大型舰船环状冷媒水系统运行模拟分析与试验

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(1.中国舰船研究设计中心，武汉 430064;2.华中科技大学 a.建筑环境与能源应用工程系；b.制冷及低温工程系，武汉 430074)

随着舰船的现代化与多功能化，舰船各个用户区均需要冷媒水以实现用户的降温与除湿。传统舰船冷媒水系统各区独立，用户区之间无法实现冷量共享，舰船资源配置增加。此外，由于舰船使用时间、地点的不同，各用户区负荷需求会发生明显的变化，在舰船部分负荷运行时，冷媒水系统独立运行会导致用户冷量供应过大，温度过低，达不到用户区域环境温度的要求，并会造成舰船资源的极大浪费，因此，采用环状干管将各区冷媒水系统连接起来，组成舰船环状冷媒水系统。该系统能够实现舰船满负荷下的独立运行工况以及部分负荷下的联合供水运行工况，在满足用户不同负荷下水量需求的同时，节省系统的资源浪费。

在实际工程中，流体输配系统的水力失调会严重影响系统的稳定性，特别是供热空调系统中，流量的变化必然使其负担输配的冷热量改变，导致失调[1]。冷媒水系统水力失调的原因有很多，文献[2-3]分析了空调水系统中出现水力失调现象的原因，并对水力失调进行了分类。文献[4]通过模拟仿真的方式对影响冷媒水系统流量失衡的主要因素进行了研究。目前，有不少学者对流体管网系统的水力平衡措施进行了研究[5-7]，文献[8]对动态流量平衡阀的运行特性进行了试验分析，并验证了动态流量平衡阀对管网流量的控制效果。

舰船环状管网系统利用环状供回干管代替分集水器减少因远程输送形成的压力损失，能够有效地提高系统的水力稳定性[9]。当舰船环状冷媒水系统各区联合供水时，用户之间的流量会相互影响，且为适应舰船不同的负荷需求，舰船冷媒水系统的运行模式会随之调整，其水力特性更加复杂。

为进一步分析舰船冷媒水系统在不同运行模式下的用户的流量分配特性，文中建立舰船环状冷媒水系统的模拟仿真模式与试验平台，对系统不同负荷需求下多种工况进行了模拟分析与试验研究，进而获得系统不同运行模式下管网的流量分配特性，并通过对比进一步分析实际舰船冷媒水系统的各种运行模式的适用性。

1 舰船环状冷媒水系统及其运行特点

某舰船环状冷媒水系统原理见图1。系统共有6个区域，其中一、二区用户为舰船艏部用户，四、五、六区用户为舰船艉部用户，每个用户区均设置有一个泵(冷气站)支路以及多个用户支路；三区为备用区，设置在舰船舯部，可通过环状管网向各个用户区的供水。系统各用户设置有全年支路与夏季支路，可适应舰船不同季节的工况运行。用户区之间通过环状管网相连，通过区间阀门的开关切换可实现各用户区的独立运行及联合供水。

在进行系统设计时，支路流量可根据用户的实际负荷需求确定，系统用户总设计流量为2 500 m3/h，各支路的设计流量及支路间流量比见表1。泵支路设置了2台水泵串联运行，以提供系统的循环动力，用户水泵扬程为30 m水柱，流量为630 m3/h。舰船在实际运行时，环状冷媒水能够根据不同季节特点调整系统的运行模式：夏季及过渡季运行时，所有用户支路均开启，灵活开关环网干管上的区间隔断阀，实现舰船分区独立供水以及全舰用户联合供水等多种运行模式；冬季运行时，关闭舰船夏季支路，切换区间阀门实现多用户区联合供水模式，以满足支路冬季运行时的水量需求，减少系统的资源浪费。

2 系统仿真模型与试验平台

2.1 仿真模型

采用的模拟仿真工具为FlowMaster，该软件包括管网系统中的阀门、管段、水泵以及末端设备等多个流体元件，可对流体管路系统进行完整分析，并能对管网系统稳态、瞬态过程进行模拟[10]。管网系统各部件压力与流量的关系满足流体流动基本阻力方程。

