大型海工平臺冷卻水方案和溫升問題分析

(招商局重工(深圳)有限公司，廣東 深圳 518054)

1 冷卻系統(tǒng)原理及故障現(xiàn)象

在海工平臺上，機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行的時候會產(chǎn)生大量的熱量,對設(shè)備進(jìn)行恰當(dāng)?shù)睦鋮s降溫尤為重要。平臺和船舶上的冷卻水系統(tǒng)的功能就是隨設(shè)備熱負(fù)荷變化自動或手動控制相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來保證其熱交換器溫度穩(wěn)定。平臺長期離岸作業(yè)，可用的冷卻水只有海水和淡水。淡水尤其珍貴，而海水卻取之不盡，成本很低。淡水經(jīng)過軟化處理并加添加劑后對設(shè)備腐蝕很小，所以一般用淡水直接冷卻主機(jī)缸套等相應(yīng)部件，然后用海水通過熱交換器來冷卻淡水后直接排海。這種設(shè)備內(nèi)部淡水閉式循環(huán)結(jié)合外部海水開式冷卻的混合式冷卻是平臺上比較經(jīng)濟(jì)和常用的冷卻方式[1-3]。

內(nèi)部淡水閉式循環(huán)基本原理見圖1。

圖1 機(jī)內(nèi)淡水冷卻閉式循環(huán)

系統(tǒng)分為高溫淡水循環(huán)和低溫淡水循環(huán)兩部分。高溫循環(huán)由淡水循環(huán)泵#1，高溫淡水膨脹柜，高溫淡水熱交換器，溫控三通閥及其他附件組成，由循環(huán)泵帶動淡水流動對缸套、活塞和噴油器等進(jìn)行冷卻。膨脹柜應(yīng)安裝在相對高位，可以補(bǔ)充管內(nèi)淡水泄漏損失和吸收水發(fā)熱導(dǎo)致的體積增大, 同時也保持淡水泵吸入壓力為正。當(dāng)冷卻回水溫度過高，達(dá)到78 ℃觸發(fā)點，溫控三通閥變向?qū)⒌畬?dǎo)向熱交換器，經(jīng)外部海水冷卻后繼續(xù)循環(huán)，如果回水溫度不高于78 ℃則溫控三通閥直接將水倒回缸套，繼續(xù)用于缸套等的冷卻。對于這些高溫部位的冷卻不能使用低溫淡水，因為過大的溫差會引發(fā)過大的熱應(yīng)力而對設(shè)備造成傷害。

低溫淡水與高溫淡水冷卻的對象不一樣，溫控三通閥觸發(fā)點設(shè)置在38 ℃，此處溫控三通閥根據(jù)觸發(fā)水溫，靈活重復(fù)利用回流水，有節(jié)能作用[4]。高溫和低溫淡水熱交換器可以做在一個撬塊上，淡水管路分開，外部進(jìn)來的海水可以做成共同的進(jìn)口和出口，集成在一個主機(jī)撬塊上。海水進(jìn)入與淡水管在板式熱交換器內(nèi)進(jìn)行熱交換后，升溫變熱排出，淡水降溫回流繼續(xù)冷卻設(shè)備。船上的熱交換器以板式居多[5]，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是連續(xù)上下波浪狀的換熱薄金屬板片[6]，多層安裝，外部用板夾住、然后螺栓固定。冷熱流體在2塊板片間曲折的矩式通道里對流[7],通過薄板充分換熱。這種薄板結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)交換能力極強(qiáng)，內(nèi)部緊湊，整體外形小，熱量損失小，拆裝和內(nèi)部維護(hù)也便利，特別適合船舶和海工平臺上狹窄空間使用[8-9]。

