CN110282074B - 船舶冷却管路系统变工况低噪声配置调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船舶冷却管路系统变工况低噪声配置调控方法，包括建立系统设备综合特性数据库；根据系统运行参数判断当前运行工况下冷却管路系统内所需要的冷却流体流量，实现系统换热平衡；建立管路系统一维模型，对整个冷却管路系统进行水力匹配计算，得到多个设备组合运行方案实现系统水力平衡；根据数据库内各设备的噪声源特性，计算传递到管路通海口处的噪声值，评估不同方案的声学水平，从而确定最优低噪声配置调控方案。本发明实现了对管路系统变工况运行时噪声水平的定量评估，形成了完整的管路系统低噪声配置调控技术体系。

Description

船舶冷却管路系统变工况低噪声配置调控方法

技术领域

本发明涉及船舶管路系统的水力计算、振动噪声分析配置调控系统技术领域，尤其是一种船舶冷却管路系统变工况低噪声配置调控方法。

背景技术

船舶管路系统包括动力管路系统和辅助管路系统，由泵、风机等设备驱动水、油、气等流体介质在管路中运行，从而实现冷却、润滑、通风等系统功能。

管路系统的噪声既包括驱动设备的源噪声及其沿管路的传播，也包括流体介质流经管路系统设备元器件如阀门、三通等时所产生的水动力噪声。

船舶管路系统在设计过程中，出于功能安全性的考虑，一般按最大工况需求进行设备选型，这不仅造成了较高的功率冗余，也使得设备的运行工况偏离设计工况点，而管路系统声学特性与其水力特性密切相关，只有当设备与管路系统的水力特性匹配时，系统的噪声水平才有可能降到最低。降低管路系统噪声水平需要从系统配置的角度考虑，针对不同工况下的运行需求，对各设备的运行工况点进行匹配及调控。

目前，针对管路系统的变工况配置调控大多以降低系统能耗为目的，以设备的运行功率作为调控目标参数，未发现以声学目标作为调控目标参数的配置调控方法，而且所使用的调节手段较为单一，当运行工况发生较大变化时无法有效完成系统配置调控任务。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中存在的问题，提供一种船舶冷却管路系统变工况低噪声配置调控方法，从而建立和完善管路系统低噪声智能调控技术，在掌握设备元器件综合特性的基础上，根据实时监测系统所采集到的系统运行参数判断当前工况下所需的管路流量需求，在此基础上依据优化配置调控策略给出噪声水平最低的各设备匹配运行方案，并最终转换成对应设备的调控参数，从而实现管路系统的全工况低噪声运行。

本发明所采用的技术方案如下：

一种船舶冷却管路系统变工况低噪声配置调控方法，包括如下操作步骤：

S1：建立系统设备综合特性数据库，数据库中包含冷却系统中绝大部分设备及系统元器件的综合特性，冷却系统中设备包括水泵、阀门、换热器、三通、弯头、滤器设备及元器件，综合特性通过前期测试获得，将测试结果拟合为曲线输入数据库中；

S2：根据系统运行参数判断当前系统运行工况是否发生变化，并计算当前运行工况下所需要的冷却流体流量，实现系统换热平衡；

S3：建立管路系统一维模型，调用数据库中的元器件综合特性数据，对整个冷却管路系统进行压力损失计算，得到管路阻力特性；

S4：对采用变频、并联或串联等不同调控方式下的水泵扬程与管路阻力进行匹配，得到多个能够提供所需管路流量的设备组合运行方案；

S5：调用数据库中的各设备的噪声源特性，确定不同运行方案下的设备噪声水平，对比不同方案管口噪声水平的高低，将噪声水平最低的方案确定为该工况下的最优系统配置方案。

作为上述技术方案的进一步改进：

接收状态监测系统采集到的冷却管路系统运行状态参数，包括换热器热水端的进出口温度、热水循环流量、冷却端的进出口温度、冷却循环流量；当换热器热水端出口温度超过或低于限定温度范围时判断工况发生变化；根据换热平衡公式Φ＝q×c×Δt

重新计算当前工况下所需的冷却流量，式中，Δt为换热器冷却端进出口温差，c为水的比热容，q为所需冷却流量，Φ为系统换热量。

S3中建立管路系统一维模型，包括：阀门、换热器、三通、弯头、滤器设备及元器件，在已知系统流量的前提下，调用综合特性数据库中各设备、元器件的流量-阻力特性数据，计算各设备及元器件在当前冷却流量下的压力损失并相加计算得出整个管路系统总阻力的大小。