(1)

式中：ΔP为部件压降，Pa；K为阻力系数；ρ为流体密度，kg/m3；v为流体流速，m/s。水泵模型可根据实际水泵参数进行拟合得到，其具体运行参数可由水泵特性曲线与管网阻力特性共同确定。

根据实际舰船冷媒水系统各管段的管径、长度、三通及弯头数量等参数建立了该系统的仿真模型，进而实现系统多种运行工况的模拟分析。图2为一区用户系统的系统模型，由7个用户支路Z1～Z7和1个泵支路ZB组成。其中用户支路Z1～Z4为全年支路，支路Z1～Z5为夏季支路，泵支路设置有2台水泵串联以提供用户支路的水量输送，用户支路的管径与实船保持一致，各支路设计流量如表1所示，末端简化为一个阻力元件，以实现支路阻力特性的模拟。依次建立各区用户管网模型，并通过环状供回干管将各用户区连接起来，进而完成整个舰船环状冷媒水系统的仿真平台的搭建。系统各区之间设置了隔断阀模型，通过阀门开关与水泵启停指令即可控制系统工况切换，实现冷媒水管网系统的多工况模拟。

图2 一区用户冷媒水系统模型原理

2.2 试验平台

为研究舰船冷媒水系统的水力特性，利用缩比原理搭建该系统的试验平台，各个用户区的布置与实船保持一致，支路阻力特性采用蝶阀模拟，实现平台的简化。冷媒水系统泵支路设置1台水泵，扬程为55 m水柱，流量为33.3 m3/h。此外，根据表1中实船各支路之间的设计流量比计算试验平台各支路的设计流量，并采用经济流速1～3 m/s[11]匹配各支路的管径，冷媒水系统各支路的设计流量及管径见表2。试验平台设置了完整数据采集系统，采集不同运行工况时各管段的压力与流量。

表2 试验平台各区支路设计流量

根据实船各管段的阻力损失占扬程比依次调试试验平台各管段的阻力特性，根据经验可知，额定工况下用户支路的阻力损失与泵支路的阻力损失约为7∶3。完成系统各管段阻力调试后，通过切换阀门与启停水泵以实现多种运行工况的试验研究。

3 水力特性评价指标及工况描述

3.1 水力特性指标

采用试验或模拟流量占支路设计流量的百分比衡量舰船用户在不同运行工况下的流量分配，其支路流量不平衡率σ为

(2)

式中：Xmax为流量占比的最大值，Xmin为流量占比的最小值。

分别对舰船冷媒水系统分区独立运行工况进行模拟分析与试验研究，其各用户支路的流量均基本达到设计流量，流量最大偏差值小于5%，表明舰船冷媒水系统模拟与试验平台上各支路的阻力调试均已完成，系统各区独立运行工况能够适应舰船满负荷运行，进一步验证了系统仿真模型与试验平台的准确性。

3.2 系统工况描述

根据实际舰船冷媒水系统的负荷特性及运行特点，分别采用模拟与试验两种方式对系统不同季节下的联合供水工况进行研究，以分析不同运行工况下系统的水力特性，其主要研究内容：①夏季夜间及过渡季部分负荷运行工况，即开启全船所有区间隔断阀，分别采用单泵、双泵、三泵以及四泵向全船各个用户支路供水，以满足用户不同负荷下的水量需求；②全舰联合供水冬季运行工况，关闭全船夏季支路，由于舰船全年支路满负荷下的设计流量为总设计流量的40%左右，根据舰船冬季运行特点，采用单泵、双泵向全舰用户冬季运行，以实现全舰冬季运行时的冷媒水量需求，其中一、二、五区用户支路Z5～Z7，四区用户支路Z6～Z8，六区用户支路Z4～Z5为舰船各区夏季支路。