板式換熱器的參數(shù)與內(nèi)部淡水循環(huán)流量、外部海水流量、海水和淡水的比熱及比重有關(guān),各設(shè)備廠家先確定內(nèi)部散熱量和換熱量，工作最低和最高溫度,進(jìn)行各熱交換器節(jié)點計算，得出相應(yīng)的外部冷卻水溫升、流量等數(shù)據(jù)，從而最終確定熱交換器的參數(shù)和選型[10]。由若干熱交換器的流量，壓降，溫度的綜合性熱平衡計算得出總海水冷卻泵的需求流量、壓頭、功率。

外部開式海水冷卻原理見圖2。

圖2 外部海水開式循環(huán)

本船需要冷卻的設(shè)備為5臺主發(fā)電機(jī)組以及其他輔助機(jī)械，如圖2所示，采用并聯(lián)的海水冷卻系統(tǒng)，由海底門、粗濾器、吸排總管、冷卻循環(huán)泵、輸送介質(zhì)支管、關(guān)斷隔離閥門、止回閥，安全泄放閥等組成。海水冷卻泵采用一用一備的方案, 泵出口設(shè)置濾器和安全閥，濾器用來過濾雜質(zhì)，安全閥用來在管路系統(tǒng)壓力過高時釋放管路壓力。海水冷卻泵一般選擇離心泵，泵壓頭由淡水系統(tǒng)的設(shè)計壓力決定，外部海水冷卻系統(tǒng)的設(shè)計壓力要比內(nèi)循環(huán)淡水冷卻系統(tǒng)低。這樣設(shè)計的好處是一旦冷卻器(熱交換器)破損了，可以允許淡水泄漏到海水系統(tǒng)里面去，但是不允許海水漏到淡水里面去，避免造成設(shè)備內(nèi)部損壞和污染。

按照圖2配置方案，海底門、泵、管路及設(shè)備等安裝完成后，進(jìn)行主發(fā)電機(jī)組進(jìn)行并車聯(lián)合調(diào)試。當(dāng)2#，3#，4#,5# 4臺主發(fā)并車，發(fā)現(xiàn)在達(dá)到額定負(fù)荷時，出現(xiàn)了#2主機(jī)的冷卻水出口高溫報警, 溫度高于換熱器允許的最高溫度55 ℃，3#、4#、5#主機(jī)出口溫度正常。時值夏季，測得設(shè)備進(jìn)口水溫為30 ℃，未達(dá)到最大允許進(jìn)口水溫32 ℃。初步判斷2#主機(jī)可能出現(xiàn)的問題：管路堵塞，流量不夠，熱交換器堵塞導(dǎo)致壓降過大，閥門開度不夠等。

2 故障排查

一般設(shè)備發(fā)熱源散布在全船，從艙底到頂部駕駛樓，從艏艙到艉艙，對應(yīng)的冷卻支管延伸到各發(fā)熱源，帶走熱量，然后再折回，將吸收熱量的高溫水排舷外。各支路都暢通才能保證對應(yīng)設(shè)備在正常工況運(yùn)轉(zhuǎn)。

本次聯(lián)調(diào)只涉及4臺主機(jī)，就有1臺主機(jī)冷卻水高溫報警了，說明2#主機(jī)未分配到足夠的冷卻水。采用排除法，先檢查熱交換器，壓降在正常范圍，單獨啟動2#機(jī)試驗，流速正常，出口溫度正常，說明熱交換器沒問題。試驗時手動控制閥門開度，開度變小時，出口溫度上升；開度變大后溫度下降，這說明閥門也能正常工作。

進(jìn)一步查找原因，現(xiàn)場調(diào)試采用只啟動2#、3#主機(jī)，發(fā)現(xiàn)冷卻水高溫報警解除, 再采用啟動1#、4#、5#主機(jī)方式，發(fā)現(xiàn)1#高溫報警，4#、5#水溫正常，由此判斷是由于主供水管路靠近4#、5#主機(jī)，1#、2#主機(jī)管路較遠(yuǎn)，彎頭較多，壓降過大，導(dǎo)致4#、5#主機(jī)管路搶水，1#、2#主機(jī)無法獲取足夠的冷卻水流量來給設(shè)備降溫，導(dǎo)致水溫過高。

