(duì)循環(huán)水壓力的要求至關(guān)重要，只有根據(jù)設(shè)備對(duì)循環(huán)水壓力和精度要求，對(duì)進(jìn)行整體分項(xiàng)統(tǒng)籌考慮，才能夠合理建設(shè)試驗(yàn)區(qū)循環(huán)水系統(tǒng)，減少投資，提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性[6]。

2.2.1水壓的確定

單臺(tái)設(shè)備的進(jìn)口所需壓力值由廠家給定，一般為0.3～0.4MPa。少數(shù)試驗(yàn)設(shè)備所需水壓達(dá)到4MPa。供水壓力需保持穩(wěn)定，壓力波動(dòng)值一般為±7kPa。出于流量及壓力的考慮，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)區(qū)內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)建議分為：一般試驗(yàn)、供用氣試驗(yàn)及水力測(cè)功3個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)。少數(shù)需要高壓水的試驗(yàn)設(shè)備可單獨(dú)考慮水池水泵進(jìn)行增壓[7]。

2.2.2水壓對(duì)系統(tǒng)建設(shè)的影響

（1）水壓要求決定水池形式與數(shù)量。

在水力測(cè)功器循環(huán)水系統(tǒng)建設(shè)中應(yīng)考慮高位水池/水塔或采用可靠性高的穩(wěn)壓供水設(shè)備，保障系統(tǒng)供水的連續(xù)及水壓的穩(wěn)定。由于設(shè)備及試驗(yàn)狀態(tài)不同，可能導(dǎo)致設(shè)備出水不暢，散熱效果差，應(yīng)適當(dāng)考慮中間水池，讓設(shè)備回水與大氣接通以減小回水阻力。對(duì)于高壓用水設(shè)備，需單獨(dú)建設(shè)水泵吸水池[8]。

（2）系統(tǒng)水壓大小決定了水泵的揚(yáng)程選擇。

對(duì)于系統(tǒng)循環(huán)主水泵，其揚(yáng)程與循環(huán)水系統(tǒng)所需要的水壓一致。如設(shè)有中間水池或高壓水泵吸水池，其水泵揚(yáng)程可參照系統(tǒng)所需水壓計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。與實(shí)際接近的壓力計(jì)算值可使所選擇的水泵工況點(diǎn)處于水泵運(yùn)行的高效段。

（3）水壓的變化影響管網(wǎng)的建設(shè)。

為保障水力測(cè)功器正常工作，通常在水池/水塔單獨(dú)設(shè)置供水管接入用水設(shè)備。對(duì)于其他試驗(yàn)設(shè)備，循環(huán)水系統(tǒng)需考慮采用放大回水管徑或建設(shè)中間回水池的方式來(lái)削弱設(shè)備回水之間的影響。

2.3水質(zhì)

在循環(huán)水系統(tǒng)中，處理水溫符合散熱器的要求試驗(yàn)才能正常進(jìn)行。而采用敞開(kāi)式循環(huán)的水系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，導(dǎo)致循環(huán)水的溶解氧一直處于飽和狀態(tài)，鈣鎂離子析出傾向增大，可能造成試驗(yàn)設(shè)備換熱效率降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成設(shè)備的腐蝕，引發(fā)事故。故在發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)循環(huán)水設(shè)施建設(shè)中，應(yīng)選用適當(dāng)?shù)睦鋮s設(shè)備以及冷卻水處理的設(shè)施設(shè)備[9]。

2.3.1水質(zhì)的確定

水溫?cái)?shù)據(jù)由用水設(shè)備提供。發(fā)動(dòng)機(jī)研制采用的試驗(yàn)設(shè)備，其溫差為10℃左右；水力測(cè)功器溫差在28℃左右。對(duì)于有特殊要求則由設(shè)備配套考慮降溫措施。

敞開(kāi)式循環(huán)水系統(tǒng)的用水設(shè)備一般會(huì)提出用水條，如表1所示；當(dāng)用水設(shè)備對(duì)水質(zhì)要求不明確時(shí)，可參考敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[3]。

2.3.2水質(zhì)對(duì)系統(tǒng)建設(shè)的影響

（1）水溫決定冷卻塔選型。循環(huán)水系統(tǒng)中，降低水溫由冷卻塔實(shí)現(xiàn)。因此對(duì)水溫的要求決定了冷卻塔選型。在發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)的處理水溫及溫差要求下，常考慮選用高溫型冷卻塔。

（2）水質(zhì)要求決定配套水處理設(shè)施的建設(shè)。試驗(yàn)基地采用自來(lái)水作為循環(huán)水水源，但水質(zhì)要求存在差異，如生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中總硬度（以Ca2+計(jì)）450mg/L，高于敞開(kāi)式循環(huán)冷卻水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許值200mg/L。某航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)區(qū)2014年水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果為：目測(cè)可見(jiàn)較多藻類(lèi)；pH值：8.62；總硬度（以Ca2+計(jì)）：106.92mg/L。該區(qū)循環(huán)水未經(jīng)處理，檢測(cè)項(xiàng)目略高于離心機(jī)的水質(zhì)要求限值，因此還需要采取一定的水處理措施。

3結(jié)論

在發(fā)動(dòng)機(jī)研制試驗(yàn)循環(huán)水系統(tǒng)建設(shè)中，應(yīng)綜合考慮水量、水壓、水溫水質(zhì)對(duì)建設(shè)方案的影響，在方案確定時(shí)避免以往在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)的問(wèn)題，避免建設(shè)系統(tǒng)能力過(guò)小導(dǎo)致不滿(mǎn)足最終建成試驗(yàn)區(qū)的需求；對(duì)水壓的考量必須充分考慮不同設(shè)備之間水壓的相互影響，避免回水不暢導(dǎo)致的試驗(yàn)故障；水質(zhì)的考慮應(yīng)選用恰當(dāng)?shù)睦鋮s設(shè)備保障水溫，選擇適用的水處理設(shè)備保證水質(zhì)。綜合考量各項(xiàng)建設(shè)要素才能保證建成的水系統(tǒng)高效順暢運(yùn)行。

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