周炫，嚴(yán)天，黃慶，謝軍龍，王飛飛

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064；2.華中科技大學(xué) a.建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系；b.制冷及低溫工程系，武漢 430074)

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艦船岸接供水運(yùn)行模式的水力平衡試驗(yàn)

周炫1，嚴(yán)天2a，黃慶2b，謝軍龍2b，王飛飛2a

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064；2.華中科技大學(xué) a.建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系；b.制冷及低溫工程系，武漢 430074)

針對(duì)岸接泵直接供水運(yùn)行時(shí)，艦船各區(qū)用戶流量分配不均，存在明顯的水力失調(diào)問(wèn)題。提出在冷媒水管網(wǎng)系統(tǒng)中增設(shè)動(dòng)態(tài)流量平衡閥、增壓泵及分流跨接管3種水力平衡措施以改善系統(tǒng)水力失調(diào)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用增壓泵和分流跨接管2種措施的效果更好，能使各區(qū)用戶的流量分配更均勻。

岸接供水；水力失調(diào)；動(dòng)態(tài)流量平衡；增壓；分流跨接管

當(dāng)流體管網(wǎng)系統(tǒng)各支路阻力特性差異較大時(shí)，支路末端的實(shí)際流量分配將偏離工程設(shè)計(jì)值，進(jìn)而出現(xiàn)水力失調(diào)現(xiàn)象[1-6]。大型艦船冷媒水系統(tǒng)的管網(wǎng)形式非常復(fù)雜，各支路的負(fù)荷特性與流量需求差異極大，極易出現(xiàn)水力失調(diào)現(xiàn)象。因此，艦船冷媒水系統(tǒng)的水力平衡及調(diào)節(jié)尤為重要[7-8]。由于艦船的使用時(shí)間、地點(diǎn)多變，支路的流量需求變也會(huì)發(fā)生很大的變化。艦船在岸邊?？繒r(shí)，仍需冷媒水對(duì)艦船空調(diào)用戶進(jìn)行降溫或除濕。為節(jié)省艦船上的資源，通常可利用岸上的岸接泵分別向艦船供水，以滿足艦船各用戶支路冷媒水量(冷量)需求。在艦船進(jìn)行岸接供水時(shí)，艦船用戶的水量需求與額定工況下的需求有所不同，這可能造成各支路的流量分配不均。另外，艦船各用戶位置相對(duì)分散，因而水管網(wǎng)系統(tǒng)在岸接供水時(shí)易出現(xiàn)水力失調(diào)現(xiàn)象。針對(duì)此問(wèn)題，對(duì)某艦船冷媒水系統(tǒng)的岸接供水工況進(jìn)行試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

艦船在岸邊停靠時(shí)，艦上各用戶區(qū)與岸接泵支路的距離不同，且布局各異，因而各用戶區(qū)的管網(wǎng)水力特性也有所不同。采用岸接泵直接向各區(qū)供水時(shí)，艦上各用戶區(qū)的流量易分配不均，出現(xiàn)水力失調(diào)現(xiàn)象。以艉部岸接供水為例，研究岸接供水運(yùn)行模式下的艦船冷媒水系統(tǒng)的水力特性。利用縮比原理搭建某艦船冷媒水系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示。

艦船艉部共設(shè)有3個(gè)用戶區(qū)，各區(qū)間采用供回干管相連，其中一區(qū)用戶有8個(gè)用戶支路Z1～Z8，二區(qū)用戶有7個(gè)支路用戶Z1～Z7，三區(qū)用戶有5個(gè)用戶支路Z1～Z5。每個(gè)用戶區(qū)分別設(shè)有水泵支路以保證艦船各自分區(qū)的正常供水。艦船在岸邊?？繒r(shí)，將岸接泵支路接入艦船水管網(wǎng)系統(tǒng)的二區(qū)與三區(qū)之間的供回干管上，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)艦船各用戶的岸接供水。