進(jìn)一步分析。

Q0=q1+q2+q3+q4+q5+q6

(1)

式中：Q0為海水冷卻泵的總排量,q1為通過1#主機(jī)冷卻水流量,q2、q3、q4、q5、q6依次對應(yīng)2#、3#、4#、5#主機(jī)和其余輔助設(shè)備的冷卻水流量。

當(dāng)2#、3#、4#、5#4臺主發(fā)并車實驗時，在總排量Q0不變的情況下，如果4#、5#主機(jī)通過的流量q4、q5過大，那么通過2#、3#主機(jī)的流量q2、q3將會減少, 也就是說離供水主管近的4#,5#主機(jī)搶了2#,3#主機(jī)的水。

同時采用3個方法解決此問題：①新增供水旁通管路從1#、2#主機(jī)等供水遠(yuǎn)端接入，讓5臺主機(jī)保持與供水主管同等競爭位勢；②在主機(jī)冷卻水各支路出口和排?？偝隹谠黾觾?nèi)置彈簧式自力式調(diào)節(jié)閥[1]，便于壓力流量的調(diào)節(jié)，進(jìn)一步讓水均衡供給5臺主機(jī)；③增加旁通調(diào)節(jié)閥。修改后的方案見圖3。

圖3 外部海水開式循環(huán)新方案

按新方案，各自力式調(diào)節(jié)閥都裝設(shè)在冷卻設(shè)備源的出口。根據(jù)流量和壓差等參數(shù)確定型號，調(diào)節(jié)閥的作用是在一定范圍內(nèi)調(diào)整各路支管出口和總出口的壓力流量曲線平衡，內(nèi)置彈簧式自力調(diào)節(jié)閥的優(yōu)點是無需外接動力，可以直接利用其本體前后流體壓力通過一根小口徑導(dǎo)管來驅(qū)動彈簧, 而彈簧行程又連接閥瓣從而改變閥門開度、預(yù)設(shè)壓力，彈簧達(dá)到平衡，就可以實現(xiàn)自動控制流量和壓力。在本平臺冷卻系統(tǒng)的控制運(yùn)用自力式調(diào)節(jié)閥來替換手動截止閥屬于一項重要的功能革新?？朔擞媒刂归y或者節(jié)流孔板做調(diào)節(jié)作用時需不斷手動調(diào)整，修改孔徑、而系統(tǒng)重復(fù)調(diào)試的不足,有效解決了本平臺2臺主冷卻水泵供給5臺主機(jī)和其他設(shè)備時在各種復(fù)雜工況下單獨運(yùn)行或并聯(lián)運(yùn)行引起的流量不均和水壓干擾難題，從而避免了各設(shè)備間因冷卻水分配不均衡導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)故障。

在加入了8臺自力式調(diào)節(jié)閥后, 前面的流量分配公式變更為以下帶修正參數(shù)η的公式。

Q0·η0=q1·η1+q2·η2+q3·η3+q4·η4+

q5·η5+q6·η6+q7·η7

(2)

每個參數(shù)η表達(dá)了可設(shè)定的自力式調(diào)節(jié)閥的壓差流量關(guān)系，變成了可變量,q7為的旁通調(diào)節(jié)閥，在只需要單臺主機(jī)或少量設(shè)備運(yùn)行時釋放富余冷卻水流量直接排海。

Q0·η0可以理解為泵的特性和排?？偣苷{(diào)節(jié)閥的共同作用，因為選用的冷卻泵是離心泵形式，按照泵本身的流量壓力特性，在一定范圍內(nèi)可調(diào)，這可以通過控制泵出口的揚(yáng)程來調(diào)節(jié)流量，即通過調(diào)節(jié)圖3里那個排海閥開度大小來實現(xiàn)。

