臨時(shí)冷卻水供給系統(tǒng)的應(yīng)用

程紹堅(jiān),顧洪彬,牛慎,王濤濤

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

船舶完成建造和維修后都需要對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)和聯(lián)合調(diào)試,檢查其運(yùn)行狀況是否滿足設(shè)計(jì)要求,調(diào)試期間必須確保滿足調(diào)試耗量和壓力要求的冷卻水可以持續(xù)提供至船舶冷卻水系統(tǒng)。目前,船塢只具備通過消防水系統(tǒng)向船舶提供少量淡水的能力,主要用于船舶空調(diào)和冷藏設(shè)備的運(yùn)行,該淡水供給量遠(yuǎn)不能滿足船舶大型設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試的要求[1]。所以,船舶完成建造或維修后都需要在碼頭或海上完成所有設(shè)備和系統(tǒng)的調(diào)試。為實(shí)現(xiàn)船舶設(shè)備或系統(tǒng)調(diào)試工序前移的目的,通過對(duì)船舶冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行原理和船塢的實(shí)際構(gòu)造進(jìn)行深入分析,設(shè)計(jì)一套適用于船塢向新建或維修船舶提供滿足調(diào)試耗量和壓力要求的臨時(shí)冷卻水供給系統(tǒng)的應(yīng)用方案。

1 船塢臨時(shí)冷卻水供給系統(tǒng)概述

船舶冷卻水系統(tǒng)的作用是利用海水或淡水冷卻船舶設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生過多熱量。目前,大多數(shù)船舶采用中央冷卻水系統(tǒng),包括淡水冷卻系統(tǒng)和舷外水冷卻系統(tǒng)兩部分。應(yīng)用結(jié)果表明,可以將部分原先必須在碼頭或航行試驗(yàn)完成的船舶設(shè)備或系統(tǒng)調(diào)試工作前移到船塢階段完成,提高了調(diào)試工作效率、縮短了航行試驗(yàn)時(shí)間、降低了建造成本。淡水冷卻系統(tǒng)屬于閉式循環(huán)系統(tǒng),船舶設(shè)備和系統(tǒng)使用淡水冷卻,升溫的冷卻淡水通過中央冷卻器與低溫端的舷外水進(jìn)行熱交換,實(shí)現(xiàn)降溫后循環(huán)使用[2]。舷外水冷卻系統(tǒng)屬于開式系統(tǒng),由海底門、海水總管、冷卻泵、中央冷卻器和排舷外管等組成,冷卻泵從海水總管抽取舷外水輸送至中央冷卻器,冷卻高溫端的升溫淡水后排出舷外。

臨時(shí)冷卻水供給系統(tǒng)的作用就是當(dāng)船舶在船塢期間,可以源源不斷地通過船舶海底門向海水總管提供滿足調(diào)試耗量和壓力要求的自然界水源作為舷外冷卻水,省卻了使用陸用淡水的高額費(fèi)用。此外,還設(shè)有適當(dāng)保護(hù)措施避免供給壓力過高,造成臨時(shí)冷卻水供給設(shè)備、船舶外殼和海水總管的損壞。該系統(tǒng)主要由臨時(shí)冷卻水供給單元、管路和海底門格柵臨時(shí)封堵組成。

2 船塢臨時(shí)冷卻水供給系統(tǒng)的問題及分析

2.1 問題描述與分析

船塢臨時(shí)冷卻水供給系統(tǒng)提供的舷外冷卻水來自于自然界水源(海水或江水),并通過船舶海底門注入海水總管。經(jīng)深入分析,在此過程中會(huì)面臨以下的問題。

