耙吸挖泥船中央冷卻系統(tǒng)配置研究與分析

饒廣龍 王 波

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

引 言

耙吸挖泥船是一種具有自航能力，配有艙內(nèi)泥泵、水下泥泵、耙頭和耙管， 設(shè)置泥艙及泥門等特殊用途的工程船舶。耙吸挖泥船通常設(shè)有2套尾部推進(jìn)系統(tǒng)。根據(jù)泥泵驅(qū)動(dòng)模式的不同，耙吸挖泥船可分為“一拖三”模式和“一拖二”模式，即推進(jìn)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳、泥泵、軸帶發(fā)電機(jī)3個(gè)設(shè)備和推進(jìn)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳、軸帶發(fā)電機(jī)2個(gè)設(shè)備［1］。這兩種驅(qū)動(dòng)模式各具特點(diǎn)，其對(duì)比參見(jiàn)下頁(yè)表1。

表1 “一拖二”與“一拖三”模式對(duì)比

“一拖三”模式中，由于推進(jìn)柴油機(jī)除驅(qū)動(dòng)螺旋槳和軸帶發(fā)電機(jī)外，還通過(guò)泥泵減速齒輪箱直接驅(qū)動(dòng)泥泵，故傳動(dòng)效率高；同時(shí)，由于不需要配置泥泵電機(jī)，具備裝船設(shè)備較少、成本較低的優(yōu)點(diǎn)。但泥泵艙的布置須與機(jī)艙相鄰，均布置在船尾，靈活性較低［2-3］。

“一拖二”模式中，推進(jìn)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳和大功率軸帶發(fā)電機(jī)，而泥泵由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這種配置由于存在能源的二次轉(zhuǎn)換，因而效率有所降低，但由于泥泵不再由柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，故泥泵艙的布置不受機(jī)艙位置的約束，可根據(jù)實(shí)際需要布置在艉部，也可布置在艏部，以利于全船總體布置及重心分配；同時(shí)，由于泥泵由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速可以平滑、均勻及在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；因此，可以適應(yīng)不同挖泥和排岸工況的要求，大大提高疏浚效率，而且電機(jī)本身的機(jī)械特性可以滿足泥泵的劇烈負(fù)荷變化和沖擊，甚至能忍受短時(shí)堵轉(zhuǎn)［4-5］。不過(guò)，由于增加了泥泵電機(jī)及泥泵變頻器、變壓器等，故其成本較高。

采用“一拖二”模式或“一拖三”模式的耙吸挖泥船，在實(shí)際運(yùn)用中均有許多成功案例。但二者由于驅(qū)動(dòng)模式和布置方式的不同，全船的中央冷卻系統(tǒng)的配置存在較大的差異，本文即對(duì)幾種不同模式的中央冷卻水系統(tǒng)的配置進(jìn)行對(duì)比和分析。

1 “一拖三”模式冷卻水配置

以某10000 m3耙吸挖泥船為例，該型船總長(zhǎng)約131.7 m、型寬25.4 m、型深9.8 m，泥艙最大艙容約10200 m3；泥艙設(shè)置選用雙列泥門的型式；主甲板配置雙耙管；動(dòng)力系統(tǒng)配置為2臺(tái)6120 kW主推進(jìn)柴油機(jī)；采用“一拖三”模式，其機(jī)艙與泥泵艙為相鄰布置，均位于艉部；上建生活樓布置在艏部。全船布置情況見(jiàn)圖1，全船需冷卻的設(shè)備分布情況見(jiàn)下頁(yè)表2。

圖1 某10000 m3耙吸挖泥船布置圖

由表2可見(jiàn)，由于本型船采用了“一拖三”模式，全船需淡水冷卻的設(shè)備中，除了中央空調(diào)、高壓沖水泵及其變頻器、電機(jī)等布置在艏部之外，其余設(shè)備均布置在艉部。艏部所需冷卻水量較少，僅為119 m3/h，而艉部所需冷卻水量為661 m3/h，艏部需求量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于艉部需求量。在這種分布情況下，本船選擇設(shè)置單獨(dú)艉部冷卻系統(tǒng)，將中央冷卻器布置于艉部。對(duì)于艏部需冷卻的設(shè)備，可從艉部接出一路冷卻水管。雖然從艉部向艏部接出冷卻水進(jìn)/回水管路將會(huì)增加全船管路長(zhǎng)度與全船固有質(zhì)量，但由于艏部需冷卻的設(shè)備數(shù)量少，所需冷卻水量也較少，因此布置管路尺寸相對(duì)較小，僅需設(shè)置DN125的管路。若在艏部額外增加一套冷卻系統(tǒng)，將增加2臺(tái)淡水冷卻泵及2臺(tái)中央冷卻器。兩者相較而言，前者在功能使用上切實(shí)可行，在成本控制上也更為有利。