試驗(yàn)平臺(tái)按照實(shí)船冷媒水系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)船設(shè)計(jì)流量比可縮比得到試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)在額定工況下各區(qū)、各用戶支路的設(shè)計(jì)流量。隨后，根據(jù)設(shè)計(jì)流速1～3 m/s[9]，確定各支路管徑，各支路的設(shè)計(jì)流量及管徑如表1所示。對(duì)于岸接供水工況，根據(jù)負(fù)荷特點(diǎn)，各支路流量只需滿足其在額定工況下設(shè)計(jì)流量的60%即可。在岸接泵支路向艦船供水工況下，各支路設(shè)計(jì)流量如表2所示。試驗(yàn)平臺(tái)選用的岸接泵揚(yáng)程為0.8 MPa(80 mH2O)，額定流量為60 m3/h。在試驗(yàn)平臺(tái)中，水管網(wǎng)干管與各用戶支路的阻力特性均采用蝶閥進(jìn)行模擬。

試驗(yàn)平臺(tái)搭建完成后，首先對(duì)各區(qū)用戶支路、區(qū)間干管的阻力特性進(jìn)行調(diào)試，使之與實(shí)際艦船的管網(wǎng)阻力匹配。調(diào)試完成后，管網(wǎng)各管段上的蝶閥開(kāi)度和阻力特性不變。隨后，開(kāi)啟各區(qū)間干管截止閥、關(guān)閉各區(qū)泵支路截止閥，使艦船各區(qū)聯(lián)通以進(jìn)行岸接泵供水試驗(yàn)。通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集不同運(yùn)行工況下的各用戶支路流量，進(jìn)而對(duì)水管網(wǎng)系統(tǒng)的水力特性進(jìn)行分析。

表1 試驗(yàn)平臺(tái)各用戶額定工況下各支路設(shè)計(jì)流量

表2 試驗(yàn)平臺(tái)岸接工況下用戶支路的設(shè)計(jì)流量 m3/h

2 艦船岸接供水直接運(yùn)行試驗(yàn)

水管網(wǎng)系統(tǒng)的支路水力失調(diào)程度可用實(shí)際流量與設(shè)計(jì)流量的比值衡量[10]，如式(1)所示。

(1)

式中：x為水力失調(diào)度，Qs為支路實(shí)際流量，Qg為支路設(shè)計(jì)流量。

x越接近于1，表示該支路的水力失調(diào)程度越小。此外，水力失調(diào)度越大，表示該支路的實(shí)際流量與占設(shè)計(jì)值之比越大。

表3為岸接供水工況下各用戶支路的流量分配與水力失調(diào)度。試驗(yàn)結(jié)果表明，一區(qū)用戶流量偏小，僅為設(shè)計(jì)流量的80%左右，水力失調(diào)度為0.78～0.81；二區(qū)用戶流量基本達(dá)到設(shè)計(jì)值，水力失調(diào)度為0.99～1.14；三區(qū)用戶流量偏大，達(dá)到設(shè)計(jì)流量的112%左右，水力失調(diào)度為1.08～1.14。由此可見(jiàn)，在由岸接泵向各區(qū)供水時(shí)，艦船各區(qū)用戶流量分配不均，出現(xiàn)了明顯的水力失調(diào)現(xiàn)象，即一區(qū)用戶流量偏小，三區(qū)用戶流量偏大。主要原因是，岸接泵向艦船各區(qū)供水時(shí)，一區(qū)用戶距離岸接泵支路最遠(yuǎn)，且與二區(qū)用戶共用同一供回干管，干管阻力損失相對(duì)最大，因此，一區(qū)用戶流量最小。

表3 艦船岸接供水時(shí)各支路試驗(yàn)流量及水力失調(diào)度

3 艦船岸接供水的水力平衡措施

通過(guò)上式試驗(yàn)知，岸接供水直接運(yùn)行時(shí)，艦船艉部各區(qū)將出現(xiàn)嚴(yán)重的水力失衡。為改善此情況，提出在系統(tǒng)中增設(shè)3種水力平衡措施以改善系統(tǒng)水力失調(diào)：①動(dòng)態(tài)流量平衡閥;②增壓泵及；③分流跨接管。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)3種措施在管網(wǎng)中的有效性和可行性進(jìn)行試驗(yàn)和分析。

