(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064)

淡水闭式循环管网能有效解决冷却管网腐蚀[1]和海生物污损问题[2]，但是其水力特性计算和水力平衡是管网设计的重点和难点。而大型船舶淡水闭式循环冷却管网冷却用户数量多、布置分散，用户冷却水需求跨度大、随工况波动范围大、设备故障频率高，管网的水力特性更加复杂。因此，开展系统设计前的管网水力特性计算。

1 典型管网特点

冷却水源为1台淡水循环泵，水泵的参数为：流量110 m3/h，扬程65 mH2O。整个系统为闭式系统，冷却工质为水，用户数量为12组：设备1、4、7、9流量需求为8 m3/h，设备2、3、10、11流量需求为10 m3/h，，设备5、6流量需求为6 m3/h，设备8、12流量需求为12 m3/h。系统主管管径DN125，支管管径与用户冷却水需求量相匹配。

根据管网设计要求，分别设计两套淡水闭式循环管网。

1)第一套是12组设备串联在一起，称之为“串联系统”，见图1。

图1 典型淡水闭式循环冷却串联管网原理示意

2)第二套是将设备4、5、6、7与设备8、9、10、11、12根据其位置关系串联再并联起来，称之为“并联系统”，见图2。

图2 典型淡水闭式循环冷却并联管网原理示意

采用FLOWMASTER数值仿真软件详细分析整个冷却系统中流量的分布[4]，为淡水闭式循环冷却系统的优化设计提供理论依据，完善冷却管网的设计。

2 典型串联系统水力平衡优化

2.1 管路优化

采用流量调节阀对各设备冷却水流量进行调节，串联管网各设备流量分配对比见表1。

表1 串联管网各设备流量分配对比

从表1中可见，未设置调节阀时，管网流量分配严重失衡。各设备流量分配过大，普遍超过所需流量50%以上。冷却水超流将严重影响各设备正常工作和降低系统运行的经济性。

通过流量调节阀对系统管网进行优化，各设备流量基本维持在需求量附近，相对误差在2%以内。并且各设备阀门开度都在合理范围之内，主阀门开度为0.20，其余各设备流量调节阀开度在0.25～0.65之间，留有较大余量，这样便于根据突发情况再次调整阀门，使各设备安全运行。

2.2 设备故障响应特性

在设备运行时，可能会遇到单个或者多组设备发生故障需要关闭的情况。

当发生单一设备故障、多设备故障时，通过仿真计算串联管网内各设备的流量值，分析串联系统管网的设备故障响应特性，检验串联系管网的可靠性。

从表2可以看出，单一设备故障模式下，关闭故障设备进出口的阀门，系统管网通过流量再平衡的方式，可以实现正常运行。单独关闭设备1、2、3、5、6、7时，对系统整体水力特性影响不是很大。除被关闭设备外，系统管网中其他设备流量变化比例未超过需求值的10%，各设备可以正常运行。但是，单独关闭处于冷却系统末端的设备8、9、10、11、12时，都会对这5个设备中的其他4个产生较大影响，流量值波动超过需求值的10%，影响设备正常运行。此时需要通过优化系统管网中的流量调节阀，对系统流量进行重新分配调节。

从表3可以看出，多设备故障模式下，各设备流量波动较大，严重影响了设备的正常运行，因此需要对串联管网系统进行优化调节。系统管网优化调节的手段还是通过调节各设备进出口的流量调节阀，使得管网流量重新分配。

表2 串联管网单一设备故障模式下各设备流量变化比例值对比 %

表3 串联管网多设备故障模式下各设备流量变化比例值对比表

在串联系统管网优化前，当设备1、2同时故障时，管网内剩余各设备流量都发生了12%以上的波动，且变化幅度几乎一致。通过调节阀门对系统管网进行优化后，使剩余各设备流量恢复到正常值。通过将调节阀门开度增加，各设备流量值波动处于3%的幅度以内。

