劉　倩，張　揚(yáng)，謝軍龍，徐新華

(1.華中科技大學(xué) a.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院；b.能源與動力工程學(xué)院，武漢 430074；

2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

?

某電子集中冷卻系統(tǒng)平衡調(diào)試

劉倩1a，張揚(yáng)2，謝軍龍1b，徐新華1a

(1.華中科技大學(xué) a.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院；b.能源與動力工程學(xué)院，武漢 430074；

2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

摘要：針對船舶電子設(shè)備集中冷卻系統(tǒng)管網(wǎng)復(fù)雜，流量測量裝置有限，實(shí)測設(shè)備阻力特性與設(shè)備出廠特性差異較大等因素造成的管網(wǎng)調(diào)試及運(yùn)行維護(hù)困難，提出先小支路后大支路的水力平衡調(diào)試方法。通過FlowMaster數(shù)值模擬軟件建立管網(wǎng)模型，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)標(biāo)定模型，對該調(diào)試方法進(jìn)行模擬驗(yàn)證。結(jié)果表明，該平衡調(diào)試方法可有效調(diào)節(jié)管網(wǎng)水力平衡。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)備集中冷卻系統(tǒng)；管網(wǎng)平衡調(diào)試；敏感性分析；數(shù)值模擬

目前，船舶的電子設(shè)備冷卻方法多采用強(qiáng)迫空氣冷卻[1]；對大熱流密度的電子芯片，則多采用液體冷卻[2]。這兩種方式都可以通過水冷系統(tǒng)提供冷源[3-4]。對于采用水冷的電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)，為電子設(shè)備的正常運(yùn)行，需要確保水冷系統(tǒng)運(yùn)行的有效性與可靠性。

集中冷卻水系統(tǒng)管網(wǎng)在建造完成后，必須進(jìn)行水力平衡調(diào)節(jié)[5]。目前對用戶分布分散，管網(wǎng)較復(fù)雜的工業(yè)網(wǎng)管，多采用先主管后支管，先大用戶后小用戶，先粗條后精調(diào)的水力調(diào)試方法[6-7]。不同于建筑管網(wǎng)和一般工業(yè)管網(wǎng)，船舶電子設(shè)備的集中冷卻系統(tǒng)用戶設(shè)備流量要求差異大，布置分散，且船舶內(nèi)空間有限，船體狹長，更容易造成水力失調(diào)[8]，又由于成本及安裝空間等問題，無法按照平衡調(diào)試操作要求安裝流量傳感器，使得管網(wǎng)水力平衡調(diào)試更為困難。因此采用適用于船舶電子設(shè)備冷卻管網(wǎng)的水力調(diào)節(jié)方法，有效實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水力平衡非常重要。為此，介紹某實(shí)際電子設(shè)備管網(wǎng)的水力平衡調(diào)試方法，并通過數(shù)值模擬的方法對水力平衡調(diào)節(jié)進(jìn)行驗(yàn)證[9]。

1系統(tǒng)原理與調(diào)試過程

1.1系統(tǒng)原理

某電子設(shè)備集中冷卻系統(tǒng)原理見圖1。

該冷卻水系統(tǒng)的用戶與冷源之間設(shè)有板式換熱器。整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量為25 m3/h，水泵的流量為28 m3/h，揚(yáng)程為70 m。用戶側(cè)水系統(tǒng)包括3個大支路，A、B和C。A、B、C大支路的主干管管徑分別為DN25，DN32、DN40。3個大支路下均設(shè)有二級支路。其中大支路A包括3個二級支路A1、A2和A3，其主干管管徑均為DN25。這里對二級支路A3系統(tǒng)進(jìn)行建模及分析。A3支路設(shè)4個用戶支路Z1、Z2、Z3和Z4，相互并聯(lián)，各用戶支路管徑均為DN15。支路A3的設(shè)計(jì)流量為1.2 m3/h，用戶支路的設(shè)計(jì)流量均為0.3 m3/h。A3系統(tǒng)的阻力損失范圍為0～0.5 MPa。管道內(nèi)介質(zhì)為水。