如圖1所示，措施①在三區(qū)管網(wǎng)與岸接泵支路間的干管上增設(shè)動(dòng)態(tài)流量平衡閥以實(shí)現(xiàn)對(duì)三區(qū)用戶的限流，使一、二區(qū)用戶流量增大，改善水力失衡；措施②在一區(qū)與二區(qū)用戶管網(wǎng)間的干管上設(shè)置增壓泵(額定流量20 m3/h，揚(yáng)程0.15 MPa)，增加一區(qū)用戶冷媒水的資用壓頭，以期實(shí)現(xiàn)各區(qū)用戶的水力平衡的目的；措施③將岸接泵支路與一、二區(qū)用戶的區(qū)間干管通過(guò)分流跨接管相連，同時(shí)將一、二區(qū)用戶的區(qū)間干管隔斷閥關(guān)閉。在此措施中，岸接泵可通過(guò)分流跨接管向一區(qū)用戶直接供水，通過(guò)供回干管向二區(qū)、三區(qū)用戶供水，分流跨接管管徑為65 mm。

4 結(jié)果與分析

通過(guò)開(kāi)關(guān)區(qū)間干管閥門(mén)，依次實(shí)現(xiàn)分別采用3種平衡措施后的艦船冷媒水岸接供水運(yùn)行工況，試驗(yàn)結(jié)果分別如表4～6所示。表4為冷媒水系統(tǒng)岸接供水工況在采用措施①后的艦船各支路的流量分配。結(jié)果表明，在三區(qū)干管與岸接泵支路間設(shè)置動(dòng)態(tài)流量平衡閥后，三區(qū)用戶各支路流量相對(duì)于直接運(yùn)行明顯減小，水力失調(diào)度減小為0.95～0.97，基本達(dá)到設(shè)計(jì)流量；二區(qū)用戶流量相對(duì)直接運(yùn)行稍有增加，均為設(shè)計(jì)流量的110%；一區(qū)用戶各支路流量相對(duì)于直接運(yùn)行明顯增加，約能達(dá)到設(shè)計(jì)流量的90%，水力失調(diào)度0.89～0.95。上述結(jié)果表明，采用平衡措施①即增設(shè)動(dòng)態(tài)流量平衡閥后，艦船冷媒水系統(tǒng)在進(jìn)行岸接供水工況時(shí)，各用戶支路水力失調(diào)現(xiàn)象得到明顯改善，但一區(qū)流量仍相對(duì)偏小。

采用措施②后的艦船各支路的流量分配見(jiàn)表5。從結(jié)果可知，在一區(qū)用戶與二區(qū)用戶之間設(shè)置增壓泵后，一區(qū)用戶各支路流量相對(duì)于直接運(yùn)行明顯增加，基本達(dá)到設(shè)計(jì)流量的95%以上，各支路水力失調(diào)度為0.95～1.00；二區(qū)用戶各支路流量相對(duì)于直接運(yùn)行稍有減少，為設(shè)計(jì)流量的95%左右；三區(qū)用戶各支路流量相對(duì)于直接運(yùn)行明顯減小，水力失調(diào)度減小至1.02～1.04。上述結(jié)果表明，采用平衡措施②即設(shè)置增壓泵后，全艦各用戶支路的流量均能達(dá)到需求流量的92%以上，且分配基本平衡，水力失調(diào)問(wèn)題基本解決。

