大型冷卻水系統(tǒng)調(diào)試裝置設(shè)計(jì)

程紹堅(jiān)，陳劍威，吳擁軍

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

郵輪的各項(xiàng)系統(tǒng)非常龐大，需要調(diào)試的設(shè)備多，塢期長(zhǎng)。所以，需要一套適用于郵輪冷卻水系統(tǒng)調(diào)試的裝置，可供郵輪在船塢內(nèi)邊施工邊進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)調(diào)試工序前移，減少郵輪的碼頭系泊時(shí)間，盡早安排試航的目標(biāo)，保證郵輪的順利交付。目前，國(guó)內(nèi)各型船塢只有用于維修船舶空調(diào)及冷藏設(shè)備冷卻的小流量臨時(shí)冷卻水供給系統(tǒng)，沒(méi)有可以滿足大型船舶的設(shè)備及系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試需求的大流量冷卻水調(diào)試裝置，可用于該裝置設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)少。在此背景下，以郵輪冷卻水的供給量和安全性為依據(jù)，進(jìn)行冷卻水量的計(jì)算，水泵排量及揚(yáng)程的選型和冷卻水管路的管徑和系統(tǒng)超壓保護(hù)設(shè)計(jì)[1]，應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)首制豪華郵輪冷卻水系統(tǒng)調(diào)試裝置的設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)原則

郵輪冷卻水系統(tǒng)調(diào)試裝置的主要目的是將部分航行試驗(yàn)項(xiàng)目前移到船塢階段完成，縮短航行試驗(yàn)時(shí)間。所以，該裝置在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：①準(zhǔn)確性，提供冷卻水的狀態(tài)應(yīng)近似于郵輪正常航行時(shí)的吃水狀態(tài)，提高郵輪設(shè)備和系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果的準(zhǔn)確性；②郵輪設(shè)備和系統(tǒng)的完整性，提供冷卻水時(shí)應(yīng)做到不對(duì)郵輪的設(shè)備和系統(tǒng)做任何的調(diào)整和修改，保持完整性；③高可靠性/安全性，設(shè)計(jì)必須充分考慮本裝置和郵輪設(shè)備和系統(tǒng)的安全和可靠；④可擴(kuò)展性，設(shè)計(jì)必須考慮未來(lái)更大船型調(diào)試的需要。

2 技術(shù)要求

首先，我國(guó)首制豪華郵輪所在船塢是目前中國(guó)最大的船塢，分為前、后2個(gè)塢室，可以同時(shí)建造2艘大型郵輪，見(jiàn)圖1。所以，郵輪冷卻水系統(tǒng)調(diào)試裝置可根據(jù)需要同時(shí)或分別用于2個(gè)塢室內(nèi)的郵輪冷卻水系統(tǒng)的調(diào)試。但是，考慮到2艘郵輪同時(shí)滿負(fù)荷調(diào)試?yán)鋮s水系統(tǒng)的可能性極低，所以冷卻水調(diào)試裝置的總?cè)萘恐恍铦M足單條郵輪冷卻水系統(tǒng)的調(diào)試即可。

首制豪華郵輪為滿足安全返港的要求，布置有前、后2個(gè)機(jī)艙。每個(gè)機(jī)艙均設(shè)有獨(dú)立的海水槽用于各機(jī)艙冷卻水的供給。首先，根據(jù)郵輪的設(shè)備參數(shù)，確定整船航行時(shí)冷卻水系統(tǒng)最大消耗量為4 585 m3/h。 但是，基于分區(qū)調(diào)試和分系統(tǒng)調(diào)試原則，計(jì)算得出最大調(diào)試工況時(shí)，冷卻水系統(tǒng)消耗量為3 800 m3/h。其中，艏部海水緩沖艙所需最大冷卻水消耗量為2 792 m3/h，艉部海水緩沖艙所需最大冷卻水消耗量為1 008 m3/h，見(jiàn)表1。