3個大支路A、B、C的回水干管上裝均設(shè)有靜態(tài)流量平衡閥，用于調(diào)節(jié)各支路間的流量平衡。各個大支路下的二級支路除設(shè)有靜態(tài)流量平衡閥外，還設(shè)有流量傳感器和壓差傳感器。如圖所示，二級支路A3設(shè)有1個流量傳感器，位于總管供水管?？偣軌翰顐鞲衅鳒y點(diǎn)為P0-1與P0-2。各用戶支路的壓差傳感器測點(diǎn)分別位于設(shè)備段前后，用于測量阻力損失。各用戶支路Z1～Z4設(shè)有球閥，用于調(diào)節(jié)支路間的流量平衡。

圖1　集中冷卻系統(tǒng)及測量示意

Z1～Z4支路接入的電子設(shè)備均為同一型號，設(shè)備額定流量為0.3 m3/h。通過實(shí)測，額定流量下實(shí)際設(shè)備阻力差異較大，Z1～Z4支路設(shè)備阻力分別為0.289，0.301，0.375和0.475 MPa。本系統(tǒng)中流量傳感器量程為13 m3/h，精度為0.5%。壓差傳感器量程為0.6 MPa，精度為0.5%。

1.2調(diào)試過程

系統(tǒng)管網(wǎng)的水力平衡通過調(diào)節(jié)各管段上的靜態(tài)流量平衡閥(或用戶支路球閥)的開度來實(shí)現(xiàn)。在所有管路及配件安裝完畢，各用戶設(shè)備接入后，整個管網(wǎng)系統(tǒng)投入使用前，對管網(wǎng)阻力特性(阻抗S)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行滿足設(shè)計(jì)要求。各支路阻抗比根據(jù)式(1)通過設(shè)計(jì)流量比計(jì)算。

(1)

式中：Q——流體體積流量，m3/s；

S——管路阻抗，MPa/(m3·h-1)2。

1.3調(diào)試方案

首先對各支路系統(tǒng)流量配比進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后調(diào)節(jié)管網(wǎng)干管總平衡閥。按照從用戶支路到小支路再到大支路的順序進(jìn)行。在調(diào)試前，系統(tǒng)各支路平衡閥及小支路球閥處于全開狀態(tài)。根據(jù)管網(wǎng)布置，首先從最下游的用戶支路開始，以并列用戶支路的最不利支路的阻抗S為參照，調(diào)節(jié)其他用戶支路上的球閥。使得各用戶支路阻抗比滿足設(shè)計(jì)要求。管網(wǎng)所有支路的用戶支路平衡調(diào)節(jié)結(jié)束后，由遠(yuǎn)及近，依次調(diào)節(jié)支路管道上的平衡閥，最后調(diào)節(jié)各大支路總管上的平衡閥。小支路及大支路上均設(shè)有流量傳感器和壓差傳感器，因此可直接獲得總流量和總壓差計(jì)算得到對應(yīng)的阻抗。但是小支路內(nèi)各用戶支路上僅設(shè)有壓差傳感器，無流量傳感器，需要通過各用戶支路獨(dú)立運(yùn)行(其他用戶支路關(guān)閉)，根據(jù)小支路流量傳感器獲得支路流量，得到用戶支路阻抗。

2系統(tǒng)模擬與標(biāo)定

2.1模擬工具與系統(tǒng)建模

采用數(shù)值模擬工具FlowMaster，該軟件內(nèi)置的一維流體動力系統(tǒng)解算器和流體系統(tǒng)仿真軟件包可用于對流體管路系統(tǒng)進(jìn)行完整分析，并能對穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)過程進(jìn)行模擬。自帶的組件庫涵蓋了目前流體系統(tǒng)所需的絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)組件。每個流體系統(tǒng)都由不同的流體元件構(gòu)成，如泵、閥門、管路及末端設(shè)備等。

