(中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011)

現(xiàn)代船舶的海水冷卻系統(tǒng)向集成化、區(qū)域化供給方式轉(zhuǎn)變[1],在船舶設(shè)計(jì)過程中統(tǒng)籌規(guī)劃全船冷卻資源供給，采用區(qū)域冷卻系統(tǒng)型式，對全船冷卻水統(tǒng)一供給、集中監(jiān)控成為新的趨勢。將全船海水冷卻系統(tǒng)分為多個(gè)區(qū)域，對區(qū)域內(nèi)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一供給，可提高全船冷卻水集中調(diào)配能力，解決各個(gè)設(shè)備與系統(tǒng)間的冷卻水集中供給和備用問題，提高系統(tǒng)集成化程度，實(shí)現(xiàn)冷卻資源的綜合利用[2]。在實(shí)際的冷卻水區(qū)域化和集成化供給時(shí)，由于受到設(shè)計(jì)、施工、用戶數(shù)量變化、末端用戶位置差異等因素的影響，冷卻水管網(wǎng)容易出現(xiàn)水力失調(diào)的現(xiàn)象[3]。水力失調(diào)會造成管路流量不足，設(shè)備因冷卻不良產(chǎn)生故障；或管路流量偏大，管內(nèi)海水流速高，管路、設(shè)備腐蝕加快等問題，影響船上設(shè)備的正常使用。目前冷卻水系統(tǒng)在流量平衡控制方面，主要是采用手動(dòng)調(diào)整截止閥、球閥、閘閥等閥門開度、設(shè)置節(jié)流孔板等方式進(jìn)行靜態(tài)水力平衡控制[4]，由于沒有開度指示、系統(tǒng)調(diào)試復(fù)雜、使用過程中調(diào)整困難，水力失調(diào)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生；在動(dòng)態(tài)水力失調(diào)控制方面，常采用壓差控制閥等進(jìn)行動(dòng)態(tài)水力平衡控制，但都是被動(dòng)控制措施，很少采取主動(dòng)控制措施[5]。為此,考慮對區(qū)域冷卻系統(tǒng)采用流量平衡技術(shù)，針對某船提出了一種區(qū)域冷卻系統(tǒng)流量平衡方案。對系統(tǒng)的靜態(tài)流量平衡和動(dòng)態(tài)流量平衡均采取控制措施。

1 區(qū)域冷卻系統(tǒng)流量平衡技術(shù)

1.1 水力失調(diào)

水力失調(diào)以實(shí)際流量與設(shè)計(jì)流量的比值，即水力失調(diào)度來進(jìn)行衡量。

Xi=Qsi/Qgi

(1)

式中：Xi為被平衡管段水力失調(diào)度；Qsi為被衡量管段的實(shí)際流量；Qgi為被衡量管段的設(shè)計(jì)流量。若Xi=1，該管段處于穩(wěn)定工況；當(dāng)Xi與1相差越大時(shí)，表明該管段的水力失調(diào)越嚴(yán)重。

水力失調(diào)又分為靜態(tài)失調(diào)和動(dòng)態(tài)失調(diào)。

1.1.1 靜態(tài)水力失調(diào)

用戶在系統(tǒng)設(shè)計(jì)狀態(tài)下所獲得的流量與設(shè)備設(shè)計(jì)流量不符，稱為靜態(tài)水力失調(diào)，是穩(wěn)態(tài)的，根本性的。靜態(tài)水力失調(diào)不加以解決將始終存在，這一問題產(chǎn)生的主要原因是系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和施工過程中管路的阻力特性與系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的管道阻力特性不一致造成的。

1.1.2 動(dòng)態(tài)水力失調(diào)

動(dòng)態(tài)水力失調(diào)是由于用戶對流量進(jìn)行調(diào)節(jié)而引起系統(tǒng)的阻力分布變化，并導(dǎo)致系統(tǒng)中其他用戶流量發(fā)生變化而造成的失調(diào)現(xiàn)象。這種失調(diào)是變化的、動(dòng)態(tài)的。動(dòng)態(tài)失調(diào)造成水流量不受控，系統(tǒng)越大，動(dòng)態(tài)失調(diào)所造成的影響越嚴(yán)重[6]。

對于區(qū)域冷卻系統(tǒng)，既存在靜態(tài)水力失調(diào)，又存在動(dòng)態(tài)水力失調(diào)，需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中解決靜態(tài)水力失調(diào)的問題，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中解決動(dòng)態(tài)水力失調(diào)問題。因此，區(qū)域冷卻系統(tǒng)應(yīng)同時(shí)具有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)流量平衡能力。

