船舶环状冷媒水系统冬季工况运行模拟分析

2021-03-09郑军林徐新华

舰船科学技术 2021年1期

郑军林，严天，徐新华

(1.海军装备部驻武汉地区第二军事代表室，湖北武汉 430000；2.华中科技大学环境科学与工程学院，湖北武汉 430074)

0 引言

船舶环状冷媒水系统是一种将各区用户并入环网的集成式冷媒水系统，可服务于全船各个空调用户区以及设备用户区，适用于结构复杂、功能多样的现代大型船舶[1]。此类系统包括夏季支路与全年支路。受外界温度、湿度、日照、季节等因素以及船舶舱室冷负荷的影响，船舶空调用户区冷负荷波动较大[2]，对于一般空调用户，通常只需在夏季使用冷媒水对舱室降温或除湿，担负此功能的管路可称为夏季支路；在设备用户区的电子设备，则需全年供冷以进行设备散热，担负此功能的管路可称为全年支路。船上的电子设备因其自身的使用特点随时改变[3]，所需冷量不恒定，全年支路的水流量也将随之改变。因此，研究船舶在不同负荷需求下的环状冷媒水系统运行模式非常重要。

目前，国内很多学者已对管网水系统的水力特性及平衡手段进行了研究。文献[4 - 5]研究了空调水系统的水力失调现象及原因，并提出了相应的平衡措施。文献[6]对一次泵空调冷水系统的水力特性与节能方式进行了分析研究。文献[7]利用图论原理模拟研究了供热管网水力平衡特性。文献[8 - 9]研究了水力平衡阀的特点及其在冷媒水系统中的适用特性。文献[10]根据实船特点对同程式冷媒水系统的水力特性进行了分析，研究表明在实船上同程式冷媒水系统有较好的水力稳定性。

在冬季，船舶夏季支路关闭，环状冷媒水系统的水量需求减小。为优化系统配置、节省船舶能耗，可通过各区联合供水以实现系统的冬季负荷需求。船舶冷媒水管网的冬季运行模式根据全年支路所需流量确定。此外，管网系统各用户区布置分散，如进行联合供水，各分区之间流量存在耦合关系，因此，船舶各支路的流量分配、水力特性尚不明确，需开展进一步研究。

为解决上述问题，本文根据船舶环状冷媒水系统冬季运行特点及负荷（流量）需求，提出单泵及双泵分别供全船全年用户支路的冬季运行模式。本文采用Flowmaster软件建立该环状冷媒水系统的仿真模型，对提出的2种运行模式进行模拟仿真。进一步地，对2种冬季运行模式下的各支路的流量分配、水力特性等进行分析，校验这2种模式的可行性，为实际船舶环状冷媒水系统在冬季的运行与控制提供参考依据。

1 船舶环状冷媒水系统及其冬季运行特性

船舶环状冷媒水系统将分散于船舶各区的用冷用户通过环状干管连接，能适应现代船舶的负荷特性及冷媒水量需求。本文的研究对象是某大型船舶环状冷媒水系统。该系统共有6个用户区。一区、二区设在船舶首部，四区、五区、六区用户设置在船舶尾部。三区为备用泵支路，该区无用户支路，设置在船舶中部，用以应对船舶用户区水管网有突发故障。每个用户区分别设有分区水泵支路，对应的水泵可编号为B1，B2，B3，B4，B5，B6。系统各用户区均含有全年支路与夏季支路，其中，夏季支路为船舶一般空调用户，全年支路可为设备的冷却与除湿提供冷量。根据用户负荷大小可得各用户区的设计流量均为500 m3/h，船舶冷媒水总设计流量为2 500 m3/h。全年支路总设计流量为970.3 m3/h，占全船水系统的总设计流量的40%左右。实船上各区全年支路设计流量及管径如表1所示。

表1 实际船舶中全年用户支路设计流量Tab.1 Annual user branches design flow in the actual ship

船舶在冬季运行时，无需对舱室进行空调制冷，因而可关闭夏季支路，仅使全年支路运行。因此，在冬季时，船舶水系统中冷媒水量需求将被削减很多，且随设备负荷的变化而改变。因此，在冬季运行时，船舶环状冷媒水系统的运行模式也应进行适当调整。

