區域冷卻系統流量平衡技術

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

現代船舶的海水冷卻系統向集成化、區域化供給方式轉變[1],在船舶設計過程中統籌規劃全船冷卻資源供給，采用區域冷卻系統型式，對全船冷卻水統一供給、集中監控成為新的趨勢。將全船海水冷卻系統分為多個區域，對區域內設備進行統一供給，可提高全船冷卻水集中調配能力，解決各個設備與系統間的冷卻水集中供給和備用問題，提高系統集成化程度，實現冷卻資源的綜合利用[2]。在實際的冷卻水區域化和集成化供給時，由于受到設計、施工、用戶數量變化、末端用戶位置差異等因素的影響，冷卻水管網容易出現水力失調的現象[3]。水力失調會造成管路流量不足，設備因冷卻不良產生故障；或管路流量偏大，管內海水流速高，管路、設備腐蝕加快等問題，影響船上設備的正常使用。目前冷卻水系統在流量平衡控制方面，主要是采用手動調整截止閥、球閥、閘閥等閥門開度、設置節流孔板等方式進行靜態水力平衡控制[4]，由于沒有開度指示、系統調試復雜、使用過程中調整困難，水力失調現象時有發生；在動態水力失調控制方面，常采用壓差控制閥等進行動態水力平衡控制，但都是被動控制措施，很少采取主動控制措施[5]。為此,考慮對區域冷卻系統采用流量平衡技術，針對某船提出了一種區域冷卻系統流量平衡方案。對系統的靜態流量平衡和動態流量平衡均采取控制措施。

1 區域冷卻系統流量平衡技術

1.1 水力失調

水力失調以實際流量與設計流量的比值，即水力失調度來進行衡量。

Xi=Qsi/Qgi

(1)

式中：Xi為被平衡管段水力失調度；Qsi為被衡量管段的實際流量；Qgi為被衡量管段的設計流量。若Xi=1，該管段處于穩定工況；當Xi與1相差越大時，表明該管段的水力失調越嚴重。

水力失調又分為靜態失調和動態失調。

1.1.1 靜態水力失調

用戶在系統設計狀態下所獲得的流量與設備設計流量不符，稱為靜態水力失調，是穩態的，根本性的。靜態水力失調不加以解決將始終存在，這一問題產生的主要原因是系統在設計和施工過程中管路的阻力特性與系統設計時的管道阻力特性不一致造成的。

1.1.2 動態水力失調

動態水力失調是由于用戶對流量進行調節而引起系統的阻力分布變化，并導致系統中其他用戶流量發生變化而造成的失調現象。這種失調是變化的、動態的。動態失調造成水流量不受控，系統越大，動態失調所造成的影響越嚴重[6]。

對于區域冷卻系統，既存在靜態水力失調，又存在動態水力失調，需要在系統設計和調試過程中解決靜態水力失調的問題，在系統運行過程中解決動態水力失調問題。因此，區域冷卻系統應同時具有靜態和動態流量平衡能力。

1.2 靜態流量平衡技術

為解決靜態水力失調，需在每個支管設置靜態流量平衡設備，如截止閥、球閥、閘閥、節流孔板、靜態平衡閥等，這些設備經過調整調試后可以有效控制系統設計工況下的水力失調。

在靜態流量平衡設備中，截止閥、球閥、閘閥等屬于快開屬性，手動調節不便；節流孔板存在調試復雜的問題；靜態平衡閥由于具有流量與開度成等百分比關系、開度指示精確、設有開度鎖定裝置、便于調試等優點[7-8]，近年來在陸用暖通行業被廣泛應用，船上區域冷卻系統為便于操作調試，可以借鑒使用靜態平衡閥。

1.3 動態流量平衡技術

區域冷卻系統運行過程中，除存在所有用戶同時工作的狀態外，也存在部分用戶停用、管路泄漏或堵塞等造成動態水力失調的情況，為對支路上的流量進行動態調節，使流量重新穩定并滿足流量平衡控制要求，需在每個支路上設置動態流量平衡閥。動態流量平衡閥分為固定流量型和電動調節型動態流量平衡閥(本文中簡稱電動調節閥)，固定流量型流量平衡閥，如壓差控制閥，在壓差變化時通過閥門自身調整閥門開度可以保持流量不變，屬于被動控制；電動調節閥通過開度調整可以調整管路流量，屬于主動控制；兩者均可用作動態流量平衡控制，在需要對管路流量進行精確的閉環控制時需采用電動調節閥。