1.2 靜態(tài)流量平衡技術(shù)

為解決靜態(tài)水力失調(diào)，需在每個(gè)支管設(shè)置靜態(tài)流量平衡設(shè)備，如截止閥、球閥、閘閥、節(jié)流孔板、靜態(tài)平衡閥等，這些設(shè)備經(jīng)過調(diào)整調(diào)試后可以有效控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況下的水力失調(diào)。

在靜態(tài)流量平衡設(shè)備中，截止閥、球閥、閘閥等屬于快開屬性，手動(dòng)調(diào)節(jié)不便；節(jié)流孔板存在調(diào)試復(fù)雜的問題；靜態(tài)平衡閥由于具有流量與開度成等百分比關(guān)系、開度指示精確、設(shè)有開度鎖定裝置、便于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)[7-8]，近年來在陸用暖通行業(yè)被廣泛應(yīng)用，船上區(qū)域冷卻系統(tǒng)為便于操作調(diào)試，可以借鑒使用靜態(tài)平衡閥。

1.3 動(dòng)態(tài)流量平衡技術(shù)

區(qū)域冷卻系統(tǒng)運(yùn)行過程中，除存在所有用戶同時(shí)工作的狀態(tài)外，也存在部分用戶停用、管路泄漏或堵塞等造成動(dòng)態(tài)水力失調(diào)的情況，為對支路上的流量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使流量重新穩(wěn)定并滿足流量平衡控制要求，需在每個(gè)支路上設(shè)置動(dòng)態(tài)流量平衡閥。動(dòng)態(tài)流量平衡閥分為固定流量型和電動(dòng)調(diào)節(jié)型動(dòng)態(tài)流量平衡閥(本文中簡稱電動(dòng)調(diào)節(jié)閥)，固定流量型流量平衡閥，如壓差控制閥，在壓差變化時(shí)通過閥門自身調(diào)整閥門開度可以保持流量不變，屬于被動(dòng)控制；電動(dòng)調(diào)節(jié)閥通過開度調(diào)整可以調(diào)整管路流量，屬于主動(dòng)控制；兩者均可用作動(dòng)態(tài)流量平衡控制，在需要對管路流量進(jìn)行精確的閉環(huán)控制時(shí)需采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。

1.4 流量平衡控制策略

為實(shí)現(xiàn)對管路流量的精確控制，需在區(qū)域冷卻支路上設(shè)置流量計(jì)，對流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)流量的閉環(huán)控制。當(dāng)采集到的流量值與監(jiān)控箱上設(shè)定的流量值偏差超出一定范圍時(shí)，監(jiān)控箱輸出電動(dòng)閥控制信號至各電動(dòng)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對其開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至流量偏差恢復(fù)正常。為保證設(shè)備有足夠的冷卻水，防止缺水情況發(fā)生，支路水力失調(diào)度控制在1.0～1.1范圍內(nèi)視為合格。為防止系統(tǒng)流量過大，管路流速高造成管路腐蝕，設(shè)有旁通管路，并設(shè)有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，通過其開度調(diào)整將多余的海水排舷外。Xi≤0.85或Xi≥1.2時(shí)，發(fā)出報(bào)警，提醒人員進(jìn)行排查。支管流量平衡控制流程見圖1。

圖1 支管流量平衡控制流程

2 某船區(qū)域冷卻系統(tǒng)方案

某船全船主要機(jī)械設(shè)備均采用海水進(jìn)行冷卻，其中主機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)組設(shè)有獨(dú)立的海水冷卻系統(tǒng)，齒輪箱、調(diào)距槳及軸系設(shè)備由于其使用時(shí)機(jī)的一致性也單獨(dú)設(shè)置海水冷卻系統(tǒng)，其余如大氣冷凝器、水冷機(jī)柜、單元式空調(diào)、制氮裝置、空壓機(jī)、舵機(jī)、減搖鰭、各種液壓泵站及雷達(dá)等設(shè)備的冷卻水由全船統(tǒng)一供給。為提高冷卻設(shè)備的使用率，簡化系統(tǒng)設(shè)備配置，減少空間和重量，將這些設(shè)備按照其所處的艙室及位置，沿船長方向根據(jù)防火區(qū)的劃分，將全船需要統(tǒng)一提供海水冷卻的設(shè)備劃分為若干個(gè)冷卻區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?yàn)橐华?dú)立的區(qū)域冷卻系統(tǒng)。

