滿足冗余要求的起重鋪管船冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張富明，戴 清

（1. 708研究所，上海 200011；2. 上海斯迪安船舶設(shè)計(jì)公司，上海 200030）

0 引 言

4400t起重鋪管船[1]，采用電力推進(jìn)，入德國(guó)勞氏船級(jí)社（GL）船級(jí)，滿足二級(jí)動(dòng)力定位要求（簡(jiǎn)稱DP2），垂直起重能力4400t，回轉(zhuǎn)起重能力3000t。機(jī)艙中配置有7臺(tái)4350kW主發(fā)電機(jī)（No.1～No.7MDG）和1臺(tái)1200kW港口發(fā)電機(jī)（HDG）；在船的前后左右布置有8臺(tái)推進(jìn)器，2臺(tái)1935kW導(dǎo)管式艏側(cè)推T1、T2，2臺(tái)5500kW全回轉(zhuǎn)主推進(jìn)器T7、T8和4臺(tái)2200kW全回轉(zhuǎn)可伸縮式定位推進(jìn)器T3～T6，見圖1。該船的冷卻系統(tǒng)分為高溫水、低溫水和海水冷卻等3個(gè)系統(tǒng)，高溫水冷卻系統(tǒng)主要為主發(fā)電機(jī)組及港口發(fā)電機(jī)的缸頭缸套冷卻服務(wù)；低溫水冷卻系統(tǒng)主要用于發(fā)電機(jī)組、推進(jìn)器、空壓機(jī)、中央空調(diào)、單元空調(diào)、冷凍裝置、鋪管設(shè)備和定位絞車的冷卻；海水冷卻系統(tǒng)主要用于冷卻流經(jīng)板式冷卻器的溫度較高低溫水。本文主要論述低溫水冷卻系統(tǒng)。圖2為低溫水冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)圖、表1為至各設(shè)備冷卻的低溫水流量。

圖1 推進(jìn)器布置

1 冷卻水系統(tǒng)特點(diǎn)

該船的冷卻系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

1)推進(jìn)設(shè)備多、功率大，需冷卻設(shè)備也多，冷卻水的需要量大。既要保證在航行和部分負(fù)載工況下的冷卻水用水量，又要保證動(dòng)力定位[2]（DP）-鋪管時(shí)最大負(fù)載工況下冷卻水用水量。

2)推進(jìn)設(shè)備和需冷卻設(shè)備分散，且布置位置高低落差很大，既要保證位置高和離冷卻水泵遠(yuǎn)的設(shè)備的用水量，也要保證位置低和離冷卻水泵近的冷卻設(shè)備的用水量；既要滿足最大負(fù)載工況下各用水設(shè)備的壓力要求，又能保證部分負(fù)載時(shí)各設(shè)備的冷卻水進(jìn)水壓力不超過(guò)設(shè)備的承壓能力。

3)在鋪管和起重作業(yè)時(shí)，必須保持船的位置，因此推進(jìn)系統(tǒng)必須滿足DP2的冗余要求。對(duì)該船來(lái)說(shuō)，至少要保證4臺(tái)主發(fā)電機(jī)組和足夠數(shù)量的推進(jìn)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從而保證船舶的定位和鋪管設(shè)備正常工作，并在完成后安全退出。

圖2 低溫冷卻水系統(tǒng)

表1 低溫淡水水量/散熱量分配 m3·h-1/ kW

2 滿足冗余要求冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 冗余要求

對(duì)于民用船舶，追求的是經(jīng)濟(jì)、可靠和較長(zhǎng)的使用壽命，因此，全船往往設(shè)計(jì)成一個(gè)中央冷卻水系統(tǒng)。

對(duì)于該船來(lái)說(shuō)，因有冗余要求，因此對(duì)冷卻水系統(tǒng)除按常規(guī)流量、壓力、溫度等要求考慮外，還必須按規(guī)范中對(duì)DP2系統(tǒng)的冗余要求來(lái)設(shè)計(jì)。

