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摘  要：装备制造业冷却水系统的流量与压力精准控制是保障设备高效散热与稳定运行的关键。本文针对传统控制方法在工况适应性、能效优化及压力稳定性等方面的不足，结合水力学与自动控制理论，系统分析了单元制、母管制及液位控制法的技术特性与适用场景。通过定量计算与案例验证，揭示了多泵并联母管制的流量叠加效率衰减规律（并联效率随泵数增加下降约15%～20%），并提出基于管路水损动态平衡的变频优化策略，使系统能效提升10%～25%。创新性引入液位控制法，通过高位水池溢流设计实现±2%压力波动精度的恒压供水，解决了试验测试类系统对压力稳定性与流量灵活性的双重需求。研究结果表明，单元制适用于定工况场景，母管制通过多泵组合与变频调节可适应复杂工况，而液位控制法在试验系统中综合节能效果显著（能耗降低18%以上）。本文为装备制造业冷却水系统的设计与优化提供了理论支撑与实践参考。

关键词：  装备制造业，冷却水，单元制，母管制，液位控制法

0  引言

装备制造业的快速发展对冷却水系统提出了更高要求，尤其在精密设备散热与试验测试场景中，需实现流量、压力的精准控制与高效运行。传统冷却水系统多采用单元制或母管制模式，前者结构简单但缺乏工况适应性，后者虽灵活却存在并联效率低、能耗波动大等问题。国内外研究多聚焦单一控制方法：如周本省（1994）针对腐蚀防护优化了水质控制，邓英华等（2012）通过试验台设计验证了冗余流量配置的有效性，但缺乏对多参数耦合控制的系统性分析；宋有强等（2011）探索了水泵变频技术，但未解决多泵并联的效率衰减难题。现有研究在动态工况响应、压力稳定性及能效协同优化方面存在明显不足。

本文基于水力学原理与自动控制理论，提出多维协同优化方法：首先，通过建立水泵并联特性与管路水损的定量模型（如双泵并联流量仅达单泵的1.8倍），揭示了母管制效率衰减机制；其次，引入液位控制法，结合薄壁堰公式（＼[ q = mk^2 ＼cdot （2gk） ＼cdot 0.5 ＼]）设计动态溢流系统，实现压力波动≤±2%；最后，对比分析不同模式的能效特性，提出“变频+多泵组合”的混合控制策略。相较于传统方法，本文创新点在于：1）通过动态水损平衡优化系统能效；2）液位控制法兼顾压力稳定性与流量灵活性；3）定量评估不同模式的适用边界。研究结果表明，该方法可显著提升复杂工况下的系统性能，为装备制造业冷却水系统的智能化升级提供理论依据与技术路径。正文将围绕技术原理、实验验证及工程应用展开详细论述。

装备制造业冷却水系统技术特点

冷却水系统的基本功能是带走设备运行中产生的余热，并通过冷却塔、低温水源等模式进行散热，以水流为媒介，循环往复运行，实现能量的传递。

装备制造业生产过程中需用到大量机械设备，例如空压机、锻造机械等，多为电力驱动、循环往复运行的装置，运行中会产生大量工业余热，一般采用循环冷却水系统进行散热。

此外，装备生产过程中会涉及到模型试验、成品测试、工况模拟等工艺环节，亦会产生较多冷却水需求。此类需求与实验类装置较为类似，与上述设备冷却系统在流量、散热需求、压力、时间、水质等方面的需求均有一定的差异。主要表现为：

1.1  流量和压力控制

设备冷却系统的循环流量以满足散热需求为目标，普遍按设备最大需求值配置并适度冗余；系统压力以克服过流水损为目标，余压自由出流释放。

试验测试冷却系统的循环流量需满足多种测试工况的散热需求以及各项物理数据测试的需求；系统压力除克服过流水损外，还需根据测试要求变满足特定数值，还存在压力值维持恒定的需求。

1.2  水温、水质控制

设备冷却系统以实现散热功能为单一目标，根据设备最大散热需求确定进出水温差，对水温绝对值无特殊要求；系统对水质要求一般根据冷却设备的热交换接触面需求为准，满足过流和防止污染前提下，无特殊需求。

试验测试冷却系统的进出水温除满足散热需求外，部分测试工作还需根据测试内容确定水温的绝对值，并有精度范围要求；某些测试工作和试验工作对循环冷却水的水质有一定要求，甚至对纯净度有专项需求【1】。

1.3  时间控制

设备冷却系统根据设备的工作时间确定运行时间，一般为长时间连续运行，有些还存在24小时全天候作业工况。

试验测试冷却系统属于典型的间歇运行系统，需要根据测试工作安排作业时间，并存在不停变换工况的要求。

因此，对于装备制造业的冷却循环水系统建设，应根据当地条件、使用需求选择模式、设计方案，根据实际运行情况提取关键控制环节、并对关键参数进行比选确定。

冷却水系统基础参数为水温、水流量、水压，由此引申出进出水温差、分流流量和汇流流量、水压降等运行参数。其中水温是人们最为关心的表征参数，但是一套冷却水系统的特性应由水温、水流量、水压等多个基准参数通过多个维度进行描述【2】。对于常规的设备冷却系统，一般仅要求通过水流量、水压、水温联合实现散热目标；对于某些特殊的设备或装置的冷却水，除散热需求外，尚需对水温、水流量、水压中一项或几项指标提出精准控制需求。

