某船多機(jī)艙輔助設(shè)備中央冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬(wàn)新斌（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

某船多機(jī)艙輔助設(shè)備中央冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬(wàn)新斌
（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

針對(duì)某船多機(jī)艙設(shè)備的設(shè)置情況，對(duì)輔助設(shè)備中央冷卻系統(tǒng)的形式、水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、中央冷卻器的設(shè)計(jì)、壓力、流量調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和研究，形成針對(duì)該船的輔助設(shè)備中央冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了介紹。

多機(jī)艙；輔助設(shè)備；中央冷卻系統(tǒng)

引　言

冷卻水系統(tǒng)作為船舶動(dòng)力系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，其作用是為船舶設(shè)備運(yùn)行提供足夠的冷卻水，以保證船舶在運(yùn)營(yíng)過程中各設(shè)備處于正常的可控溫度范圍內(nèi)［1］。如果船舶動(dòng)力輔助設(shè)備和電站柴油機(jī)的低溫冷卻水均采用海水進(jìn)行冷卻，容易產(chǎn)生管路腐蝕嚴(yán)重、維修工作量大、維護(hù)費(fèi)用高等問題。

船舶中央冷卻系統(tǒng)，是采用淡水作為柴油機(jī)的低溫冷卻水，同時(shí)對(duì)船舶的輔助設(shè)備進(jìn)行淡水冷卻，用海水對(duì)淡水進(jìn)行集中冷卻的形式。因其具有以下優(yōu)點(diǎn)：維修簡(jiǎn)單、費(fèi)用低、可靠性高、運(yùn)行安全，尤其是海水管路短、腐蝕少、有利于機(jī)艙布置和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等，所以日益為軍民艦船廣泛采用。

1　多機(jī)艙輔助設(shè)備中央冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某型船設(shè)有前主機(jī)艙、后主機(jī)艙和后輔機(jī)艙共三個(gè)機(jī)艙，并設(shè)有前后主電站，分別位于前主機(jī)艙和后輔機(jī)艙內(nèi)。由于正常運(yùn)行過程中的主機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍較大（進(jìn)一轉(zhuǎn)速與進(jìn)五轉(zhuǎn)速相差約300 r / min），同時(shí)按主機(jī)制造廠要求，主機(jī)采用單獨(dú)的低溫冷卻水系統(tǒng)。需要系統(tǒng)提供冷卻的輔助設(shè)備為：主發(fā)電機(jī)組、停泊發(fā)電機(jī)組、主空壓機(jī)、高壓空壓機(jī)、大氣冷凝器、單位式空調(diào)、貨油泵軸承及齒輪和貨油泵隔艙傳動(dòng)裝置等。為了減少對(duì)設(shè)備的腐蝕，因此采用中央冷卻系統(tǒng)對(duì)上述輔助設(shè)備進(jìn)行冷卻。

該船在前后主電站各設(shè)3臺(tái)主發(fā)電機(jī)組，在最大任務(wù)工況下，前后主電站均需2臺(tái)主發(fā)電機(jī)組投入工作，再加上其余輔助設(shè)備，中冷系統(tǒng)負(fù)荷較大。因此，在該船前主機(jī)艙和輔機(jī)艙各設(shè)置1套中央冷卻系統(tǒng)。在最大任務(wù)工況下前后兩套輔助設(shè)備中央冷卻系統(tǒng)均需運(yùn)行；在1臺(tái)主電站運(yùn)行的情況下，通過1套中央冷卻系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)本站主發(fā)電機(jī)組和全船其他輔助設(shè)備的冷卻，前后兩套中冷系統(tǒng)可以互為備用。

圖1　標(biāo)準(zhǔn)式中央冷卻系統(tǒng)原理

2　基本型式的選擇和水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該船輔助設(shè)備中央冷卻系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)式中央冷卻系統(tǒng)，其基本原理如圖1所示，低溫淡水在中央冷卻器中與海水進(jìn)行熱交換，高溫淡水在缸套水冷卻器中由低溫淡水冷卻，系統(tǒng)中僅有中央冷卻器使用海水冷卻［2］，提高了防腐蝕性能。