表2 某10000 m3耙吸挖泥船需冷卻的設(shè)備典型分布

2 “一拖二”模式冷卻水配置

隨著變頻系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的耙吸挖泥船選擇采用“一拖二”的模式。由于在“一拖二”模式中，柴油機(jī)不再直接驅(qū)動(dòng)泥泵，從而使泥泵的布置具有較高靈活性。對(duì)這種類型的耙吸挖泥船，泥泵艙的布置有2種典型情況：

（1）泥泵艙與機(jī)艙相鄰布置于艉部，將高壓沖水泵布置于艏部。

（2）機(jī)艙布置于艉部，泥泵艙布置于艏部，將高壓沖水泵布置在艏部。

上述第1種布置方式，因泥泵布置在艉部，遠(yuǎn)離上建生活樓，泥泵運(yùn)行所產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)上建生活樓的影響將大為減少；但由于機(jī)艙與泥泵艙皆布置在艉部，將使船舶出現(xiàn)較明顯的艉傾姿態(tài)，需要在艏部壓載大量壓載水調(diào)平船舶姿態(tài)。

第2種布置方式，則有利于全船重心的合理分布及減少船舶尾傾姿態(tài)；但在挖泥作業(yè)時(shí)，泥泵所產(chǎn)生的振動(dòng)將對(duì)上建生活樓產(chǎn)生較大干擾，嚴(yán)重影響居住區(qū)域的舒適性。

這兩種針對(duì)“一拖二”驅(qū)動(dòng)模式的布置方案各有利弊，在實(shí)船中也都有成功運(yùn)用的案例。以采用第1種布置方式的4500 m3耙吸挖泥船為例，該型船總長(zhǎng)約103.0 m、型寬21.8 m、型深7.2 m，泥艙最大艙容約為4500 m3；泥艙設(shè)置選用單列泥門的型式；主甲板配置單耙管；動(dòng)力系統(tǒng)配置2臺(tái)3000 kW主推進(jìn)柴油機(jī)；采用“一拖二”模式，機(jī)艙與泥泵艙相鄰布置，皆位于艉部；上建生活樓布置于艏部。全船布置情況見(jiàn)下頁(yè)圖2，全船需冷卻的設(shè)備分布情況見(jiàn)下頁(yè)表3。

圖2 某4500 m3耙吸挖泥船布置圖

由表3可見(jiàn)，由于本型船采用了“一拖二”模式，相對(duì)于“一拖三”模式的耙吸挖泥船，全船需淡水冷卻的設(shè)備增加了泥泵電機(jī)、泥泵變頻器等。由于泥泵艙、泥泵電機(jī)和泥泵變頻器均布置在艉部，需淡水冷卻的設(shè)備分布情況與“一拖二”船型基本一致，因此該船也選擇設(shè)置1套單獨(dú)艉部淡水冷卻系統(tǒng)的模式。

以采用第2種布置方式的13800 m3耙吸挖泥船為例，該型船總長(zhǎng)約145.0 m、型寬29.2 m、型深11.0 m，泥艙最大艙容約13800 m3；泥艙設(shè)置選用雙列泥門的型式；主甲板配置雙耙管；動(dòng)力系統(tǒng)配置為2臺(tái)9120 kW主推進(jìn)柴油機(jī)；采用“一拖二”模式，其機(jī)艙布置在艉部，泥泵艙布置在艏部，上建生活樓布置在艏部。全船布置情況見(jiàn)圖3，全船需冷卻的設(shè)備分布情況見(jiàn)下頁(yè)表4。

表34 500 m3耙吸挖泥船需冷卻的設(shè)備典型分布

由表4可見(jiàn)，本船泥泵和高壓沖水泵皆布置在艏部，相應(yīng)的泥泵電機(jī)、變頻器及變壓器和高壓沖水泵電機(jī)、變頻器及變壓器也布置于艏部，因此該船的艏部和艉部類似，布置大量需淡水冷卻的設(shè)備。艉部所需冷卻水量為820 m3/h，艏部所需冷卻水量約為354 m3/h。在這種情況下，如果采用單獨(dú)艉部淡水冷卻系統(tǒng)，根據(jù)流速計(jì)算，需選用DN250的管子向艏部輸送冷卻水，管路長(zhǎng)度將近300 m，將增加全船固有質(zhì)量約20 t，同時(shí)也將使整個(gè)冷卻系統(tǒng)體量過(guò)于龐大，不利于各設(shè)備之間的水量分配。