該船冷卻系統(tǒng)承擔(dān)了7臺(tái)主發(fā)電機(jī)組，8臺(tái)推進(jìn)器等重要設(shè)備的冷卻，按動(dòng)力定位的能力分析，在設(shè)備和系統(tǒng)發(fā)生單個(gè)故障時(shí)，至少要保證有4臺(tái)主發(fā)電機(jī)組和6臺(tái)（除主推進(jìn)器以外的不相鄰的2臺(tái)推進(jìn)器）或7臺(tái)推進(jìn)設(shè)備能正常工作，從而使船舶能保持位置，將正在進(jìn)行的鋪管工作繼續(xù)一段時(shí)間，直至安全退出。所以，冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足在發(fā)生單個(gè)故障時(shí)，仍能保證：1）有4臺(tái)主發(fā)電機(jī)組正常工作；2）有6或7臺(tái)推進(jìn)設(shè)備能正常工作；3）保證發(fā)電機(jī)、推進(jìn)器的控制設(shè)備有一個(gè)正常的工作環(huán)境，以免過(guò)熱造成故障，進(jìn)而使發(fā)電機(jī)組和推進(jìn)器發(fā)生過(guò)障，如控制室的單位空調(diào)器等；4）保證生活環(huán)境設(shè)備，錨泊設(shè)備，鋪管設(shè)備的冷卻。

2.2 分組設(shè)計(jì)

首先，對(duì)主發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)，在正常運(yùn)行時(shí)，能保證設(shè)定的備用發(fā)電機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，它的高溫水系統(tǒng)的電磁閥在備機(jī)時(shí)自動(dòng)打開，相關(guān)的缸套水加熱器就會(huì)自動(dòng)預(yù)熱備用發(fā)電機(jī)組，以便隨時(shí)起動(dòng)。

為滿足在設(shè)計(jì)海況條件下，設(shè)備和系統(tǒng)發(fā)生單個(gè)故障時(shí)，冷卻水系統(tǒng)仍能保證有4臺(tái)主發(fā)電機(jī)組和6或7臺(tái)推進(jìn)設(shè)備能正常工作的要求，將低溫水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)成3組。

一是將主發(fā)電機(jī)組分為3組：No.1～2主發(fā)電機(jī)組為一組，No.3～4主發(fā)電機(jī)組為一組，No.5～7主發(fā)電機(jī)組為一組；二是全船需冷卻的設(shè)備也分為3組。No.1低溫冷卻水系統(tǒng)專為No.3～4主發(fā)電機(jī)組和機(jī)艙左/前部的冷卻設(shè)備服務(wù)，包括T1、T2、T3、T4推進(jìn)器；No.2低溫冷卻水系統(tǒng)專為No.5～7主發(fā)電機(jī)組和機(jī)艙右/后部的冷卻設(shè)備服務(wù)，包括T5、T6、T7、T8推進(jìn)器；No.3冷卻系統(tǒng)專為No.1～2主發(fā)電機(jī)組及有關(guān)設(shè)備服務(wù)。分組如圖2所示。

分組使電力供應(yīng)設(shè)備有了冗余，在任意一組冷卻水系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，另兩組冷卻水系統(tǒng)還能保證4～5臺(tái)主發(fā)電機(jī)組正常工作，也就能保證了6～7臺(tái)推進(jìn)器能得到充分電力和冷卻水，而正常工作。

對(duì)推進(jìn)設(shè)備，它的冷卻水分別由 No.1、2冷卻水系統(tǒng)供給，第一組供給 T1～T4推進(jìn)器，第二組供給T5～T8推進(jìn)器，任一組冷卻水系統(tǒng)故障，留下的一組不能保證有6～7臺(tái)推進(jìn)器正常工作，所以按冗余要求，設(shè)置了應(yīng)急冷卻水系統(tǒng)，當(dāng)?shù)谝换虻诙靼l(fā)電機(jī)組的某機(jī)冷卻水進(jìn)口軟管發(fā)生斷裂漏水時(shí)，相應(yīng)的低溫水膨脹箱就會(huì)連續(xù)發(fā)出低位-低低位報(bào)警，就可即刻起用應(yīng)急冷卻水系統(tǒng)并切斷漏水的那組冷卻水系統(tǒng)供水，為其供水的推進(jìn)器供應(yīng)冷卻水，回水則進(jìn)入另一臺(tái)板式冷卻器冷卻。

