大型船舶淡水閉式循環冷卻管網水力平衡的優化仿真計算

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

淡水閉式循環管網能有效解決冷卻管網腐蝕[1]和海生物污損問題[2]，但是其水力特性計算和水力平衡是管網設計的重點和難點。而大型船舶淡水閉式循環冷卻管網冷卻用戶數量多、布置分散，用戶冷卻水需求跨度大、隨工況波動范圍大、設備故障頻率高，管網的水力特性更加復雜。因此，開展系統設計前的管網水力特性計算。

1 典型管網特點

冷卻水源為1臺淡水循環泵，水泵的參數為：流量110 m3/h，揚程65 mH2O。整個系統為閉式系統，冷卻工質為水，用戶數量為12組：設備1、4、7、9流量需求為8 m3/h，設備2、3、10、11流量需求為10 m3/h，，設備5、6流量需求為6 m3/h，設備8、12流量需求為12 m3/h。系統主管管徑DN125，支管管徑與用戶冷卻水需求量相匹配。

根據管網設計要求，分別設計兩套淡水閉式循環管網。

1)第一套是12組設備串聯在一起，稱之為“串聯系統”，見圖1。

圖1 典型淡水閉式循環冷卻串聯管網原理示意

2)第二套是將設備4、5、6、7與設備8、9、10、11、12根據其位置關系串聯再并聯起來，稱之為“并聯系統”，見圖2。

圖2 典型淡水閉式循環冷卻并聯管網原理示意

采用FLOWMASTER數值仿真軟件詳細分析整個冷卻系統中流量的分布[4]，為淡水閉式循環冷卻系統的優化設計提供理論依據，完善冷卻管網的設計。

2 典型串聯系統水力平衡優化

2.1 管路優化

采用流量調節閥對各設備冷卻水流量進行調節，串聯管網各設備流量分配對比見表1。

表1 串聯管網各設備流量分配對比

從表1中可見，未設置調節閥時，管網流量分配嚴重失衡。各設備流量分配過大，普遍超過所需流量50%以上。冷卻水超流將嚴重影響各設備正常工作和降低系統運行的經濟性。

通過流量調節閥對系統管網進行優化，各設備流量基本維持在需求量附近，相對誤差在2%以內。并且各設備閥門開度都在合理范圍之內，主閥門開度為0.20，其余各設備流量調節閥開度在0.25～0.65之間，留有較大余量，這樣便于根據突發情況再次調整閥門，使各設備安全運行。

2.2 設備故障響應特性

在設備運行時，可能會遇到單個或者多組設備發生故障需要關閉的情況。

當發生單一設備故障、多設備故障時，通過仿真計算串聯管網內各設備的流量值，分析串聯系統管網的設備故障響應特性，檢驗串聯系管網的可靠性。

從表2可以看出，單一設備故障模式下，關閉故障設備進出口的閥門，系統管網通過流量再平衡的方式，可以實現正常運行。單獨關閉設備1、2、3、5、6、7時，對系統整體水力特性影響不是很大。除被關閉設備外，系統管網中其他設備流量變化比例未超過需求值的10%，各設備可以正常運行。但是，單獨關閉處于冷卻系統末端的設備8、9、10、11、12時，都會對這5個設備中的其他4個產生較大影響，流量值波動超過需求值的10%，影響設備正常運行。此時需要通過優化系統管網中的流量調節閥，對系統流量進行重新分配調節。

從表3可以看出，多設備故障模式下，各設備流量波動較大，嚴重影響了設備的正常運行，因此需要對串聯管網系統進行優化調節。系統管網優化調節的手段還是通過調節各設備進出口的流量調節閥，使得管網流量重新分配。

表2 串聯管網單一設備故障模式下各設備流量變化比例值對比 %

表3 串聯管網多設備故障模式下各設備流量變化比例值對比表

在串聯系統管網優化前，當設備1、2同時故障時，管網內剩余各設備流量都發生了12%以上的波動，且變化幅度幾乎一致。通過調節閥門對系統管網進行優化后，使剩余各設備流量恢復到正常值。通過將調節閥門開度增加，各設備流量值波動處于3%的幅度以內。

