(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

淡水閉式循環(huán)管網(wǎng)能有效解決冷卻管網(wǎng)腐蝕[1]和海生物污損問(wèn)題[2]，但是其水力特性計(jì)算和水力平衡是管網(wǎng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。而大型船舶淡水閉式循環(huán)冷卻管網(wǎng)冷卻用戶(hù)數(shù)量多、布置分散，用戶(hù)冷卻水需求跨度大、隨工況波動(dòng)范圍大、設(shè)備故障頻率高，管網(wǎng)的水力特性更加復(fù)雜。因此，開(kāi)展系統(tǒng)設(shè)計(jì)前的管網(wǎng)水力特性計(jì)算。

1 典型管網(wǎng)特點(diǎn)

冷卻水源為1臺(tái)淡水循環(huán)泵，水泵的參數(shù)為：流量110 m3/h，揚(yáng)程65 mH2O。整個(gè)系統(tǒng)為閉式系統(tǒng)，冷卻工質(zhì)為水，用戶(hù)數(shù)量為12組：設(shè)備1、4、7、9流量需求為8 m3/h，設(shè)備2、3、10、11流量需求為10 m3/h，，設(shè)備5、6流量需求為6 m3/h，設(shè)備8、12流量需求為12 m3/h。系統(tǒng)主管管徑DN125，支管管徑與用戶(hù)冷卻水需求量相匹配。

根據(jù)管網(wǎng)設(shè)計(jì)要求，分別設(shè)計(jì)兩套淡水閉式循環(huán)管網(wǎng)。

1)第一套是12組設(shè)備串聯(lián)在一起，稱(chēng)之為“串聯(lián)系統(tǒng)”，見(jiàn)圖1。

圖1 典型淡水閉式循環(huán)冷卻串聯(lián)管網(wǎng)原理示意

2)第二套是將設(shè)備4、5、6、7與設(shè)備8、9、10、11、12根據(jù)其位置關(guān)系串聯(lián)再并聯(lián)起來(lái)，稱(chēng)之為“并聯(lián)系統(tǒng)”，見(jiàn)圖2。

圖2 典型淡水閉式循環(huán)冷卻并聯(lián)管網(wǎng)原理示意

采用FLOWMASTER數(shù)值仿真軟件詳細(xì)分析整個(gè)冷卻系統(tǒng)中流量的分布[4]，為淡水閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，完善冷卻管網(wǎng)的設(shè)計(jì)。

2 典型串聯(lián)系統(tǒng)水力平衡優(yōu)化

2.1 管路優(yōu)化

采用流量調(diào)節(jié)閥對(duì)各設(shè)備冷卻水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，串聯(lián)管網(wǎng)各設(shè)備流量分配對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 串聯(lián)管網(wǎng)各設(shè)備流量分配對(duì)比

從表1中可見(jiàn)，未設(shè)置調(diào)節(jié)閥時(shí)，管網(wǎng)流量分配嚴(yán)重失衡。各設(shè)備流量分配過(guò)大，普遍超過(guò)所需流量50%以上。冷卻水超流將嚴(yán)重影響各設(shè)備正常工作和降低系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥對(duì)系統(tǒng)管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，各設(shè)備流量基本維持在需求量附近，相對(duì)誤差在2%以?xún)?nèi)。并且各設(shè)備閥門(mén)開(kāi)度都在合理范圍之內(nèi)，主閥門(mén)開(kāi)度為0.20，其余各設(shè)備流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)度在0.25～0.65之間，留有較大余量，這樣便于根據(jù)突發(fā)情況再次調(diào)整閥門(mén)，使各設(shè)備安全運(yùn)行。

2.2 設(shè)備故障響應(yīng)特性

在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)遇到單個(gè)或者多組設(shè)備發(fā)生故障需要關(guān)閉的情況。

當(dāng)發(fā)生單一設(shè)備故障、多設(shè)備故障時(shí)，通過(guò)仿真計(jì)算串聯(lián)管網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備的流量值，分析串聯(lián)系統(tǒng)管網(wǎng)的設(shè)備故障響應(yīng)特性，檢驗(yàn)串聯(lián)系管網(wǎng)的可靠性。

