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        大型船舶變頻供水管網(wǎng)壓力平衡與控制策略仿真

        2017-07-05 14:24:35劉毅潘錦平
        船海工程 2017年3期
        關鍵詞:用戶

        劉毅,潘錦平

        (中國艦船研究設計中心,武漢 430064)

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        大型船舶變頻供水管網(wǎng)壓力平衡與控制策略仿真

        劉毅,潘錦平

        (中國艦船研究設計中心,武漢 430064)

        為解決大型船舶供水管網(wǎng)壓力不平衡問題,進行變頻供水管網(wǎng)的仿真計算,分析管網(wǎng)壓力平衡與控制策略,通過不同供水方式和不同控制策略的仿真,得出變頻供水中采用增加高程分區(qū)的方式可以使末端用戶用水的穩(wěn)定性提高,最不利點恒壓控制方式對末端用戶流量調(diào)節(jié)效果更佳,有利于整個管網(wǎng)系統(tǒng)的相對穩(wěn)定。

        大型船舶;變頻供水;壓力平衡;仿真研究

        目前,大型船舶多采用變頻供水的方式向全船各用戶輸送日用淡水。以往的變頻供水管網(wǎng)存在末端用戶水量不平衡的問題,特別是隨著給水系統(tǒng)的復雜程度增加(主要是甲板層數(shù)增加、用水點增加),問題日益突出[1]。

        大型船舶甲板層數(shù)多,供水管路輸送距離長,用水點分散,導致用水高峰時,一些用戶往往水流小、壓頭低;空閑時又出現(xiàn)水量大、壓頭過高等問題。

        在供水管網(wǎng)設計時,水泵的揚程是按照最遠最不利用戶的需要進行選型。對大多數(shù)用戶而言,水泵的揚程存在很大富余。當船上供水高度、供水距離及用戶點不斷增加時,最遠用戶與最近用戶的用水壓差相差就越大,這種富余也就越大,導致供水管網(wǎng)很難做到壓力平衡。

        為解決上述問題,對變頻供水管網(wǎng)進行仿真計算,探討管網(wǎng)壓力平衡與控制策略,為實現(xiàn)供水系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供可靠的依據(jù)。

        1 變頻供水系統(tǒng)分析

        1.1 基本特性

        船用供水系統(tǒng)通常是由泵組件和管道組成。泵的的揚程特性曲線如圖1所示,在定轉(zhuǎn)速下?lián)P程H與流量Q之間的關系曲線f(Q)。由圖1可見,流量Q與揚程H成反向背離關系,即Q越大,揚程H越?。籕越小,H越大。而管道阻力特性則是表明在管組特性不變的情況下,管阻h與流量Qu之間的關系h=f(Qu)。管阻特性曲線反映了變化的流量與需克服的管道阻力的變化規(guī)律。二者曲線的交點A2,稱為供水系統(tǒng)的工作點。在這一點,用戶的用水流量Q和供水系統(tǒng)的供水流量處于平衡狀態(tài),供水系統(tǒng)既滿足了揚程特性,也符合了管阻特性,系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

        同樣可以看到當系統(tǒng)所需流量減少時,管道曲線上移與揚程特性曲線相交于工作點A1點處,此時管道中流量減小,揚程增大,出現(xiàn)超壓出流現(xiàn)象,近泵段末端用戶的體驗是水流很大,壓力很高;當整個系統(tǒng)處于用水高峰時,管道曲線下移與泵曲線相交于工作點A3處,此時管道中流量增大,揚程減小,最遠端不利點用戶體驗是水流很小,壓力很低。

        進一步設想當A1點和A3點的揚程差異較大時,即使采用閥門來控制,也往往難以起到較好的作用,此時最低用戶點和最高用戶點的體驗將出現(xiàn)極端情況。

        因此,從供水平衡的角度來講:當供水系統(tǒng)的高程出現(xiàn)較大變化時,單一的定頻的供水往往難以取得良好的效果。這點也可以從后續(xù)的仿真計算中得出。

        1.2 系統(tǒng)原理

        目前,我國采用較多的水泵調(diào)速技術主要有:液力耦合器調(diào)速,可控硅串級調(diào)速,電磁滑差離合器調(diào)速和變頻調(diào)速等。經(jīng)過實際應用證明,變頻調(diào)速是調(diào)速技術中最具實用性的調(diào)速方式。

        變頻泵調(diào)速原理:

        交流電機的轉(zhuǎn)速表達式為[2]:

        (1)

        式中:n為電機轉(zhuǎn)速,r/min;f為電源頻率,Hz;p為電極對數(shù);S為電機轉(zhuǎn)差率。

        由式(1)可見,改變f,p,S時,均可調(diào)節(jié)n,實現(xiàn)電機調(diào)速。

        變頻調(diào)速水泵運行中,壓力檢測點的管網(wǎng)壓力H信號由壓力傳感器傳輸給控制器。當管網(wǎng)壓力值Hm低于或高于設定壓力H0時,控制器將根據(jù)恒壓或恒流量的控制要求向變頻調(diào)速器發(fā)出提高或降低電源頻率的信號。水泵的轉(zhuǎn)速將隨之變頻調(diào)速器電機轉(zhuǎn)速提高或降低相應提高或降低。要使建筑供水系統(tǒng)保持恒壓或恒流量供水,則必須將系統(tǒng)壓力或流量基本上維持在設定壓力或流量—即最有利工況范圍內(nèi)供水。在變頻調(diào)速加壓供水過程中,水泵運行的變化如圖 2 所示。

