船舶中央冷卻系統(tǒng)淡水側(cè)水系統(tǒng)設(shè)計分析

周振宇

● （中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011）

船舶中央冷卻系統(tǒng)淡水側(cè)水系統(tǒng)設(shè)計分析

周振宇

● （中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011）

介紹了船舶中央冷卻系統(tǒng)淡水側(cè)水系統(tǒng)的幾種設(shè)計方案，并對其中一種常用的變水量系統(tǒng)的水系統(tǒng)壓力分布進行了分析探討?？晒┰O(shè)計人員在船舶中央冷卻水系統(tǒng)設(shè)計時參考。

船舶中冷系統(tǒng)；淡水側(cè)水系統(tǒng)；水壓力分布分析

0 引言

船舶上冷卻系統(tǒng)中海水管路的腐蝕是一個一直困擾著船舶設(shè)計、制造與使用的問題。為了解決冷卻系統(tǒng)中的腐蝕問題，目前國外船舶一般采用中央冷卻系統(tǒng)，即整個動力系統(tǒng)低溫部分和高溫部分和其他輔助設(shè)備的冷卻均采用淡水冷卻，再通過中央冷卻器用海水來集中冷卻這些淡水。中央冷卻系統(tǒng)的出發(fā)點就是盡可能減少海水管路并將海水管路控制在有限的范圍中，從根本上解決了海水對船舶絕大部分管路的腐蝕問題。因此，中冷系統(tǒng)在這幾年的應(yīng)用日漸廣泛。

1 中冷系統(tǒng)淡水側(cè)水不同水系統(tǒng)設(shè)計方案分析

中央冷卻系統(tǒng)設(shè)計時，在淡水側(cè)可采用不同的水系統(tǒng)設(shè)計方法，借鑒空調(diào)冷（熱）媒水系統(tǒng)設(shè)計分類方法[1]，根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)總水量變化狀況，將中冷淡水側(cè)水系統(tǒng)分為定水量系統(tǒng)和變水量系統(tǒng)，其中變水量系統(tǒng)根據(jù)不同水泵設(shè)置方法，又分為不同的變水量系統(tǒng)。現(xiàn)在就這幾種系統(tǒng)設(shè)計進行分析比較，以便選擇較合理的設(shè)計方法。

1.1 定水量系統(tǒng)

圖1為定水量系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計，為了滿足末端裝置的負(fù)荷變化，在末端裝置處采用三通閥進行調(diào)節(jié)。這種系統(tǒng)的特點是系統(tǒng)中負(fù)荷側(cè)總水量是不變的。這種系統(tǒng)的優(yōu)點是系統(tǒng)簡單，操作簡便，各末端裝置之間不會互相干擾，系統(tǒng)在調(diào)試好后運行穩(wěn)定；在冬季，由于系統(tǒng)中各處的水均是流動的，且系統(tǒng)中的水溫是中和的，因此系統(tǒng)不需采取特殊的防凍措施。該系統(tǒng)的缺點是水量按最大負(fù)荷確定的，而最大負(fù)荷出現(xiàn)的時間很短，及使在最大負(fù)荷時，各末端裝置的峰值也不會在同一時間內(nèi)出現(xiàn)，絕大部分時間供水量都大于所需的水量，因此水泵無效耗能很大。此外，采用該系統(tǒng)方案設(shè)計中冷系統(tǒng)時，則必需改變主機、輔機采用機帶泵的形式，同時主機、輔機相應(yīng)的控制部分也要作相應(yīng)的改動，這是采用該系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵所在。

圖1 定水量系統(tǒng)示意圖

1.2 變水量系統(tǒng)1

圖2為單式泵的變水量系統(tǒng)，末端裝置處設(shè)置了兩通閥，當(dāng)末端裝置不需要供水時，該處的兩通閥關(guān)閉，系統(tǒng)停止向該裝置供水，因此系統(tǒng)在供水側(cè)的水量是變化的。為了確保系統(tǒng)中水泵與水量的匹配性，在供回水總管之間設(shè)置了壓差旁通控制閥。采用該方式時，同樣需改變主機、輔機采用機帶泵的形式。相對于其他變流量系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)設(shè)計及控制還是較簡單的。雖然是變水量系統(tǒng)，但是由于該系統(tǒng)的水泵仍然是按系統(tǒng)最大總水量來配置的，因此運行中水泵耗能與定水量系統(tǒng)相同，沒有起到變水量系統(tǒng)的節(jié)能作用。用于中冷系統(tǒng)時，在冬季時，由于不需供水的分管路的水不流動，如果管路經(jīng)過環(huán)境溫度低于0℃以下的場所，長時間有該處可能會結(jié)冰使管路凍裂，因此該管段的水需排放掉。

