發動機研制試驗循環水系統建設要素分析

摘要：旨在通過循環水系統中水量、水壓及水質要素對系統建設經濟及技術影響的分析，對優化建設方案，選擇合理的運行模式進行分析，用以節約項目前期建設投入。通過對相關研究資料的整理及查閱，結合自身的經驗，首先對用水特點及常見的問題進行了簡要的分析，隨后從水量、水壓及水質3個建設要素對發動機研制試驗的影響進行了分析，由此得出了發動機研制試驗基礎設施建設中，需配套建設循環水系統。根據發動機研制試驗本身用水特點，節省系統后期運行維護成本，減少因水系統運行質量造成的試驗故障。

關鍵詞：基礎設施循環水建設要素水量水壓水質建設方案

中圖分類號：TK401

AnalysisoftheConstructionElementsoftheCirculatingWaterSysteminEngineDevelopmentTests

ZHANGQian

AECCHunanAviationPowerplantResearchInstitute，Zhuzhou，HunanProvince，412002China

Abstract：Byanalyzingtheeconomicandtechnologicalimpactsoftheelementsuchaswaterquantity，waterpressureandwaterqualityonsystemconstructioninacirculatingwatersystem，thearticleaimstoanalyzetheoptimizationoftheconstructionplanandtheselectionofareasonableoperatingmode，soastosaveinvestmentintheearlyconstructionoftheproject.Bythecollationandreviewofrelevantresearchdata，combinedwiththeauthor'sownexperience，thisstudyfirstbrieflyanalyzesthecharacteristicsandcommonproblemsofwateruse， thenanalyzestheimpactofthethreeconstructionelementsofwaterquantity，waterpressureandwaterqualityonenginedevelopmenttests，andconcludesthatintheinfrastructureconstructionofenginedevelopmenttests，itisnecessarytobuildthecirculatingwatersystem.Basedonthewatercharacteristicsoftheenginedevelopmenttestitself，theoperationandmaintenancecostsofthissysteminthelaterstagearesaved，andthetestfailurescausedbytheoperationqualityofthewatersystemarereduced.

KeyWords：Infrastructure;CirculatingWater;Constructionelement;Waterquantity;Waterpressure;Waterquality;Constructionscheme

根據國家建設資源節約型社會的要求，在發動機研制試驗配套水系統建設中，應充分考慮水資源的利用效率，建設優質高效的循環水系統。循環水系統一般分為敞開式和封閉式兩大類。封閉式循環冷卻水系統對于較大型循環冷卻水系統，冷卻設備比較龐大復雜。發動機研制試驗區往往由多個試驗廠房（試車臺）組成，系統較大，用水點多且分散，所以一般采用敞開式循環水系統。本文針對發動機研制試驗對循環水的需求特性，通過對試驗基礎設施建設前期的建設方案要素進行探討，為發動機研制試驗設施建設中循環水系統建設方案選擇提供思路。

1用水特點及常見問題

1.1用水特點

水因具有很好的流動性、穩定性及不可壓縮，且比熱容相對較大，在吸收相同的熱量下，變化的溫度相對較小故被廣泛用作設備冷卻介質。在發動機研制試驗中，無論是機械試驗、結構強度試驗還是整機試驗，因用水設備差異性與用水不確定性，有著區別于其他工業循環用水的顯著特點[1]。

1.2常見問題

某航空發動機研制試驗基地采用泵直供且采用統一規格的水泵，小流量試驗時設備運行損耗大，能源消耗大；某發動機試驗區內強度試驗廠房共用給回水管，用水差異較大的試驗設備，某試車臺在試驗中設備循環水進水壓力0.43MPa，回水壓力0.42MPa，回水不暢，水溫超高，只能采用直排的方式來降低溫度；某試驗區域內氣源廠房發現設備進水水壓不足，經檢查設備進水的過濾器發現有泥沙淤積，增大了設備進水的壓力損失[2]。

2循環水系統建設的要素及影響

2.1水量

循環水量直接決定了發動機研制試驗基礎設施中循環水系統建設規模的大小。在航空發動機研制這種非連續、非同時設備全開用水的試驗區建設過程中，只有合理的循環水量才能節約項目投資成本，最大限度地利用水資源，且達到理想的用水效果[3]。

