大型舰船集成式冷媒水系统优化设计及试验

冷骏，张威，马军

1 海军驻上海江南造船（集团）有限责任公司军事代表室，上海201913

2 中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

0 引 言

随着现代舰船的大型化以及功能多样化，舰船上除传统空调用户以外，还有许多其他用户采用冷媒水作为冷源，以达到设备降温或除湿的目的。因此，舰船冷媒水系统如果仍然采用传统的多个分系统独立运行，就会造成冷媒水系统配置的设备型号和数量众多，会占用较多总体资源，维修保养工作量加大，而且也会造成系统管系过于繁杂、操作使用困难、无法满足所需总体资源等问题。另外，还存在分立系统之间无法相互备份、冷水机组低负荷运行稳定性较差等问题。因此，可将常规冷媒水系统的多个分立系统集成合并，由舰总体层面统筹规划全舰冷源供给问题，不再为单个用户配置独立的冷却系统，而是采用全舰冷媒水统一供给、集中监控的形式，形成全舰冷源集中综合调度调配能力，解决各个设备与系统间的冷源集中供应和备份问题，以减少资源消耗、简化设备配置、优化系统设计、实现冷却资源的综合利用。

集成式冷媒水系统的用户主要包括普通的空调用户和为某些电子设备服务的特殊用户（即特殊空调用户）。随着舰船人机环技术的发展，居住舱室的背景噪声、居住环境条件得到改善，居住舱室的热舒适性能提高，可确保船上人员处于良好的身体状况和精神状态［1］。但空调用户的冷媒水需求受外界温度、湿度、日照等气象因素，以及舰船舰艇舱室冷负荷的影响，系统对冷媒水的需求往往波动较大，因而对冷媒水系统的冷量配置和能量调节均有较大影响。特殊空调用户的冷媒水需求主要根据其自身的使用特点确定，与时间、季节无关，全年均需使用，且负荷变化范围大，无规律可循，但可靠性要求高，重要程度较普通空调用户高。

冷媒水系统的水力失衡一直是实际工程中关心和需重点解决的问题。尚道东［2］通过仿真试验研究了冷媒水节能控制对水力平衡的影响。蔡宏武［3］采用模拟仿真手段研究了影响冷媒水系统流量失衡的主要因素。高会荣［4］针对暖通冷媒水系统中的水力失调现象进行分析，阐述了水力失调的种类并提出解决途径。目前，在实际应用当中，解决冷媒水系统水力失衡的常用方法是采用平衡阀，其中使用较多的是动态流量平衡阀。黄维与张柏［5］通过对比分析平衡阀与定流量阀这2 种调节阀的工作原理，认为平衡阀宜用在需要保持阻力平衡（流量平衡）的系统中，定流量阀宜用在需要保持流量不变的系统中。陈清与王成等［6-7］通过分析动态流量平衡阀的工作原理，提出利用动态流量平衡阀可以很好地解决空调水系统水力失衡的问题。孙晋飞［8］采用试验的方式对动态流量平衡阀的运行特性进行研究，验证了动态流量平衡阀对管网流量的控制效果。冯喜春［9］根据工程实际，提出了动态流量平衡阀在实际应用中需注意的问题。

由于舰船的特殊构造，船体狭长，工作区与生活区混杂，不同用户分布较为分散，且冷却需求量及使用特点差异较大，冷媒水系统的水力失衡问题更为常见。如果直接采用陆上建筑常用的异程式水系统设计却不采取限流措施，会导致严重的流量失衡，目前，普通舰船有的采用同程式水系统来确保艏、艉空调用户流量分配均衡［10］。但对冷却用户种类及数量较多的舰船，由于其内部设备繁多，各式管路纵横交错，用于冷媒水系统管路铺设的空间有限，只能采用异程式管网，因此需利用有限的空间最大限度地提高供回水干管的管径以减小异程式水系统的水力失衡。但由于当前大多数舰船船身较长，再加上管路的布置需依附船内的结构设计，使得干管弯转的管段较多，从而导致干管阻力依然相对较大。对于大型舰船，其空调动力设备会分布在艏部、舯部和艉部，以减少系统流量分配不均衡的问题，但当空调为部分负荷时，为节省能源，只需运行部分动力设备，如此便会导致冷媒水系统的艏、艉流量失衡。因此，在实船冷媒水系统设计时，会在不同区域之间设置限流装置（如静态流量平衡阀）以确保艏、艉流量平衡。但是，当大型舰船的特殊空调用户需要确保足够的水流量时，已处于流量分配均衡状态的其他普通空调用户的流量平衡将可能受到严重冲击。对于此问题，尚未有研究人员提出有效的解决办法。