本文结合装备制造业冷却循环水系统的常见模式，着重介绍系统流量和压力控制中采用的典型技术措施，并对运行效果进行分析评价。

流量及压力典型控制技术措施

针对连续运行的系统，要实现水流量、水压的精准稳定控制，必须通过水力学和自动控制理论有机结合的途径来实现。对于装备制造业而言，有以下多种模式，实际应用中可采取其中一种或多种综合实现。

2.1  单元制供应

单元制供应是最为传统的冷却水定流量、定压力控制方式。一机对一塔一泵，专管配水。对于使用工况或者季节性水量变化规律固定的机组，还衍生出一机对两泵或三泵的扩大单元制供应形式，可根据运行流量需求，调整投用的水泵台套数，以实现多工况稳定供水。必要时，可对循环水泵变频控制，以适用小流量使用需求。

单元制的最大优势在于工况稳定，水泵和冷却塔流量完全按机组需求流量匹配，管道按工况点流量配置，对应管路及设备水头损失也相对恒定，水泵扬程可按所需高程叠加固定的水损确定。据此配置的水泵工况点固定，当工况点稳定在高效区间范围时，系统的运行效率处于最佳，对于常年运行的系统，节能效果不言而喻。此外，由于系统运行工况的稳定，对应的系统运行维护条件也相对固定，设备不会因为运行状态频繁变化引起老化，维护周期也可有效延长。

单元制适用于运行工况相对固定的系统，固定的运行状态可确保系统工作效率的稳定。此类系统应对工况变化的性能较差，当目标设备变化，冷却水需求发生变化，系统存在无法满足使用需求或者严重偏离高效区的可能。即使是同一设备，由于机组一般按最不利工况配置，因此当环境气候发生变化时，系统所需流量也会发生波动，此时系统调节的余地有限，对于四季分明的地区，无法确保常年运行在高效区，可通过控制投入水泵台数进行应对（扩大单元制），也可通过单泵变频进行调节。

2.2母管制供应

母管制供应是应用最为广泛的循环冷却水供应模式。根据冷却设备的需求变化和投运台数的变化，可配置多台相同或不同参数的水泵，通过一路母管并联供水。

母管制的最大优势在于适应性强，可灵活应对多种工况，再配以变频或多级转速电机，可实现一定范围的准无极条件，对于四季温差变化大地区、运行规律变化大的设备组群或者需要进行人为模拟试验等工况尤其适用。

母管制是典型的多泵并联供水模式，其系统工况点随系统流量变化而不断变化。当母管内流量变化时，管路水头损失值在水损特性曲线上移动，根据守恒原理，并联水泵的供水实际扬程与水损值动态匹配，即水泵组的扬程在并联水泵特性曲线上对应移动，且保持在两条曲线的交点。因此，母管制系统的实际运行压力是管路水损和水泵扬程动态平衡的结果，当水泵台数和单泵参数变化时，系统的运行工况会出现不同的匹配变化，导致系统的控制较为复杂。为确保水泵的运行维持在高效区，需要研究各个工况点的管路水损和对应的水泵并联曲线，并逐一核对效率，并根据需求尝试不同水泵台数和单泵性能的组合，以寻到最优的组合，或者采用部分水泵变频控制的方法，增加水泵组对管路水损变化的适应性【3】。

以单泵流量100L/s，同类型多泵并联母管为例：

两台泵并联时，水泵组特性曲线可按单泵曲线为基础，等扬程时流量叠加的方法绘制，如下图的1”、2”3”点。

由于系统为并联母管，则流量增加后，管路水损相应增加，系统的水损值可按下式计算：

Δh=A*Q2/（2*g），

式中A为无量纲系数，包括沿程阻力系数和局部阻力系数；Q为流量。即管路水损为流量平方相关的曲线。

据此可以推论，将管路水损曲线和水泵单泵和双泵并联曲线叠加在同一坐标中，如下图所示，

双泵运行时，两条曲线曲线交于M点，由于并联水泵的特性决定了此时两泵的流量相等，将M点向左平移与单泵曲线的交点N，M对应流量Q2必定为N对应的流量Q1的2倍。而实际工况中，双泵并联工况时，系统运行流量为交点S，显然S对应的流量小于M点，即实际运行中双泵并联的流量小于2倍单泵流量。实际运行中，并联的水泵台数越多，则工况点流量并联效果就越差，工况点的扬程需求就越高。下图为5泵并联状态：