2.1.1水量的確定

確定系統的循環水量先需確定單臺設備的用水需求。一般來說，設備用水的數據廠家會根據經驗值提供，有的需通過水力計算校核，如水力測功器。

以美國康恩公司404-020水力測功器為例，其給出計算公式如下：公式如下：

Qmax=14.33P/（t2-t1）（1）

式（1）中：Qmax為流量，單位為（L/min）；P為吸收功率，單位為kW；t1為進水溫度，單位為℃；t2為出水溫度，單位為℃。

根據測功器給出進水溫度限值t1=32℃以內，出水溫度上限值t2=70℃，測功器最大吸收功率Pmax=1193kW，即可計算出Qmax=450L/min，從而確定該設備的循環水量。

當單臺設備循環水量確定之后方可計算總循環水量。某航空發動機試驗區對轉槳扇綜合試驗器提供用水量數據為40m3/h，而用氣設備渦槳發動機動力渦輪試驗器提供用水量數據為1800m3/h，配套氣源設備中某型壓縮機用水量為340m3/h。根據試驗器本身的性質決定的用水量的不同，并考慮開車組合及各試車臺同時試車率，可將用水設備分系統建設，效率低的循環水系統。

2.1.2水量對系統建設的影響

（1）總水量的大小決定了系統水池的大小。

①敞開式循環冷卻水的系統容積宜小于小時循環水量的1/3。當按下式計算的系統容積超過前述規定時，應調整水池容積[3]。

V=Vf+Vp+Vt（2）

式（2）中：V為系統容積，單位為m3；Vf為設備中的水容積，單位為m3；Vp為管道容積，單位為m3；Vt為水池容積，單位為m3。注：考慮今后的發展，在場地允許的條件下還是要盡量按上限值設計。

②根據需求不同，系統會設計有一個或者多個水池。

（2）循環水量的變化決定了系統中設備處理流量的選擇。

冷卻塔處理水量應根據換熱設備的數量及工況進行選擇。循環水量的大小決定了選擇冷卻塔與整個試驗區運行工況進行匹配。根據循環水量的變化組合使用冷卻塔可以最大程度地利用冷卻塔效率，降低設備空載率及故障率，達到節約投資、減少運行成本、節省能耗的目的[4]。

水泵的流量選型取決于循環水量的大小變化。采用泵直供的壓力流為試驗設備提供循環冷卻水的系統中，需合理選用水泵運行供水，盡量接近水泵自身特性曲線中的高效率段，冷卻塔與水泵進行流量匹配；采用高位水池/水塔重力流供水的系統中，水泵流量選型可在冷卻塔選型確定后與冷卻塔匹配。

（3）設備用水量的大小決定了循環水管網管徑。

輸配水管網作為一次性投入的基建項目，其管徑大小取決于輸水量的大小。在管網建設中，考慮采用經濟流速來平衡投資與運行費用，使管網設計更加合理[5]。

2.2水壓

發動機研制試驗基礎設施中設備對循環水壓力的要求至關重要，只有根據設備對循環水壓力和精度要求，對進行整體分項統籌考慮，才能夠合理建設試驗區循環水系統，減少投資，提高系統運行經濟性[6]。

2.2.1水壓的確定

單臺設備的進口所需壓力值由廠家給定，一般為0.3～0.4MPa。少數試驗設備所需水壓達到4MPa。供水壓力需保持穩定，壓力波動值一般為±7kPa。出于流量及壓力的考慮，整個發動機研制試驗區內循環水系統建議分為：一般試驗、供用氣試驗及水力測功3個循環水系統。少數需要高壓水的試驗設備可單獨考慮水池水泵進行增壓[7]。

2.2.2水壓對系統建設的影響

（1）水壓要求決定水池形式與數量。

在水力測功器循環水系統建設中應考慮高位水池/水塔或采用可靠性高的穩壓供水設備，保障系統供水的連續及水壓的穩定。由于設備及試驗狀態不同，可能導致設備出水不暢，散熱效果差，應適當考慮中間水池，讓設備回水與大氣接通以減小回水阻力。對于高壓用水設備，需單獨建設水泵吸水池[8]。

