灘涂作業(yè)船舶加裝冷卻水艙研究

龍可軍，楊 濤

（1.海裝駐廣州地區(qū)第三軍事代表室， 廣州510000，2.廣州船舶及海洋工程設計研究院，廣州510250）

1 前言

某些需要在淺灘水域或灘涂附近作業(yè)的船舶，如灘涂清障船、漁船、挖泥船等，因該水域的水深極淺，在船舶作業(yè)時，由于海水受船體、螺旋槳及作業(yè)機械等攪動，其所含淤泥、海草、海藻等雜物常常會進入船舶海水冷卻水系統(tǒng)，對海底門、濾器、冷卻器等造成嚴重堵塞，引起運行設備高溫報警或停機等現(xiàn)象，需要船員頻繁地對其清洗，造成船舶連續(xù)作業(yè)時間短、清淤工作量大。如果采用風冷式柴油機似乎可以解決上述問題，但其會引起機艙散熱通風困難或噪音大等而無法實際應用。為此，不少用戶希望另外增設冷卻水艙，以便船舶在正常航行時，應用柴油機標配的冷卻水系統(tǒng)冷卻，而灘涂作業(yè)時應用冷卻水艙冷卻，滿足各種工況需求。但不同船用柴油機品牌往往采用不同的冷卻型式，各種型式是否均適用加裝冷卻水艙需要研究。本文基于現(xiàn)有船用柴油發(fā)動機的常用典型冷卻水型式，分析其加裝冷卻水艙的適應性，提出與其匹配的加裝方案，并對比其優(yōu)缺點,確定優(yōu)選方案。

2 常用冷卻型式及加裝方案

目前船用柴油機多采用閉式水冷型式，基本上可以歸納為三種典型型式。下面分析各種型式的特點，并提出對應的加裝冷卻水艙方案。

2.1 冷卻型式A及其加裝方案

（1）冷卻水典型型式A

該型式的冷卻水系統(tǒng)由海水冷卻水系統(tǒng)和淡水循環(huán)冷卻水系統(tǒng)組成：發(fā)動機缸套、滑油冷卻器、排煙管及中冷卻器等，均由機內淡水系統(tǒng)冷卻；其淡水通過高溫淡水冷卻器由海水冷卻。其特點是：柴油機的冷卻器集中在高溫淡水冷卻系統(tǒng)中，其原理如圖1所示。

圖1 柴油機冷卻水典型型式A

（2）加裝方案

該模式的柴油機各熱交換器均由淡水冷卻，基于其特點提出以下兩種加裝冷卻水艙匹配方案：

① GA1方案

用冷卻水艙的水替代舷外海水，如圖2所示：柴油機冷卻水的熱量通過機帶高溫淡水冷卻器交換至加裝海水循環(huán)管路，然后將其傳送至冷卻水艙，冷卻水艙的水溫為此逐步升高，直至其達到允許的最高溫度；其優(yōu)點是：所增管路少，系統(tǒng)簡單，冷卻水艙可加注海水，使用成本較低；其缺點是：基于柴油機出廠設計基準，其海水冷卻水進機溫度通常為32 ℃左右，故冷卻水艙內的最高水溫不宜過高，否則容易引起柴油機淡水、滑油高溫報警，而多數(shù)區(qū)域的夏季環(huán)境溫度通常都會超過35 ℃，冷卻水艙內水溫度往往也會超過32 ℃，因此允許壓載艙內水溫升幅極其有限，且冷卻水艙向外散熱的速度緩慢，因此在溫暖環(huán)境下冷卻水艙的水溫在短時內將達到或超過極限值，船舶持續(xù)作業(yè)的時間無法保證，難以滿足船舶作業(yè)需求，故該方案不宜選用。

圖2 冷卻水艙的水替代舷外海水方案

② GA2方案

冷卻水艙并入淡水冷卻水系統(tǒng)，如圖3所示：柴油機內部冷卻水的總熱量，通過機帶高溫淡水冷卻水管路和加裝管路將其直接傳送至冷卻水艙，冷卻水艙的水溫為此逐步升高，直至達到其允許最高溫度；該方案的優(yōu)點是：基于高溫淡水冷卻系統(tǒng)的允許進機水溫高的特點（常?？蛇_70 ℃以上），允許冷卻水艙的上限溫度相應較高，其溫度提升幅度較大（往往可達30 ℃以上），因此即使在夏季高溫環(huán)境下運行，亦可保證柴油機長時間持續(xù)運行，滿足船舶作業(yè)需求，適用性較好；但缺點是：加裝管線較復雜，增加管路較多，要求冷卻水艙的水質要好，成本相對較高。