调用水泵特性数据库，判断在当前流量下，水泵通过变频、并联、串联等方式进行调节后，其扬程是否接近系统总阻力损失，当两者大小相近时，可以通过微调阀门开度改变系统阻力，使得两者相等，实现管路水力平衡。

理论上可以得到若干能够实现系统水力平衡的配置方案。

基于满足系统水力平衡的运行方案中给出的设备元器件的运行工况点，调用数据库中冷却管路系统设备的噪声特性数据，得到各设备在当前工况下的噪声水平。

实现从声源沿管路系统的传播至管口辐射声的预报；对比不同方案的管口辐射噪声水平，将噪声水平最低的方案作为最终的配置调控方案。

本发明的有益效果如下：

本发明调控方法简单，通过降低船舶管路系统的运行噪声水平出发，通过测试冷却管路系统中设备元器件的换热、水力、振动噪声特性，建立了设备元器件的综合特性数据库，建立了采用多种配置调控方式时所对应的管路系统模型，通过对系统模型进行换热平衡和水力平衡计算，得到了能够满足冷却系统功能要求的多种设备运行匹配方案，在此基础上通过计算对比不同方案的噪声水平最终确定了最优的低噪声配置调控方案。

本发明实现了对管路系统变工况运行时噪声水平的定量评估，形成了完整的以系统低噪声运行为核心目标的系统特性分析，计算，评估及调控体系。

附图说明

图1为本发明的应用流程图。

图2为本发明船舶冷却系统工况判断及冷却需求流量计算流程图。

图3为本发明船舶冷却系统在一定流量下的总阻力计算流程图。

图4为本发明采用不同配置调控方式时水泵扬程与管路系统阻力匹配方法流程图。

图5为本发明采用不同配置调控方案的噪声水平评估流程图。

图6为本发明进行噪声传递计算时的典型单元连接分支节点示意图。

图7为本发明噪声传递计算的典型示例示意图。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1-图7所示，本实施例的船舶冷却管路系统变工况低噪声配置调控方法，包括如下操作步骤：

S1：建立系统设备综合特性数据库，数据库中包含冷却系统中绝大部分设备及系统元器件的综合特性，冷却系统中设备包括水泵、阀门、换热器、三通、弯头、滤器设备及元器件，综合特性通过前期测试获得，将测试结果拟合为曲线输入数据库中；

S2：根据系统运行参数判断当前系统运行工况是否发生变化，并计算当前运行工况下所需要的冷却流体流量，实现系统换热平衡；

S3：建立管路系统一维模型，调用数据库中的元器件综合特性数据，对整个冷却管路系统进行压力损失计算，得到管路阻力特性；

S4：对采用变频、并联或串联等不同调控方式下的水泵扬程与管路阻力进行匹配，得到多个能够提供所需管路流量的设备组合运行方案；

S5：调用数据库中的各设备的噪声源特性，确定不同运行方案下的设备噪声水平，对比不同方案管口噪声水平的高低，将噪声水平最低的方案确定为该工况下的最优系统配置方案。

接收状态监测系统采集到的冷却管路系统运行状态参数，包括换热器热水端的进出口温度、热水循环流量、冷却端的进出口温度、冷却循环流量；当换热器热水端出口温度超过或低于限定温度范围时判断工况发生变化；根据换热平衡公式Φ＝q×c×Δt

重新计算当前工况下所需的冷却流量，式中，Δt为换热器冷却端进出口温差，c为水的比热容，q为所需冷却流量，Φ为系统换热量。

S3中建立管路系统一维模型，包括：阀门、换热器、三通、弯头、滤器设备及元器件，在已知系统流量的前提下，调用综合特性数据库中各设备、元器件的流量-阻力特性数据，计算各设备及元器件在当前冷却流量下的压力损失并相加计算得出整个管路系统总阻力的大小。

调用水泵特性数据库，判断在当前流量下，水泵通过变频、并联、串联等方式进行调节后，其扬程是否接近系统总阻力损失，当两者大小相近时，可以通过微调阀门开度改变系统阻力，使得两者相等，实现管路水力平衡。

理论上可以得到若干能够实现系统水力平衡的配置方案。

基于满足系统水力平衡的运行方案中给出的设备元器件的运行工况点，调用数据库中冷却管路系统设备的噪声特性数据，得到各设备在当前工况下的噪声水平。

实现从声源沿管路系统的传播至管口辐射声的预报；对比不同方案的管口辐射噪声水平，将噪声水平最低的方案作为最终的配置调控方案。

具体实施过程中，采用如下方法：

S1：建立系统设备综合特性数据库，数据库中包含冷却系统中绝大部分设备及系统元器件的综合特性，设备元器件的综合特性通过前期测试获得，将测试结果拟合为曲线输入数据库中。