4 结果对比分析

4.1 夏季夜间及过渡季部分负荷运行工况

分别对舰船环状冷媒水系统单泵、双泵、三泵及四泵向全船供水运行工况进行模拟分析与试验研究，其中单泵向全船供水时，用户流量分别能达到设计流量的20.0%～37.1%，区间流量不平衡率大于40%，系统出现了明显的水力失调现象。双泵、三泵向全船供水时，其最优工况下用户流量分别能达到设计流量的50%与70%左右，区间流量不平衡率小于15%，可满足舰船用户不同负荷(50%或70%左右)下的流量需求。表3为四泵供全船运行时的模拟与试验结果。从研究结果可知，冷媒水系统四泵向全船联合供水时，舰船各区用户模拟流量与试验流量均能到达设计流量的80%以上，区间流量不平衡率分别为2.3%～4.0%与6.1%～14.9%，流量分配均匀性好，可作为舰船部分负荷(80%左右)时的运行模式。研究结果进一步表明，当采用一、二、四、六区泵与一、二、五、六区泵联合供水时，用户区间流量不平衡率均小于10%，流量分配更均匀，系统水力特性更好。

此外，系统模拟结果与试验结果对比可知，舰船冷媒水系统模拟运行时的流量分配比试验运行时的流量分配更均匀，区间流量不平衡率更小，这是由于实船冷媒水系统用户支路的管径比试验平台系统用户支路的管径更大，系统四泵联合运行时流量更容易平衡，水力特性更好，满足工程实践要求。

表3 四泵向全船供水模拟与试验结果 %

4.2 冬季全船联合供水工况

关闭全船夏季支路，对单泵及双泵供全船冬季运行工况进行模拟分析与试验研究。表4为单泵向全船供水时，各用户区全年支路的流量分配。从结果可以看到，单泵全船冬季运行时，各区用户全年支路流量能到达设计流量的57.5%～71.8%，基本满足舰船冬季工况下部分负荷(60%左右)下的水量需求，其中四区泵供全船冬季模拟与试验运行时系统的区间流量不平衡率均最小，分别为5.7%与11.1%，用户流量分配基本平衡，可作为舰船冬季部分负荷运行时的最优工况。此外，通过模拟结果与试验结果对比可知，系统试验运行时流量不平衡率均小于15%，模拟实船运行时系统水力特性更好，表明在实际舰船中，环状冷媒水系统单泵供全船冬季运行时，系统流量更易平衡，水力特性更好。

根据舰船双泵供全船冬季运行时的模拟与试验结果可知，系统双泵向全船全年支路供水时，舰船用户模拟流量与试验流量可达到设计流量的95%以上，其区间模拟流量不平衡率为2.9%～4.6%，试验流量不平衡率为4.7%～14.9%，表明系统双泵供全船冬季运行工况能够很好的满足舰船冬季的负荷需求，并呈现出了很好的水力平衡特性，可作为舰船冬季运行满负荷下的运行模式。

表4 单泵供全船冬季运行用户的流量分配 %

5 结论

对舰船夏季夜间与过渡季运行工况，系统双泵、三泵向全船所有用户供水时，其用户流量分别能达到设计流量的50%与70%左右，最优工况下区间流量不平衡率小于10%，可满足舰船用户不同负荷(50%或70%左右)下的流量需求。四泵供全船所有用户运行时，其用户流量分别为设计流量的80%以上，其中采用一、二、四、六区泵与一、二、五、六区泵联合供水时，系统用户区间流量不平衡率最小，可作为舰船部分负荷(80%左右)时的运行模式。

舰船冷媒水系统单泵、双泵供全船全年支路冬季运行时，用户流量分别到达设计流量的70%与95%左右，其支路不平衡率均小于15%，满足舰船冬季满负荷及部分负荷(70%)条件下用户的水量需求。

此外，将舰船不同运行工况下的模拟结果与试验结果进行对比，系统模拟运行时用户的流量分配比试验平衡时用户的流量分配更均匀，水力特性更好，表明在联合供水工况下，由于实际舰船冷媒水系统管径更大，系统运行时用户流量更易平衡，其水力特性更好，满足工程实践要求。