1.4 流量平衡控制策略

為實現對管路流量的精確控制，需在區域冷卻支路上設置流量計，對流量進行實時監控，實現流量的閉環控制。當采集到的流量值與監控箱上設定的流量值偏差超出一定范圍時，監控箱輸出電動閥控制信號至各電動閥執行機構，對其開度進行調節，直至流量偏差恢復正常。為保證設備有足夠的冷卻水，防止缺水情況發生，支路水力失調度控制在1.0～1.1范圍內視為合格。為防止系統流量過大，管路流速高造成管路腐蝕，設有旁通管路，并設有電動調節閥，通過其開度調整將多余的海水排舷外。Xi≤0.85或Xi≥1.2時，發出報警，提醒人員進行排查。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 某船區域冷卻系統方案

某船全船主要機械設備均采用海水進行冷卻，其中主機、柴油發電機組設有獨立的海水冷卻系統，齒輪箱、調距槳及軸系設備由于其使用時機的一致性也單獨設置海水冷卻系統，其余如大氣冷凝器、水冷機柜、單元式空調、制氮裝置、空壓機、舵機、減搖鰭、各種液壓泵站及雷達等設備的冷卻水由全船統一供給。為提高冷卻設備的使用率，簡化系統設備配置，減少空間和重量，將這些設備按照其所處的艙室及位置，沿船長方向根據防火區的劃分，將全船需要統一提供海水冷卻的設備劃分為若干個冷卻區域，每個區域為一獨立的區域冷卻系統。

根據區域內設備冷卻水用量，配置區域海水冷卻泵，流量在區域內所有設備冷卻水用量的110%～120%之間。根據設備的布置位置及其海水冷卻需求進行區域冷卻管網設計，各區域冷卻系統互相獨立，每臺區域冷卻水泵由消防總管內的消防水減壓后作為備用。由于每個區域內的設備使用時機不同，存在不同使用工況，因此區域冷卻系統是變流量系統。

流量平衡控制方面，為提高系統穩定性，減少系統的穩定時間，同時也為了方便系統控制，靜態流量平衡采用靜態平衡閥進行控制，根據仿真計算結果和現場調試情況確定靜態平衡閥的設定開度，然后鎖定。動態流量平衡采用電動調節閥進行控制，每個用戶支路上均安裝有流量計，系統設有控制箱，對各支路的流量進行監測，按照前述控制策略對包括旁通管路上動態平衡閥在內的所有電動調節閥進行控制，以實現動態流量平衡，各支路的組件結構見圖2(用戶在出口端)。

圖2 流量調節組件結構

為方便操作和控制，初始調試時，區域內所有用戶均開啟，各用戶支路上的電動調節閥均處于全開狀態，調整每個用戶支路上的靜態平衡閥，使所有支路的水力失調度均控制在1.00～1.03之間，此時旁通管路上的電動調節閥及所有靜態平衡閥的開度即為其初始設定值。

3 區域冷卻系統仿真計算

3.1 系統仿真建模

各區域冷卻系統單獨工作，相互之間沒有聯系。選擇該船的2號區域冷卻系統進行仿真計算，2號區域基本情況見圖3。

圖3 2號區域基本情況

利用PIPENET對圖3所示管網進行建模。為保證模型的準確度與建模的方便性，按照實船用戶、管路和閥附件位置布置進行建模，其中用戶根據其流道特性以阻尼器等價。區域冷卻系統模型結構見圖4。

圖4 2號區域冷卻系統仿真計算模型

3.2 仿真計算內容及結果

對系統的管路、閥附件、用戶等計算參數進行設定，系統的入口以泵的出口為邊界條件，選用泵的額定流量和揚程。系統為開式系統，所有出口與大氣直接連通，壓力邊界條件設置為大氣壓力值。

