区域冷却系统流量平衡技术

2019-12-25

船海工程 2019年6期

(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

现代船舶的海水冷却系统向集成化、区域化供给方式转变[1],在船舶设计过程中统筹规划全船冷却资源供给，采用区域冷却系统型式，对全船冷却水统一供给、集中监控成为新的趋势。将全船海水冷却系统分为多个区域，对区域内设备进行统一供给，可提高全船冷却水集中调配能力，解决各个设备与系统间的冷却水集中供给和备用问题，提高系统集成化程度，实现冷却资源的综合利用[2]。在实际的冷却水区域化和集成化供给时，由于受到设计、施工、用户数量变化、末端用户位置差异等因素的影响，冷却水管网容易出现水力失调的现象[3]。水力失调会造成管路流量不足，设备因冷却不良产生故障；或管路流量偏大，管内海水流速高，管路、设备腐蚀加快等问题，影响船上设备的正常使用。目前冷却水系统在流量平衡控制方面，主要是采用手动调整截止阀、球阀、闸阀等阀门开度、设置节流孔板等方式进行静态水力平衡控制[4]，由于没有开度指示、系统调试复杂、使用过程中调整困难，水力失调现象时有发生；在动态水力失调控制方面，常采用压差控制阀等进行动态水力平衡控制，但都是被动控制措施，很少采取主动控制措施[5]。为此,考虑对区域冷却系统采用流量平衡技术，针对某船提出了一种区域冷却系统流量平衡方案。对系统的静态流量平衡和动态流量平衡均采取控制措施。

1 区域冷却系统流量平衡技术

1.1 水力失调

水力失调以实际流量与设计流量的比值，即水力失调度来进行衡量。

Xi=Qsi/Qgi

(1)

式中：Xi为被平衡管段水力失调度；Qsi为被衡量管段的实际流量；Qgi为被衡量管段的设计流量。若Xi=1，该管段处于稳定工况；当Xi与1相差越大时，表明该管段的水力失调越严重。

水力失调又分为静态失调和动态失调。

1.1.1 静态水力失调

用户在系统设计状态下所获得的流量与设备设计流量不符，称为静态水力失调，是稳态的，根本性的。静态水力失调不加以解决将始终存在，这一问题产生的主要原因是系统在设计和施工过程中管路的阻力特性与系统设计时的管道阻力特性不一致造成的。

1.1.2 动态水力失调

动态水力失调是由于用户对流量进行调节而引起系统的阻力分布变化，并导致系统中其他用户流量发生变化而造成的失调现象。这种失调是变化的、动态的。动态失调造成水流量不受控，系统越大，动态失调所造成的影响越严重[6]。

对于区域冷却系统，既存在静态水力失调，又存在动态水力失调，需要在系统设计和调试过程中解决静态水力失调的问题，在系统运行过程中解决动态水力失调问题。因此，区域冷却系统应同时具有静态和动态流量平衡能力。

1.2 静态流量平衡技术

为解决静态水力失调，需在每个支管设置静态流量平衡设备，如截止阀、球阀、闸阀、节流孔板、静态平衡阀等，这些设备经过调整调试后可以有效控制系统设计工况下的水力失调。

在静态流量平衡设备中，截止阀、球阀、闸阀等属于快开属性，手动调节不便；节流孔板存在调试复杂的问题；静态平衡阀由于具有流量与开度成等百分比关系、开度指示精确、设有开度锁定装置、便于调试等优点[7-8]，近年来在陆用暖通行业被广泛应用，船上区域冷却系统为便于操作调试，可以借鉴使用静态平衡阀。

1.3 动态流量平衡技术

区域冷却系统运行过程中，除存在所有用户同时工作的状态外，也存在部分用户停用、管路泄漏或堵塞等造成动态水力失调的情况，为对支路上的流量进行动态调节，使流量重新稳定并满足流量平衡控制要求，需在每个支路上设置动态流量平衡阀。动态流量平衡阀分为固定流量型和电动调节型动态流量平衡阀(本文中简称电动调节阀)，固定流量型流量平衡阀，如压差控制阀，在压差变化时通过阀门自身调整阀门开度可以保持流量不变，属于被动控制；电动调节阀通过开度调整可以调整管路流量，属于主动控制；两者均可用作动态流量平衡控制，在需要对管路流量进行精确的闭环控制时需采用电动调节阀。

1.4 流量平衡控制策略

为实现对管路流量的精确控制，需在区域冷却支路上设置流量计，对流量进行实时监控，实现流量的闭环控制。当采集到的流量值与监控箱上设定的流量值偏差超出一定范围时，监控箱输出电动阀控制信号至各电动阀执行机构，对其开度进行调节，直至流量偏差恢复正常。为保证设备有足够的冷却水，防止缺水情况发生，支路水力失调度控制在1.0～1.1范围内视为合格。为防止系统流量过大，管路流速高造成管路腐蚀，设有旁通管路，并设有电动调节阀，通过其开度调整将多余的海水排舷外。Xi≤0.85或Xi≥1.2时，发出报警，提醒人员进行排查。支管流量平衡控制流程见图1。

图1 支管流量平衡控制流程

2 某船区域冷却系统方案

某船全船主要机械设备均采用海水进行冷却，其中主机、柴油发电机组设有独立的海水冷却系统，齿轮箱、调距桨及轴系设备由于其使用时机的一致性也单独设置海水冷却系统，其余如大气冷凝器、水冷机柜、单元式空调、制氮装置、空压机、舵机、减摇鳍、各种液压泵站及雷达等设备的冷却水由全船统一供给。为提高冷却设备的使用率，简化系统设备配置，减少空间和重量，将这些设备按照其所处的舱室及位置，沿船长方向根据防火区的划分，将全船需要统一提供海水冷却的设备划分为若干个冷却区域，每个区域为一独立的区域冷却系统。