2.3 典型串聯管路優化結果

通過數值仿真優化設計，串聯系統管網各設備流量均達到了流量需求值。

通過仿真，還可以編制各種突發情況處理表，當設備出現故障時，只需要按照表格對相關閥門調節。例如，當設備1、2、3、4、5、6、7其中之一發生故障需要關閉時，直接關閉故障設備閥門即可；但是當設備8、9、10、11、12發生故障時，必須調節相關閥門；當設備1、2同時發生故障時，只需要將調節閥門開度增加即可保證其他設備正常運行。

3 典型并聯系統水力平衡優化

3.1 管路優化

根據并聯管網的特點，設備1、2、3靠在一起，與泵相鄰，故將其串聯在主路上，然后分為上下兩個支路，分別供應設備4、5、6、7和設備8、9、10、11、12。

優化設計后的并聯系統管網各設備流量分布見表4。從表4可以看出，對于并聯系統管網，采用流量調節閥對各設備的流量進行調節優化后，各設備的流量基本維持在需求量附近，相對誤差在3%以內。并且各設備閥門開度都在合理范圍之內，主控閥門開度為0.2，下支管控制閥門開度為0.26，其余各設備流量調節閥開度在0.25～0.50之間，留有較大余量，這樣便于根據突發情況再次調整閥門，使各設備安全運行。

表4 并聯管網優化后各設備流量分配表

3.2 設備故障響應特性

當發生單一設備故障時，通過仿真計算并聯管網內各設備的流量值，分析并聯系統管網的設備故障響應特性，檢驗并聯系管網的可靠性。

從表5可以看出，采用并聯系統管網，當發生單一設備故障時，會出現部分設備冷卻水流量大幅降低的情況，影響設備的正常使用。

當只有設備1、2、3、5、6單獨發生故障，關閉設備供回水閥門時，不影響其他設備的正常使用，即冷卻水流量變化幅度≤10%。

表5 并聯管網單一設備故障模式下各設備流量變化比例值對比表 %

但是，當設備4、7、8、9單獨發生故障，關閉設備供回水閥門時，會對部分設備冷卻水流量產生較大的影響，冷卻水流量變化幅度≥10%，需要相應調整這些設備的流量調節閥，對設備冷卻水流量進行優化。

當設備10、11、12單獨發生故障，關閉設備供回水閥門時，對該支路上的設備會產生較大影響，需要通過在該支管上設置支管控制閥門來優化系統管網流量分配。

仿真結果說明，并聯系統管網設備在此時不具備設備故障自適應的特性。如果要維持整個系統管網流量的合理分配，需要重新調整相應設備的流量調節閥門，以保證系統穩定運行。

進一步的仿真表明，當設備11單獨發生故障，關閉設備供回水閥門時，可以通過調節支管控制閥門的開度，由原0.26的開度，調整為0.20的開度來保證系統整體正常運行。

從表6可以看出，在調整支管控制閥門開度后，整個管網的流量分配更加均衡，各設備冷卻水流量變化幅度≤10%，能夠正常使用。

3.3 典型并聯管路優化結果

通過數值仿真優化設計，并聯系統管網各設備流量均達到了流量需求值。

其次，當單個或者多個設備發生故障時，為保證各設備的穩定運行，系統需要對流量控制閥做出調整，維持管網流量的合理分配。但是，“并聯系統”管網具有一定的冗余特性。當一條之路上設備故障時，僅會對該支路上的設備產生影響，而不會影響到其他支路上的設備。

表6 關閉設備11并優化后各設備流量對比

4 結論

1)“串聯系統”和“并聯系統”的設計方式，均能使得各設備流量均達到流量需求值，保證設備的正常使用。

2)通過在閉式循環冷卻總管、支管和各設備進出口設置流量調節閥，可以有效調節系統管網的流量分配，使得管網的水力特性和運行經濟性得到提升。

3)優化后的管路系統，預留了足夠的流量控制手段，確保當發生設備故障時，其他設備依舊正常運行。

4)當發生單一設備故障時，“串聯系統”和“并聯系統”對比，前者的設備故障響應特性更優，對管網內剩余設備的流量值影響較小。

5)綜合而論，采用“串聯系統”布設管道相對簡單，管道總長度也較小;而“并聯系統”具備一定的冗余特性，也就是一條支路主管道故障時，不會影響到太多設備。