1)在各用戶均運轉的工況下，對靜態平衡閥和旁通管路的流量調節閥參數進行調整，使各用戶的水力失調度均在1.00～1.03內，確定其參數和開度。其中靜態平衡閥不同型號具有不同的流量和壓差調整范圍，其開度和壓差具有對應關系，通過計算可以得出其調試時的初始設定值；流量調節閥可以計算出全開狀態的進出口壓差值。

2)在部分用戶停止運轉的工況下，其相應的流量調節閥關閉，對系統中其他流量調節閥進行調整，找出合適的流量調節閥參數。

3)分析計算結果，找出不合理因素，對管網進行調整。

經過多次計算和管路調整，系統各用戶同時運轉時，各支路靜態平衡閥和流量調節閥的計算參數見表1。

表1 靜態平衡閥和流量調節閥參數

注：此時旁通閥開度為0.21。

此外，還對部分用戶(6個工況)運轉的工況進行了模擬計算，由于篇幅有限，只列出當用戶2、3、8關閉的工況下，各支路流量計算結果見表2。

表2 部分設備運轉時仿真計算結果

注：此時旁通閥開度為0.42，壓差為電動調節閥進出口壓差。

仿真計算結果表明，通過對區域冷卻系統進行建模和仿真計算，可以為系統管子通徑調整和靜態平衡閥、電動調節閥的參數確定和初始設定提供依據。

4 區域冷卻系統典型管路試驗

4.1 試驗管路及臺架

區域冷卻系統典型管路試驗在區域冷卻系統模擬試驗臺上進行，該試驗臺為開式循環系統。水泵將水從水池中抽上來，經進水總管通向5條試驗管路，經排水總管后，最后返回蓄水池。5條試驗管路通徑分別為DN25、DN40、DN50、DN65、DN100，依次設有手動球閥、靜態平衡閥、流量計、電動調節閥和模擬用戶(靜態平衡閥)，進、排水總管通徑均為DN250，并設有單獨的區域冷卻控制箱。試驗臺構造見圖5，試驗臺實景見圖6。

圖5 區域冷卻系統試驗臺構造示意

圖6 區域冷卻系統試驗臺實景

4.2 試驗方法及結果

試驗選取試驗臺上DN25、DN40和DN50 3條典型用戶管路作為試驗對象，3條試驗管路分別布置一組相應規格的流量調節組件，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調節閥，用于調節旁通管路流量。進、排水管路采用臺架進、排水總管，水泵流量為50 m3/h(13.9 L/s)，揚程0.7 MPa。

試驗選取3組不同的管路流量值作為目標流量值，測試流量調節閥開度穩定后的管路流量，檢驗區域冷卻控制箱能否將管路流量調至目標值。

試驗方法如下。

1)在控制箱上將電動流量調節閥調整至全開狀態，手動調整靜態平衡閥至管路最大設定流量時的開度，校核后鎖定。將第一組管路目標流量值填入相應的管路流量設定框內。啟動水泵，調節水泵出口流量至50 m3/h。

2)在控制箱控制界面上點擊自動運行按鈕，自動控制流量調節組件對系統上的電動調節閥進行開度調節。

3)等待一段時間，待數顯流量計讀數穩定后，記錄相應管路的實際流量值(讀取3次求平均值)，轉入下一組試驗。

試驗結果見表3。

表3 試驗數據記錄表

由表3可見，流量調節誤差在2.5%～5.7%之間，滿足要求，說明采用靜態平衡閥和流量調節閥的流量平衡措施可以滿足區域冷卻系統的水力失調控制要求。同時記錄系統調節時間，從給出設定流量到流量穩定,時間均在15～30 s之間，說明系統具有較好的動態調整性能。

5 結論

船舶區域冷卻系統是一種新型的冷卻系統，在區域冷卻系統典型管路試驗中，水利失調度滿足設計要求。由于試驗費用和場地的限制，試驗中只設置了3條支路，與實船的區域冷卻管系存在較大差異，系統性能還待實船試驗進一步驗證。