針對(duì)這種情況，該船選擇“單獨(dú)艏部冷卻系統(tǒng)+單獨(dú)艉部冷卻系統(tǒng)”的模式。該設(shè)計(jì)雖增加了艏部的淡水冷卻泵、中央冷卻器和海水冷卻泵，卻可令艏部冷卻系統(tǒng)與艉部冷卻系統(tǒng)互相獨(dú)立，互不影響，利于冷卻水量的整體分配。同時(shí)，針對(duì)船舶停泊工況，僅需開(kāi)啟艏部的冷卻系統(tǒng)，并通過(guò)1根小尺寸的艏艉連接管，即可將冷卻水輸送至停泊時(shí)艉部需要冷卻的設(shè)備中。該設(shè)計(jì)較好地減輕了全船固有質(zhì)量，使船舶的裝載能力有所提升，提高船舶的經(jīng)濟(jì)性。

3 耙吸挖泥船冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

耙吸挖泥船因其“邊航行邊挖泥”的獨(dú)特作業(yè)模式，在挖泥作業(yè)時(shí)，海底泥沙被位于艉部的耙吸管吸起，使艉部的海水較渾濁。因此在耙吸挖泥船的總體布置中，必然會(huì)在艏部設(shè)置海底門，并在艏部船腫處布置海水沉淀艙。海水沉淀艙內(nèi)設(shè)置蛇形流道，以便于提升沉淀效果。海水經(jīng)由艏部海底門進(jìn)入海水沉淀艙后，泥沙充分沉淀，使進(jìn)入海水冷卻泵的海水較為干凈，可減少泵組零件的磨損。耙吸挖泥船機(jī)艙通常布置于艉部，因此這種布置特點(diǎn)將導(dǎo)致必須設(shè)置1根從艏部至艉部的海水總管。

對(duì)于設(shè)置雙列泥門（W型泥艙）的耙吸挖泥船（圖4），其三角空艙位于船腫且空間較大，海水總管可采用重力式，把海水冷卻泵和中央冷卻器布置在艉部，可方便船員統(tǒng)一管理。

圖313 800 m3耙吸挖泥船布置圖

表4138 000 m3耙吸挖泥船需冷卻的設(shè)備典型分布

圖4 雙列泥門型式（W型泥艙）典型橫剖面圖

對(duì)于單列泥門（V型泥艙）的耙吸挖泥船（下頁(yè)圖5），其三角空艙布置在泥艙兩側(cè)，在這種情況下，若從船腫的海水沉淀艙采用重力式，因海水總管與船上泥管會(huì)出現(xiàn)干涉的情況，此時(shí)可考慮把海水冷卻泵布置在艏部，中央冷卻器布置在艉部。海水冷卻泵從艏部吸水，泵出口引至艉部，這樣海水管從重力式改為動(dòng)力式，管路尺寸將有所減小，且海水管走向不再受到高度方向的制約，既可布置在三角艙內(nèi)，也可靈活自如布置于舷邊空艙內(nèi)。

圖5 單列泥門型式（V型泥艙）典型橫剖面圖

由上文可知，對(duì)于不同泥泵驅(qū)動(dòng)模式、不同總體布局的耙吸挖泥船而言，其所適應(yīng)的冷卻系統(tǒng)配置不盡相同。因此，在進(jìn)行實(shí)船冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)各個(gè)影響因素進(jìn)行綜合考慮，統(tǒng)籌把握。

圖6為從多型耙吸挖泥船冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)得出具有一定適用性的設(shè)計(jì)思路。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須從泥門型式、泥泵布局入手，結(jié)合船型的特殊性以及設(shè)備的布置情況及冷卻水需求量，才能設(shè)計(jì)出兼?zhèn)浣?jīng)濟(jì)性和可操作性的冷卻系統(tǒng)。

圖6 耙吸挖泥船冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié) 語(yǔ)

耙吸挖泥船根據(jù)不同的泥泵驅(qū)動(dòng)模式，可分為“一拖二”和“一拖三”兩種類型，各具特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)。不同船型具有不同的泥泵布置位置，也將對(duì)冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生不同影響。

本文對(duì)比分析了采用“一拖三”+艉泵艙模式的10000 m3耗式挖泥船，以及采用“一拖二”+艉泵艙模式的4500 m3耗式挖泥船和采用“一拖二”+艏泵艙模式的13800 m3耙吸挖泥船的冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，歸納總結(jié)出影響耙吸挖泥船冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的3種因素，即泥門類型、泥泵驅(qū)動(dòng)模式和泥泵布置位置。不同的泥門類型與布置會(huì)影響海水總管走向；泥泵驅(qū)動(dòng)模式與泥泵布置位置會(huì)影響需冷卻水的設(shè)備分布情況。根據(jù)這一特點(diǎn)，針對(duì)性提供一種中央冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，對(duì)今后該類型船舶冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有較好的參考意義。