圖3 冷卻水艙并入高溫淡水冷卻水系統(tǒng)方案

基于其特點，提出如圖3所示的加裝方案：

① 灘涂作業(yè)前轉換操作：T型三通閥V1、V2、V3、V4轉90°；開啟截止閥V7、V8；關閉截止閥V9、V10；

② 灘涂作業(yè)時，冷卻水系統(tǒng)工作原理：淡水冷卻水艙內的水，分別經(jīng)過閥V7、管2-5、三通閥V2、冷卻高溫淡水冷卻器和中冷器，然后進入淡水冷卻水泵進口；經(jīng)該泵加壓后，進入滑油冷卻器/缸套，再經(jīng)三通閥V1和管2-2到達溫控閥V5。該溫控閥的出口開度基于高溫冷卻水溫度自動調整，以分配回流至柴油機和至冷卻水艙的水量。如果水溫較低，則該溫控閥的c口關小，同時b口開大，回流至柴油機的水量增大，而自來冷卻水艙的補充水量減??；反之，c口開大，b口關小，回流至柴油機的水量減小，而自來冷卻水艙的補充水量增大；

③ 對于采用機帶海水冷卻泵的柴油機型，灘涂作業(yè)模式時其機帶海水泵無海水流過，則可能因干運轉而損壞。為此，需另加裝一套水循環(huán)管路系統(tǒng)，如圖3所示：灘涂作業(yè)前，T型三通閥V3、V4旋轉90°，以切斷海水冷卻泵進口與海水總管連接，使海水冷卻泵的進、出口連通，并開啟閥V8；柴油機運行時，海水冷卻泵通過閥V8、管1-7、1-6、1-1從新增膨脹水箱吸水，水流經(jīng)運轉的泵后，再經(jīng)管1-2、1-5、1-6、1-1回到泵進口，如此循環(huán)反復。如管路出現(xiàn)泄漏，新增膨脹水箱內的水可自動補充；

④ 此外，在灘涂作業(yè)模式下，冷卻水艙通過閥V7、V5、V1、V2、管2-6與機帶膨脹水箱處于連通狀態(tài)，則冷卻艙的水可能會通過機帶膨脹水箱口溢出。為此，將機上至膨脹水箱的透氣管升高至冷卻水艙最高水位以上，如圖3所示。

2.2 冷卻型式B及其加裝方案

（1）冷卻水典型型式B

該型式的冷卻系統(tǒng)由海水冷卻水系統(tǒng)和淡水循環(huán)冷卻水系統(tǒng)組成：發(fā)動機缸套、滑油冷卻器、排煙管等由淡水冷卻；高溫淡水通過缸套水冷卻器由海水冷卻，中冷卻器亦由海水冷卻；該型式與型式A的不同之處，在于中冷器由海水冷卻。

其特點是：柴油機的冷卻器分布在高溫淡水冷卻系統(tǒng)和海水冷卻系統(tǒng)中，其工作原理如圖4所示。

圖4 柴油機冷卻水典型模式B

（2）加裝方案GB

與冷卻型式A相比，柴油機中冷器布置在海水冷卻系統(tǒng)中。為此，加裝冷卻水艙時除考慮冷卻水艙對其高溫淡水冷卻外，還需考慮對中冷器的冷卻。由于中冷器本由海水冷卻，船舶正常航行時其管路和熱交換器內充滿海水，如果灘涂作業(yè)時將其并入淡水冷卻系統(tǒng)，利用冷卻水艙進行冷卻，其海水勢必會混入冷卻水艙，造成冷卻水艙內水的鹽度增加，并通過加裝的淡水冷卻水管路進入到柴油機內部，引起柴油機部件腐蝕而損壞。為解決上述問題，宜另設一套獨立的中冷器冷卻水艙，如圖5所示。

圖5 設中冷器冷卻水艙和淡水冷卻水艙方案

① 灘涂作業(yè)前轉換操作：T型三通閥V1、V2、V3、V4轉90°；開啟截止閥V7、V8；關閉截止閥V9、V10；

② 灘涂作業(yè)時冷卻水系統(tǒng)工作原理：淡水冷卻水艙內的水，分別經(jīng)過閥V7、管2～5、三通閥V2至高溫淡水冷卻器；然后進入淡水冷卻水泵進口，經(jīng)該泵加壓后，進入滑油冷卻器/缸套，再經(jīng)三通閥V1和管2～2到達溫控閥V5，其原理與上述GA2相似；與此同時，中冷器冷卻水艙內的水，分別經(jīng)過閥V8、管1～6、三通閥V4、管1～1進入機帶海水冷卻水泵進口，流經(jīng)機帶海水冷卻水泵后，經(jīng)管1～2、中冷器、三通閥V3、管1～5后回流至中冷器冷卻水艙。如此反復循環(huán)，中冷器冷卻水艙水溫逐步升高，直至其達到允許的極限溫度。

