船舶管网系统水力特性研究及其应用

ue. Next，the efficiency and accuracy of the calculation are verified through a real-time simulation of the ship ballast system. Finally，a method of system debugging is presented，whose validity is successfully ver⁃ Key words： pipeline network； hydraulic characteristic； hydraulic calculation； system debugging
0
引
言
应用的理论基础， 研究船舶管网系统水力特性是 解决船舶管网系统应用问题的前提。目前， 船舶 管网水力计算在管网系统工程中应用最多， 计算 方法主要有哈代—克罗斯法、 拟牛顿法等， 这些方 法有的计算精度不高， 有的收敛性较差［1-3］， 除此 以外， 无论哪种求解方法， 一般均需经验丰富的专 家给出迭代初值， 这给管网水力计算的普遍化带 来困难。船舶管网系统调试也是船舶管网系统工
网络出版地址： http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1673-3185.2014.04.015.html 期刊网址： www.ship-research.com
第9卷 第4期 2014 第 4 期年 8 月
中 国 舰 船 研 究 Chinese Journal of Ship Research
网络出版时间： 2014-07-30 09:26
作者简介： 宋振国 （通信作者） ， 男， 1985 年生， 硕士， 助理工程师。研究方向： 蒸汽动力设计。 E -mail： song850624@126.com 蒋丁宇， 男， 1986 年生， 硕士， 助理讲师。研究方向： 机电一体化。 E -mail： dlmujiangdingyu@163.com 张晓滨， 男， 1961 年生， 高级工程师。研究方向： 蒸汽动力设计。
船舶系统包括滑油系统、 燃油系统、 凝—给水 系统、 油水输送系统等， 这些系统具有多个闭环结 构、 多个边界点 （吸入、 排出液面） 等特点， 所以又 称为船舶管网系统。船舶管网系统水力特性指管 网流场中压力和流量的关系。船舶管网系统水力 特性是水力计算、 系统调试、 系统优化设计等工程
收稿日期： 2013 - 10 - 24
船舶管网系统水力特性研究及其应用
2 大连海事大学 轮机工程学院， 辽宁 大连 116026
摘 要： 船舶管网系统水力特性是水力计算、 系统调试、 系统优化设计的理论基础。借助图论这一数学工具， 建
1 中国舰船研究设计中心， 湖北 武汉 430064
宋振国 1， 蒋丁宇 2， 张晓滨 1
立了管网系统水力特性的数学模型。在该模型的基础上， 利用逐渐增加管网系统回路并逐步迭代计算新增回 路阻力系数和流量的思想， 提出一种无需给定迭代初值的管网水力计算方法， 通过对实船压载水系统进行实时 仿真计算， 验证计算方法的有效性； 提出了一种管网系统调试方法， 利用滑油管网系统调试， 验证了该方法的合 理性。 关键词： 管网；水力特性；水力计算； 系统调试 中图分类号： U664.84
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中
国
舰
船
研
究
程中常见的应用， 但鲜有文献对管网系统调试方 法进行论述。本文将在管网水力特性研究的基础 上， 提出一种新的船舶管网水力计算方法， 并给出 一种船舶管网系统调试方法。
船舶管网系统有向图， 用 G (V E ) 表 示 。 其 中：E 为所有管段的集合， 记为 E = {e1 e 2 e S} ； 记为 V = {v1 v 2 v M } ； V 为所有节点的集合， S，
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式中，p m 为边界节点的压力。 船舶管网中几乎都包含动力源， 动力源扬程 列向量定义为
量的多元二次方程组。
2
船舶管网系统水力特性的应用
系统设计常涉及多个设计方案的比较、 设备
DH = DH j1 0 ì ï í ïH 或 f q j î D
(
)
j´1
=
( )
如果管段 j上不包含动力源 （5） 如果管段 j上包含动力源
锅炉
S = L + M z ，M z 为管网中除边界点的其他节点。把
矩阵 A a 中边界点所对应的行删除， 得到的新矩阵
供水泵 1 热水井
A o 为线性独立， 对于开口有向图， 采用 A o 代替 A a［6］。
船舶管网的布置在有限的空间内错综复杂［7］， 需要考虑各节点之间的位能差 z j1（ j Î S ） ， 位能 差列向量的定义为
船舶管网系统有向图的基本回路集合用 C 表示， 即 C = {c1 c 2 c L} ， 其中 L 为基本回路的 个数， 基本回路矩阵定义为
骤和方法， 首先将管路分支点和汇合点简化成节 点， 由于主锅炉液面与热水井液面存在高度差， 其 全压不同， 将管网的这 2 个边界点分别简化成节 绕行方向及节点净流量进行标注， 简化后的有向 图如图 2 所示。
( )
式中：z i ，z n 分别为节点 i 和 n 相对于某一基准面 的位能差。 船舶管网边界点压力可能不为零， 边界点压 力列向量定义为
e x2
Baidu Nhomakorabea
e3 Q1 V1 Q2 e1
e2
V2 e2
Fig.2
图 2 锅炉供水系统有向图 The digraph of boiler feed water system
第9卷
M 分别为管段和节点的总个数。
对于船舶管网系统有向图， 节点和管段的关 联矩阵定义为［4-5］
1
船舶管网系统水力特性分析
本文借助图论相关知识对管网系统水力特性