其次，由于郵輪上需冷卻設(shè)備種類(lèi)較多且調(diào)試工況也十分復(fù)雜，各工況對(duì)于冷卻水的需求量差別很大。所以，在冷卻水系統(tǒng)調(diào)試裝置設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮各類(lèi)設(shè)備系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試的需求，又要滿足單類(lèi)設(shè)備調(diào)試工況的消耗需求，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性。

圖1 郵輪塢內(nèi)排布示意圖(單位：m)

表1 郵輪冷卻水系統(tǒng)調(diào)試裝置容量計(jì)算 m3/h

再次，冷卻水需要引入大型郵輪的海水槽，再由大型郵輪自身的海水冷卻泵輸送至冷卻設(shè)備。調(diào)試裝置的供給壓力既要保證位于C甲板(距塢底約5.9 m)的海水泵泵殼內(nèi)充滿水，又要保證海水槽內(nèi)的壓力不超過(guò)設(shè)計(jì)值(0.12 MPa)。

3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

大型冷卻水系統(tǒng)調(diào)試裝置的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：冷卻水泵排量和揚(yáng)程的確定、冷卻水供給管路的管徑計(jì)算，以及海水緩沖艙的超壓保護(hù)。

3.1 冷卻水總管的通徑計(jì)算

國(guó)產(chǎn)首制郵輪所在船塢的長(zhǎng)度為740 m，冷卻水總管長(zhǎng)度約為500 m。因?yàn)榍?、后塢室存在同時(shí)消耗冷卻水的工況，所以管徑設(shè)計(jì)必須確保前后塢室所有冷卻水支管接入大型郵輪接口處的管路阻力均小于總管內(nèi)的壓力，避免前塢室使用冷卻水時(shí)，后塢室沒(méi)水的情況發(fā)生。同時(shí)塢內(nèi)在左右兩側(cè)各設(shè)置一根冷卻水總管，可以減小總管的直徑，又可提高系統(tǒng)使用的靈活性。根據(jù)前述布置，首先建立管路阻力模型[2]，2路總管按流速3 m/s計(jì)算管徑，應(yīng)選取DN500[3]。此時(shí)，后塢室最遠(yuǎn)端接入口的管路阻力約為0.11 MPa，詳見(jiàn)圖2。

所以，根據(jù)計(jì)算確定當(dāng)江水高度大于12 m時(shí)，可以采用自流方案；而當(dāng)江水高度等于或低于12 m時(shí)則使用冷卻水泵方案。

3.2 冷卻水泵的排量

根據(jù)前述冷卻水系統(tǒng)調(diào)試時(shí)消耗量的預(yù)測(cè)，最大調(diào)試工況時(shí)冷卻水系統(tǒng)消耗量為3 800 m3/h?？紤]冗余度，確定總冷卻水供給量為1.1倍最大調(diào)試工況時(shí)冷卻水系統(tǒng)消耗量，實(shí)取4 200 m3/h。根據(jù)各種設(shè)備調(diào)試工況對(duì)冷卻水消耗量的需求量，得出冷卻水消耗量在528～3 800 m3/h之間。經(jīng)過(guò)配置方案分析對(duì)比，確定選取2臺(tái)750 m3/h和2臺(tái)1 350 m3/h冷卻水泵，該配置可以靈活地用于郵輪的各種調(diào)試工況。郵輪典型調(diào)試工況的冷卻水泵運(yùn)行參數(shù)詳見(jiàn)表2。

圖2 管路阻力模型

表2 典型調(diào)試工況的冷卻水泵運(yùn)行參數(shù) m3/h

圖3 江水潮位示意圖(單位：m)

