周炫，严天，黄庆，谢军龙，王飞飞

(1.中国舰船研究设计中心，武汉 430064；2.华中科技大学 a.建筑环境与能源应用工程系；b.制冷及低温工程系，武汉 430074)



舰船岸接供水运行模式的水力平衡试验

周炫1，严天2a，黄庆2b，谢军龙2b，王飞飞2a

(1.中国舰船研究设计中心，武汉 430064；2.华中科技大学 a.建筑环境与能源应用工程系；b.制冷及低温工程系，武汉 430074)

针对岸接泵直接供水运行时，舰船各区用户流量分配不均，存在明显的水力失调问题。提出在冷媒水管网系统中增设动态流量平衡阀、增压泵及分流跨接管3种水力平衡措施以改善系统水力失调。试验结果表明，采用增压泵和分流跨接管2种措施的效果更好，能使各区用户的流量分配更均匀。

岸接供水；水力失调；动态流量平衡；增压；分流跨接管

当流体管网系统各支路阻力特性差异较大时，支路末端的实际流量分配将偏离工程设计值，进而出现水力失调现象[1-6]。大型舰船冷媒水系统的管网形式非常复杂，各支路的负荷特性与流量需求差异极大，极易出现水力失调现象。因此，舰船冷媒水系统的水力平衡及调节尤为重要[7-8]。由于舰船的使用时间、地点多变，支路的流量需求变也会发生很大的变化。舰船在岸边停靠时，仍需冷媒水对舰船空调用户进行降温或除湿。为节省舰船上的资源，通常可利用岸上的岸接泵分别向舰船供水，以满足舰船各用户支路冷媒水量(冷量)需求。在舰船进行岸接供水时，舰船用户的水量需求与额定工况下的需求有所不同，这可能造成各支路的流量分配不均。另外，舰船各用户位置相对分散，因而水管网系统在岸接供水时易出现水力失调现象。针对此问题，对某舰船冷媒水系统的岸接供水工况进行试验。

1 试验平台搭建

舰船在岸边停靠时，舰上各用户区与岸接泵支路的距离不同，且布局各异，因而各用户区的管网水力特性也有所不同。采用岸接泵直接向各区供水时，舰上各用户区的流量易分配不均，出现水力失调现象。以艉部岸接供水为例，研究岸接供水运行模式下的舰船冷媒水系统的水力特性。利用缩比原理搭建某舰船冷媒水系统试验平台，如图1所示。

舰船艉部共设有3个用户区，各区间采用供回干管相连，其中一区用户有8个用户支路Z1～Z8，二区用户有7个支路用户Z1～Z7，三区用户有5个用户支路Z1～Z5。每个用户区分别设有水泵支路以保证舰船各自分区的正常供水。舰船在岸边停靠时，将岸接泵支路接入舰船水管网系统的二区与三区之间的供回干管上，以此实现对舰船各用户的岸接供水。

试验平台按照实船冷媒水系统的布局设计。根据实船设计流量比可缩比得到试验平台系统在额定工况下各区、各用户支路的设计流量。随后，根据设计流速1～3 m/s[9]，确定各支路管径，各支路的设计流量及管径如表1所示。对于岸接供水工况，根据负荷特点，各支路流量只需满足其在额定工况下设计流量的60%即可。在岸接泵支路向舰船供水工况下，各支路设计流量如表2所示。试验平台选用的岸接泵扬程为0.8 MPa(80 mH2O)，额定流量为60 m3/h。在试验平台中，水管网干管与各用户支路的阻力特性均采用蝶阀进行模拟。

试验平台搭建完成后，首先对各区用户支路、区间干管的阻力特性进行调试，使之与实际舰船的管网阻力匹配。调试完成后，管网各管段上的蝶阀开度和阻力特性不变。随后，开启各区间干管截止阀、关闭各区泵支路截止阀，使舰船各区联通以进行岸接泵供水试验。通过数据采集系统采集不同运行工况下的各用户支路流量，进而对水管网系统的水力特性进行分析。

表1 试验平台各用户额定工况下各支路设计流量

表2 试验平台岸接工况下用户支路的设计流量 m3/h

2 舰船岸接供水直接运行试验

水管网系统的支路水力失调程度可用实际流量与设计流量的比值衡量[10]，如式(1)所示。

(1)