中央冷卻系統(tǒng)的水系統(tǒng)包括低溫淡水系統(tǒng)和海水系統(tǒng)，均可分為定水量系統(tǒng)和變水量系統(tǒng)［3］。由于定量系統(tǒng)的冷卻水循環(huán)總量不變，能耗較大，因此該船水系統(tǒng)均采用變水量系統(tǒng)，其中低溫淡水系統(tǒng)采用變水量和定水量相結(jié)合的水系統(tǒng)。

圖2　變流量淡水系統(tǒng)原理

該船低溫淡水系統(tǒng)的基本原理如圖2所示。當(dāng)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的數(shù)量變化時(shí)，機(jī)帶泵隨之進(jìn)行啟停，系統(tǒng)的低溫淡水總量也隨之變化。由于除發(fā)電機(jī)組以外的中冷系統(tǒng)冷卻設(shè)備多達(dá)33個(gè)，且均需系統(tǒng)設(shè)置的電動(dòng)泵進(jìn)行冷卻，如采用變水量系統(tǒng)，水泵配置復(fù)雜且系統(tǒng)控制較為繁瑣，因此該船除發(fā)電機(jī)組以外的輔助設(shè)備采用定量淡水系統(tǒng)。前后兩套中央冷卻系統(tǒng)均設(shè)置兩臺(tái)輔助設(shè)備低溫淡水泵，其中一臺(tái)水泵運(yùn)行即可對(duì)前、后主機(jī)艙、后輔機(jī)艙及泵艙的所有輔助設(shè)備實(shí)現(xiàn)淡水冷卻。

海水只在中央冷卻器與淡水進(jìn)行熱交換，用戶較為單一，可以通過中冷器淡水出口溫度來(lái)調(diào)節(jié)海水泵的流量?？紤]到降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，同時(shí)提高系統(tǒng)的可靠性，每套中央冷卻系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)雙速中央冷卻海水泵，一用一備。在負(fù)荷較低的工況下采用一臺(tái)海水泵的低速工況即可，在高負(fù)荷工況下，采用一臺(tái)泵的高速工況；在停泊工況時(shí)可用海水泵的低速工況進(jìn)行冷卻，不需另外設(shè)置停泊用中央冷卻海水泵，降低了系統(tǒng)的裝船成本。

3　中央冷卻器的選型設(shè)計(jì)

經(jīng)估算，該船機(jī)組和設(shè)備在額定工況時(shí)需要的總換熱量為6 000 kW，由于換熱量較大，若采用一個(gè)換熱器，其外形尺寸和重量均較大，因此每套系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)換熱器，每個(gè)換熱器的額定換熱量為3 600 kW（總換熱量的60%）。

中央冷卻器可采用管殼式冷卻器和板式冷卻器兩種。經(jīng)初步測(cè)算，管殼式冷卻器和板式冷卻器的技術(shù)參數(shù)見表1。

由表1可知，在同樣的換熱量下，由于板式換熱器具有較大的換熱系數(shù)，其換熱面積、外形尺寸和質(zhì)量均較小。另外板式冷卻器如采用鈦合金板，其防腐蝕性能優(yōu)于管殼式冷卻器（冷卻盤管為銅管或B10）；因此，從性能、外形尺寸和重量等方面考慮，該船采用板式冷卻器作為輔助設(shè)備中央冷卻器。

土木工程建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理與否，關(guān)乎到建筑施工是否可以得到順利開展與建筑本身是否可以得到有效應(yīng)用。但是在具體施工過程中，由于設(shè)計(jì)方案中一些具體標(biāo)識(shí)不夠規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，使施工的相關(guān)人員產(chǎn)生誤解，影響到設(shè)計(jì)方案的正確運(yùn)用，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)價(jià)值不能充分發(fā)揮其價(jià)值，這需要設(shè)計(jì)人員對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)工作的開展加強(qiáng)重視，與施工方保持良好的聯(lián)系，保證設(shè)計(jì)方案能夠得到有效的實(shí)施。

表1　兩種冷卻器的技術(shù)參數(shù)