1)泥沙對(duì)系統(tǒng)造成的影響。由于我國(guó)自然界水源中的泥沙含量普遍較高,特別是長(zhǎng)江中下游的入?？谖恢谩Ｒ延邢喈?dāng)數(shù)量的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)證明,在輸送混合多種粒徑泥沙的水流時(shí),泥沙顆粒的存在會(huì)與過流壁面發(fā)生摩擦碰撞,造成其磨損破壞,嚴(yán)重影響水泵運(yùn)行的穩(wěn)定性與使用壽命[3]。通常情況下,含沙量愈大,影響愈明顯。此外,船舶的中央冷卻器較多使用板式冷卻器,由于板式冷卻器波紋板的接觸點(diǎn)較多,當(dāng)液體水質(zhì)含有懸浮的固體顆粒、雜物和水草等時(shí),因板與板之間的間隙很窄,要盡可能地保證所有2 mm以上顆粒在進(jìn)入冷卻器之前,都要過濾掉,一旦進(jìn)入板式冷卻器,就容易發(fā)生雜物堵塞[4],增加冷卻器的污垢阻塞系數(shù),降低冷卻器的工作效率,影響船舶設(shè)備和系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2)臨時(shí)冷卻水與船舶海水總管的連接及海底門格柵的封堵問題。船舶兩舷的海底門是冷卻水引入海水總管的主通道,舷外水通過海底門進(jìn)入海水總管,再由船舶冷卻泵輸送至中央冷卻器,以帶走船舶設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)行所產(chǎn)生的過余熱量。所以,船舶海底門為格柵式,開敞于船舶航行水域。然而,當(dāng)船舶在船塢內(nèi)建造或維修期間,由于臨時(shí)冷卻水供給泵與海水總管沒有現(xiàn)成的接口,且船舶海底門格柵的開敞設(shè)計(jì),成為最大泄漏處,無法確保海水總管始終充滿臨時(shí)冷卻水。

3)船舶海水總管的超壓影響。船舶海水總管為舷外水吸入的主要管路,是冷卻系統(tǒng)中口徑最大的管路,連通兩舷的海底門。所以,船舶海水總管實(shí)際承受的壓力主要是船舶吃水深度對(duì)其產(chǎn)生的水壓,通常很低。但是,船塢臨時(shí)冷卻水系統(tǒng)是由水泵輸送舷外水至船舶海水總管,水泵所作的功會(huì)大幅提升舷外水的壓力,大概率會(huì)超過船舶海水總管的設(shè)計(jì)壓力,造成損壞。

4)臨時(shí)冷卻水泵及控制單元等設(shè)施布置對(duì)船塢運(yùn)作的影響。船塢是船舶建造和維修的重要場(chǎng)所,會(huì)有周期性的放排水和船舶進(jìn)出船塢作業(yè),此時(shí)的船塢內(nèi)部應(yīng)保證船舶進(jìn)出通道的暢通,包括水泵和過濾器等無關(guān)設(shè)備不可留置在船塢內(nèi)。而且,常規(guī)使用的冷卻水泵并非潛水泵,且由電機(jī)驅(qū)動(dòng),并配有相應(yīng)的電力供給和電氣控制設(shè)備。所以,臨時(shí)冷卻水泵及控制單元等設(shè)備的布置,既不能因浸水而造成電氣裝置損壞,也不能影響船舶進(jìn)出塢操作。

2.2 解決方案

針對(duì)臨時(shí)冷卻水供給系統(tǒng)運(yùn)行所遇到的泥沙堵塞、冷卻水連接、海水總管超壓和單元布置問題,可以采取以下措施予以解決。

1)泥沙對(duì)系統(tǒng)造成的影響。為了確保臨時(shí)冷卻水供給系統(tǒng)中水泵的正常運(yùn)行,避免堵塞海水粗濾器或輸送管路的問題,需要盡量避免泥沙隨著水源進(jìn)入臨時(shí)冷卻水供給系統(tǒng),或者設(shè)置有效措施排放出泥沙。目前,解決泥沙影響的主要流程是過濾、沉淀和泥沙沖洗排放。即首先使用海水粗濾器(濾網(wǎng)網(wǎng)孔直徑為3～5 mm),粗濾器的主要作用是濾除水源中的雜物、魚蝦、貝類、藻類等大尺寸懸浮物[5];經(jīng)過濾后的水源需要在沉淀池中約24 h再輸送至儲(chǔ)存艙,供日后使用;由于沉淀池和儲(chǔ)存艙長(zhǎng)時(shí)間使用后,底部也會(huì)產(chǎn)生泥沙積聚,所以需要定期沖洗及排放泥沙。對(duì)于船塢而言,由于空間限制,沒有足夠的區(qū)域可以用來設(shè)置沉淀池和儲(chǔ)存艙,唯有使用過濾和泥沙排放方式減少泥沙進(jìn)入系統(tǒng)。船塢塢門進(jìn)水口的高度較高,此處的泥沙情況相對(duì)較好。但是,由于塢門長(zhǎng)期未移動(dòng),進(jìn)水口附近還是會(huì)積聚泥沙和雜物。故在進(jìn)水初期,泥沙會(huì)通過塢門進(jìn)水閥進(jìn)入船塢,但隨著時(shí)間變化,泥沙量則會(huì)逐漸減少。此外,由于泥沙顆粒直徑偏小,海水粗濾器過濾的效果也不佳。所以,針對(duì)船塢的實(shí)際情況,最合適的處理泥沙過程是先進(jìn)行泥沙排放,即將引入的水源通過旁通管路直接排放至船塢內(nèi)的排水井再經(jīng)排水泵排出船塢遠(yuǎn)離進(jìn)水口處,同時(shí)觀察船塢排水井內(nèi)的進(jìn)水水質(zhì),待泥沙量大幅度減少后,再將水源切換至海水粗濾器進(jìn)行過濾使用。對(duì)于海水粗濾器的濾網(wǎng)網(wǎng)孔直徑可選擇較小的3 mm,防止小尺寸雜物進(jìn)入系統(tǒng)。上述先排放泥沙再進(jìn)行過濾的流程,可以較大程度減少泥沙進(jìn)入系統(tǒng),也可減少雜物通過海水粗濾器的幾率,延長(zhǎng)濾器的清理維護(hù)時(shí)間。