集中電子設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的管道流速一般大于1 m/s，水流處于湍流狀態(tài)。系統(tǒng)里的組件主要包括閥門、管段及末端設(shè)備等，組件模型服從式(2)的壓力流量關(guān)系。泵的運(yùn)行參數(shù)由泵的運(yùn)行特性曲線和管網(wǎng)的阻力特性曲線共同確定，管網(wǎng)特性曲線數(shù)學(xué)模型見式(3)。

(2)

(3)

式中：Δp——壓降,Pa；

K——阻力系數(shù)；

A——管道截面積,m2；

qV——流體體積流量或水泵流量,m3/s；

ρ——流體密度,kg/m3；

H——水泵揚(yáng)程，MPa；

S——管路阻抗，MPa/(m3·h-1)2；

B——壓差設(shè)定值，不采用壓差控制時，B=0。

重點(diǎn)對A3支路進(jìn)行水力平衡分析，無需模擬整個管網(wǎng)。為簡化模擬，在A3支路供回水總管設(shè)置水泵，并設(shè)有調(diào)節(jié)閥用于模擬其他支路的損失。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的各管段的長度和管徑、閥件數(shù)量(三通、彎頭、閥門)、設(shè)備阻力及水系統(tǒng)測點(diǎn)位置等建立該冷卻水系統(tǒng)的模擬模型。設(shè)備阻力通過現(xiàn)場實(shí)測得到。根據(jù)1.2用戶支路阻抗的獲得方法，各支路獨(dú)立運(yùn)行得到每個小支路的流量，通過壓差傳感器獲得支路阻力損失。測試時，用戶支路閥門全開，由于壓差測點(diǎn)內(nèi)管路損失遠(yuǎn)小于設(shè)備阻力損失(設(shè)備阻力損失約0.3～0.5 MPa)。近似認(rèn)為測得支路壓差為實(shí)際設(shè)備的阻力損失。集中冷卻系管網(wǎng)模型見圖2。

圖2　集中冷卻系統(tǒng)管網(wǎng)模型

2.2模型標(biāo)定(調(diào)試平衡前)

在設(shè)備安裝安畢，系統(tǒng)水力平衡調(diào)試前，保持各支路所有閥門均為全開，對管網(wǎng)及設(shè)備特性進(jìn)行測試，通過實(shí)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行標(biāo)定。根據(jù)實(shí)際測得的各用戶支路上的壓差及系統(tǒng)供回水總干管上壓差來適當(dāng)調(diào)整支路阻力件阻力系數(shù)，進(jìn)行模型與實(shí)際管網(wǎng)的阻力特性匹配。

由于Z1～Z4各小支路上未設(shè)置流量傳感器，而A3總管上設(shè)有流量傳感器。故通過各支路獨(dú)立運(yùn)行獲得流量。具體標(biāo)定過程如下：全開支路Z4上的閥門，其他并聯(lián)支路閥門關(guān)閉，調(diào)整干管上靜態(tài)流量平衡閥使得管路流量為0.3 m3/h左右，測得干管供回水管壓差及支路壓差。冷卻系統(tǒng)模型保持與實(shí)測相同的工況，調(diào)節(jié)總管加載的壓差，使得模擬流量在0.3 m3/h左右。模擬得到的干管供回水壓差及支路壓差，適當(dāng)調(diào)整模型支路阻力件阻力系數(shù)，使模擬值與實(shí)測值吻合。

根據(jù)模擬計(jì)算，模擬流量與實(shí)測流量誤差為很小。每個工況的壓差測量值與模擬值對比結(jié)果見表1，Z1～Z4各支路及管網(wǎng)干管誤差均在1%以下。因此，認(rèn)為試驗(yàn)平臺管網(wǎng)水系統(tǒng)管網(wǎng)模擬模型與實(shí)際管網(wǎng)吻合。

在此狀態(tài)下，模擬模型的Z1～Z4用戶支路全部打開，并聯(lián)運(yùn)行，可獲得各用戶支路的流量分配，經(jīng)計(jì)算各支路流量不平衡率為3%～16%，其中最不利環(huán)路的用戶支路Z4不平衡率最大，為16.09%存在嚴(yán)重水力失調(diào)的現(xiàn)象，影響電子設(shè)備的正常運(yùn)行，因此需要對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的平衡調(diào)試。