根據(jù)區(qū)域內(nèi)設(shè)備冷卻水用量，配置區(qū)域海水冷卻泵，流量在區(qū)域內(nèi)所有設(shè)備冷卻水用量的110%～120%之間。根據(jù)設(shè)備的布置位置及其海水冷卻需求進(jìn)行區(qū)域冷卻管網(wǎng)設(shè)計(jì)，各區(qū)域冷卻系統(tǒng)互相獨(dú)立，每臺區(qū)域冷卻水泵由消防總管內(nèi)的消防水減壓后作為備用。由于每個(gè)區(qū)域內(nèi)的設(shè)備使用時(shí)機(jī)不同，存在不同使用工況，因此區(qū)域冷卻系統(tǒng)是變流量系統(tǒng)。

流量平衡控制方面，為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間，同時(shí)也為了方便系統(tǒng)控制，靜態(tài)流量平衡采用靜態(tài)平衡閥進(jìn)行控制，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場調(diào)試情況確定靜態(tài)平衡閥的設(shè)定開度，然后鎖定。動(dòng)態(tài)流量平衡采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，每個(gè)用戶支路上均安裝有流量計(jì)，系統(tǒng)設(shè)有控制箱，對各支路的流量進(jìn)行監(jiān)測，按照前述控制策略對包括旁通管路上動(dòng)態(tài)平衡閥在內(nèi)的所有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)流量平衡，各支路的組件結(jié)構(gòu)見圖2(用戶在出口端)。

圖2 流量調(diào)節(jié)組件結(jié)構(gòu)

為方便操作和控制，初始調(diào)試時(shí)，區(qū)域內(nèi)所有用戶均開啟，各用戶支路上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥均處于全開狀態(tài)，調(diào)整每個(gè)用戶支路上的靜態(tài)平衡閥，使所有支路的水力失調(diào)度均控制在1.00～1.03之間，此時(shí)旁通管路上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥及所有靜態(tài)平衡閥的開度即為其初始設(shè)定值。

3 區(qū)域冷卻系統(tǒng)仿真計(jì)算

3.1 系統(tǒng)仿真建模

各區(qū)域冷卻系統(tǒng)單獨(dú)工作，相互之間沒有聯(lián)系。選擇該船的2號區(qū)域冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，2號區(qū)域基本情況見圖3。

圖3 2號區(qū)域基本情況

利用PIPENET對圖3所示管網(wǎng)進(jìn)行建模。為保證模型的準(zhǔn)確度與建模的方便性，按照實(shí)船用戶、管路和閥附件位置布置進(jìn)行建模，其中用戶根據(jù)其流道特性以阻尼器等價(jià)。區(qū)域冷卻系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 2號區(qū)域冷卻系統(tǒng)仿真計(jì)算模型

3.2 仿真計(jì)算內(nèi)容及結(jié)果

對系統(tǒng)的管路、閥附件、用戶等計(jì)算參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，系統(tǒng)的入口以泵的出口為邊界條件，選用泵的額定流量和揚(yáng)程。系統(tǒng)為開式系統(tǒng)，所有出口與大氣直接連通，壓力邊界條件設(shè)置為大氣壓力值。

1)在各用戶均運(yùn)轉(zhuǎn)的工況下，對靜態(tài)平衡閥和旁通管路的流量調(diào)節(jié)閥參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使各用戶的水力失調(diào)度均在1.00～1.03內(nèi)，確定其參數(shù)和開度。其中靜態(tài)平衡閥不同型號具有不同的流量和壓差調(diào)整范圍，其開度和壓差具有對應(yīng)關(guān)系，通過計(jì)算可以得出其調(diào)試時(shí)的初始設(shè)定值；流量調(diào)節(jié)閥可以計(jì)算出全開狀態(tài)的進(jìn)出口壓差值。

2)在部分用戶停止運(yùn)轉(zhuǎn)的工況下，其相應(yīng)的流量調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，對系統(tǒng)中其他流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)整，找出合適的流量調(diào)節(jié)閥參數(shù)。

3)分析計(jì)算結(jié)果，找出不合理因素，對管網(wǎng)進(jìn)行調(diào)整。

經(jīng)過多次計(jì)算和管路調(diào)整，系統(tǒng)各用戶同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，各支路靜態(tài)平衡閥和流量調(diào)節(jié)閥的計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 靜態(tài)平衡閥和流量調(diào)節(jié)閥參數(shù)