（2）系統水壓大小決定了水泵的揚程選擇。

對于系統循環主水泵，其揚程與循環水系統所需要的水壓一致。如設有中間水池或高壓水泵吸水池，其水泵揚程可參照系統所需水壓計算公式進行計算。與實際接近的壓力計算值可使所選擇的水泵工況點處于水泵運行的高效段。

（3）水壓的變化影響管網的建設。

為保障水力測功器正常工作，通常在水池/水塔單獨設置供水管接入用水設備。對于其他試驗設備，循環水系統需考慮采用放大回水管徑或建設中間回水池的方式來削弱設備回水之間的影響。

2.3水質

在循環水系統中，處理水溫符合散熱器的要求試驗才能正常進行。而采用敞開式循環的水系統在運行過程中，導致循環水的溶解氧一直處于飽和狀態，鈣鎂離子析出傾向增大，可能造成試驗設備換熱效率降低，嚴重時會造成設備的腐蝕，引發事故。故在發動機研制試驗循環水設施建設中，應選用適當的冷卻設備以及冷卻水處理的設施設備[9]。

2.3.1水質的確定

水溫數據由用水設備提供。發動機研制采用的試驗設備，其溫差為10℃左右；水力測功器溫差在28℃左右。對于有特殊要求則由設備配套考慮降溫措施。

敞開式循環水系統的用水設備一般會提出用水條，如表1所示；當用水設備對水質要求不明確時，可參考敞開式循環冷卻水水質標準[3]。

2.3.2水質對系統建設的影響

（1）水溫決定冷卻塔選型。循環水系統中，降低水溫由冷卻塔實現。因此對水溫的要求決定了冷卻塔選型。在發動機研制試驗的處理水溫及溫差要求下，常考慮選用高溫型冷卻塔。

（2）水質要求決定配套水處理設施的建設。試驗基地采用自來水作為循環水水源，但水質要求存在差異，如生活飲用水衛生標準中總硬度（以Ca2+計）450mg/L，高于敞開式循環冷卻水水質標準規定的允許值200mg/L。某航空發動機研制試驗區2014年水質檢測結果為：目測可見較多藻類；pH值：8.62；總硬度（以Ca2+計）：106.92mg/L。該區循環水未經處理，檢測項目略高于離心機的水質要求限值，因此還需要采取一定的水處理措施。

3結論

在發動機研制試驗循環水系統建設中，應綜合考慮水量、水壓、水溫水質對建設方案的影響，在方案確定時避免以往在試驗過程中出現過的問題，避免建設系統能力過小導致不滿足最終建成試驗區的需求；對水壓的考量必須充分考慮不同設備之間水壓的相互影響，避免回水不暢導致的試驗故障；水質的考慮應選用恰當的冷卻設備保障水溫，選擇適用的水處理設備保證水質。綜合考量各項建設要素才能保證建成的水系統高效順暢運行。

參考文獻

［1］張寶鋼，管永濤主編.給水排水設計手冊第2冊建筑給水排水[M].北京：中國建筑工業出版社，2011：68，75.

［2］馮旭東.給水排水設計手冊第4冊工業給水處理[M].北京：中國建筑工業出版社，2002：90，99.

［3］中華人民共和國住房和城鄉建設部.工業循環水冷卻設計規范：GB/T50102—2014[S].北京：中國計劃出版社，2014：120-125.

［4］王增長.建筑給水排水工程[M].北京：中國建筑工業出版社，2005：40-48.

［5］曠金國，王朝暉，羅曙光，等.一機一泵組合的冷卻水泵工作區與變頻運行分析［J］.暖通空調，2024，54（1）：119-124，156.

［6］陳建昌，鄢亞.冷卻塔免費冷卻應用于數據中心選型分析［J］.暖通空調，2023，53（S2）：68-73.

［7］廖華豐，袁尚，高蘭，等.某鋼鐵企業循環水處理加藥間設計優化研究［J］.工業水處理，2023，43（7）：212-216.

［8］楊文忠，尹曉爽，陳云，等.我國工業冷卻水處理技術發展回顧與展望［J］.工業水處理，2021，41（9）：1-10.

［9］郭宇明.循環水冷卻水系統建模與優化設計方法研究［D］.沈陽：東北大學，2019，40（1）：98-105.