飽和潛水設(shè)備中央冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

，，

(招商局重工(深圳)有限公司，廣東 深圳 518054)

一般傳統(tǒng)中央冷卻系統(tǒng)采用開式海水冷卻系統(tǒng)，系統(tǒng)一般由2個(gè)海水箱及吸入濾器、2臺(tái)海水冷卻水泵(一主一備)、2臺(tái)熱交換器，2臺(tái)淡水冷卻泵(一主一備)和1臺(tái)壓力膨脹水柜組成。各冷卻水用戶設(shè)備從冷卻水供水總管上取水后排出至回水總管，用戶設(shè)備的熱負(fù)荷被冷卻水帶走。這種傳統(tǒng)形式具有以下不足：①管路、閥門、電纜及其他靜態(tài)部件單點(diǎn)故障可能導(dǎo)致的整個(gè)冷卻水系統(tǒng)失效；②船舶火災(zāi)或進(jìn)水可能導(dǎo)致整個(gè)冷卻水系統(tǒng)失效。為此，以某型入級(jí)DNVGL船級(jí)社的飽和潛水支持船為例，通過與傳統(tǒng)中央冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行比較，探討基于FMEA的飽和潛水設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的技術(shù)特征和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 系統(tǒng)組成及布置

在高壓氧環(huán)境中，潛水員對(duì)溫度的變化非常敏感，所處高壓氧環(huán)境下合適的溫度是對(duì)飽和潛水員生命和身體健康的重要保障，因此，必須精確可靠地對(duì)溫度進(jìn)行控制[1]。

1.1 基本組成

系統(tǒng)劃分為左舷系統(tǒng)和右舷系統(tǒng)2個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)由1個(gè)海水箱及吸入濾器、2臺(tái)海水冷卻水泵(一主一備)、一臺(tái)熱交換器、2臺(tái)淡水冷卻泵(一主一備)和1臺(tái)壓力膨脹水柜組成。2個(gè)子系統(tǒng)間在水泵和冷卻器的進(jìn)出口，設(shè)置有聯(lián)通管路和隔離閥。當(dāng)某一側(cè)子系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備故障或檢修時(shí)，通過打開隔離閥，另一側(cè)子系統(tǒng)內(nèi)相應(yīng)功能設(shè)備能夠介入維持系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，以提供更多的裕度，典型形式見圖1。

1.2 冗余組劃分

將系統(tǒng)劃分為2個(gè)子系統(tǒng)，見表1。

表1 系統(tǒng)冗余組劃分

由于減壓艙氣體回收空壓機(jī)只有1臺(tái)，為保障其冷卻水供應(yīng)，將其同時(shí)劃分到冗余組A和B，在其冷卻水進(jìn)出口通過開支管的方式設(shè)置備用接口，并設(shè)置隔離閥門。

1.3 布置

為降低船舶火災(zāi)或進(jìn)水對(duì)冷卻水系統(tǒng)可能導(dǎo)致的整個(gè)系統(tǒng)失效的風(fēng)險(xiǎn)[1]，系統(tǒng)的2個(gè)冗余組內(nèi)的設(shè)備、管路及電纜等部件相互分散遠(yuǎn)離、呈左右對(duì)稱布置。條件允許的情況下，2個(gè)冗余組也可布置在2個(gè)不同的艙室，艙室間由A60防火艙壁隔開，聯(lián)通管上的隔離閥布置在防火艙壁的2側(cè)約500 mm處。

圖1 飽和潛水設(shè)備中央冷卻水系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)

1.4 故障模式及影響分析(FMEA)

由于系統(tǒng)的2個(gè)子系統(tǒng)完全獨(dú)立，且每個(gè)子系統(tǒng)具備提供足夠量的冷卻水，供冗余組內(nèi)的潛水設(shè)備使用，任何子系統(tǒng)獨(dú)立工作均能保障全部潛水員的生命，所以任何單點(diǎn)故障都不至于威脅到潛水員的生命安全。另外，系統(tǒng)設(shè)置了聯(lián)通管及隔離閥，即使某一側(cè)系統(tǒng)內(nèi)的泵或冷卻器因故障或檢修而無法使用，也可以通過打開常閉的聯(lián)通閥，用另一側(cè)的泵和冷卻器為2個(gè)冗余組的用戶不間斷提供冷卻水，為系統(tǒng)提供足夠的裕度，進(jìn)一步保障潛水員的生命安全。冗余組A和B主要故障模式及影響見表2[2]。

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，應(yīng)按照設(shè)備的最惡劣工況來選擇設(shè)備的參數(shù)，以確保在單點(diǎn)故障的情況下設(shè)備有足夠的能力來應(yīng)對(duì)故障或檢修情況，相關(guān)設(shè)備參數(shù)取1.1倍計(jì)算值作為安全系數(shù)。

表2 部分故障模式及影響

2.1 系統(tǒng)工況

各部件工況見表3。

表3 各部件的工況

2.2 淡水冷卻水泵的選型

離心泵設(shè)計(jì)和選型技術(shù)[3-4]已經(jīng)非常成熟，在此僅對(duì)泵的流量和揚(yáng)程2個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行選定，其他參數(shù)由泵廠家選型后進(jìn)行認(rèn)可。