并联母管制的水力学原理决定了此类系统运行的灵活多样性和不稳定性。因此，需要以系统效率为目标，编制合理的运行调节策略，以流量、压力或者流量叠加压力作为主控制参数，通过PLC等编程控制方法由计算机动态计算控制，以实现系统高效稳定运行。同时，对于强调定压运行的系统，必要时需根据管路特性人为调整管路水损，以实现目标。

2.3  液位控制法

由于水泵运行的特性可知，流量与扬程（压力）呈曲线状交互变化，当系统对流量或压力提出较为精准的定值需求时，除了固定点运行外，往往需要额外的变频、电机转速调整、人为增加管路水损等手段进行干预，实际的效果往往存在一定的偏差。

从水塔原理可以得出，液位控制是维持管网压力稳定最可靠的方式，对于水力测功、装置稳定性试验等存在精确的变流量恒压需求工况而言，液位控制法是较为理想的冷却水供应模式。

液位控制法是以水位势能为压力控制模式，典型做法如下图所示：

系统一般设有高位水池（水塔），水池液面高度按照所需控制的水压确定，装置原理上分为两组循环：高位水池液位维持循环，设备冷却水运行循环。

实际运行时，循环泵供水至高位水池后，分别进入设备循环供水管和水位控制溢流管，两者呈水力并联关系。由于设备循环供水管在底部出水，故可确保优先出流，当出现供水流量超出出水需求时，多余水量势必雍起，并通过溢流口进入专用溢流管并旁通回流循环泵吸水池，实现高位水池液位稳定。

由于溢流管与出水管均回流至循环泵吸水池，故总体而言，循环水量可保持恒定，并不会出现循环水外溢减少的现象。溢流系统仅作为旁通内循环使用，其作用仅为维持高位水池液位稳定。

液位控制法的关键技术在于如何在不干扰出水运行的前提下，维持液位的稳定，进而维持系统供水水压的稳定，溢流管的设计是关键。

薄壁溢流堰计算公式如下：

式中：

m为流量系数；

b为堰宽；

h为堰上水头；

溢流口的尺寸需满足供水量扣除出水需求后的水量能及时泄出，由于溢流口为薄壁堰结构，必须允许一定的堰上水头存在，方可实现溢流，故溢流口顶标高与控制水位间须有一定的高差，高差的取值应通过各个工况下的水力计算确定，计算得出的堰上水头的下限和上限应控制在系统控制水压的允许偏差范围内【4】。溢流口设计时，应根据堰流原理，将溢流水量、溢流口周长、堰上水头的设计值、运行要求的控制水位等几个关联性参数动态分析，在确保溢流流量和控制最高水位为目标进行分析计算，合理确定溢流口尺寸和高程。

由于大多数溢流口的直径有限，即堰流长度有限，故在一定的堰上水头范围内形成的溢流水量波动范围也较为有限，因此上述依靠水力学原理实现自动控制水位的模式适用于水位控制范围较小的工况，若出现流量跨度较大的情况，可采取技术措施人为改变溢流管的长度，以实现溢流水位变化。例如，可在溢流管上设置若干法兰短管，根据需要临时加减短管数量，实现溢流口标高的变化。也可采用法兰套筒等无级伸缩装置，配以固定插销的模式进行调节，但使用时需注意构件的可靠性、精确度和使用寿命。

从水力学原理分析，液位控制法适用于对循环冷却水供水压力有恒定值要求、且存在精准度标准的特殊系统，由于循环泵供水的几何高差基本稳定，因此需求扬程基本稳定，水泵的运行工况较为简单，在不同流量工况下，可通过运行台数的增减和单泵变频控制等方法实现效率的稳定。通过调节，使高位水池的进水流量与出水流量基本平衡，溢流管处尽量减少溢流出水，即可实现系统高效运行，达到节能的目的。

3  结  论

装备制造业的生产特点决定了其配置的冷却水系统在流量、压力等方面的需求不同于常规的空调或普通机械设备冷却水系统，特别对于试验测试类冷却水系统，往往会提出较为精准的定值要求，需要采取针对性的技术措施给予满足。

单元制冷却水供应模式系统简单，运行稳定，但存在对工况变化适应能力差的问题，适用于定机组、定工况的场合。

多泵多机母管制冷却水供应模式运行灵活，可适用于多种工况变化的场景，需重点关注多泵并联后的系统效率波动及能耗增加问题。

液位控制法供应模式可在多种流量变化情况下实现定压供水，是测试类、试验类冷却水系统的理想模式，实际应用中需关注溢流口堰上水头和堰长的合理设置，以实现供水压力稳定在控制精度之内。

参考文献：

【1】周本省。工业冷却水系统中金属的腐蚀与防护【J】。中国腐蚀与防护学会建会十五周年学术年会，1994。

【2】邓英华，王纪森，刘雄。某型综合试验台水冷却系统的设计【J】。西安建筑科技大学学报，2012.4。

【3】宋有强，郑传经，樊海彬等。水泵并联变频运行的实验研究【J】。制冷与空调，2011.8。

【4】王凯，郭彬。保水堰过流能力的试验研究【J】。水利科技与经济，2010.9。李婧文， 陈昌平， 孙家文， 等.