2.3 典型串联管路优化结果

通过数值仿真优化设计，串联系统管网各设备流量均达到了流量需求值。

通过仿真，还可以编制各种突发情况处理表，当设备出现故障时，只需要按照表格对相关阀门调节。例如，当设备1、2、3、4、5、6、7其中之一发生故障需要关闭时，直接关闭故障设备阀门即可；但是当设备8、9、10、11、12发生故障时，必须调节相关阀门；当设备1、2同时发生故障时，只需要将调节阀门开度增加即可保证其他设备正常运行。

3 典型并联系统水力平衡优化

3.1 管路优化

根据并联管网的特点，设备1、2、3靠在一起，与泵相邻，故将其串联在主路上，然后分为上下两个支路，分别供应设备4、5、6、7和设备8、9、10、11、12。

优化设计后的并联系统管网各设备流量分布见表4。从表4可以看出，对于并联系统管网，采用流量调节阀对各设备的流量进行调节优化后，各设备的流量基本维持在需求量附近，相对误差在3%以内。并且各设备阀门开度都在合理范围之内，主控阀门开度为0.2，下支管控制阀门开度为0.26，其余各设备流量调节阀开度在0.25～0.50之间，留有较大余量，这样便于根据突发情况再次调整阀门，使各设备安全运行。

表4 并联管网优化后各设备流量分配表

3.2 设备故障响应特性

当发生单一设备故障时，通过仿真计算并联管网内各设备的流量值，分析并联系统管网的设备故障响应特性，检验并联系管网的可靠性。

从表5可以看出，采用并联系统管网，当发生单一设备故障时，会出现部分设备冷却水流量大幅降低的情况，影响设备的正常使用。

当只有设备1、2、3、5、6单独发生故障，关闭设备供回水阀门时，不影响其他设备的正常使用，即冷却水流量变化幅度≤10%。

表5 并联管网单一设备故障模式下各设备流量变化比例值对比表 %

但是，当设备4、7、8、9单独发生故障，关闭设备供回水阀门时，会对部分设备冷却水流量产生较大的影响，冷却水流量变化幅度≥10%，需要相应调整这些设备的流量调节阀，对设备冷却水流量进行优化。

当设备10、11、12单独发生故障，关闭设备供回水阀门时，对该支路上的设备会产生较大影响，需要通过在该支管上设置支管控制阀门来优化系统管网流量分配。

仿真结果说明，并联系统管网设备在此时不具备设备故障自适应的特性。如果要维持整个系统管网流量的合理分配，需要重新调整相应设备的流量调节阀门，以保证系统稳定运行。

进一步的仿真表明，当设备11单独发生故障，关闭设备供回水阀门时，可以通过调节支管控制阀门的开度，由原0.26的开度，调整为0.20的开度来保证系统整体正常运行。

从表6可以看出，在调整支管控制阀门开度后，整个管网的流量分配更加均衡，各设备冷却水流量变化幅度≤10%，能够正常使用。

3.3 典型并联管路优化结果

通过数值仿真优化设计，并联系统管网各设备流量均达到了流量需求值。

其次，当单个或者多个设备发生故障时，为保证各设备的稳定运行，系统需要对流量控制阀做出调整，维持管网流量的合理分配。但是，“并联系统”管网具有一定的冗余特性。当一条之路上设备故障时，仅会对该支路上的设备产生影响，而不会影响到其他支路上的设备。

表6 关闭设备11并优化后各设备流量对比

4 结论

1)“串联系统”和“并联系统”的设计方式，均能使得各设备流量均达到流量需求值，保证设备的正常使用。

2)通过在闭式循环冷却总管、支管和各设备进出口设置流量调节阀，可以有效调节系统管网的流量分配，使得管网的水力特性和运行经济性得到提升。

3)优化后的管路系统，预留了足够的流量控制手段，确保当发生设备故障时，其他设备依旧正常运行。

4)当发生单一设备故障时，“串联系统”和“并联系统”对比，前者的设备故障响应特性更优，对管网内剩余设备的流量值影响较小。

5)综合而论，采用“串联系统”布设管道相对简单，管道总长度也较小;而“并联系统”具备一定的冗余特性，也就是一条支路主管道故障时，不会影响到太多设备。