根据区域内设备冷却水用量，配置区域海水冷却泵，流量在区域内所有设备冷却水用量的110%～120%之间。根据设备的布置位置及其海水冷却需求进行区域冷却管网设计，各区域冷却系统互相独立，每台区域冷却水泵由消防总管内的消防水减压后作为备用。由于每个区域内的设备使用时机不同，存在不同使用工况，因此区域冷却系统是变流量系统。

流量平衡控制方面，为提高系统稳定性，减少系统的稳定时间，同时也为了方便系统控制，静态流量平衡采用静态平衡阀进行控制，根据仿真计算结果和现场调试情况确定静态平衡阀的设定开度，然后锁定。动态流量平衡采用电动调节阀进行控制，每个用户支路上均安装有流量计，系统设有控制箱，对各支路的流量进行监测，按照前述控制策略对包括旁通管路上动态平衡阀在内的所有电动调节阀进行控制，以实现动态流量平衡，各支路的组件结构见图2(用户在出口端)。

图2 流量调节组件结构

为方便操作和控制，初始调试时，区域内所有用户均开启，各用户支路上的电动调节阀均处于全开状态，调整每个用户支路上的静态平衡阀，使所有支路的水力失调度均控制在1.00～1.03之间，此时旁通管路上的电动调节阀及所有静态平衡阀的开度即为其初始设定值。

3 区域冷却系统仿真计算

3.1 系统仿真建模

各区域冷却系统单独工作，相互之间没有联系。选择该船的2号区域冷却系统进行仿真计算，2号区域基本情况见图3。

图3 2号区域基本情况

利用PIPENET对图3所示管网进行建模。为保证模型的准确度与建模的方便性，按照实船用户、管路和阀附件位置布置进行建模，其中用户根据其流道特性以阻尼器等价。区域冷却系统模型结构见图4。

图4 2号区域冷却系统仿真计算模型

3.2 仿真计算内容及结果

对系统的管路、阀附件、用户等计算参数进行设定，系统的入口以泵的出口为边界条件，选用泵的额定流量和扬程。系统为开式系统，所有出口与大气直接连通，压力边界条件设置为大气压力值。

1)在各用户均运转的工况下，对静态平衡阀和旁通管路的流量调节阀参数进行调整，使各用户的水力失调度均在1.00～1.03内，确定其参数和开度。其中静态平衡阀不同型号具有不同的流量和压差调整范围，其开度和压差具有对应关系，通过计算可以得出其调试时的初始设定值；流量调节阀可以计算出全开状态的进出口压差值。

2)在部分用户停止运转的工况下，其相应的流量调节阀关闭，对系统中其他流量调节阀进行调整，找出合适的流量调节阀参数。

3)分析计算结果，找出不合理因素，对管网进行调整。

经过多次计算和管路调整，系统各用户同时运转时，各支路静态平衡阀和流量调节阀的计算参数见表1。

表1 静态平衡阀和流量调节阀参数

注：此时旁通阀开度为0.21。

此外，还对部分用户(6个工况)运转的工况进行了模拟计算，由于篇幅有限，只列出当用户2、3、8关闭的工况下，各支路流量计算结果见表2。

表2 部分设备运转时仿真计算结果

注：此时旁通阀开度为0.42，压差为电动调节阀进出口压差。

仿真计算结果表明，通过对区域冷却系统进行建模和仿真计算，可以为系统管子通径调整和静态平衡阀、电动调节阀的参数确定和初始设定提供依据。

4 区域冷却系统典型管路试验

4.1 试验管路及台架

区域冷却系统典型管路试验在区域冷却系统模拟试验台上进行，该试验台为开式循环系统。水泵将水从水池中抽上来，经进水总管通向5条试验管路，经排水总管后，最后返回蓄水池。5条试验管路通径分别为DN25、DN40、DN50、DN65、DN100，依次设有手动球阀、静态平衡阀、流量计、电动调节阀和模拟用户(静态平衡阀)，进、排水总管通径均为DN250，并设有单独的区域冷却控制箱。试验台构造见图5，试验台实景见图6。

图5 区域冷却系统试验台构造示意

图6 区域冷却系统试验台实景

4.2 试验方法及结果

试验选取试验台上DN25、DN40和DN50 3条典型用户管路作为试验对象，3条试验管路分别布置一组相应规格的流量调节组件，并与控制箱相连。选取DN65管路作为旁通管路，旁通管路上安装有电动调节阀，用于调节旁通管路流量。进、排水管路采用台架进、排水总管，水泵流量为50 m3/h(13.9 L/s)，扬程0.7 MPa。

试验选取3组不同的管路流量值作为目标流量值，测试流量调节阀开度稳定后的管路流量，检验区域冷却控制箱能否将管路流量调至目标值。

试验方法如下。

1)在控制箱上将电动流量调节阀调整至全开状态，手动调整静态平衡阀至管路最大设定流量时的开度，校核后锁定。将第一组管路目标流量值填入相应的管路流量设定框内。启动水泵，调节水泵出口流量至50 m3/h。

2)在控制箱控制界面上点击自动运行按钮，自动控制流量调节组件对系统上的电动调节阀进行开度调节。

3)等待一段时间，待数显流量计读数稳定后，记录相应管路的实际流量值(读取3次求平均值)，转入下一组试验。

试验结果见表3。