系统设备综合特性数据库包括船舶冷却管路系统中的设备元器件，分别为换热器、水泵、阀门和过滤器等。数据库中所包含的设备特性数据为设备元器件的换热特性、水力特性和振动噪声特性，如水泵的扬程-流量-效率特性，阀门的流量-开度-阻力特性，换热器与过滤器的流量-阻力特性，水泵与阀门的流量-噪声特性等。设备的特性数据通过前期测试(测试采用水泵、换热器和阀门等常规测试工具得到)获得，设备的水力特性线通过拟合形成公式输入数据库中，噪声特性等无法拟合为公式的则以离散数据形式存储，以便后期调用。

S2：根据系统运行参数判断当前系统运行工况是否发生变化，并计算当前运行工况下所需要的冷却流体流量，实现系统换热平衡。

具体过程如下：

第一步：根据换热器热水端温度的变化对工况进行判断，由于船舶设备对冷却水的温度有要求，即设定了换热器热水端的出口温度的上下限，当该温度超过其设定限制时，即判定冷却系统的运行工况发生了改变。以某船舶冷却系统为例，其设定热水端的出口温度为36℃，当低于该温度超过一定时长时即判定系统运行工况改变，需要增大冷却流量进行调节。

第二步：通过状态监测系统采集换热器热水端的进出口温度、热水循环流量、冷却端的进出口温度、冷却循环流量，根据换热公式计算新的工况下所需要的冷却流量，实现系统换热平衡，计算公式为：

q_h×c×(T_h1-T_h2)＝q_c×c×(T_c2-T_c1)

其中c为流体介质比热容，q_c为冷却端流量，q_h为热水端流量，T_c1、T_c2为冷却端进出口温度，T_h1、T_h2为热水端进出口温度。

例如，冷却系统的初始状态为，热水端流量为10m³/h，热水端进口温度Tc2＝52℃，出口温度36℃，冷水端流量为10m³/h，冷水端进口温度32℃，出口温度36℃，冷水端流量为40m³/h。当系统运行工况发生变化时热水端进口温度升高至60℃，则在保证热水端流量、出口温度以及冷水端进出口温度不变的情况下，根据换热计算公式可以计算得出，冷却测流量q_c需要提高至60m³/h；

S3：建立管路系统一维模型，调用数据库中的元器件综合特性数据，对整个冷却管路系统进行压力损失计算，得到管路阻力特性。

为了确定冷却管路系统在设定流量下总阻力，包括如下过程：

第一步：按照冷却流体所流经的路径，建立管路系统一维模型。模型包含管路系统的所有设备元器件如水泵、阀门、换热器、三通、管道等。不同调控方式会造成模型的改变，需要根据实际情况对模型进行调整。例如，当冷却系统从单泵供水改为双泵并联供水时，水泵的数量及所连通的管路形式必须随之变化。系该模型需要数据库进行链接，根据计算需求调用数据库中的设备元器件特性。

第二步：计算冷却管路系统总的压力损失，将系统中的设备元器件分为两类进行计算：一类为不可调节元器件产生的阻力，包括换热器、滤器、三通、弯头等，其阻力大小仅与流量相关；另一类为可调节设备产生的阻力，为阀门，其阻力不仅与流量相关还与其本身的开度相关。

第三步：计算不可调节元器件产生的阻力。其中，设备如滤器等的阻力通过调用数据库中的流量-阻力特性线得到。管路元器件的阻力分为沿程阻力，局部阻力和回弯阻力三部分，按照相应公式进行计算。沿程阻力表达式为：

其中，f_i为由于管壁粗糙度导致的阻力系数,L为管路长度，d_i为管路内径，ρ为流体密度，u为流体平均速度，φ_i为修正系数，当雷诺数Re>2100时，φ_i＝(μ/μ_w)^-0.14，式中的雷诺数根据管内流速和管径计算得到，μ为流体的动力粘度系数；由于流动截面的突扩和突缩导致的局部压力损失为：