为研究船舶水系统的冬季运行模式，本文拟研究单泵、双泵分别向全船全年用户支路供水2种运行模式。通过模拟仿真，可获知水系统在2种运行模式下，不同的水泵组合工况对全船全年用户支路的流量分配与水力特性的影响，进而可验证2种运行模式的可行性。

2 系统模型

在采用Flowmaster仿真软件对船舶环状冷媒水系统进行建模时，系统中的管段、阀门等阻力元件的压力与流量的关系满足基本流体输配特性[11]，如下式：

其中：ΔP为组件压降，Pa；ξ为阻力系数，A为管道截面积，m2；Q为流体流量，m3/s；ρ为流体密度，kg/m3。

水泵运行模型，采用2阶曲线拟合，如下式：

其中：H为水泵扬程，a，b，c为系数；管网特性曲线如下式[12]：

其中P为管网所需压头，B为水泵入口静压，S为阻抗系数。水泵运行工况点可根据水泵模型以及船舶环状冷媒水系统管网阻力确定如图1所示。

图1 系统水泵运行工况点的确定Fig.1 Determination of operating point of system water pump

Flowmaster软件中包含水泵、水管管路、阀门、附件等相关部件的组件模型，在系统建模时，根据实际系统形式调用相应组件，通过节点连接，模型搭建示意图如图2所示。船舶环状冷媒水系统各用户支路的设计流量、管径、布局等与实船保持一致。系统共分6个区，其中一，二，四，五，六为用户区（一，二区设在船舶首部，四、五、六区用户设置在船舶尾部），三区为备用区（备用泵，设置在中部）。每个用户区有5～7条用户支路与1条泵支路。以一区为例，一区用户有7个支路Z1～Z7，其中全年支路为支路Z1～Z4，夏季支路为支路Z5～Z7（冬季关闭）。泵支路ZB在用户支路Z1与Z2之间，水泵额定流量为630 m3/h，扬程为 0.60 MPa。

图2 环状冷媒水系统模型示意图Fig.2 Schematic diagram of the loop refrigerant water system model

模型的输入为水泵运行频率（本文为50 Hz运行）以及各区支路阀门的开度，输出为各区支路的流量。模型内各个组件及设备参数（水泵的性能曲线、设备的设计流量与设计流量下对应的设备水阻）根据实际船舶冷媒水系统设计选取，管道尺寸、水管粗糙度与阀门等参数与实际船舶保持一致。在此模型中，管路及阀门的阻力特性可利用软件自带组件进行模拟（输入管道尺寸、长度、水管粗糙度等参数），对于末端设备，其阻力特性采用阻力件（阀门）进行模拟，其阻力特性可根据其设计参数利用式（1）进行调试（保证额定流量下的压力损失与实际设计水阻一致）。在系统模拟时，水泵入口设置定压点，设定值为10mH2O（保持正压）以保证系统正常运行。此外，为验证模型可靠性，进一步模拟了设计工况（船舶按设计工况，即各支路全开，各区单泵独立运行）下的流量分配。以一区为例，利用该模型模拟一区独立运行工况下支路流量，如表2所示。结果表明，设计工况下各支路流量与设计流量的偏差值均小于1%，模型精度满足工程需求。

表2 各区独立运行时一区用户支路流量Tab.2 Flow of the first district user when each district operates independently

3 运行模式及工况

根据船舶冬季运行特性与使用特点，本文通过模拟仿真研究冷媒水系统中单泵、双泵联合向全船各用户区的全年支路供水2种模式。单泵供全船冬季运行模式中，共6种运行工况，即使用泵支路B1，B2，B3（备用泵）、B4，B5，B6（系统每个区都有一条泵支路，即水泵所在的支路，以一区用户为例，其水泵支路在支路Z1与支路Z2之间，见图2）分别向全船各全年用户支路供水；双泵供全船冬季运行模式中，共有15种运行工况，即使用双泵支路组合（含备用泵），B1和B2，B1和B3等组合分别向全船各用户全年支路供水。上述2种模式包含了备用泵支路供水的工况，可用以模拟应对船上其他某区的泵支路突发故障的情形。