4　壓力、流量調(diào)節(jié)裝置的選型設(shè)計(jì)

該船在運(yùn)行過程中，為滿足各種作業(yè)任務(wù)的用電需要，發(fā)電機(jī)組的數(shù)量需隨之進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。淡水系統(tǒng)中的流量和壓力將發(fā)生變化，為防止淡水管路發(fā)生回流、冷卻水不流動(dòng)或搶水等，需要保持冷卻水回水管路中的壓力和各設(shè)備進(jìn)口處的流量基本穩(wěn)定。

針對(duì)以上問題，以往的做法是在設(shè)備進(jìn)、出口管路上設(shè)置節(jié)流孔板，由人工調(diào)節(jié)。節(jié)流孔板一般在系統(tǒng)最大運(yùn)行工況下進(jìn)行調(diào)試并設(shè)定，由于該船中冷系統(tǒng)設(shè)備多、工況多變，設(shè)備相互之間影響較大，如在管路上設(shè)置節(jié)流孔板，則數(shù)量較多，易產(chǎn)生操作麻煩、調(diào)節(jié)困難等問題。

基于以上原因，該船采用自力式調(diào)節(jié)閥。這種閥門根據(jù)前后壓力的變化，即可自動(dòng)對(duì)閥門開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，不需提供另外的動(dòng)力源，大大簡(jiǎn)化控制裝置的要求，操作簡(jiǎn)單方便［4］。由于發(fā)電機(jī)組低溫淡水流量較大，為保持回水總管內(nèi)壓力相對(duì)穩(wěn)定，該船在發(fā)電機(jī)組的出口管路上設(shè)置了自力式壓差調(diào)節(jié)閥，用于自動(dòng)保持回水總管內(nèi)淡水壓力的恒定。對(duì)于各輔助設(shè)備，為保證負(fù)荷變化時(shí)自動(dòng)保持設(shè)備冷卻水量恒定，防止搶水現(xiàn)象發(fā)生，在各冷卻水進(jìn)口支管上設(shè)置了自力式流量調(diào)節(jié)閥。

5　系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)

在部分工況下，前、后兩套輔助設(shè)備中央冷卻系統(tǒng)中運(yùn)行一套即可滿足該船輔助設(shè)備的冷卻需要。每套中冷系統(tǒng)設(shè)有兩臺(tái)中央冷卻器，在低工況下運(yùn)行一臺(tái)中央冷卻器，在高工況下運(yùn)行兩臺(tái)中央冷卻器，前后兩套系統(tǒng)可以互為備用且控制相互獨(dú)立，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

為了提高系統(tǒng)的控制精度，在每臺(tái)中央冷卻器的淡水出口管路（非混合后的出口總管）上各設(shè)置一臺(tái)調(diào)溫閥，以保證各設(shè)備進(jìn)口低溫淡水溫度的基本穩(wěn)定；為了提高控制系統(tǒng)的可靠性，防止誤報(bào)警和誤動(dòng)作，在中央冷卻器的淡水出口總管上設(shè)置兩個(gè)溫度傳感器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)海水泵的控制；在每臺(tái)淡、海水泵的出口管上各設(shè)置兩個(gè)壓力傳感器，監(jiān)控水泵的運(yùn)行情況。

控制系統(tǒng)的部分硬件如PLC控制器、C PU、IM153模塊、連接器等采用主動(dòng)冗余切換的設(shè)計(jì)方法；軟件具有一定的容錯(cuò)運(yùn)行能力和故障報(bào)警自動(dòng)切換備用的功能。

這些措施均提高了系統(tǒng)的可靠性，可以保證中冷系統(tǒng)始終處于連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

通過以上分析，形成該船輔助設(shè)備中央冷卻系統(tǒng)的初步方案（如圖3所示）。

圖3　輔助設(shè)備中央冷卻系統(tǒng)方案圖

6　系統(tǒng)控制策略

系統(tǒng)通過對(duì)淡水泵、海水泵的出口壓力和泵的運(yùn)行狀態(tài)，以及中央冷卻器淡、海水進(jìn)出口溫度、發(fā)電機(jī)組出口淡水溫度及機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、三通閥開度等參數(shù)的監(jiān)測(cè)和對(duì)淡、海水泵的遙控，實(shí)現(xiàn)前、后兩套中央冷卻系統(tǒng)的自動(dòng)控制。系統(tǒng)主要設(shè)備的控制策略如下：