表4 采用動(dòng)態(tài)流量平衡閥后艦船岸接供水試驗(yàn)結(jié)果

表5 采用增壓泵后艦船岸接供水試驗(yàn)結(jié)果

表6為冷媒水系統(tǒng)岸接供水工況在采用措施(3)后的艦船各支路的流量分配。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用分流跨接管平衡措施后，一區(qū)用戶各支路流量相對(duì)于直接運(yùn)行明顯增加，達(dá)到設(shè)計(jì)流量的98%，各支路水力失調(diào)度為0.97～1.03；二區(qū)用戶各支路流量達(dá)到設(shè)計(jì)流量的104%左右，其支路水力失調(diào)度為1.02～1.07；三區(qū)用戶各支路流量相對(duì)于直接運(yùn)行明顯減小，達(dá)到設(shè)計(jì)流量的103.4%左右，水力失調(diào)度減小至1.01～1.05。當(dāng)采用平衡措施(3)，即使岸接泵支路由分流跨接管直接向一區(qū)用戶供水、由供回干管向二、三區(qū)用戶供水時(shí)，全艦各用戶支路的流量均能達(dá)到需求流量的98%-106%，且分配基本平衡，水力失調(diào)現(xiàn)象消失，滿足工程實(shí)際需求。

試驗(yàn)表明，設(shè)置動(dòng)態(tài)流量平衡閥、增壓泵及分流跨接管3種平衡措施均能明顯改善艦船冷媒水系統(tǒng)岸接供水工況的水力失調(diào)現(xiàn)象。相較而言，采用增壓泵與分流跨接管2種措施改善水力失衡的效果更好，能使艦船用戶各支路的流量分配更均勻。

表6 采用分流跨接管后艦船岸接供水試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

試驗(yàn)表明，岸接泵直接供水運(yùn)行時(shí)，艦船艉部各區(qū)用戶流量分配不均，一、二和三區(qū)用戶流量分別約為需求流量的78%，102%和110%，存在明顯的水力失調(diào)現(xiàn)象。

提出在系統(tǒng)中增設(shè)動(dòng)態(tài)流量平衡閥、增壓泵及分流跨接管3種水力平衡措施。結(jié)果表明，相比于直接運(yùn)行：①增設(shè)動(dòng)態(tài)平衡閥平衡措施后，三區(qū)各支路流量明顯減小，基本達(dá)到設(shè)計(jì)流量，一區(qū)用戶各支路流量約為設(shè)計(jì)流量的90%左右，水管網(wǎng)水力失調(diào)現(xiàn)象得到改善；②在一、二區(qū)用戶區(qū)間干管上設(shè)置增壓泵后，全艦各用戶流量達(dá)到設(shè)計(jì)流量的94.5%～102.5%，流量分配較均勻，水力失衡問(wèn)題基本得到解決；③岸接泵支路由分流跨接管直接向一區(qū)用戶供水、由供回干管向二、三區(qū)用戶供水時(shí)，全艦各用戶支路的流量能達(dá)到需求流量的98%～106%，且分配較平衡，水力失調(diào)現(xiàn)象消失。

所提出的3種平衡措施均可有效地改善艦船艉部岸接供水工況下用戶的水力失調(diào)現(xiàn)象。相較而言，采用增壓泵和分流跨接管兩種措施的效果更好，能使艦船艉部用戶各支路流量分配更均勻。

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Experimental Study on Hydraulic Balance of the Shore-connected Water Supply System

ZHOU Xuan1, YAN Tian2a, HUANG Qing2b, XIE Jun-long2b, WANG Fei-fei2a

(1.China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; 2.a.Dept. of Building Environment and Energy Engineering; b.Dept. of Refrigeration and Cryogenic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

In order to solve the problem of the uneven flow distribution and hydraulic imbalance when the shore-connected water supply system runs directly, three hydraulic balance approaches were put forward by using auto-flow balancing valve, booster pump and bypass flow pipe respectively. The testing results showed that all of the three approaches can improve the hydraulic imbalance of the refrigerant water system. Among them, the use of the booster pump or the bypass flow has better performance to improve the hydraulic imbalance.

shore-connected water supply; hydraulic imbalance; auto-flow balancing; pressure relay; bypass flow pipe

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.034

2017-03-07

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

周炫(1989—)，男，碩士，助理工程師

研究方向：艦船空調(diào)通風(fēng)

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0143-04

修回日期：2017-03-27