为解决上述问题，本文将针对某大型舰船冷媒水系统特殊空调用户的不同运行工况设计双流量并联运行管路，并采用试验的方式验证设计管路对全船冷媒水管网水力特性的影响。将按照实船冷媒水系统的实际运行模式研究未采用设计的双流量并联运行管路时，特殊空调用户在低负荷运行与高负荷运行2 种工况下，普通空调用户部分负荷时的流量分配情况，以及采用双流量并联运行管路时，特殊空调用户低负荷运行时冷媒水系统的流量分配情况。试验结果将证明针对特殊空调用户不同运行工况而设计的双流量并联运行管路的可行性与有效性。

1 舰船集成式冷媒水系统及特殊空调用户支路优化设计

舰船集成式冷媒水系统的设计方案如图1 所示。其中NU 为普通空调用户，SP 为特殊空调用户，GS 为供水干管，HS 为回水干管，DY 为定压点。由于舰船的特殊结构和用途，舰上冷媒水系统管网一般较长且艏、艉空调用户间的距离较大，而冷气站又一般放在船舱的艏部、舯部或者艉部，这样就会导致艏、艉流量失衡的情况，同样，也会导致特殊空调用户支路流量不能满足设计要求的问题。因此，在整个设计过程中，可采用供、回水干管取代分集水器以减少管道远程输送过程中的压力损失，进而降低艏、艉流量分配的不均衡性。

图1 船舶空调水系统布置原理图Fig.1 Schematic layout of ship air-conditioning water system

实船中，冷媒水系统各用户支路流量是根据各空调用户的负荷大小进行设计，并根据设计流速为1～3 m/s 的原则［11］对各支路管径进行匹配。各空调用户支路设计流量如表1 所示。在实际应用中，冷媒水输送管线较长，且管路中弯管较多。采用FlowMaster 流体计算软件计算各管路的沿程阻力以及设计流量下的流速，同时进行管径选型。根据管网各管段流速，计算最不利管路的阻力，选取水泵的额定流量为125 m3/h，额定扬程为50×103mmH2O。当水泵均按额定流量运行时，各空调用户支路的流量将大于设计流量，多余流量将自动由各空调用户支路中设计的旁通阀旁通。冷媒水系统各支路的实际流量通过各支路上设置的调节阀进行匹配调节，以使各水泵在额定工况下运行时各空调用户支路的实际流量比与设计流量比一致，即系统各支路的流量处于平衡状态。根据实船冷媒水系统运行特点，各支路流量在系统运行前需通过各支路上设置的调节阀将流量调节到实际计算流量。当系统运行时，各支路的阻力系数不变，即各支路调节阀的阀位不发生变化。系统运行工况的切换只需通过启停水泵、打开或关闭各支路或干管上设置的开关阀即可。针对特殊空调用户，为保证其各工况时的水流量需求，管径需按照最大流量要求进行设计。