圖2 單式泵變水量系統(tǒng)示意圖

1.3 變水量系統(tǒng)2

圖3為復(fù)式泵的變水量系統(tǒng)，該系統(tǒng)不需改變主機、輔機采用機帶泵的形式和相應(yīng)的控制形式。此系統(tǒng)在換熱器側(cè)和末端裝置側(cè)分別設(shè)置水泵的復(fù)合環(huán)路，是二次泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)在換熱器側(cè)設(shè)置一次泵，一次環(huán)路內(nèi)水量維持不變；在末端裝置側(cè)設(shè)置了二次泵構(gòu)成了二次環(huán)路。該系統(tǒng)的優(yōu)點是各末端裝置的運行相對獨立，比較靈活，對于大型系統(tǒng)中各末端負(fù)荷變化規(guī)律不一和供水作用半徑相差懸殊的場合尤其適合。但該系統(tǒng)由于采用二次泵形式，一次泵的水量相當(dāng)于二次泵水量的總和，在二次泵運行臺數(shù)減少后一次泵仍然需要全負(fù)荷運行；且目前的中冷系統(tǒng)中，其主要服務(wù)區(qū)域集中在機艙區(qū)域，供水作用半徑不大，為此增加兩套環(huán)路及水泵，會使設(shè)計復(fù)雜化，空間擁擠。且該系統(tǒng)相對于其他變流量系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)設(shè)計及控制也比較復(fù)雜，因此該系統(tǒng)設(shè)計在應(yīng)用中幾乎不予采用。同樣用于中冷系統(tǒng)時，在冬季時，同樣需要考慮不使用管路的防凍問題。

圖3 復(fù)式泵變水量系統(tǒng)示意圖

1.4 變水量系統(tǒng)3

圖4 變水量系統(tǒng)3示意圖

圖4是目前常用的一種中冷淡水系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)維持了主、輔機采用機帶泵的形式和相應(yīng)的控制形式，當(dāng)部分末端裝置不工作時，這些機帶泵將停止運行，使得系統(tǒng)中特別是主管路中的水量發(fā)生了變化，因此該系統(tǒng)為典型的變水量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點是各末端裝置可獨立運行，不使用的末端對應(yīng)的水泵可停止運行，運行節(jié)能效果明顯。但該系統(tǒng)需在各末端裝置管路設(shè)置了自力式壓力調(diào)節(jié)閥以確保各分支路的水流量維持不變，因此在設(shè)計時應(yīng)對系統(tǒng)壓力作分析以選擇合適的調(diào)節(jié)閥和水泵，該系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)要求較高，系統(tǒng)控制和調(diào)試設(shè)定也比較復(fù)雜[2]，如果實際管路走向與設(shè)計管路走向相差較大時，容易使系統(tǒng)出現(xiàn)問題。為了更好的了解這類系統(tǒng)設(shè)計的可行性和可靠性，預(yù)見可能發(fā)生的問題，現(xiàn)在我們就其淡水側(cè)水系統(tǒng)做以下幾方面的分析。