3.3 冷卻水泵的揚(yáng)程

根據(jù)管路阻力計(jì)算以得知后塢室最遠(yuǎn)端接入口的管路阻力約為0.11 MPa。所以，冷卻水泵揚(yáng)程應(yīng)該為0.12 MPa。但是，國(guó)產(chǎn)首制郵輪建造所在船塢外的江水最高潮位和最低潮位分別距離船塢塢底的高度為13.8 m和8.8 m，冷卻水的進(jìn)水口高度距離塢底高度為5.5 m，見(jiàn)圖3。

從該情況分析，在江水潮位在8.8 m～12.0 m之間會(huì)帶給冷卻水泵較大的凈壓頭，考慮到冷卻水調(diào)試裝置的實(shí)際工況要求是大排量、小揚(yáng)程的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)各類(lèi)水泵的特性對(duì)比，確定選用大流量、低揚(yáng)程的渦流泵，其揚(yáng)程最低約為7 m。如此，冷卻水泵排出總揚(yáng)程等于江水液位凈壓頭與渦流泵的揚(yáng)程之和[4]，達(dá)到16～19 m，超過(guò)了海水槽的設(shè)計(jì)承壓，所以需要設(shè)置超壓保護(hù)措施。

3.4 冷卻水系統(tǒng)的超壓保護(hù)

超壓保護(hù)是冷卻水系統(tǒng)調(diào)試裝置設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的要素，一旦發(fā)生超壓，則會(huì)對(duì)在建大型郵輪的海水緩沖艙和海水箱造成損壞。為此，首先考慮在冷卻水系統(tǒng)調(diào)試裝置的水泵單元出口處安裝1臺(tái)調(diào)壓閥，以保證總管壓力始終保持在0.12 MPa。同時(shí)在水泵單元出口和穩(wěn)壓閥之間設(shè)置1臺(tái)泄壓閥，當(dāng)總管壓力達(dá)到12 m時(shí)，泄壓閥自動(dòng)開(kāi)啟，將多余的冷卻水泄放至塢內(nèi)集水井，以保證水泵單元的正常運(yùn)行[5]，避免水泵電機(jī)超負(fù)荷的情況發(fā)生，見(jiàn)圖4。

另外，在距塢底高度為5.5 m的郵輪冷卻水進(jìn)水閥具有壓力調(diào)節(jié)功能。該閥可以手動(dòng)控制將閥后的冷卻水壓力始終保持在0.02 MPa左右。如此，整個(gè)郵輪海水槽和海水箱的承壓將維持在7.5 m，符合郵輪正常航行時(shí)吃水高度8 m的工況，可保證冷卻水調(diào)試系統(tǒng)和郵輪設(shè)備及系統(tǒng)的安全性。

圖4 調(diào)壓閥和泄壓閥位置示意

4 結(jié)論

綜上所述，適用于郵輪的大型冷卻水系統(tǒng)調(diào)試裝置的設(shè)計(jì)首先應(yīng)按最大調(diào)試工況計(jì)算冷卻水量，不能單一選擇最大的設(shè)計(jì)工況，既浪費(fèi)又會(huì)給系統(tǒng)增加危險(xiǎn)。其次，冷卻水泵應(yīng)按照大小搭配的原則選取，以便適用于各種不同工況的水量要求。再者，確定冷卻水泵的揚(yáng)程時(shí)，必須深入分析潮汐的影響，確保低潮位可以吸上水，高潮位時(shí)揚(yáng)程不會(huì)超過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力。如果不可避免發(fā)生水泵揚(yáng)程超壓，則必須配置系統(tǒng)超壓保護(hù)措施。最后，管路設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行阻力計(jì)算，確保在建船舶每個(gè)進(jìn)水口的阻力近似，以避免發(fā)生搶水現(xiàn)象。目前，大型冷卻水系統(tǒng)調(diào)試裝置的設(shè)計(jì)中自動(dòng)化程度不高，需要操作人員實(shí)時(shí)進(jìn)行管控。以后，可以在該設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加必要的監(jiān)控儀表和控制單元，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，提高效率和系統(tǒng)安全性。