        H0為恒壓線,當H2高于H0運行時,變頻恒壓供水自動控制系統(tǒng)監(jiān)測到此狀況后,對變頻器發(fā)出信號,通過改變各項運行參數(shù)來對供水系統(tǒng)進行調(diào)整,在自動調(diào)節(jié)過程中,水泵轉(zhuǎn)速逐漸降低,Q-H曲線逐漸下降,水泵運行工況點由A2向A1,A0移動,同時揚程由H2向H1、H0移動,Q2也向Q1、Q0移動,當Hm低于H0時,變頻調(diào)速系統(tǒng)在自動調(diào)節(jié)過程中,其工況點的變化與上述變化相反。即由Am逐漸向A0移動。這樣的自動控制調(diào)節(jié)使其揚程與系統(tǒng)阻力相適應,保持了整個管網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

        2 變頻供水管網(wǎng)仿真

        2.1 仿真平臺的選擇

        在借鑒已有的相關研究和開發(fā)成果的基礎上[3],提出以MATLAB/SIMULINK工具為平臺,并通過模塊化建模的思路來實現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能仿真。

        對MATLAB應用于流體管網(wǎng)仿真的實驗驗證[4],MATLAB/SIMULINK仿真結(jié)果與試驗驗證的結(jié)果相似度較高,可以作為管網(wǎng)壓力平衡研究的手段。

        2.2 供水管網(wǎng)的設計

        為了研究變頻供水管網(wǎng)壓力平衡與控制策略,擬選擇洗浴供水系統(tǒng)作為研究、仿真對象。該管段中共設置淋浴噴頭80個,分8層布置,層高為2.65 m,總高28.55 m。具體系統(tǒng)圖見圖3。

        根據(jù)《建筑積水排水設計手冊(第二版)》中關于公共浴室給水設計小時流量的計算公式[5]:

        qg=∑q0n0b/1 000

        (2)

        式中:qg為計算管道的設計小時流量,m3/h;q0為同類型的一個衛(wèi)生器具給水額定流量,L/h;n0為同類型衛(wèi)生器具數(shù);b為同類型衛(wèi)生器具的同時使用系數(shù)。

        混合淋浴頭的給水額定流量0.15 L/s ,公共浴室淋浴頭的同時使用系數(shù)取100%,使用數(shù)量為80個。代入式(1)可得:

        qg=0.15×80×100%=43.2m3/h

        據(jù)此選擇Q=24 m3/h,揚程H=60 m的多級離心泵2臺。

        2.3 雙泵并聯(lián)供水仿真模擬

        按照前文的初始條件,選用混合淋浴頭為供水模型數(shù)量為80個,同時使用系數(shù)取100%。選擇Q=24 m3/h,揚程H=60 m的多級離心泵2臺。將上述管網(wǎng)系統(tǒng)及泵組在MATLAB中進行建模[6],仿真模型圖如圖4所示。選取最不利點標高18.55 m的管道給水末端淋浴頭進行觀察,其流量為-0.001 966 L/s,即該管路已處于了欠壓斷流狀態(tài)。如圖5所示。

        選取最近點標高0 m的管道給水末端淋浴頭進行觀察,其流量為1.272 L/s,近端用戶的流量又過大。如圖6所示。

        選擇泵組的運行狀態(tài)進行觀察,由圖7可以看到泵1的壓力為0.245 3 MPa,泵2的壓力為0.246 3 MPa,總管流量計的讀數(shù)為21.59 L/s。結(jié)合圖9可以看出當前2臺泵的運行點已經(jīng)偏離了泵的正常運行區(qū), 該泵的正常運行區(qū)段揚程H在49.5~66 m之間,對應Q值為5~8.33 L/s。

        由此可以看出由于層高過高,并聯(lián)1路直接供水的方式不能滿足滿負荷運行時最不利點用戶的需求。

        2.4 變頻分段供水仿真模擬

        供水的初始條件同上,仍選用混合淋浴頭為供水模型,數(shù)量為80個,同時使用系數(shù)取100%。根據(jù)《建筑給水排水設計手冊》中推薦的高程分區(qū)供水方式。具體方案是分成上下2部分供水,即1號泵負責為4~7層甲板的用戶提供用水;2號泵負責為1~3及+1甲板的用戶提供用水。