6.1 海水泵的控制

6.1.1 運(yùn)行控制

人工啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行所在艙的一臺(tái)海水泵，然后轉(zhuǎn)為自動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)三通閥總管出口低溫淡水溫度T對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制：

T＜10℃，低溫報(bào)警；

T＜25℃，海水泵停止使用；

25℃≤T＜34℃，保持一臺(tái)海水泵處于低速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；

T≥34℃，保持一臺(tái)海水泵處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；

T＞36℃，高溫報(bào)警。

6.1.2 選擇控制

海水泵工作狀態(tài)為一用一備。每次裝置優(yōu)先啟動(dòng)兩臺(tái)水泵中運(yùn)行時(shí)間較短的一臺(tái)，當(dāng)該臺(tái)水泵發(fā)生故障時(shí)，另一臺(tái)水泵將自動(dòng)切換使用，并發(fā)出水泵故障報(bào)警，待正常建壓后再關(guān)閉故障水泵。

當(dāng)一臺(tái)海水泵發(fā)生故障、備用泵也同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)由人工轉(zhuǎn)為另一艙控制，并轉(zhuǎn)為手動(dòng)控制模式。

6.2 三通閥的控制

三通閥的開度根據(jù)其對(duì)應(yīng)的低溫淡水出口溫度T進(jìn)行調(diào)節(jié)：

T＜25℃時(shí)，三通閥冷卻口保持0%開度，淡水不經(jīng)過中冷器直接進(jìn)入下次循環(huán)；

25℃≤T≤34℃時(shí)，三通閥開度根據(jù)T值進(jìn)行PID控制調(diào)節(jié)，控制目標(biāo)為33±1℃；

T＞34℃時(shí)，三通閥冷卻口保持100%開度，淡水全部經(jīng)過中冷器后再進(jìn)入下一次循環(huán)。

7　結(jié)　論

中央冷卻系統(tǒng)因具有較好的防止海水腐蝕能力，日益為軍民艦船廣泛采用。本文針對(duì)某船多機(jī)艙設(shè)備的配置情況，對(duì)中央冷卻系統(tǒng)基本型式的選擇和水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、中央冷卻器的選型設(shè)計(jì)、壓力、流量調(diào)節(jié)裝置的選型設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和研究，形成針對(duì)該船的中央冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行介紹，為其他艦船同類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一定的參考和借鑒。

該系統(tǒng)中淡水側(cè)除發(fā)電機(jī)組以外輔助設(shè)備的低溫淡水能否采用變流量系統(tǒng)，還需結(jié)合后續(xù)使用情況進(jìn)一步研究和探討。

［1］ 杜磊.基于陸上機(jī)艙的中央冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［D］.大連海事大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

［2］ 陳偉智.某船中央冷卻系統(tǒng)控制策略研究［D］.上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013：9-10.

［3］ 周振宇.船舶中央冷卻系統(tǒng)淡水側(cè)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析［J］.機(jī)電設(shè)備，2013（2）：42-45.

［4］ 田志定.自力式調(diào)節(jié)閥在艦船中央冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.船舶與海洋工程，2013（2）：44-46.

Central cooling system design of auxiliary equipment for multi engine room ship

WAN Xin-bin
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Based on the equipment instalation for a multi engine room ship, this paper analyzes and studies the system mode, and the design of the water system, the central cooler, the pressure， the flux adjustment and the system redundancy for the auxiliary equipment central cooling system. It then proposes the design scheme and introduces the control strategy for the system.

multi engine room; auxiliary equipment; central cooling system

U664.81+4

A

1001-9855（2016）04-0063-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2016.04.063

2016-03-03；

2016-04-15

萬(wàn)新斌（1981-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：艦船輪機(jī)研究與設(shè)計(jì)。