特殊空调用户在实际使用时分为高负荷运行和低负荷运行2 种工况，所需水流量会随运行方式的不同而发生改变。当特殊空调用户为低负荷运行时，所需水量较小，但由于该支路是按高负荷运行所需流量进行设计，若不采用限流装置，会导致特殊空调用户支路水量过大，不仅造成能源浪费，还会导致其他各空调用户支路流量分配失衡。如何能既满足特殊空调用户高负荷运行时的流量需求，又确保低负荷运行时的流量要求，对冷媒水系统设计人员来说是个难题。为解决此问题，提出了支路双流量并联运行方案，设计的管路如图2 所示。该设计方案包括1 个电动球阀和与之并联的1 个动态流量平衡阀。当特殊空调用户高负荷运行，不需要限流时，开启特殊空调用户支路上设置的电动球阀，水流同时通过电动球阀和动态流量平衡阀（图2 中虚线箭头）；当特殊空调用户低负荷运行，需要限流时，将关闭特殊空调用户支路上设置的电动球阀，使水流只经过动态流量平衡阀（图2中实线箭头），从而达到限流的目的。

表1 实船中各空调用户支路设计流量Tab.1 Designed flow rate of the refrigerant system of the ship

图2 设备空调支路双流量并联管路示意图Fig.2 Dual-flow parallel pipeline schematic diagram

2 试验台设计及搭建

为研究特殊空调用户不同工作状态时，冷媒水系统管网的水力特性以及所设计双流量并联运行管路在实际应用中的作用效果，通过一定比例缩放搭建了冷媒水管网试验台。此试验台包括冷媒水管网系统和数据采集系统。

冷媒水管网系统试验台完全按照实船冷媒水系统的布局及流量分配比进行设计，包括4 个主泵支路（4 台水泵），7 个空调用户支路和1 个特殊空调用户支路。其中编号分别为BⅠ，BⅡ和BⅢ的3 台水泵，位于艉部、舯部和艏部，以为空调用户提供流量，1 台编号BⅣ的水泵位于艏部前端，专门为特殊空调用户提供流量。4 个主泵支路的编号分别为Z3，Z5，Z6 和Z11，其中Z3 支路为艉部泵支路，Z5 支路为舯部泵支路，Z6 支路为艏部泵支路，Z11 支路为特殊空调用户泵支路。7 个空调用户支路编号分别为Z1，Z2，Z4，Z7，Z8，Z9，Z10，其中Z1，Z2 和Z4 这3 条支路为艉部支路，Z7，Z8，Z9 和Z10 这4 条支路为艏部支路。特殊空调用户支路编号为Z12。

各支路设计流量（满负荷设计流量）、流量比及试验管网实际流量如表2 所示。设计的艏、艉流量比为1.55∶1，其中艏部流量为Z7，Z8，Z9 和Z10 支路的流量之和，艉部流量为Z1，Z2 和Z4 支路流量之和。各支管的设计流速为1～3 m/s。其中各泵支路的流量与水泵的额定流量一致，均为18 m3/h，水泵的额定扬程为24×103mmH2O。试验管网各空调用户的实际流量同样比设计流量大（此处按照实船设计思想设计，在实船中，为确保各用户支路满负荷运行时的流量需求，所选水泵的额定流量及扬程偏大）。同样，各空调用户的实际流量比与设计流量比保持一致（各支路流量等比例放大）。空调用户部分负荷时的设计流量为满负荷的60%。Z12 支路，即特殊空调用户支路设置有2 个分支路：一个装有电动球阀，一个装有动态流量平衡阀（即双流量并联运行管路），如图2 所示。为保证整个管网的分区运行，设置2 个定压点，分别位于空调用户侧的回水干管上和特殊空调用户侧的回水干管上。定压点压力设置为10×103mmH2O，采用自动加压泵进行压力控制。

本试验台安装了一套完整的数据采集系统，其中包括压力传感器、流量传感器和信号采集器（Agilent），以及工控机等。

3 试验工况及过程

本试验的主要研究内容为：

1）不使用双流量并联运行方案情况下特殊空调用户低负荷和高负荷运行时管网的水力特性试验。

2）使用本文设计的双流量并联运行方案情况下特殊空调用户低负荷运行时管网的水力特性试验。

普通空调用户的运行工况为夏季夜间、春秋工况，即部分负荷运行工况（部分负荷约为满负荷的60%），此时，开启BⅡ和BⅢ水泵提供流量。当特殊空调用户高负荷时，开启BⅣ水泵专供特殊空调用户，此时，特殊空调用户不需限流且与空调用户分区运行（即互不影响）。当特殊空调用户低负荷时，与普通空调用户合区运行，BⅣ水泵关闭，由空调用户水泵BⅡ和BⅢ提供流量。