1.4.1 水系統(tǒng)壓力分析

為了確保水泵、各調(diào)節(jié)閥與系統(tǒng)管路設(shè)計相匹配，我們借鑒空調(diào)冷（熱）媒水閉式系統(tǒng)壓力分析方法[3]，首先對變水量系統(tǒng) 3在不同運行工況下的系統(tǒng)壓力分布進行分析。圖5為中冷系統(tǒng)在靜止時和運行時的壓力分布示意圖，為了方便視圖，圖中對系統(tǒng)總管段部分作了簡化。從靜止流體壓強分布規(guī)律可以知道，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)充滿水后，系統(tǒng)各部件所承受的水靜壓強P的大小與其所處位置的水深h成比例關(guān)系的，即壓強P=ρ g h；因此系統(tǒng)水靜壓強分布線如圖中雙點劃線所示。當(dāng)系統(tǒng)運行時，管路與膨脹水箱的連接點是恒壓點（即水泵運行與不運行時該處的水靜壓強不變），由水泵壓頭（揚程）所造成的靜壓強分布線就必定通過該點。由于管路摩擦阻力和局部阻力的關(guān)系，沿管路的壓強逐漸減少，其變化情況如圖中虛線所示。這樣，水泵運行時靜壓力分布線就是雙點劃線和虛線坐標(biāo)值的疊加（合成的壓力分布線在圖中沒有表示出來）。

圖5 變水量系統(tǒng)3在靜止時和運行時的壓力分布示意圖

從圖5的壓力分布線可知，系統(tǒng)中可能出現(xiàn)低壓的管段在膨脹水箱接入點至水泵這一段管段上，當(dāng)該段管路壓力損失很大而膨脹水箱的安裝位置又較低時（即該處水靜壓強值又較低），該處的壓力就會變得很低。我們知道當(dāng)管路中壓力等于或低于水溫相應(yīng)的汽化壓力時，該處的水就會發(fā)生汽化，汽化發(fā)生后，會產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。通常在其他系統(tǒng)設(shè)計時這一管段非常短，不需考慮這個問題。在實際應(yīng)用中，主機、輔機所帶水泵的布置位置均較近，因此出現(xiàn)氣蝕的概率很低；系統(tǒng)中冷水機組的冷卻水泵距離膨脹水箱接入點是最遠的，建議對該管段的壓力損失進行估算，以確定該管段設(shè)計及膨脹水箱位置合理性。

1.4.2 水系統(tǒng)自力式壓力調(diào)節(jié)閥特性分析及匹配問題

圖6為系統(tǒng)全負(fù)荷運行（系統(tǒng)中所有水泵全部運行）與部分負(fù)荷運行（系統(tǒng)中部分水泵運行）時的壓力分布示意圖，其中虛線為全負(fù)荷運行時的系統(tǒng)壓力分布線，雙點劃線為只有管路3的水泵運行時的系統(tǒng)壓力分布線。我們知道，管路阻力損失P與流量Q的關(guān)系為P=KQ2，管路確定后，管路特性系數(shù)K為定值。從圖中可看出，當(dāng)總管路的水流量減小時，管路阻力損失將降低，使得整個系統(tǒng)的壓力損失降低，這時如果不做任何調(diào)節(jié)控制，則水泵會偏離原有的工作點，當(dāng)最大流量與最小流量差別很大時，則水泵可能無法正常工作，甚至?xí)绊懙侥┒搜b置的正常工作。當(dāng)部分水泵運行時，各分管路的水流量由于阻力損失的變動而相互干擾產(chǎn)生波動。因此，這時，如果要維持分管路的流量在全負(fù)荷狀態(tài)時的流量，則需在管路中人為增加阻力，使系統(tǒng)阻力損失回復(fù)到全負(fù)荷運行的狀態(tài)值，這個調(diào)節(jié)功能則需要由合適的自動調(diào)節(jié)閥來完成。所以該調(diào)節(jié)閥的正確選擇及應(yīng)用是非常關(guān)鍵的。因此應(yīng)結(jié)合管路壓力損失變化、水泵特性和調(diào)節(jié)閥特性的分析，使之相互匹配。

圖6 變水量系統(tǒng)3全負(fù)荷運行和部分負(fù)荷運行時的壓力分布示意圖

1.4.3 建議

根據(jù)以上分析，建議在設(shè)計中注意以下：

1）由于管路壓力損失變化集中在總管段上，因此設(shè)計時盡可能減少總管段的阻力損失，即使管路特性系數(shù)K越小，管路壓力損失隨流量變化的變化就越小。具體措施有：縮短總管段的長度，放大總管段管徑，減少總管段處的閥件、彎頭和分支接頭等，采用供、回水集管等，總水流量降低到一定程度時關(guān)斷其中一個板式熱交換器的管路等，如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的變水量系統(tǒng)3中冷系統(tǒng)示意圖