表1　各小支路的測量值與模擬值對比(調(diào)試平衡前)

3系統(tǒng)平衡分析

3.1系統(tǒng)平衡調(diào)試與模擬驗(yàn)證

水系統(tǒng)管網(wǎng)的水力平衡通過調(diào)節(jié)各個管段上的靜態(tài)流量平衡閥(或用戶支路球閥)的開度來實(shí)現(xiàn)。由表1可見，Z4支路為最不利支路，以Z4支路為參考，Z3支路獨(dú)立運(yùn)行，不斷調(diào)節(jié)Z3支路球閥(Z3支路其它閥門均保持全開)，使得計(jì)算得到支路阻抗?jié)M足式(1)得到的阻抗比。相同地，依次調(diào)節(jié)Z2、Z1用戶支路的球閥，實(shí)現(xiàn)各個用戶支路流量比符合設(shè)計(jì)要求。在模擬平臺上，需要調(diào)節(jié)各用戶支路上的球閥，根據(jù)模擬計(jì)算，模擬流量與實(shí)測流量誤差為很小。每個工況的測量值與模擬值對比結(jié)果見表2。Z1～Z4各支路及管網(wǎng)干管的壓差誤差均在1%以下。因此，調(diào)平衡后的試驗(yàn)平臺管網(wǎng)水系統(tǒng)管網(wǎng)模型與實(shí)際管網(wǎng)吻合。

在系統(tǒng)水力平衡調(diào)試后，A3支路下的Z1～Z4

表2　各小支路的測量值與模擬值對比(調(diào)試平衡后)

用戶支路全部打開(調(diào)節(jié)閥門保持開度不變)，運(yùn)行流量為1.206 m3/h(設(shè)計(jì)流量為1.2 m3/h)。在模擬平臺上，同樣的Z1～Z4用戶支路的開關(guān)閥門全部打開，并聯(lián)運(yùn)行。模擬模型在上述平衡調(diào)試之后，不再改變管道各部件阻力系數(shù)。模擬模型運(yùn)行在實(shí)際流量條件下，觀測壓差與各用戶支路流量。模擬干管流量為1.207 m3/h，模擬偏差為很小。每個支路的模擬流量與不平衡率結(jié)果見表3，各支路流量分布在0.298～0.308 m3/h。各支路流量不平衡率分布均在3%以內(nèi)。

3.2系統(tǒng)敏感性分析

各設(shè)備雖為統(tǒng)一規(guī)格型號，但由于制作過程或現(xiàn)場安裝導(dǎo)致實(shí)際阻力特性差異較大，導(dǎo)致各支路的不平衡率較大。當(dāng)出現(xiàn)某用戶設(shè)備故障需進(jìn)行設(shè)備更換時，若不經(jīng)任何調(diào)試直接運(yùn)行可能會導(dǎo)致系統(tǒng)較大的不平衡率，造成設(shè)備無法正常運(yùn)行。進(jìn)一步基于調(diào)平衡后的管網(wǎng)模型預(yù)測各支路進(jìn)行設(shè)備更換后管網(wǎng)系統(tǒng)的流量平衡特性。

當(dāng)某一支路設(shè)備需更換時，考慮更換的設(shè)備規(guī)格與目前安裝的設(shè)備規(guī)格相同，即額定流量為0.3 m3/h，設(shè)備阻力分別為0.289、0.301、0.375及0.475 MPa。管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量為1.2 m3/h，各用戶支路全開，模擬某個支路的設(shè)備替換為另3個阻力特性不同的設(shè)備系統(tǒng)的壓力及流量分布，并進(jìn)一步計(jì)算各支路的不平衡率(其他3個支路設(shè)備運(yùn)行正常)。各支路不平衡率的模擬結(jié)果見表4。