表2 各支路设计流量Tab.2 Designed flow rate of each user

试验进行前，需对试验管网进行调试，具体过程如下：

1）满负荷运行空调用户部分，即BⅠ，BⅡ和BⅢ水泵全开时，将各支路流量调至表1 所示的实际管网流量。

2）关闭BⅠ水泵，调节艏部与舯部之间的限流阀，以使艏、艉流量比为设计流量比1.55∶1，此时，各支路流量比将再次与设计流量比保持一致。

完成调试后，即可进行试验。

4 试验结果与分析

试验结果如表3 和表4 所示，其中，表3 为特殊空调用户高负荷运行时，普通空调用户部分负荷的试验结果；表4 为特殊空调用户低负荷运行，普通空调用户部分负荷时，对特殊空调用户采用双流量并联运行管路进行限流和不限流2 种情况下的试验结果。

表3 特殊空调用户高负荷运行时的试验结果Tab.3 Test results with the special air-conditioning users under high load condition

表4 特殊空调用户低负荷运行时的试验结果Tab.4 Test results with the special air-conditioning users under low load condition

特殊空调用户高负荷时与空调用户分区运行，如表3 所示，BⅣ水泵专供特殊空调用户且不进行限流，BⅡ和BⅢ水泵供普通空调用户，此时，特殊空调用户流量为17.93 m3/h，与设计流量18 m3/h 一致，满足设计流量要求。而各空调用户流量均超过满负荷设计流量的63%，且艏、艉流量比为1.55∶1，与设计流量比一致，各支路流量比同样与设计流量比一致，满足流量设计要求。

特殊空调用户低负荷，普通空调用户部分负荷时，如表4 所示，BⅡ和BⅢ水泵供全船（含电子设备）。当采用双流量并联运行方案进行限流时，各空调用户支路流量均超过满负荷设计流量的62%，且艏、艉流量比为1.55∶1，各支路流量比同样与设计流量比一致，满足设计要求。此时，电子设备支路流量为2.7 m3/h，为设计流量的90%，比设计流量低10%，在试验管网中选用的动态流量平衡阀自身限流误差范围内，因此实际限流值符合理论设计范围。当不采用双流量并联运行方案进行限流时，特殊空调用户支路流量远大于所需流量，艏部各空调用户支路流量均低于满负荷流量的50%，艏、艉流量比为1.23∶1，亦小于设计流量比，各支路流量比与设计流量比之间存在较大偏差，不能满足部分负荷时的设计要求，艏、艉流量失衡。

由试验结果可以看出，双流量并联运行方案在应用中效果明显，且操作简单。因此，在特殊空调用户支路上设置双流量并联运行管路可靠且必要。

5 结 语

本文针对大型舰船集成式冷媒水系统特殊空调用户的不同运行工况设计了双流量并联运行管路，并通过试验的方式进行了验证。同时研究了特殊空调用户高负荷和低负荷运行时管网的水力特性，以及双流量并联运行管路中限流阀对管网水力特性的影响。试验结果表明，在特殊空调用户支路上设置双流量并联运行管路，当特殊空调用户高负荷运行时，采用不限流模式能够满足特殊空调用户及其他各空调用户的流量需求。当特殊空调用户低负荷运行时，采用限流模式，同样能够满足特殊空调用户及其他各空调用户的流量需求，且不会对其他普通空调用户支路流量分配产生较大影响。不对该支路进行限流时，特殊空调用户支路流量将会过大且其他各空调用户支路将出现水力失衡的问题，部分空调用户支路流量不能满足设计要求。试验证明双流量并联运行管路在特殊空调用户支路上的应用是合理、高效的；通过在特殊空调用户支路上采取双流量并联运行管路，可有效解决集成式冷媒水系统不同运行工况下的流量再平衡问题。

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