式中：x为水力失调度，Qs为支路实际流量，Qg为支路设计流量。

x越接近于1，表示该支路的水力失调程度越小。此外，水力失调度越大，表示该支路的实际流量与占设计值之比越大。

表3为岸接供水工况下各用户支路的流量分配与水力失调度。试验结果表明，一区用户流量偏小，仅为设计流量的80%左右，水力失调度为0.78～0.81；二区用户流量基本达到设计值，水力失调度为0.99～1.14；三区用户流量偏大，达到设计流量的112%左右，水力失调度为1.08～1.14。由此可见，在由岸接泵向各区供水时，舰船各区用户流量分配不均，出现了明显的水力失调现象，即一区用户流量偏小，三区用户流量偏大。主要原因是，岸接泵向舰船各区供水时，一区用户距离岸接泵支路最远，且与二区用户共用同一供回干管，干管阻力损失相对最大，因此，一区用户流量最小。

表3 舰船岸接供水时各支路试验流量及水力失调度

3 舰船岸接供水的水力平衡措施

通过上式试验知，岸接供水直接运行时，舰船艉部各区将出现严重的水力失衡。为改善此情况，提出在系统中增设3种水力平衡措施以改善系统水力失调：①动态流量平衡阀;②增压泵及；③分流跨接管。通过试验对3种措施在管网中的有效性和可行性进行试验和分析。

如图1所示，措施①在三区管网与岸接泵支路间的干管上增设动态流量平衡阀以实现对三区用户的限流，使一、二区用户流量增大，改善水力失衡；措施②在一区与二区用户管网间的干管上设置增压泵(额定流量20 m3/h，扬程0.15 MPa)，增加一区用户冷媒水的资用压头，以期实现各区用户的水力平衡的目的；措施③将岸接泵支路与一、二区用户的区间干管通过分流跨接管相连，同时将一、二区用户的区间干管隔断阀关闭。在此措施中，岸接泵可通过分流跨接管向一区用户直接供水，通过供回干管向二区、三区用户供水，分流跨接管管径为65 mm。

4 结果与分析

通过开关区间干管阀门，依次实现分别采用3种平衡措施后的舰船冷媒水岸接供水运行工况，试验结果分别如表4～6所示。表4为冷媒水系统岸接供水工况在采用措施①后的舰船各支路的流量分配。结果表明，在三区干管与岸接泵支路间设置动态流量平衡阀后，三区用户各支路流量相对于直接运行明显减小，水力失调度减小为0.95～0.97，基本达到设计流量；二区用户流量相对直接运行稍有增加，均为设计流量的110%；一区用户各支路流量相对于直接运行明显增加，约能达到设计流量的90%，水力失调度0.89～0.95。上述结果表明，采用平衡措施①即增设动态流量平衡阀后，舰船冷媒水系统在进行岸接供水工况时，各用户支路水力失调现象得到明显改善，但一区流量仍相对偏小。

采用措施②后的舰船各支路的流量分配见表5。从结果可知，在一区用户与二区用户之间设置增压泵后，一区用户各支路流量相对于直接运行明显增加，基本达到设计流量的95%以上，各支路水力失调度为0.95～1.00；二区用户各支路流量相对于直接运行稍有减少，为设计流量的95%左右；三区用户各支路流量相对于直接运行明显减小，水力失调度减小至1.02～1.04。上述结果表明，采用平衡措施②即设置增压泵后，全舰各用户支路的流量均能达到需求流量的92%以上，且分配基本平衡，水力失调问题基本解决。

表4 采用动态流量平衡阀后舰船岸接供水试验结果

表5 采用增压泵后舰船岸接供水试验结果

表6为冷媒水系统岸接供水工况在采用措施(3)后的舰船各支路的流量分配。试验结果表明，采用分流跨接管平衡措施后，一区用户各支路流量相对于直接运行明显增加，达到设计流量的98%，各支路水力失调度为0.97～1.03；二区用户各支路流量达到设计流量的104%左右，其支路水力失调度为1.02～1.07；三区用户各支路流量相对于直接运行明显减小，达到设计流量的103.4%左右，水力失调度减小至1.01～1.05。当采用平衡措施(3)，即使岸接泵支路由分流跨接管直接向一区用户供水、由供回干管向二、三区用户供水时，全舰各用户支路的流量均能达到需求流量的98%-106%，且分配基本平衡，水力失调现象消失，满足工程实际需求。