2）在設(shè)計中應(yīng)盡可能減少帶泵分支管路的數(shù)量，即盡可能減少系統(tǒng)中最大水流量與最小水流量的差值，以降低管路水量波動的可能性；必要的時候?qū)Σ糠炙眠M行聯(lián)動控制以提高最小流量值（即采用陪打措施）；

3）對管路壓力損失變化進行分析，結(jié)合水泵特性得出各支管路可能的水流量波動范圍，選擇合適的調(diào)節(jié)閥。

4）系統(tǒng)在冬季嚴(yán)寒季節(jié)運行的可靠性及解決措施：在冬季時，由于不需供水的分管路的水不流動，當(dāng)管路周圍環(huán)境溫度低于0℃以下或更低溫度時，即便管路外敷設(shè)保溫，如果管路經(jīng)過的艙室沒有保暖措施，也會出現(xiàn)管路凍裂的問題。由于機艙冬季溫度在5℃以上，在機艙區(qū)域的管路勿須考慮防凍問題，但供給機艙以外的區(qū)域的系統(tǒng)管路，必須考慮該管段的防凍問題，必要時設(shè)置相應(yīng)的閥門和排放管路，在冬季將該管段的水排放掉。

2 結(jié)論

從上分析可以看到，中央冷卻水系統(tǒng)淡水側(cè)水系統(tǒng)設(shè)計的方案是多種多樣的，又各有有缺點，如果能妥善解決主機、輔機的機帶泵形式及控制問題，可采用定水量系統(tǒng)和變水量系統(tǒng)1的設(shè)計方案，系統(tǒng)設(shè)計和控制方式均較為簡單可靠。對于主、輔機設(shè)機帶泵型式的，可考慮采用變水量系統(tǒng)3的設(shè)計方案，同時注意管路設(shè)計和壓力平衡控制問題，以確保系統(tǒng)的可靠運行。

[1]陸耀慶主編.實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊(第二版)[M].北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2008.

[2]丁睿, 唐建文, 董威等.電力推進船舶中央冷卻系統(tǒng)動態(tài)特性建模及控制仿真[J].制冷與空調(diào), 2006.

[3]陳沛霖.岳孝方等.空調(diào)與制冷技術(shù)手冊[M].上海:同濟大學(xué)出版社, 1990.

上海外高橋八天完成七大造船節(jié)點

春江水暖的三月，在上海外高橋造船有限公司的船塢、碼頭也呈現(xiàn)出一片繁忙的景象。隨著3月17日公司為希臘安能格爾航運公司建造的20.6萬噸散貨船順利出海試航，8天內(nèi)公司共完成兩船出塢、兩船下塢、兩船交付，以及一船出海試航的七大生產(chǎn)節(jié)點。

3月10日，在船塢內(nèi)，由公司建造的兩艘20.6萬噸散貨船H1271、H1244船在一號船塢順利出塢，此輪次的出塢完整性都較上一輪有大幅提高。3月11日，公司建造的兩艘20.6萬噸散貨船H1272、H1273船下塢建造。

3月15日，在碼頭上，公司建造的31.9萬噸VLCC（H1223船）順利交付離廠；3月16日，公司為日本三德船舶株式會社建造的17.6萬噸好望角型散貨船H1279船順利交付離廠；3月17日，公司為希臘安能格爾航運公司建造的20.6萬噸好望角型散貨船H1243船順利出海試航。

據(jù)悉，公司自3月初至3月17日，先后完成了7大生產(chǎn)節(jié)點，約占全年生產(chǎn)大節(jié)點總數(shù)的10%，為公司完成一季度生產(chǎn)任務(wù)打下堅實的基礎(chǔ)。

Analysis of Central Cooling Circle Water System Design

ZHOU Zhen-yu
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Several types of central cooling circle water system on ships are introduced.Through analysis the pressure of system,some suggests are given which can be used as reference for some designers in central cooling circle water system design on ships.

central cooling circle water system; system design; pressure analysis

U664.5

A

周振宇（1971-），男，高級工程師。研究方向：船舶空調(diào)冷藏通風(fēng)。