其中，A₁和A₂分别为流体的进口与出口截面积

回弯阻力损失表达式为：

其中，d为管路直径，R为管路回弯半径。

其中d为换热器冷却总管的水力直径。

第四步：计算可调节设备产生的阻力。这里指阀门的压力损失计算。系统中调节阀的压力损失与流量、开度、水泵提供的系统背景压力三个个参数相关，在进行系统阻力计算时，先将阀门开度暂定为60％，系统背景压力沿用工况未调节前的数据，通过调用数据库中的阀门阻力特性线，确定阀门在该开度下的压力损失，从而计算得到管路系统总阻力的大小。需要指出的是，由于阀门的开度为暂定值，该阻力为初步估算值，需要在下一步与水泵状态点进行迭代匹配计算从而确定最终值。

S4：对采用变频、并联或串联等不同调控方式下的水泵扬程与管路阻力进行匹配，得到多个能够提供所需管路流量的设备组合运行方案。

具体为：将水泵运行工况点与管路系统阻力值进行匹配计算，确定能够满足系统水力平衡的配置方案。选择满足系统流量要求不同的水泵组合运行方式，通过匹配水泵的扬程和系统的阻力，实现系统的水力平衡。包括如下过程：

第一步：根据步骤S2所确定的系统流量，选择可以满足系统流量需求的水泵运行方案。例如当所需的冷却流量为40m³/h时，系统采用单泵供水，当流量增大为60m³/h后，可以继续选择单泵供水，提高泵转速增加流量，也可以选择降低泵转速，双泵并联供水，两种供水方式有多种水泵运行方案都可以达到所需的流量，则满足要求的配置方案全部作为备选方案。

第二步：确定各方案的水泵扬程与步骤S3计算得到的系统总阻力的匹配程度。当两者不匹配时，采用变转速和调节阀门开度两种方式对系统的水力平衡进行调节。按照水泵扬程大于，小于和等于系统总阻力三种情况，采用不同的流程和方式进行调控。

第三步：当水泵扬程等于系统总阻力时，则该方案已满足系统水力平衡，不需要进行调控，可直接作为调控备选方案。

第四步：当水泵扬程大于系统总阻力时，对系统进行降低水泵转速或增大阀门开度手段进行调节，两种调节方式也可以同时采用。降低水泵转速可以降低固定流量下的扬程，增大阀门开度可以减小固定流量下的系统阻力，通过对两者的迭代匹配，最终实现水泵扬程等于系统总阻力，满足系统水力平衡，得到调控备选方案。

第五步：当水泵扬程小于系统总阻力时，首先要判断水泵的扬程是否大于系统不可调节元器件产生的阻力，如果扬程小于该阻力，则此将运行方案舍弃。如果扬程大于该阻力，则对系统采取提高阀门转速或减小阀门开度两种方式进行调节，两种调节方式也可以同时采用。通过迭代匹配实现水泵扬程等于系统总阻力，满足系统水力平衡，得到调控备选方案。

S5：调用数据库中的各设备的噪声源特性，确定不同运行方案下的设备噪声水平，对比不同方案管口噪声水平的高低，将噪声水平最低的方案确定为该工况下的最优系统配置方案。

计算步骤S4得到的不同备选方案中的设备运行噪声水平及传递到管路通海口处的噪声值，对比得出最优的低噪声配置调控方案，包括如下过程：

第一步：根据步骤S4得到的满足系统水力平衡的配置调控方案，确定不同方案中各设备的运行工况点；

第二步：调用数据库中各设备的噪声特性数据，得到不同方案中设备在各自运行工况点的噪声源特性；

第三步：采用传递矩阵方法对管路系统声传递进行计算，将整个管路系统分为串联、并联、串并联混合与分支管路四个子系统，可推导出四个子系统的传递矩阵。每个子系统中包含若干管路声学元器件，其中，直管、弯管、锥管、扩张管等管路元器件的传递矩阵有解析解，而柔性元器件、水泵、阀门、等设备消声器传递矩阵通过常规声阻抗测试获得后存入数据库中，根据需要进行调用，从而实现管路元器件-子系统-整个系统的各层次逐级声学特性求解；

第四步：将整个管路系统以若干个二自由度节点单元描述，每个节点有两个未知数，声压与体积速度，每个节点处声压相等，体积速度连续。每个单元两个端面之间有传递矩阵。

对无源管件单元，有：

对泵以及阀门等有源管件单元，有

对每个单元列出传递矩阵方程，然后将子矩阵组装成总矩阵；

第五步：建立典型单元连接分支节点处关系。如图6的简单管系有4个节点以及三个单元，2节点为分支节点。在2节点处，有4个未知量，即p₂、q₂₁、q₂₃、q₂₄。其中，三个速度分量分别为对应的单元在2节点的体积振动速度。在满足3个单元各自传递矩阵方程的基础上，分支节点引入方程：

