浅析海洋平台空调冷媒水系统生产设计

刘富均，彭 辉，崔酉丽，胡璐璐，王 倡

（中船黄埔文冲船舶有限公司，广州 510715）

1 前言

我司承建的工程船和海洋平台，生活区域空调系统一般采用冷媒水系统。用冷媒水作为冷却介质，可有效地对制冷剂集中管理，减少制冷剂泄漏的概率和使用量，在变风量通风系统中具有较大优势，是实现房间温控个性化﹑提高舱室舒适度的常用方式。但冷媒水管路布置较长，且冷媒水作为流质的管路与传统管路在原理设计﹑生产设计有较大区别。本文对几型工程船和风电平台冷媒水管路设计过程中遇到的问题进行分析，总结需要注意的问题，供后续冷媒水系统管路原理设计﹑生产设计参考。

2 冷媒水管路系统设计应注意的几个因素

2.1 钢质冷媒水管穿壁

冷媒水系统温度通常在6～12 ℃之间，由于管路内流质温度较低，钢质冷媒水管穿过舱壁时如与舱壁直接焊接，则冷量将通过水管传到舱壁，使舱壁温度降到低于空气露点，导致舱壁结露﹑大量凝水和冷量损失。为避免舱壁凝水和减少冷量损失，需对管路穿舱做好

保温处理。

2.1.1冷媒水管穿防火或水密舱壁

当钢质冷媒水管穿过防火或水密舱壁时，为确保舱壁被贯穿处防火或水密的完整性，以及防止冷媒水管的冷量传给被穿舱壁，可选用隔热型穿舱件。此类穿舱件在市场上有多种可供选择，但综合考虑穿舱件外形尺寸﹑价格和施工难易程度，可选用ROXTEC通舱件。该通舱形式避免管子与舱壁直接焊接，通过隔热层隔离冷媒水管和舱壁，起到防止冷媒水管的冷量传给被穿舱壁，同时此穿舱件能满足水密性4 bar﹑气密性2.5 bar﹑防火A60级，几乎可在船舶和平台的任何舱壁上使用。

在ROXTEC通舱件选型时，应根据冷媒水温度和冷媒水管外径，按下式计算隔热层厚度，进而选择ROXTEC型号：

式中：d—管道外径，m；

δm—保温层厚度，m；

t1—管道内冷介质（空气或水）的温度，℃；

t2—保温层外表面接触的空气的干球温度（用温度计量取的环境温度），℃；

tb—保温层外表面接触的空气的露点温度（根据船舶设计的夏季环境温度和湿度在h-d图上求取），℃。

2.1.2冷媒水管穿非水密或防火舱壁

因非水密或防火舱壁不起水密或防火作用，故当冷媒水管穿过此类舱壁时可以在贯穿处开孔而不必加隔热通舱件。如图1所示,当冷媒水管外径为φd时，根据公式（1）可计算出保温层厚度δm，则可在舱壁上开ΦD的贯穿孔，以便包覆保温层的冷媒水管穿过。

图1 冷媒水管绝热包覆开孔示意图

2.2 平衡阀安装要求

在冷媒水系统中，由于不同甲板层上的AHU冷媒水进出管内压力相差较大，为平衡各层水压﹑保证电动三通阀灵敏控制水温﹑有效利用冷却水，需在系统中增加平衡阀。因平衡阀靠阀前后压差调节阀芯开度进而控制冷媒水流量，故需尽量保证阀前后压力稳定，防止流体出现紊流。

为控制流体出现紊流，在生产设计中除控制流体流速外，还必须在阀前后留有一定长度的直段管。一般要求阀进口直段管长度大于5倍管径﹑阀出口直段管大于2倍管径，且直段管内不应有其他阀附件。

2.3 空气处理装置泄放管

AHU机组正常运转时，机组内部蒸发器将空气温度降到露点以下产生大量的凝水。AHU正常工作时内部呈负压状态，使得内部凝水无法正常排出而积聚在设备内影响正常工作。为使凝水顺利排出，可采用管路U型弯与外界形成水封，如图2所示，

图2 空调冷凝水泄放示意图

AHU内部压力为P﹑大气压力为P0，当AHU运行时内部呈负压状态（P＜P0），若无U形弯凝水将积聚在AHU内而不能被排除。为克服AHU内部负压，可在AHU凝水排口增加高为H的水柱，使H满足下列公式：

式中：ρ—水的密度，103kg/m3；

g —重力加速度，9.8 m/s2。当AHU停止运行（P=P0）时，凝水管中的水柱高度将降低到0。为使下次运行AHU时凝水管中有水柱H平衡外界压力，需做一个U型弯储藏水，U型弯相关尺寸因满足下列公式：

然而，因U型弯是靠其内部水柱平衡压力，当AHU长期处于制热工况时没有凝水产生，且原储藏的水在负压下加快蒸发而减少，最终会导致U型弯内水柱高度H减小，在AHU下次使用制冷工况时必须对U型弯加水，使H值满足式（2）。为便于U型弯加水时便于观察水量是否足够，凝水管不能直接接入地漏内。

为避免U型弯的缺点，可使用水封阀替代U型弯。当AHU运行时（P＜P0），塑料空心球在压差（P0-P）下堵住水封阀隔板上的孔，AHU凝水可顺利流到水封阀内部，当水封阀内水柱高度H满足式（2）要求时凝水可顺利排出，因水封阀靠球隔离AHU和外界，故AHU运行前不需在水封阀内加水。

2.4管路排气阀和泄放阀

空调冷媒水系统是闭式循环系统。冷媒水在管路循环过程中，由于吸入管泄露或水中溶解的空气析出导致系统内聚集气体，聚集的空气不仅在蒸发器处会降低换热器换热效率﹑扰乱流量稳定流动﹑降低平衡阀和电动三通阀对系统的精确控制，同时气体流入冷媒水泵会对泵产生严重气蚀，影响设备使用稳定性和寿命。虽然冷媒水系统中已有除气装置，但为了更高效排出系统中气体，需在系统最高处（通常在AHU冷媒水回水管上）安装排气阀。

2.5管道布置及敷设原则

管道不应布置在热源（如：热水柜﹑烟囱﹑高散热电机）上方，管道支﹑吊架布置时应考虑管路的弯曲位置，充分利用弯曲变形自然补充管路的伸缩。管路利用弯管自由补偿时，滑动支架离固定支架与滑动之间的最大距离应满足表1要求：

表1 自然补偿管道支架之间的最大间距（mm）

管路变形补偿方式，可选用自由臂补偿形式和方形补偿器形式，并结合变形量确定固定支架安装位置。管路因温差引起的变形量，可按下式计算：

式中：a--线膨胀系数；

L—管道转弯处到固定之间距离，m；

t2—管道内水最低温度（冷媒水温度），℃；

t1— 管道安装时的环境温度（管道温度等于环境温度），℃；

ΔL—管子的伸缩量，mm。

管路补偿时，管路自由壁Lz长度可按下式计算：

式中：K—材料常数；

dn—管道的公称直径，mm。

6 结语

冷媒水系统是闭式低温系统，与其他系统有本质区别。在设计时要充分考虑管路系统水量补充﹑气体排放﹑管路热胀冷缩和遇空气凝水等因素。管路设计放样时，不能单从普通系统的设计经验来判断，避免造成后续大面积的修改。