2.3 冷卻型式C及其加裝方案

（1）冷卻水型式C

該型式的冷卻系統(tǒng)由高溫淡水冷卻系統(tǒng)、低溫淡水冷卻系統(tǒng)和海水冷卻系統(tǒng)組成：缸套、高溫中冷器等由高溫淡水冷卻：滑油冷卻器、低溫中冷器和高溫淡水冷卻器等由低溫淡水冷卻，低溫淡水通過海水冷卻器由海水冷卻。

其特點是：柴油機冷卻器分布在高溫和低溫兩套冷卻水系統(tǒng)中，而其需交換的總熱量將會集中到低溫淡水冷卻系統(tǒng)中，其工作原理如圖6所示。

圖6 柴油機冷卻水典型模式C

（2）加裝方案GC

該冷卻型式與上述A、B兩個型式相比，不同之處在于：設有一套低溫淡水冷卻系統(tǒng)；其海水冷卻泵通常為獨立動力泵；灘涂作業(yè)時，可考慮將海水泵停運，僅將淡水冷卻水艙并入其低溫冷卻水系統(tǒng)實現(xiàn)對柴油機進行冷卻，如圖7所示。

圖7 冷卻水艙并入低溫淡水冷卻水系統(tǒng)方案

① 灘涂作業(yè)前轉換操作：關停海水冷卻水泵；T型三通閥V1、V2轉90°；開啟截止閥V3；關閉截止閥V5；

② 灘涂作業(yè)時冷卻水系統(tǒng)工作原理：淡水冷卻水艙內的水，分別經(jīng)過閥V3、管1～1、三通閥V2、管1～2至低溫淡水冷卻泵進口，經(jīng)該泵加壓后，分別經(jīng)過低溫中冷器、滑油冷卻器、高溫淡水冷卻器、管1～3、T型三通閥V1、管1～4，回流至淡水冷卻水艙。如此反復循環(huán)，淡水冷卻水艙水溫逐步升高，直至其達到允許的極限溫度。

3 冷卻水艙容積確定

采用加裝冷卻水艙方案，應對其所需容積進行估算，以設置符合要求的冷卻水艙。冷卻水艙的容積，與柴油機灘涂作業(yè)的時間、柴油機使用工況、環(huán)境條件等因素有關，其簡化計算方法推薦如下：

（1）冷卻水艙容積V

式中：V — 冷卻水艙容積，m；

Q — 灘涂作業(yè)時柴油機冷卻水中需交換的總散熱量，kJ/h；

q — 冷卻水艙向外散出的總熱量，kJ/h；

t — 船舶灘涂作業(yè)時間，h；

C — 冷卻水比重，kg/m；

k — 容積系數(shù)，通常取1.15；

f — 水的比熱，kJ/kg·℃；

T1 — 冷卻水艙初始溫度，通常取32 ℃；

T2 — 允許冷卻水艙的最高水溫，建議冷卻水艙并入低溫冷卻系統(tǒng)方案取36 ℃～38℃，而并入高溫冷卻水系統(tǒng)方案取50 ℃～70 ℃。

（2）冷卻水艙向外散去熱量q

式中：q — 冷卻水艙向外散去的總熱量，kJ/h；

S — 冷卻水艙向外散熱的面積，m；

h — 冷卻水艙壁的導熱系數(shù)，kJ/ m·℃；

δ— 冷卻水艙壁厚，m；

△t — 冷卻水艙內水溫與周邊環(huán)境間的平均溫差，取

4 加裝方案的優(yōu)缺點對比

基于上述三種典型的柴油機冷卻型式的計算分析和特點，進行分析對比，如表1所列。

表1 三種典型的柴油機冷卻型式加裝方案對比

從表1比較可知：典型模式A的柴油機加裝方案GA2最佳，可運行時間長，適用性最好；典型模式B的加裝方案GB次之；典型模式C的加裝方案GC，可應用于短時灘涂作業(yè)的船舶。

5 結束語

航行于灘涂或超淺水域作業(yè)的船舶，可根據(jù)柴油機自身不同的冷卻水型式，加裝冷卻水艙和相應管路，配置相關轉換閥件，達到在灘涂或超淺水域長時間作業(yè)目的。以下幾種因素，可提高其灘涂作業(yè)的適用性：

（1）優(yōu)先選用所有熱交換器均由同一套冷卻系統(tǒng)冷卻的柴油機型，如典型模式A；

（2）優(yōu)先選用冷卻水進機溫度限值較高的柴油機型；

（3）優(yōu)先采用冷卻水艙并入柴油機高溫冷卻水系統(tǒng)的加裝方案；

（4）加裝冷卻水艙的方案，應能排除海水混入柴油機體內的可能性；

（5）采用合理的冷卻水艙壁結構，適當增設通風設施，提高其散熱效果。