2.3 對(duì)設(shè)備或零部件設(shè)置冗余功能

設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)系統(tǒng)本身和它內(nèi)部的活動(dòng)或有故障風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備或零部件，進(jìn)行了故障模式分析（FMEA），在此基礎(chǔ)上設(shè)置冗余功能。對(duì)No.1、2低溫水系統(tǒng)：1）當(dāng)1號(hào)或3號(hào)低溫水冷卻泵發(fā)生故障時(shí)，2號(hào)低溫冷卻水泵自動(dòng)投入工作，備用1號(hào)或3號(hào)低溫水冷卻泵；2）在冷卻器能力的設(shè)計(jì)上，每臺(tái)都有百分之百冷卻能力并設(shè)置高差壓報(bào)警，在一臺(tái)冷卻器堵塞時(shí)，可提前清洗，另一臺(tái)冷卻器能擔(dān)負(fù)2個(gè)系統(tǒng)的工作；3）在 No.1、2低溫冷卻水系統(tǒng)中的主發(fā)電機(jī)組彈性軟管斷裂，發(fā)生大量滲漏的應(yīng)急情況下，此時(shí)低溫水膨脹箱液位會(huì)很快下降，由低位報(bào)警很快變?yōu)榈偷臀粓?bào)警，可用遙控的方法關(guān)閉漏水系統(tǒng)管路，并使2號(hào)低溫冷卻水泵和應(yīng)急冷卻管路即刻投入工作，保證有4臺(tái)以上主發(fā)電機(jī)和6～7臺(tái)推進(jìn)器正常工作；4）在No.1、2低溫冷卻水系統(tǒng)中，任意一個(gè)低溫水溫度調(diào)節(jié)閥故障時(shí)，另一個(gè)低溫水溫度調(diào)節(jié)閥，均可承擔(dān) 2個(gè)系統(tǒng)的冷卻或溫度調(diào)節(jié)；5）低溫水膨脹箱設(shè)低液位和低低液位報(bào)警，先關(guān)閉或隔離大量漏泄管段，再采取堵漏措施； 6）每一個(gè)推進(jìn)設(shè)備都有2套冷卻管路，一套管路用于正常冷卻水供應(yīng)，一套管路用于應(yīng)急供應(yīng)冷卻水；7）各推進(jìn)器堵塞或漏水時(shí)，設(shè)備的進(jìn)口壓力傳感器會(huì)發(fā)出低壓報(bào)警，停止該推進(jìn)器，切斷該推進(jìn)器供水；8）鑒于船尾主推進(jìn)器等設(shè)備的冷卻水由機(jī)艙第 2組冷卻水系統(tǒng)供應(yīng)，中間的管弄長(zhǎng)，故障難以發(fā)現(xiàn)，且維修困難，所以在管弄設(shè)置了2套冷卻水管路，2進(jìn)2回，當(dāng)管弄出口處冷卻水增壓泵前低溫水出現(xiàn)低壓報(bào)警時(shí)，可關(guān)閉原運(yùn)行管路，改走應(yīng)急管路，對(duì)艉部T6、T7和T8推進(jìn)器等主要設(shè)備進(jìn)行冷卻；9）考慮至艉部推進(jìn)器的冷卻水管路比較長(zhǎng)，壓力損失較大，為防止冷卻水壓力過(guò)低，設(shè)置了 2臺(tái)冷卻水增壓泵，一臺(tái)出現(xiàn)故障，另一臺(tái)自動(dòng)投入工作；10）噴油嘴冷卻器的故障會(huì)引起油系統(tǒng)故障報(bào)警，但只影響一臺(tái)發(fā)電機(jī)組，不設(shè)置冗余。

上述措施，從冷卻設(shè)備，推進(jìn)設(shè)備和管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，采取了冗余設(shè)計(jì)，因而保證了每個(gè)推進(jìn)設(shè)備都能在單個(gè)故障時(shí)，正常工作和冗余。