2)臨時(shí)冷卻水與海水總管的連接及海底門格柵的封堵問題。因?yàn)榇昂５组T格柵是海水總管與舷外的唯一連接處。為了不在船體開設(shè)多余的開口,海底門格柵是最好的臨時(shí)冷卻水接入點(diǎn),但必須將海底門格柵處進(jìn)行臨時(shí)封堵[6]。首先,應(yīng)根據(jù)船舶海底門格柵的尺寸確定封堵的本體和封板尺寸,通常比格柵外邊緣擴(kuò)大100 mm,本體長(zhǎng)度約為1 m。臨時(shí)封堵采用鋼制框架本體焊接而成,具有較好的承壓能力和密封能力,使用時(shí)焊接在船體海底門格柵周邊,使用完畢,進(jìn)行切割,可以反復(fù)使用。其次,應(yīng)根據(jù)冷卻水流量按2 m/s流速計(jì)算冷卻水接管的通徑。該接管可以接收舷外冷卻水進(jìn)入海水總管用于船舶在船塢階段進(jìn)行設(shè)備和系統(tǒng)的調(diào)試。最后,在封堵本體底部設(shè)置泥沙泄放口,以排出海底門格柵臨時(shí)封堵內(nèi)底積聚的泥沙,詳見圖1。

圖1 海底門格柵臨時(shí)封堵示意

3)船舶海水總管的超壓影響。臨時(shí)冷卻水供給系統(tǒng)在向塢內(nèi)船舶提供調(diào)試?yán)鋮s水期間,還必須確保塢內(nèi)船舶的安全,需有適當(dāng)保護(hù)措施防止船舶海水總管內(nèi)的水壓超過設(shè)計(jì)值,造成船舶管路或船體的損壞。首先,在冷卻水泵單元的出口處設(shè)置穩(wěn)壓閥,確保冷卻水總管的供給壓力。其次,還可以在海底門格柵臨時(shí)封堵頂部設(shè)置溢流管。根據(jù)確定的實(shí)際冷卻水接管截面積按1.25倍計(jì)算溢流管的截面積,并換算成通徑。如溢流管通徑過大時(shí),則可在確保截面積的前提下分為若干根溢流管。溢流管的出口高度應(yīng)根據(jù)船舶實(shí)際航行吃水深度計(jì)算,從船舶基線開始算起,出口處通常略低于實(shí)際航行吃水約0.5 m。溢流管的設(shè)置可以模擬船舶實(shí)際航行時(shí)的承壓情況,保護(hù)船舶外殼、海水總管內(nèi)的水壓不會(huì)發(fā)生超壓現(xiàn)象。再次,溢流管頂部還需要開設(shè)透氣管,透氣管可以排出臨時(shí)冷卻水供給總管和海底門格柵臨時(shí)封堵裝置內(nèi)的空氣,防止氣囊的產(chǎn)生,從而影響冷卻水的流入,詳見圖1。