3 檢驗結(jié)果

按以上原理現(xiàn)場新增旁通供水管路，濾器和調(diào)節(jié)閥后，進(jìn)行1#、3#、4#、5#主機(jī)并車試驗。同時啟動1#、5#主機(jī)并車運(yùn)行，左右供水管全部打開，發(fā)現(xiàn)水溫正常，但出口壓力較低；通過設(shè)定1#、5#主機(jī)調(diào)節(jié)閥調(diào)整出口壓力到250～300 kPa之間，出口水溫39 ℃正常。再啟動3#、4#主機(jī)，4臺主機(jī)并車運(yùn)行,3#、4#、5#主機(jī)出口溫度正常, 1#主機(jī)水溫和水壓很快開始上升到達(dá)55 ℃的報警溫度，立刻重新設(shè)定調(diào)節(jié)閥，減少3#、4#、5#主機(jī)調(diào)節(jié)閥流量，提高1#調(diào)節(jié)閥的流量，1#主機(jī)出口溫度下降到48 ℃正常范圍。4臺主機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行30 min，出口溫度和壓力等指標(biāo)正常。

4 結(jié)論

1)采用以上方法多次進(jìn)行并車試驗，發(fā)現(xiàn)這種開式混合冷卻系統(tǒng)容易發(fā)生各設(shè)備之間冷卻水分配不均衡問題。特別是在管路復(fù)雜，各冷卻支管距離和壓降不一致的情況下，整個冷卻系統(tǒng)的合理運(yùn)轉(zhuǎn)取決于調(diào)試人員較高的操控技能和經(jīng)驗。為此，在多臺設(shè)備同時需要冷卻時，就需要像在每個冷卻設(shè)備支管出口加自力式調(diào)節(jié)閥，便于每個設(shè)備單獨獲得正常需要的流量，來保證系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。另外，在條件允許的情況下，應(yīng)采用PLC自動控制調(diào)節(jié)閥，并采用遠(yuǎn)傳的壓力傳感器和溫度傳感器配合來調(diào)節(jié)[12]，縮短現(xiàn)場調(diào)試時間，也可減少維護(hù)工作量。

2)在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)還有很多問題待解決：一是對管路中各節(jié)點的壓力和流量難以實際一一把握，基本靠通過檢測管路中已有的壓力表來估算和推測鄰近點的壓力和流量；二是對各個設(shè)備和管路的壓降也靠估算和手工計算，難免與船上實際設(shè)備情況和錯綜復(fù)雜的管路有誤差，而且估算和計算誤差也帶來了調(diào)節(jié)閥實調(diào)時誤差范圍較大，需要不斷修正。

3)對于冷卻系統(tǒng)的研究需要針對不同船型和平臺，如果條件允許，應(yīng)考慮FLOWMASTER軟件等對全船冷卻管路做實際模擬[12]，計算出每個管路節(jié)點的壓力、流量和沿程壓降，從而更好地配置流量調(diào)節(jié)閥和增加PLC自動化控制，提前在中控室電腦上精準(zhǔn)設(shè)定好各支路的流量和壓降要求[14]，從而保證整個冷卻水系統(tǒng)的均衡分配和合理性。

4)設(shè)備的冷卻是一個在船舶和海工平臺應(yīng)用廣泛卻又容易出現(xiàn)各種問題的地方，近年來，海工平臺對海水設(shè)備和系統(tǒng)防腐防漏的要求越來越高，本文所用混合式冷卻系統(tǒng)使與海水直接接觸的設(shè)備相對減少，其總體防腐蝕性能進(jìn)一步得到改善,所以混合式冷卻設(shè)計在很長一段時間都將作為一種成熟的設(shè)計而運(yùn)用。但是由于需要冷卻的設(shè)備多、管路布置比較分散，平臺工況復(fù)雜，此類混合式冷卻系統(tǒng)適宜采用自力式調(diào)節(jié)閥或PLC自動控制閥、結(jié)合專業(yè)流體軟件計算的精準(zhǔn)全船混合冷卻設(shè)計已成為未來的發(fā)展方向。