從表2可以看出，單一設(shè)備故障模式下，關(guān)閉故障設(shè)備進(jìn)出口的閥門(mén)，系統(tǒng)管網(wǎng)通過(guò)流量再平衡的方式，可以實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行。單獨(dú)關(guān)閉設(shè)備1、2、3、5、6、7時(shí)，對(duì)系統(tǒng)整體水力特性影響不是很大。除被關(guān)閉設(shè)備外，系統(tǒng)管網(wǎng)中其他設(shè)備流量變化比例未超過(guò)需求值的10%，各設(shè)備可以正常運(yùn)行。但是，單獨(dú)關(guān)閉處于冷卻系統(tǒng)末端的設(shè)備8、9、10、11、12時(shí)，都會(huì)對(duì)這5個(gè)設(shè)備中的其他4個(gè)產(chǎn)生較大影響，流量值波動(dòng)超過(guò)需求值的10%，影響設(shè)備正常運(yùn)行。此時(shí)需要通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)管網(wǎng)中的流量調(diào)節(jié)閥，對(duì)系統(tǒng)流量進(jìn)行重新分配調(diào)節(jié)。

從表3可以看出，多設(shè)備故障模式下，各設(shè)備流量波動(dòng)較大，嚴(yán)重影響了設(shè)備的正常運(yùn)行，因此需要對(duì)串聯(lián)管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)。系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)節(jié)的手段還是通過(guò)調(diào)節(jié)各設(shè)備進(jìn)出口的流量調(diào)節(jié)閥，使得管網(wǎng)流量重新分配。

表2 串聯(lián)管網(wǎng)單一設(shè)備故障模式下各設(shè)備流量變化比例值對(duì)比 %

表3 串聯(lián)管網(wǎng)多設(shè)備故障模式下各設(shè)備流量變化比例值對(duì)比表

在串聯(lián)系統(tǒng)管網(wǎng)優(yōu)化前，當(dāng)設(shè)備1、2同時(shí)故障時(shí)，管網(wǎng)內(nèi)剩余各設(shè)備流量都發(fā)生了12%以上的波動(dòng)，且變化幅度幾乎一致。通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)對(duì)系統(tǒng)管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化后，使剩余各設(shè)備流量恢復(fù)到正常值。通過(guò)將調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度增加，各設(shè)備流量值波動(dòng)處于3%的幅度以?xún)?nèi)。

2.3 典型串聯(lián)管路優(yōu)化結(jié)果

通過(guò)數(shù)值仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，串聯(lián)系統(tǒng)管網(wǎng)各設(shè)備流量均達(dá)到了流量需求值。

通過(guò)仿真，還可以編制各種突發(fā)情況處理表，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，只需要按照表格對(duì)相關(guān)閥門(mén)調(diào)節(jié)。例如，當(dāng)設(shè)備1、2、3、4、5、6、7其中之一發(fā)生故障需要關(guān)閉時(shí)，直接關(guān)閉故障設(shè)備閥門(mén)即可；但是當(dāng)設(shè)備8、9、10、11、12發(fā)生故障時(shí)，必須調(diào)節(jié)相關(guān)閥門(mén)；當(dāng)設(shè)備1、2同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，只需要將調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度增加即可保證其他設(shè)備正常運(yùn)行。

3 典型并聯(lián)系統(tǒng)水力平衡優(yōu)化

3.1 管路優(yōu)化

根據(jù)并聯(lián)管網(wǎng)的特點(diǎn)，設(shè)備1、2、3靠在一起，與泵相鄰，故將其串聯(lián)在主路上，然后分為上下兩個(gè)支路，分別供應(yīng)設(shè)備4、5、6、7和設(shè)備8、9、10、11、12。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的并聯(lián)系統(tǒng)管網(wǎng)各設(shè)備流量分布見(jiàn)表4。從表4可以看出，對(duì)于并聯(lián)系統(tǒng)管網(wǎng)，采用流量調(diào)節(jié)閥對(duì)各設(shè)備的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)優(yōu)化后，各設(shè)備的流量基本維持在需求量附近，相對(duì)誤差在3%以?xún)?nèi)。并且各設(shè)備閥門(mén)開(kāi)度都在合理范圍之內(nèi)，主控閥門(mén)開(kāi)度為0.2，下支管控制閥門(mén)開(kāi)度為0.26，其余各設(shè)備流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)度在0.25～0.50之間，留有較大余量，這樣便于根據(jù)突發(fā)情況再次調(diào)整閥門(mén)，使各設(shè)備安全運(yùn)行。

表4 并聯(lián)管網(wǎng)優(yōu)化后各設(shè)備流量分配表

3.2 設(shè)備故障響應(yīng)特性

當(dāng)發(fā)生單一設(shè)備故障時(shí)，通過(guò)仿真計(jì)算并聯(lián)管網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備的流量值，分析并聯(lián)系統(tǒng)管網(wǎng)的設(shè)備故障響應(yīng)特性，檢驗(yàn)并聯(lián)系管網(wǎng)的可靠性。