将该方程作为连接条件建立整个系统的总矩阵；

第六步：对管路系统设定正确的边界条件，通海管路系统中，由于其与舷外海水相通的特点，因此通海管口向外辐射的流噪声是研究的重点。因此其通海管口辐射阻抗作为整个管路系统的声学边界条件直接影响着整个系统声学响应的准确性。设管口声阻抗为Z，则：

按照上式，即将各种管口阻抗边界条件转化为可用于总矩阵组装的形式。通过连接条件和边界条件对上式进行修改，总矩阵变为方阵，即可求解出各节点处包括声压和体积速度未知量。

第七步：求解出各节点的声学状态量，对比不同配置调控方案的管口辐射噪声水平，将辐射噪声水平最低的方案最为最终的低噪声配置调控方案。如图7示例，当系统所需冷却流量为60m³/h时，对于某方案的具体配置为：采用两台不同型号的水泵变频并联运行，当两台水泵的转速分别1500r/min和1400r/min，流量分别为36m³/h和24m³/h时，系统可以实现水力平衡。调用两台水泵的噪声特性数据可知，两台水泵在相应工况点下的噪声水平分别为178dB和175dB，经噪声传递计算可得此时管口噪声水平为106.1dB。

采用该计算流程计算所有满足水力平衡方案的管口噪声并进行对比，发现该配置调控方案的管口噪声水平为所有方案中的最低值，故采用该方案为最终的配置调控方案。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (3)

1.一种船舶冷却管路系统变工况低噪声配置调控方法，其特征在于：包括如下操作步骤：

S1：建立系统设备综合特性数据库，数据库中包含冷却系统中设备及系统元器件的综合特性，冷却系统中设备包括水泵、阀门、换热器、三通、弯头、滤器设备及元器件，综合特性通过前期测试获得，将测试结果拟合为曲线输入数据库中；

S2：根据系统运行参数判断当前系统运行工况是否发生变化，并计算当前运行工况下所需要的冷却流体流量，实现系统换热平衡；

S3：建立管路系统一维模型，调用数据库中的元器件综合特性数据，对整个冷却管路系统进行压力损失计算，得到管路阻力特性；

S4：对采用变频、并联或串联等不同调控方式下的水泵扬程与管路阻力进行匹配，得到多个能够提供所需管路流量的设备组合运行方案；

S5：调用数据库中的各设备的噪声源特性，确定不同运行方案下的设备噪声水平，对比不同方案管口噪声水平的高低，将噪声水平最低的方案确定为该工况下的最优系统配置方案；接收状态监测系统采集到的冷却管路系统运行状态参数，包括换热器热水端的进出口温度、热水循环流量、冷却端的进出口温度、冷却循环流量；当换热器热水端出口温度超过或低于限定温度范围时判断工况发生变化；根据换热平衡公式Φ＝q×c×Δt重新计算当前工况下所需的冷却流量，式中，Δt为换热器冷却端进出口温差，c为水的比热容，q为所需冷却流量，Φ为系统换热量；S3中建立管路系统一维模型，包括：阀门、换热器、三通、弯头、滤器设备及元器件，在已知系统流量的前提下，调用综合特性数据库中各设备、元器件的流量-阻力特性数据，计算各设备及元器件在当前冷却流量下的压力损失并相加计算得出整个管路系统总阻力的大小。

2.如权利要求1所述的船舶冷却管路系统变工况低噪声配置调控方法，其特征在于：调用水泵特性数据库，判断在当前流量下，水泵通过变频、并联、串联等方式进行调节后，其扬程是否接近系统总阻力损失，当两者大小相近时，可以通过微调阀门开度改变系统阻力，使得两者相等，实现管路水力平衡；采用不同的水泵调控及阀门开度组合方式，理论上可以得到若干能够实现系统水力平衡的配置方案。

3.如权利要求1所述的船舶冷却管路系统变工况低噪声配置调控方法，其特征在于：基于满足系统水力平衡的运行方案中给出的设备元器件的运行工况点，调用数据库中冷却管路系统设备的噪声特性数据，得到各设备在当前工况下的噪声水平；采用传递矩阵方法对管路系统声传递进行计算，实现从声源沿管路系统的传播至管口辐射声的预报；对比不同方案的管口辐射噪声水平，将噪声水平最低的方案作为最终的配置调控方案。

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