1)流量Q1。根據(jù)潛水系統(tǒng)設(shè)備熱負(fù)荷參數(shù)表，可算出每個(gè)冗余組的冷卻水流量Q0?？紤]到隨著使用時(shí)間變長管路可能變得粗糙，往往按要求最小流量的1.1倍，即將Q1= 1.1Q0作為泵的設(shè)計(jì)選型參數(shù)。

2)揚(yáng)程H1。泵的揚(yáng)程主要由閉式冷卻水回路中管路沿程損失和局部損失決定，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初定閉式淡水冷卻泵的揚(yáng)程H1=30 m，該數(shù)據(jù)通過了后期管路阻力校核計(jì)算。管路阻力計(jì)算由成熟軟件完成，在此不作贅述。注意潛水設(shè)備在各層甲板都有分布，由于系統(tǒng)靜壓力作用，可能會(huì)出現(xiàn)低處潛水設(shè)備進(jìn)口壓力超過設(shè)備允許的壓力。在校核揚(yáng)程時(shí)，應(yīng)注意同時(shí)校核避免低處冷卻水設(shè)備超壓的情況，如經(jīng)核算確實(shí)存在局部超壓，可有如下2種解決方案：①增大管徑，降低泵的揚(yáng)程；②在超壓設(shè)備冷卻水進(jìn)口安裝背壓閥，背壓閥出口引至設(shè)備冷卻水出口管路上，背壓閥的設(shè)定壓力值為被保護(hù)設(shè)備的最大允許壓力。

2.3 壓力膨脹水柜的選型

閉式循環(huán)系統(tǒng)一般采用氣囊式壓力膨脹水柜，有容積和設(shè)定壓力2個(gè)主要參數(shù)。

壓力膨脹水柜的設(shè)定壓力一般在泵未運(yùn)行狀態(tài)下設(shè)定，設(shè)定值應(yīng)滿足以下2個(gè)條件中的較大值。

1)比系統(tǒng)最高點(diǎn)高1.5 m水柱所產(chǎn)生的靜壓頭，即

P0= (H1+ 1.5)

(1)

式中：H1為膨脹水柜底部距離系統(tǒng)最高點(diǎn)的高度差。

2)正常運(yùn)行中泵的汽蝕余量加1 m水柱所產(chǎn)生的靜壓力，即

P0=(mNPSHr+ 1)

(2)

式中：mNPSHr為泵的汽蝕余量。

2.4 冷卻器的選型

對(duì)于船用大功率的冷卻器，通常選用板式冷卻器，總熱負(fù)荷P，冷卻淡水總流量Qh，冷卻器淡水出口溫度t2，海水進(jìn)口溫度t1= 34 ℃。

熱介質(zhì)溫升Δt=t1-t2=P/ (Q·ρ·Cp)；

冷介質(zhì)溫升Δt=t1-t2= 6 ℃；

則所需海水流量Qc=P/ (ρ·Cp·Δt) 。

由此確定本船板式冷卻器初選參數(shù),見表4。

表4 本船板式冷卻器主要參數(shù)

板式冷卻器設(shè)計(jì)和選型技術(shù)[5]已經(jīng)非常成熟，在此僅考慮熱負(fù)荷、流量和溫度3個(gè)主要參數(shù)的選定，其他參數(shù)在設(shè)備廠家選型后認(rèn)可。

2.5 海水冷卻泵的選型

海水冷卻泵一般采用帶自吸裝置的離心泵。

1)流量Q2。根據(jù)表4中算得的冷卻海水流量，可得到每臺(tái)海水冷卻泵的最小流量Qmin，考慮到10%的污垢系數(shù)，一般每臺(tái)海水泵的流量Q2= 1.1Qmin

2)揚(yáng)程H2。根據(jù)管路阻力計(jì)算，可得到海水冷卻泵的揚(yáng)程H2。

2.6 確定冷卻水管路尺寸

1)海水吸入總管尺寸。一般海水吸入總管流速2～3 m/s，且滿足正常工況下單泵工作時(shí)流速大于1 m/s[6]。

檢修工況下，取v=2.5 m/s，根據(jù)流量Q2，計(jì)算管內(nèi)徑，并依此選出管子規(guī)格，需要對(duì)正常工況和惡劣工況下的流速進(jìn)行核算；海水冷卻泵吸入管應(yīng)盡量短，且應(yīng)將泵盡量布置在低處；管路阻力計(jì)算應(yīng)在后期生產(chǎn)設(shè)計(jì)布置完善后核算，海水冷卻泵吸入口處壓力/真空值應(yīng)確保泵不發(fā)生汽蝕。

2)淡水總管尺寸。淡水總管的最惡劣工況：2臺(tái)淡水泵同時(shí)工作，總管需要輸送2Q1的淡水形成循環(huán)?？偣艹叽缬?jì)算方法同上。

2.7 功能閥門設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中截止閥、止回閥和三通溫控閥的設(shè)計(jì)比較常規(guī)，此處重點(diǎn)介紹一下流量調(diào)節(jié)閥、背壓閥和自動(dòng)放氣閥等重要功能閥的設(shè)計(jì)。

