大型舰船环状冷媒水系统并网运行模拟分析

张轩，周炫，金正涛，李伟光

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)



大型舰船环状冷媒水系统并网运行模拟分析

张轩，周炫，金正涛，李伟光

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

针对某大型舰船环状冷媒水系统形式及特点，利用FlowMaster建立该环状冷媒水系统的模拟仿真平台。通过对环状冷媒水系统单泵、双泵、三泵以及四泵多种并网运行工况的模拟计算，分析不同运行工况下用户区内与区间的流量分配特性与水力失调情况。模拟结果表明，系统在并网运行时，各用户区内支路流量分配较均衡；单泵供全舰用户运行时，各区用户模拟流量为设计流量的26.7%～38.8%，区与区之间流量最大不平衡率为31.1%，出现明显水力失调现象；对于多泵联合供全船运行工况，各区用户模拟流量分别为设计流量的51.8%～58.4%、77.0%～76.2%、88.7%～90.8%，能适应舰船不同负荷需求，区与区之间流量最大不平衡率小于15%，流量分配较均匀，满足工程要求。

环状冷媒水系统；并网运行；流量分配；水力失调

现代大型舰船结构复杂，功能多样，一般空调舱室及特定设备用户区都需要采用冷媒水作为冷源，进而对舱室与设备进行降温或除湿[1]。传统的船舶冷媒水系统各区孤立，系统配置难度大，总体资源占用大，操作使用困难。此外，由于冷媒水系统孤立，冷量无法实现联合输送，系统运行稳定性差。为了进一步适应现代大型舰船的负荷需求，将全舰各区用户并入环网，组成一种环状冷媒水系统，进而对全舰各用户区冷媒水系统的运行模式进行统一调度调配，实现舰船各用户区的分区运行以及并网联合运行[2-7]。

与常规冷媒水系统不同，环状冷媒水系统在并网运行时，区与区之间会相互耦合，互相干扰。因此，环状水系统水力特性与流量分配的研究对系统的实际运行有着十分重要的意义[8-9]。现代舰船结构复杂，舰船冷媒水系统水力特性研究试验难度大，利用仿真平台对舰船环状冷媒水系统的水力特性进行模拟研究能够极大的减少投入的时间与成本，具有极大的工程意义。

为了进一步研究舰船环状冷媒水系统并网运行时不同运行工况下各支路流量分配特性与水力失调情况，以某大型舰船环状冷媒水系统为例，利用Flow-Master仿真软件建立了该环状冷媒水系统的模拟仿真平台，对系统单泵、双泵、三泵以及四泵多种并网运行工况进行了模拟计算，研究了系统在不同运行工况下各个用户区内以及区间的流量分配情况与水力失调现象。

1 舰船环状冷媒水系统

舰船艏部有2个用户区，艉部有3个用户区，每个用户区设置有1个泵支路及多个用户支路，在舰船舯部设置备用泵(冷气站)支路，可通过环网干管与跨接管向各个用户区供水，各区用户通过供回干管相连，实现系统不同运行模式的统一调配。舰船环状冷媒水系统利用供、回干管取代分集水器，平衡系统管道输送过程中的压力损失，降低空调用户区流量分配的不均衡性。此外，备用泵的设置能够在分区水泵故障时向各分区供水，提高系统的稳定性。

根据舰船上各个用户的负荷大小确定舰船环状冷媒水系统各支路的设计流量见表1。根据推荐流速1～3 m/s[10]匹配各用户支路的管径见表2，备用泵支路以及环网干管的管径均为DN250。系统运行时，各支路的阻力特性不变，整个系统设置一个定压点以保证系统正常运行的压力需求。

2 系统建模

表1 舰船中各用户支路设计流量

表2 舰船中各用户支路的管径

利用FlowMaster仿真软件建立上述舰船环状冷媒水系统的模拟仿真平台，该模拟平台完全按照实际舰船环状冷媒水系统的布局与流量分配进行设计与搭建，如图1所示。在模拟仿真平台的设计中，环状冷媒水系统的干管设计以及用户区域的布局与实际舰船一致，环状干管与跨接管的管径均为DN250。全舰共有6个区，其中一区用户与二区用户为艏部用户区，四、五、六区用户为舰船艉部用户区，一、二、五区用户有7个用户支路Z1～Z7，四区用户有8个用户支路Z1～Z8，六区用户有5个用户支路Z1～Z5，三区为备用泵(冷气站)支路ZB3。对于用户支路，由于末端设备布置复杂，其支路阻力可用阻力原件(阀门)简化，以匹配实际舰船用户支路的阻力特性，各区用户支路布局与管路设计与实船保持一致。每个泵(冷气站)支路ZB由两台水泵串联组成提供循环动力以实现用户支路的冷媒水输送，水泵参数如表3所示。系统设置一个定压点DY，压力设置为10 kPa。

在整个环网系统上，区与区之间设置有隔断阀，支路尺寸与实船一致,见表2。根据实际舰船冷媒水系统的管道、阀门及水泵等部件的基本特性参数设置模型相应组件的参数，模拟结果包括系统内任意节点和组件的相关参数。

3 模拟平台验证与并网工况模拟

关闭舰船环状冷媒水系统区间隔断阀，对系统各区用户独立运行工况进行模拟计算，各区独立运行时一区用户流量分配见表1。一区用户支路模拟流量与设计流量相对偏差为0.04%～0.46%。对于其他用户区，系统各区独立运行时，全船各区用户支路模拟流量与设计流量相对偏差均小1%，进一步验证了舰船环状冷媒水系统模拟平台的可靠性。