注：此時(shí)旁通閥開度為0.21。

此外，還對部分用戶(6個(gè)工況)運(yùn)轉(zhuǎn)的工況進(jìn)行了模擬計(jì)算，由于篇幅有限，只列出當(dāng)用戶2、3、8關(guān)閉的工況下，各支路流量計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 部分設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)仿真計(jì)算結(jié)果

注：此時(shí)旁通閥開度為0.42，壓差為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口壓差。

仿真計(jì)算結(jié)果表明，通過對區(qū)域冷卻系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真計(jì)算，可以為系統(tǒng)管子通徑調(diào)整和靜態(tài)平衡閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的參數(shù)確定和初始設(shè)定提供依據(jù)。

4 區(qū)域冷卻系統(tǒng)典型管路試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)管路及臺架

區(qū)域冷卻系統(tǒng)典型管路試驗(yàn)在區(qū)域冷卻系統(tǒng)模擬試驗(yàn)臺上進(jìn)行，該試驗(yàn)臺為開式循環(huán)系統(tǒng)。水泵將水從水池中抽上來，經(jīng)進(jìn)水總管通向5條試驗(yàn)管路，經(jīng)排水總管后，最后返回蓄水池。5條試驗(yàn)管路通徑分別為DN25、DN40、DN50、DN65、DN100，依次設(shè)有手動(dòng)球閥、靜態(tài)平衡閥、流量計(jì)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和模擬用戶(靜態(tài)平衡閥)，進(jìn)、排水總管通徑均為DN250，并設(shè)有單獨(dú)的區(qū)域冷卻控制箱。試驗(yàn)臺構(gòu)造見圖5，試驗(yàn)臺實(shí)景見圖6。

圖5 區(qū)域冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)臺構(gòu)造示意

圖6 區(qū)域冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)臺實(shí)景

4.2 試驗(yàn)方法及結(jié)果

試驗(yàn)選取試驗(yàn)臺上DN25、DN40和DN50 3條典型用戶管路作為試驗(yàn)對象，3條試驗(yàn)管路分別布置一組相應(yīng)規(guī)格的流量調(diào)節(jié)組件，并與控制箱相連。選取DN65管路作為旁通管路，旁通管路上安裝有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用于調(diào)節(jié)旁通管路流量。進(jìn)、排水管路采用臺架進(jìn)、排水總管，水泵流量為50 m3/h(13.9 L/s)，揚(yáng)程0.7 MPa。

試驗(yàn)選取3組不同的管路流量值作為目標(biāo)流量值，測試流量調(diào)節(jié)閥開度穩(wěn)定后的管路流量，檢驗(yàn)區(qū)域冷卻控制箱能否將管路流量調(diào)至目標(biāo)值。

試驗(yàn)方法如下。

1)在控制箱上將電動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥調(diào)整至全開狀態(tài)，手動(dòng)調(diào)整靜態(tài)平衡閥至管路最大設(shè)定流量時(shí)的開度，校核后鎖定。將第一組管路目標(biāo)流量值填入相應(yīng)的管路流量設(shè)定框內(nèi)。啟動(dòng)水泵，調(diào)節(jié)水泵出口流量至50 m3/h。

2)在控制箱控制界面上點(diǎn)擊自動(dòng)運(yùn)行按鈕，自動(dòng)控制流量調(diào)節(jié)組件對系統(tǒng)上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行開度調(diào)節(jié)。

3)等待一段時(shí)間，待數(shù)顯流量計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄相應(yīng)管路的實(shí)際流量值(讀取3次求平均值)，轉(zhuǎn)入下一組試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

由表3可見，流量調(diào)節(jié)誤差在2.5%～5.7%之間，滿足要求，說明采用靜態(tài)平衡閥和流量調(diào)節(jié)閥的流量平衡措施可以滿足區(qū)域冷卻系統(tǒng)的水力失調(diào)控制要求。同時(shí)記錄系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間，從給出設(shè)定流量到流量穩(wěn)定,時(shí)間均在15～30 s之間，說明系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)調(diào)整性能。

5 結(jié)論

船舶區(qū)域冷卻系統(tǒng)是一種新型的冷卻系統(tǒng)，在區(qū)域冷卻系統(tǒng)典型管路試驗(yàn)中，水利失調(diào)度滿足設(shè)計(jì)要求。由于試驗(yàn)費(fèi)用和場地的限制，試驗(yàn)中只設(shè)置了3條支路，與實(shí)船的區(qū)域冷卻管系存在較大差異，系統(tǒng)性能還待實(shí)船試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。