1)流量調(diào)節(jié)閥。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中各冗余組內(nèi)的潛水設(shè)備處于并聯(lián)狀態(tài)，設(shè)備出口的流量調(diào)節(jié)閥主要用來調(diào)節(jié)分配冷卻水量[7-8]，避免系統(tǒng)遠(yuǎn)端的設(shè)備由于管路阻力大而得不到充足的冷卻水。推薦使用具有流量檢測(cè)接口的流量調(diào)節(jié)閥，以方便調(diào)試過程中根據(jù)測(cè)量值調(diào)大或減小閥門開度。

2)背壓閥。系統(tǒng)最遠(yuǎn)端設(shè)計(jì)有背壓閥并配有隔離閥和旁通閥，其目的是在調(diào)節(jié)系統(tǒng)背壓，使泵始終工作在最佳的額定工作點(diǎn)。背壓閥在系統(tǒng)運(yùn)行初期或某臺(tái)潛水設(shè)備檢修時(shí)，可以自動(dòng)旁通掉過多的水流量；隨著運(yùn)行一段時(shí)間后管路阻力增大后或設(shè)備檢修完畢，可減少旁通的水流量，使泵的流量和壓頭始終維持在額定值，自動(dòng)控制整個(gè)冷卻水系統(tǒng)的壓力波動(dòng)[9]。

3)自動(dòng)排氣閥。在系統(tǒng)的最高點(diǎn)或局部管路的高點(diǎn)，設(shè)置有自動(dòng)排氣閥，用來自動(dòng)排出系統(tǒng)內(nèi)部的空氣，減少氣阻發(fā)生。

上述自動(dòng)控制閥門均為機(jī)械式，為防止這些功能閥門失效，閥門前后一般設(shè)計(jì)有手動(dòng)閥門，方便檢修和更換時(shí)與系統(tǒng)隔離，確保單點(diǎn)故障不影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.8 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本船屬于DP2船，無雙機(jī)艙的A60物理分割[10]，由于潛水冷卻水系統(tǒng)涉及潛水員的生命安全，屬于極其重要的系統(tǒng)，因此對(duì)于配電系統(tǒng)的最惡劣工況為：主機(jī)艙著火全部主電源失效，潛水設(shè)備冷卻水系統(tǒng)需要依靠應(yīng)急電維持運(yùn)行，基于此，配電系統(tǒng)推薦采用如圖2所示的形式[11]進(jìn)行配置。

2.9 監(jiān)測(cè)、報(bào)警及自動(dòng)化設(shè)計(jì)

根據(jù)DNVGL船檢社對(duì)E0船級(jí)符號(hào)的要求[12]，在互為備用的泵組出口總管上應(yīng)設(shè)置1個(gè)壓力開關(guān)，其信號(hào)直接硬線連接至泵的啟動(dòng)器或控制箱，用于備用泵的切換，此外還應(yīng)設(shè)置1個(gè)壓力傳感器用于監(jiān)測(cè)泵出口的壓力低于設(shè)定值時(shí)發(fā)出報(bào)警，這樣可以確保自動(dòng)控制元件(壓力開關(guān))失效時(shí)，還有一套檢測(cè)元件(壓力傳感器)用于監(jiān)測(cè)故障。

淡水冷卻水泵出口總管設(shè)置溫度傳感器，用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)水溫，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)冷卻器或溫控閥的故障導(dǎo)致的溫度異常。在潛水設(shè)備、海水冷卻泵、淡水冷卻泵、板式冷卻器和壓力膨脹水柜的進(jìn)出口，設(shè)置有必要的溫度計(jì)和壓力表，用于監(jiān)測(cè)各設(shè)備的溫度和壓力參數(shù)，便于快速準(zhǔn)確地判斷故障點(diǎn)。

2個(gè)冗余組的溫度和壓力信號(hào)，應(yīng)由2套獨(dú)立的信號(hào)采集和處理系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)配置單獨(dú)的不間斷電源(UPS)，以保證全冗余要求。

3 結(jié)論

1)正常工況下，2個(gè)子系統(tǒng)完全獨(dú)立且同時(shí)運(yùn)行，可保證冗余組的所有設(shè)備有冷卻水供應(yīng)。

2)系統(tǒng)設(shè)備、管路及電纜數(shù)量增多，一次性投入增多，但泵的參數(shù)變小，長期運(yùn)營成本降低。

3)有足夠的裕度，可非常方便地改變操作工況，應(yīng)對(duì)意料之外的額外載荷、誤操作和檢修工況。

4)具有更高的系統(tǒng)可靠性，任何運(yùn)動(dòng)和靜態(tài)部件的單點(diǎn)故障，不會(huì)威脅到潛水員的生命安全。

5)須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行必要的計(jì)劃維保，以盡量降低故障發(fā)生率。

6)熟悉故障類型及其處理流程，準(zhǔn)備必要的備品備件，確保在故障發(fā)生后能迅速恢復(fù)系統(tǒng)。