3 平衡閥和旁通閥

3.1 保證設(shè)備用水量和安全水壓

從圖2和表1看，No.1、2低溫冷卻水系統(tǒng)龐大，需冷卻的設(shè)備多，熱交換量和冷卻水量較大，因此，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還必須保證各個(gè)不同位置用水設(shè)備，在各種工況下的用水量和進(jìn)水壓力。在設(shè)計(jì)冷卻水系統(tǒng)時(shí)采取了下列措施：1）選用足夠水量的低溫水冷卻泵和海水冷卻泵，保證需冷卻的設(shè)備用水量總和，并考慮管路阻力引起的水流不均衡，適當(dāng)留有余量，2）設(shè)置足夠高度的膨脹水箱，保證位置最高的用水設(shè)備的進(jìn)水壓力和用水量，3）配置平衡閥確保主要用水設(shè)備在各種工況下用水量的穩(wěn)定，4）設(shè)置旁通閥和節(jié)流閥用以調(diào)節(jié)系統(tǒng)冷卻水的流量和壓力。表1為各組冷卻水系統(tǒng)在DP2工況下的最大用水量，小于相應(yīng)系統(tǒng)中單臺(tái)低溫冷卻水泵的排量。

3.2 平衡閥和旁通閥的設(shè)置

從表1看，在正常DP2設(shè)計(jì)工況，6臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組8臺(tái)推進(jìn)器運(yùn)行時(shí)，No.3低溫水冷卻水系統(tǒng)的每臺(tái)低溫水冷卻泵排量為400m3/h，需要的冷卻水量358m3/h，多余42m3/h；No.1低溫冷卻水系統(tǒng)的低溫水冷卻泵排量為1250m3/h，需要的冷卻水量約為950m3/h，多余300m3/h；No.2低溫冷卻水系統(tǒng)的低溫水冷卻泵排量為1250m3/h，需要的冷卻水量約為1015m3/h，多余235m3/h；7臺(tái)主發(fā)電機(jī)組、港口發(fā)電機(jī)、主空壓機(jī)、8臺(tái)推進(jìn)器，艏艉錨絞機(jī)，全船空調(diào)、單位空調(diào)、冷凍壓縮機(jī)的總管和支管的流量都設(shè)置了自動(dòng)流量平衡閥。在No.1、2的1號(hào)和3號(hào)低溫水冷卻泵的出口總管上各設(shè)置有一個(gè)自力式差壓平衡閥和一個(gè)截止閥組成的旁通閥組。保證每個(gè)設(shè)備的冷卻水量需求。

自力式差壓平衡閥的作用是在正常DP工況下，6臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組8臺(tái)推進(jìn)器運(yùn)行時(shí)，旁通系統(tǒng)中多余的水流量；與它并聯(lián)截止閥的作用是在航行工況或平靜海況下，只需4～5臺(tái)發(fā)電機(jī)組和4～5臺(tái)推進(jìn)器工作時(shí)，系統(tǒng)多余水量大大增加時(shí)，旁通更多的水量。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述措施，使冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)達(dá)到了流量平衡和壓力控制的目的。

1)碼頭試車時(shí)，1臺(tái)低溫淡水泵工作，7臺(tái)主發(fā)電機(jī)組的冷卻淡水進(jìn)口壓力如表2所示。

表2 柴油發(fā)電機(jī)組低溫冷卻淡水進(jìn)口壓力

2)試航時(shí)，2臺(tái)低溫水冷卻泵運(yùn)轉(zhuǎn)，出口水壓力 4.6kg/cm2，每臺(tái)主發(fā)電機(jī)的高溫水冷卻器前的低溫水壓力為4.2～4.3kg/cm2，主發(fā)電柴油機(jī)冷卻水進(jìn)口壓力、主發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)冷卻水進(jìn)口壓力和主空壓機(jī)冷卻水進(jìn)口壓力均為4.1～4.2kg/cm2，控制了各設(shè)備的進(jìn)水壓力，滿足了各設(shè)備的冷卻水需要量。

[1]中船708研究所. 大型起重/鋪管船及工程船舶的開發(fā)[M]. 2010.

[2]姜延春. DP動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 廣船科技，2001, (2)∶ 24.