表3 系统水泵参数

切换区间阀门实现舰船环状冷媒水系统的并网运行，分析系统在并网运行时各用户各支路的流量特性。针对系统并网运行模式对四类不同的运行工况进行模拟计算。根据舰船环状管网的系统设计特点，在同类工况下，泵存在多种组合方式，由于各区用户总设计流量基本一致，不同泵组合向全船供水时，系统的水力特性十分类似。以其中一种组合为例，工况1：单泵(一区泵)供全船各区运行；工况2：双泵(一、四区泵)联合供全船各区运行；工况3：三泵(一、四、六区泵)联合供全船各区运行；工况4：四泵(一、二、四、六区泵)联合供全船各区运行。

表4 一区独立运行时一区用户支路流量

4 模拟结果与分析

采用模拟流量与实际流量的比值与流量不平衡率分析系统各用户区内与区间的流量分配特性以及水力失调情况。

表5为舰船环状冷媒水系统并网运行时单泵、双泵、三泵以及四泵向全船供水时一区用户各支路模拟流量、支路流量不平衡率。从模拟结果可知：单泵向全船用户供水时，一区用户各支路模拟流量为设计流量的37.5%～39.4%，各支路流量最大不平衡率为5.0%；双泵向全船用户供水时，一区用户各支路模拟流量为设计流量的58.0%～59.1%，各支路流量最大不平衡率为1.9%；对于工况3，一区用户各支路模拟流量为设计流量的76.8%～77.4%，各支路流量最大不平衡率仅为0.8%；对于四泵联合供水工况，一区用户各支路模拟流量为设计流量的90.2%～91.1%，各支路流量最大不平衡率为1.0%。模拟结果进一步表明舰船环状冷媒水系统并网运行时，不同运行工况下用户区内各支路流量分配较均衡。

系统并网运行时不同工况下各用户区的流量分配特性见表6。单泵向全船供水时，各区用户模拟流量能达到设计流量的26.7%～38.8%，且由于一区泵开启，一区用户流量达到最大，区与区之间流量最大不平衡率为31.1%，表明单泵向全船供水时，各区用户之间流量出现了明显的水力失衡的现象；双泵向全船供水时，各区用户模拟流量能达到设计流量的51.8%～58.4%，区与区之间流量最大不平衡率为11.3%，水力失衡现象明显减小。三泵向全船供水时，各区用户模拟流量能达到设计流量的76.2%～77.0%，可满足舰船部分负荷需求，区与区之间流量最大不平衡率为2.9%，表明各区用户之间流量分配比较均衡；四泵供全船各区用户运行时，各区用户模拟流量能达到设计流量的88.7%～90.8%，基本满足工程正常运行需求，区与区之间流量最大不平衡率为2.0%，各区用户之间水力失衡现象消失，流量分配十分均衡。

表5 并网运行时不同运行工况下一区用户各支路流量

注：*流量最大不平衡率=[(模拟流量占设计流量比最大值-模拟流量占设计流量比最小值)/模拟流量占设计流量比最大值] ×100%。

表6 并网运行时不同运行工况下各区用户模拟流量

5 结论

根据模拟结果，舰船环状冷媒水系统在并网运行时，可根据舰船不同的负荷需求调节系统的运行模式，其中双泵及三泵向全船供水时，各支路流量能达到50%以上，能满足舰船部分负荷需求，四泵向全船供水时运行，各支路流量基本达到设计流量的90%左右，基本能满足全船正常运行时的水量需求。

[1] 冷峻,张威,马军.大型舰船集成式冷媒水系统优化设计及试验[J].中国舰船研究,2015,10(3):102-107.

[2] 付祥钊.流体输配管网[M].北京：中国建筑工业出版社,2005.

[3] 蔡宏武.实际运行调节下的空调水系统特性研究[D].北京：清华大学建筑学院,2009.

[4] 陈宝坤.中央空调水系统的失调原因和解决措施[J].科技经济导刊,2016(4):66.

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[6] 高会荣.暖通空调水系统中水力失调现象及其解决方法[J].山西建筑，2011(20):123-124.

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[8] 陈刚军.环状管网水力计算的图论方法[J].华侨大学学报(自然科学版),1994(4):418-422.

[9] 赵宗峰.多热源环状供热管网水力特性仿真及实验研究[D].济南：山东建筑大学, 2016.

[10] 中华人民共和国国家技术监督局.GB/T 13409—92船舶起居处所空气调节与通风设计参数和计算方法：GB/T 13409—92 [S].北京:中国标准出版社,1992.

Simulation Analysis of Parallel Operation of a Loop Refrigerant Water System for Large Ships

ZHANG Xuan, ZHOU Xuan, JIN Zheng-tao, LI Wei-guang

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Aiming at the loop refrigerant water system for large ships, a simulation platform was established in FlowMaster environment. Different parallel operation modes with single pump, 2 pumps, 3 pumps and 4 pumps respectively were simulated to analyze the flow distribution characteristics and hydraulic misadjustment of the system under different modes. The results showed that the flow distribution in one user area is good and relatively balanced for the system parallel operation. The simulation flow rates in each user area range from 26.7% to 38.8% of the design flow rates respectively. However, the largest flow imbalance ratio between users area is 31.1% with obvious hydraulic misadjustment. For parallel operation with multiple pumps, the flow rate in each user area can reach 51.8%～58.4%, 77.0%～76.2%,and 88.7%～90.8% of design flow rates for 2 pumps, 3 pumps and 4 pumps modes respectively. The largest flow imbalance ratio is less than 15% which may meet the needs of different load and satisfy engineering practice as well.

loop refrigerant water system; parallel operation; flow rate distribution; hydraulic misadjustment

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.033

2017-03-07

国家部委基金资助项目

张轩(1981—)，男，学士，工程师

研究方向：液冷技术

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0139-04

修回日期：2017-03-27