從表5可以看出，采用并聯(lián)系統(tǒng)管網(wǎng)，當(dāng)發(fā)生單一設(shè)備故障時(shí)，會(huì)出現(xiàn)部分設(shè)備冷卻水流量大幅降低的情況，影響設(shè)備的正常使用。

當(dāng)只有設(shè)備1、2、3、5、6單獨(dú)發(fā)生故障，關(guān)閉設(shè)備供回水閥門(mén)時(shí)，不影響其他設(shè)備的正常使用，即冷卻水流量變化幅度≤10%。

表5 并聯(lián)管網(wǎng)單一設(shè)備故障模式下各設(shè)備流量變化比例值對(duì)比表 %

但是，當(dāng)設(shè)備4、7、8、9單獨(dú)發(fā)生故障，關(guān)閉設(shè)備供回水閥門(mén)時(shí)，會(huì)對(duì)部分設(shè)備冷卻水流量產(chǎn)生較大的影響，冷卻水流量變化幅度≥10%，需要相應(yīng)調(diào)整這些設(shè)備的流量調(diào)節(jié)閥，對(duì)設(shè)備冷卻水流量進(jìn)行優(yōu)化。

當(dāng)設(shè)備10、11、12單獨(dú)發(fā)生故障，關(guān)閉設(shè)備供回水閥門(mén)時(shí)，對(duì)該支路上的設(shè)備會(huì)產(chǎn)生較大影響，需要通過(guò)在該支管上設(shè)置支管控制閥門(mén)來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)管網(wǎng)流量分配。

仿真結(jié)果說(shuō)明，并聯(lián)系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)備在此時(shí)不具備設(shè)備故障自適應(yīng)的特性。如果要維持整個(gè)系統(tǒng)管網(wǎng)流量的合理分配，需要重新調(diào)整相應(yīng)設(shè)備的流量調(diào)節(jié)閥門(mén)，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

進(jìn)一步的仿真表明，當(dāng)設(shè)備11單獨(dú)發(fā)生故障，關(guān)閉設(shè)備供回水閥門(mén)時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)支管控制閥門(mén)的開(kāi)度，由原0.26的開(kāi)度，調(diào)整為0.20的開(kāi)度來(lái)保證系統(tǒng)整體正常運(yùn)行。

從表6可以看出，在調(diào)整支管控制閥門(mén)開(kāi)度后，整個(gè)管網(wǎng)的流量分配更加均衡，各設(shè)備冷卻水流量變化幅度≤10%，能夠正常使用。

3.3 典型并聯(lián)管路優(yōu)化結(jié)果

通過(guò)數(shù)值仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，并聯(lián)系統(tǒng)管網(wǎng)各設(shè)備流量均達(dá)到了流量需求值。

其次，當(dāng)單個(gè)或者多個(gè)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，為保證各設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)需要對(duì)流量控制閥做出調(diào)整，維持管網(wǎng)流量的合理分配。但是，“并聯(lián)系統(tǒng)”管網(wǎng)具有一定的冗余特性。當(dāng)一條之路上設(shè)備故障時(shí)，僅會(huì)對(duì)該支路上的設(shè)備產(chǎn)生影響，而不會(huì)影響到其他支路上的設(shè)備。

表6 關(guān)閉設(shè)備11并優(yōu)化后各設(shè)備流量對(duì)比

4 結(jié)論

1)“串聯(lián)系統(tǒng)”和“并聯(lián)系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)方式，均能使得各設(shè)備流量均達(dá)到流量需求值，保證設(shè)備的正常使用。

2)通過(guò)在閉式循環(huán)冷卻總管、支管和各設(shè)備進(jìn)出口設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥，可以有效調(diào)節(jié)系統(tǒng)管網(wǎng)的流量分配，使得管網(wǎng)的水力特性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性得到提升。

3)優(yōu)化后的管路系統(tǒng)，預(yù)留了足夠的流量控制手段，確保當(dāng)發(fā)生設(shè)備故障時(shí)，其他設(shè)備依舊正常運(yùn)行。

4)當(dāng)發(fā)生單一設(shè)備故障時(shí)，“串聯(lián)系統(tǒng)”和“并聯(lián)系統(tǒng)”對(duì)比，前者的設(shè)備故障響應(yīng)特性更優(yōu)，對(duì)管網(wǎng)內(nèi)剩余設(shè)備的流量值影響較小。

5)綜合而論，采用“串聯(lián)系統(tǒng)”布設(shè)管道相對(duì)簡(jiǎn)單，管道總長(zhǎng)度也較小;而“并聯(lián)系統(tǒng)”具備一定的冗余特性，也就是一條支路主管道故障時(shí)，不會(huì)影響到太多設(shè)備。