表3　平衡調(diào)試后各支路流量及平衡特性

例如，Z4支路的原設(shè)備(阻力為0.475 MPa)替換為阻力為0.289 MPa的設(shè)備時，管網(wǎng)用戶支路不平衡率會顯著增大，Z1、Z2及Z3的不平衡率分別為-8.07%、-8.32%及-5.08%，Z4支路的不平衡率達(dá)到21.47%。當(dāng)Z1、Z2及Z3支路更換設(shè)備阻力特性與實(shí)際安裝設(shè)備阻力特性相差較大時，均會引起系統(tǒng)較大的水力不平衡。因此，該管網(wǎng)系統(tǒng)敏感性較強(qiáng)，設(shè)備更換后需重新進(jìn)行水力平衡調(diào)試，否則可能會引起設(shè)備無法正常運(yùn)行。

表4　各支路流量平衡特性的影響(接入不同電子設(shè)備)

注：表中黑體數(shù)據(jù)表示該設(shè)備為支路實(shí)際安裝設(shè)備。

4結(jié)論

本水力平衡調(diào)試方法能有效實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水力平衡。管網(wǎng)平衡調(diào)試前支路不平衡率分布在3%～16%，調(diào)平衡后，各支路不平衡率均為3%以下。進(jìn)一步利用模擬模型對該系統(tǒng)的敏感性進(jìn)行了分析。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)設(shè)備故障需要更換時，需要對系統(tǒng)重新進(jìn)行調(diào)平衡，以保證設(shè)備正常安全運(yùn)行，否則可造成支路不平衡率達(dá)21.47%。

參考文獻(xiàn)

[1] 王憶秦.船舶電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)研究[J].船舶科學(xué)技術(shù),2007,29(5):85-87,91.

[2] 徐超,何雅玲,楊衛(wèi)衛(wèi),等.現(xiàn)代電子器件冷卻方法研究動態(tài)[J].制冷與空調(diào),2003,3(4):10-13,17.

[3] JANICKI M, NAPIERALSKI A. Modeling electronic circuit radiation cooling using analytical thermal model[J]. Microelectronics Journal,2000,31(9/10):781-785.

[4] 劉一兵.電子設(shè)備散熱技術(shù)研究[J].電子工藝技術(shù),2007(5):286-289.

[5] 付祥釗.流體輸配管網(wǎng)[M].中國建筑工業(yè)出版社,2001

[6] 金亞飚.工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)管網(wǎng)水力平衡調(diào)試[J].給水排水,2008(2):119-122.

[7] 張健,王榮華,王文剛.循環(huán)水管網(wǎng)水力平衡的設(shè)計(jì)和調(diào)試[C].河北省冶金學(xué)會2008年煉鋼連鑄技術(shù)與學(xué)術(shù)交流會論文集.2008.

[8] 冷駿,張威,馬軍.大型船舶集成式冷媒水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)[J].中國艦船研究,2015,10(3):102-107.

[9] 生建友,關(guān)志強(qiáng).軍用電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)有關(guān)問題探討[J].裝備環(huán)境工程,2009(3):80-83,91.

Balance Commissioning and Analysis of a Centralized Refrigerant System for Electronic Devices

LIU Qian1a, ZHANG Yang2, XIE Jun-long1b, XU Xin-hua1a

(1a School of Environment Science and Engineering; b School of Energy and Power Engineering,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;2 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:A pipe network hydraulic balance commissioning method is presented for a centralized refrigerant system of ship electronic equipment regarding the difficult of its hydraulic balance commissioning and operational maintenance duo to the complex pipe network and the limited measurement devices etc. FlowMaster software is used to develop the pipe network model, and this model is calibrated by using the actual measured hydraulic characteristic of the pipe system and devices. The model is used to verify the effectiveness of this commissioning method. The results show that this balance commissioning method can effectively balance the flow distribution of the pipe network

Key words:centralized refrigerant system of electronic devices; hydraulic balance commissioning; sensitivity analysis; numerical simulation

中圖分類號：U664.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)02-0095-05

第一作者簡介：劉倩(1992-)，女，碩士生E-mail:444590374@qq.com

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.025

修回日期：2016-01-21

研究方向:空調(diào)水系統(tǒng)控制及故障診斷