进行分析。在保持管网系统水力特性不变的前提 下， 将船舶管网系统原理图简化成图论中的有向 图。在简化时， 首先将管网中全压相同的分支点 和汇合点简化为节点， 全压相同的边界点整合为 同一节点， 全压不同的边界点分别简化为节点并 用虚线相连； 然后对管网的各个节点和管段 （节点 之间的最近通路） 进行编号， 并规定各管段的流向 及基本回路绕行方向； 最后， 根据管网的实际情 况， 在各个节点标出该节点的净流量。 图 1 为某型船锅炉供水原理图， 按照上述步
B f = c lj
( )
L´S
ì1 若 管段 j是基本回路 l的组成边 ï ï 且与 l方向一致 ï ï = í- 1 若 管段 j是基本回路 l的组成边 ï ï 且与 l方向相反 ï ï 0 若 管段 j不是基本回路 l的组成边 î
文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1673-3185.2014.04.015
The Study and Application of Hydraulic Characteristics of a Ship Piping System
1 China Ship Development and Design Center， Wuhan 430064， China SONG Zhenguo1， JIANG Dingyu2， ZHANG Xiaobin1
2 Marine Engineering College， Dalian Maritime University， Dalian 116026， China Abstract：The hydraulic characteristic of the ship pipeline network system serves to be the theoretical ba⁃ sis of hydraulic calculation，system debugging，and system optimization. With the help of modern mathe⁃ matical tools of graph theory， a mathematical model of hydraulic characteristic of ship pipeline network sys⁃ tem is established. Based on this model，a method，which gradually increases the circuit number and uses the iterative approach to calculate the drag coefficient and the flow of the increased circuits，is adopted to further facilitate the hydraulic calculation of the pipeline network without the requirement of an initial val⁃ ified by the debugging of a ship lubrication system.
A a = a ij
( )
M´S
ì1 若 管段 j与节点 i相关联， ï ï 且节点 i是管段 j的终点 ï ï = í- 1 若 管段 j与节点 i相关联，（1） ï 且节点 i是管段 j的起点 ï ï ï î0 若 管段 j与节点 i不相关联
点， 并用虚线连接， 然后对管网节点、 管段、 流向、 图论中证明了 B f 为线性独立。
（2）
对于不含边界点的管网系统有向图， 图论中 证明了 S = M + L - 1 ， 把矩阵 A a 的任一行划去后
5 4 6 3 2
得到闭口有向图的降阶矩阵 A c ， 显然矩阵 A c 为 线性独立， 对于该类有向图采用 A c 代替 A a 。对 于含有边界点的船舶管网有向图， 不难证明，
ì- p m 如 果管段 j中含有吸入液面 ï P = p j1 = í p m 如 果管段 j中含有排出液面 j´1 ï î0 如 果管段 j中不含吸排液面
( )
（4）
第4期
宋振国等： 船舶管网系统水力特性研究及其应用
选型、 管路及附件设计， 这些均以管网水力计算为 基础。待系统建造完毕后， 需要对系统进行调试， 制定一个合理、 科学、 易操作的方法是系统调试的 关键。如何依据管网水力特性进行管网水力计算 和制定管网系统调试方法是本节研究的重点。
式中：H D 和 q j 分别为管段 j 上动力源的扬程和 流 量 ； f qj 为 管 段 j 上 动 力 源 的 扬 程 流 量 函 数式。 船舶管网中管段可能是由内径不同的管道和 各种管路附件组成， 所以管段阻力系数矩阵 K 的 数值定义为［8-9］
Fig.1
图 1 某型船锅炉供水系统原理图 The schematic diagram of the boiler feed water system
Q6 V6 V5 Q5 e x1 e4 Q3 C3 C2 e6 V3 C1 V4 Q4 e5
ìz n - z i 如 果管段 j的流向是 ï 由节点 i流向节点 n ï Z = z j1 =í （3） j´1 ïz i - z n 如 果管段 j的流向是 ï 由节点 n流向节点 i î
Vol.9 No.4 Aug. 2014
引用格式： 宋振国， 蒋丁宇， 张晓滨. 船舶管网系统水力特性研究及其应用 ［J］ . 中国舰船研究， 2014， 9 （4） ： 93-98， 103. SONG Zhenguo，JIANG Dingyu，ZHANG Xiaobin. The study and application of hydraulic characteristics of a ship piping system ［J］ . Chinese Journal of Ship Research， 2014， 9 （4） ： 93-98， 103.