试验表明，设置动态流量平衡阀、增压泵及分流跨接管3种平衡措施均能明显改善舰船冷媒水系统岸接供水工况的水力失调现象。相较而言，采用增压泵与分流跨接管2种措施改善水力失衡的效果更好，能使舰船用户各支路的流量分配更均匀。

表6 采用分流跨接管后舰船岸接供水试验结果

5 结论

试验表明，岸接泵直接供水运行时，舰船艉部各区用户流量分配不均，一、二和三区用户流量分别约为需求流量的78%，102%和110%，存在明显的水力失调现象。

提出在系统中增设动态流量平衡阀、增压泵及分流跨接管3种水力平衡措施。结果表明，相比于直接运行：①增设动态平衡阀平衡措施后，三区各支路流量明显减小，基本达到设计流量，一区用户各支路流量约为设计流量的90%左右，水管网水力失调现象得到改善；②在一、二区用户区间干管上设置增压泵后，全舰各用户流量达到设计流量的94.5%～102.5%，流量分配较均匀，水力失衡问题基本得到解决；③岸接泵支路由分流跨接管直接向一区用户供水、由供回干管向二、三区用户供水时，全舰各用户支路的流量能达到需求流量的98%～106%，且分配较平衡，水力失调现象消失。

所提出的3种平衡措施均可有效地改善舰船艉部岸接供水工况下用户的水力失调现象。相较而言，采用增压泵和分流跨接管两种措施的效果更好，能使舰船艉部用户各支路流量分配更均匀。

[1] 高会荣.暖通空调水系统中水力失调现象及其解决方法[J].山西建筑，2011(20):123-124.

[2] 郝存忠,王美萍.供热系统水力失调原因分析与解决措施[J].科技情报开发运经济,2006(24):196-197.

[3] 戴彬彬,段雪松.水力平衡调试在空调水系统中的应用[J],建筑技术，2013(3):249-251

[4] 汪训昌.定流量阀在变流量水系统中的应用[J].制冷与空调, 2001(06):52-54.

[5] 孙晋飞.动态流量平衡阀平衡控制特性研究及在中央空调水系统中的应用[D].青岛：青岛理工大学环境与市政工程学院,2011.

[6] 王成,郝岩峰,施舜天.动态流量平衡阀在暖通工程中的应用[J].制冷空调与电力机械,2003(2):42-46.

[7] 冷峻,张威,马军.大型舰船集成式冷媒水系统优化设计及试验[J].中国舰船研究,2015,10(3):102-107.

[8] 由成良.同程式空调水系统的实船设计应用[J].船舶,2014(3): 56-60.

[9] 中华人民共和国国家技术监督局.船舶起居处所空气调节与通风设计参数和计算方法GB/T 13409—92 [S].北京:中国标准出版社,1992.

[10] 付祥钊.流体输配管网[M].北京：中国建筑工业出版社,2005.

Experimental Study on Hydraulic Balance of the Shore-connected Water Supply System

ZHOU Xuan1, YAN Tian2a, HUANG Qing2b, XIE Jun-long2b, WANG Fei-fei2a

(1.China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China; 2.a.Dept. of Building Environment and Energy Engineering; b.Dept. of Refrigeration and Cryogenic Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

In order to solve the problem of the uneven flow distribution and hydraulic imbalance when the shore-connected water supply system runs directly, three hydraulic balance approaches were put forward by using auto-flow balancing valve, booster pump and bypass flow pipe respectively. The testing results showed that all of the three approaches can improve the hydraulic imbalance of the refrigerant water system. Among them, the use of the booster pump or the bypass flow has better performance to improve the hydraulic imbalance.

shore-connected water supply; hydraulic imbalance; auto-flow balancing; pressure relay; bypass flow pipe

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.034

2017-03-07

国家部委基金资助项目

周炫(1989—)，男，硕士，助理工程师

研究方向：舰船空调通风

U664.8

A

1671-7953(2017)03-0143-04

修回日期：2017-03-27