在模拟平台上，通过支路隔断阀关闭全船的各夏季用户支路，可使船舶环状管网冷媒水系统的冬季运行。通过正确启停水泵与开关阀门，对船舶冷媒水系统中单泵、双泵供水模式下的各工况进行模拟分析，从而得到冷媒水环状管网系统在冬季运行时，各全年用户支路的流量分配与水力特性。

值得说明的是，本文研究的环状管网含有6个水泵支路，虽可实现三泵、四泵、五泵等组合供全船冬季运行用水模式，但模拟结果表明这些组合能使船上全年用户支路的流量与设计值之比高达120%以上。因此，文中未给出对此类运行模式的结果。

4 结果与分析

针对每一特定工况，本文采用最大流量不平衡率表征船舶环状冷媒水系统在冬季运行时，同一用户区各全年用户支路的流量分配特性。这里，最大流量不平衡率如下：

其中：Xmax为某支路模拟流量与设计值之比的最大值，Xmin为某支路模拟流量与设计值之比的最小值。

此外，针对同一运行模式（单泵或双泵），本文采用在不同工况中得到的某支路的模拟流量最大偏差率，研究船舶环状冷媒水系统的水力稳定性。从模拟结果知，对同一工况，全船各区的全年用户支路的水力特性和流量分配趋势基本一致。因此，后文仅以一区用户为例进行。

表3为单泵供全船冬季运行时一区全年用户支路的流量分配。模拟结果表明，在单泵模式的各工况下，一区全年用户支路流量均能达到设计值的66.5%～72.0%；各支路间流量不平衡率小于1%，流量分配均匀，无水力失调现象。因此，单泵供全船模式可满足船舶在冬季运行全年用户支路的部分负荷需求。当单泵（B1～B6）分别供全船冬季运行时，其支路流量的最大偏差为7.27%～7.41%，全年支路的流量分配与特性基本一致。结果进一步表明了环网系统单泵供全船冬季运行时，各支路流量与设计值偏差小于15%，流量分配满足工况运行需求，水力稳定性较好[11]。

此外，由模拟结果知，单泵模式下，每一工况均表现为最靠近对应运行泵支路的用户区支路流量最大。主要原因是，越靠近泵支路，干管阻力越小，流量因而越大。

表3 单泵供全船冬季运行时一区用户全年支路流量分配Tab.3 Flow of the first district user when a single pump operated for the whole ship users in winter

表4为双泵组合供全船冬季运行时一区全年用户支路的流量分配。结果表明：在双泵供全船冬季运行模式的各工况下，一区全年用户支路能达到设计值的97.5%～102.3%，这说明任意双泵组合均能满足供全船冬季运行时全年用户支路满负荷运行；同时，同一工况中，一区各支路最大流量不平衡率小于0.5%，因此，双泵组合能使全船各全年用户支路的流量分配均匀，无水力失调现象。此外，针对双泵供水模式，不同工况（双泵组合）对应得到的一区各全年用户支路流量分配基本一致，其支路流量最大偏差均小于5%；相比于单泵模式，双泵联合能使环网系统水力稳定性更高。

表2和表3表明备用泵支路参与的组合，也能使船舶在冬季运行时的全年用户支路流量分别达到设计值的70%（单泵模式）和100%（双泵模式）。这表明，备用泵支路与其他区的泵支路功能相同，具有可替换性。因此，采用备用泵支路参与的组合能应对船舶在冬季运行时，某用户区水泵支路存在突发故障的情形。

上述结果表明，船舶环状冷媒水系统中采用单泵、双泵联合向全船上的全年用户支路供水时，能分别满足船舶在冬季工况的部分负荷（70%）需求和满负荷（100%）需求，水力稳定性较好，且能达到水力平衡。