        分別選擇Q=24 m3/h,揚程H=40 m的二級離心泵1臺和Q=24 m3/h,揚程H=60 m的三級離心泵1臺。詳見圖8。

        分別將1號泵和2號泵運行后最不利點及最近點的流量值列出,見表1。

        表1 最不利點及最近點參數(shù) L/s

        與2.3的計算結(jié)果相比,最不利點及最近點的用水情況都有較大改善??梢钥闯?,通過高程分區(qū)使末端用戶的流量波動有較大的緩解。

        3 平衡與控制策略

        變頻恒壓供水系統(tǒng)供水壓力的控制點可以采用泵出口恒壓控制和最不利供水點控制。泵出口恒壓控制:即將壓力反饋點設在泵口處,屬于出口恒壓末端變流量的控制方式。最不利點恒壓控制:將系統(tǒng)反饋點設置管網(wǎng)的最不利點處,屬于最不利點恒壓變流量的控制方式。

        對變頻分段供水分別采取2種壓力控制方式進行研究。

        3.1 出口恒壓控制仿真模擬

        利用MATLAB中的PID控制器對系統(tǒng)進行反饋控制。構(gòu)造恒壓控制模型如圖9。

        該模型中將泵1出口和泵2出口處的壓力分別設置為0.2和0.3 MPa。在此次仿真計算中將各區(qū)段中的20個淋浴頭隨機打開,另外20個淋浴頭隨機關閉,以模擬正常使用工況時淋浴頭變化的狀態(tài),同時觀察最不利點用戶的流量變化情況。

        3.2 最不利點恒壓控制仿真模擬

        該模型中分別在4甲板和8甲板供水支管上設置壓力傳感器,將壓力值設定在0.02 MPa,仿真的其他條件與泵口恒壓相同。各區(qū)段中的20個淋浴頭隨機打開,另外20個淋浴頭隨機關閉,以模擬正常使用工況時淋浴頭變化的狀態(tài),同時觀察最不利點用戶的流量變化情況。構(gòu)造恒壓控制模型如圖10。

        3.3 對比分析

        分別將2種控制方式下8甲板最末端用戶的運行結(jié)果通過示波器顯示出來,見圖11和圖12。比較以上2張輸出波形圖,可以看出以下幾點:

        1)末端流量與閥門隨機開關的變化度保持一致。

        2)圖中圈出的2點相比,圖12中波形下降的趨勢大于圖11。

        在仿真模擬中,設定的變化條件較實際情況惡劣,意味著末端用戶數(shù)量的變化幅度是比較大的。但即使在此條件下,反饋控制還是顯示出其對末端流量的調(diào)節(jié)能力。同時從圖中圈出的2處位置中看出,圖12中向下的變化趨勢大于圖11,意味著在同樣的變化前提下,最不利點恒壓控制對流量的調(diào)節(jié)作用要比泵口恒壓控制的作用要明顯許多。

        這也與對2個壓力點控制的分析也是吻合的,即:當流量變化時,最不利點水壓為恒壓,整個管網(wǎng)的水壓相對穩(wěn)定,使用效果好。泵口恒壓控制時,泵口壓力穩(wěn)定,而末端用戶的流量變化相對大些。

        4 結(jié)論

        1)變頻泵組的引入使管網(wǎng)系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)因子增加,有利于改善供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

        2)變頻供水中采用增加高程分區(qū)的方式可以使末端用戶用水的穩(wěn)定性提高。

        3)最不利點恒壓控制方式對末端用戶流量調(diào)節(jié)效果更佳,并有利于整個管網(wǎng)系統(tǒng)的相對穩(wěn)定;泵口恒壓控制時,末端用戶的流量變化相對大些。

        [1] 王維義,戴克文.船舶與海洋平臺生活區(qū)供水系統(tǒng)存在的問題及解決方案[J].科技創(chuàng)新導報,2013(14):39-40.

        [2] 桂劉豐.傳統(tǒng)高位水箱供水與變頻方式供水比較研究[J].科技創(chuàng)新導報,2009(5):100.

        [3] 宋振國,蔣丁宇,張曉濱.船舶管網(wǎng)系統(tǒng)水力特性研究及其應用[J].中國艦船研究,2014,9(4):93-98,103.

        [4] 姚磊.基于Simulink的流體管網(wǎng)仿真[J].大功率變流技術,2010(5):5-8,22.

        [5] 中國建筑設計研究院.建筑給水排水設計手冊:上冊[M].2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

        [6] 姚宇,俞國平,胡少華.基于MATLAB的給水管網(wǎng)可視化模型和仿真計算[J].蘇州科技學院學報,2006,19(2):54-59.

        Simulated of Pressure Balance and Control Strategy of Providing-water with Frequency Converter Pipe Network for Large Ship

        LIU Yi, PAN Jin-ping

        (China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

        To solve the pressure imbalance problems of providing-water pipe network for large ship, the providing-water pipe network with frequency converter was simulated to analyze the pressure balance and control strategy. The simulation results of different water-supply modes and control strategy showed that by using a high-level district, the frequency converter can improve the stability of the end user, It can improve the relative stability of pipe network system, and it gives a better result of flow regulating for the end user, in the way of using constant-pressure control of the most adverse user.

        large ship; providing-water with frequency converter; pressure balance; simulation

        10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.017

        2017-03-07

        劉毅(1985—),男,碩士,工程師

        研究方向:船舶系統(tǒng)

        U644.8

        A

        1671-7953(2017)03-0077-07

        修回日期:2017-03-27

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