4)臨時(shí)冷卻水泵及控制單元等設(shè)施布置對(duì)船塢運(yùn)作的影響。為了保證船塢內(nèi)通道暢通,避免船舶建造、維修和進(jìn)出塢期間與船塢內(nèi)設(shè)備發(fā)生碰撞;同時(shí),又要防止水泵及其電機(jī)、電氣控制設(shè)備浸水造成損壞?？梢詫⒗鋮s水泵、電機(jī)、海水濾器和電氣控制箱做成單元式設(shè)計(jì)。該單元應(yīng)盡可能將臨時(shí)冷卻水供給系統(tǒng)的設(shè)備、管路,包括安全防護(hù)等措施集成在一個(gè)公共底座上,單元上部可以設(shè)置一個(gè)防雨頂棚和適當(dāng)數(shù)量的吊耳,以便單元的起吊運(yùn)輸[7]。單元與外部接口應(yīng)盡量少,以便單元的拆卸作業(yè)。首先,根據(jù)船塢可容納的最大型船舶調(diào)試所需的冷卻水量和各設(shè)備或系統(tǒng)的冷卻水壓力要求確定冷卻水泵的排量和排出壓頭,考慮到不同工況時(shí)的冷卻水耗量也不盡相同,可以將冷卻水泵分為兩臺(tái),一大一小配置。各冷卻水泵可以單獨(dú)或并聯(lián)運(yùn)行,提升冷卻水輸送量的靈活性,滿足不同船型、不同設(shè)備和系統(tǒng)對(duì)于冷卻水量的要求。其次,應(yīng)根據(jù)船舶各設(shè)備調(diào)試或系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的壓力要求和冷卻水泵的總揚(yáng)程等參數(shù)確定穩(wěn)壓閥和泄壓閥的設(shè)計(jì)壓力。穩(wěn)壓閥和泄壓閥可以按需設(shè)定并調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)壓力。當(dāng)冷卻水出口管內(nèi)壓力因自然界水源水位凈壓或冷卻水泵做功后超過設(shè)計(jì)值時(shí),可通過穩(wěn)壓閥調(diào)節(jié)排出管內(nèi)的壓力始終處于設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。同時(shí),當(dāng)臨時(shí)冷卻水供給單元本身管路內(nèi)的壓力過高時(shí),則通過泄壓閥釋放多余冷卻水,從而降低單元管路內(nèi)的壓力。提高了臨時(shí)冷卻水供給單元、船舶設(shè)備和系統(tǒng)的安全性。再次,應(yīng)根據(jù)自然界水源最大水位產(chǎn)生的靜壓和最大冷卻水耗量,計(jì)算自流管通徑。當(dāng)自然界水源水位較高,具有足夠的靜壓時(shí),可以通過自流管路自行流入船舶相關(guān)設(shè)備或系統(tǒng),無需通過水泵再行做功,可以降低單元的能耗。最后,將所有部件和管路閥、附件集中設(shè)計(jì)安裝于鋼制公共底座之上,單元主只設(shè)冷卻水進(jìn)出接口、泥沙泄放口和超壓水出口,詳見圖2。

圖2 臨時(shí)冷卻水供給單元

3 臨時(shí)冷卻水供給系統(tǒng)的應(yīng)用方案

臨時(shí)冷卻水供給系統(tǒng)主要由臨時(shí)冷卻水供給單元、管路和海底門格柵臨時(shí)封堵組成。船塢內(nèi)船舶沒有設(shè)備和系統(tǒng)的調(diào)試工作時(shí),臨時(shí)冷卻水供給單元和海底門格柵臨時(shí)封堵無需安裝,可以存放于倉(cāng)庫內(nèi)。當(dāng)塢內(nèi)船舶需要使用臨時(shí)冷卻水時(shí),首先將臨時(shí)冷卻水供給單元吊入船塢內(nèi)指定位置,并與塢門進(jìn)水管通過軟管連接妥當(dāng);其次,將臨時(shí)封堵焊接至塢內(nèi)船舶海底門格柵進(jìn)水區(qū)域,并通過軟管完成塢內(nèi)冷卻水總管和封堵冷卻水接管的連接。臨時(shí)冷卻水供給系統(tǒng)運(yùn)行期間,由于初期的水源泥沙含量較大,不能使用。可以關(guān)閉單元各濾器的進(jìn)口閥,打開泥沙泄放閥,直接排放至船塢排水井,直至水質(zhì)變清后,關(guān)閉泥沙泄放閥,根據(jù)塢內(nèi)船舶對(duì)冷卻水量的需求和自然界水源的水位高度選擇打開相應(yīng)的冷卻水泵或自流管路中海水濾器的進(jìn)口閥。其次,啟動(dòng)冷卻水泵待其運(yùn)行穩(wěn)定后,緩慢調(diào)節(jié)穩(wěn)壓閥,確保單元排出總管壓力在設(shè)計(jì)值范圍。臨時(shí)冷卻水通過海底門格柵封堵進(jìn)入船舶海水總管初期,管路和格柵封堵內(nèi)的空氣可以通過透氣管排出。如果,臨時(shí)冷卻水泵單元運(yùn)行期間管路發(fā)生超壓,泄壓閥可以自動(dòng)開啟,以穩(wěn)定單元內(nèi)管路的壓力。當(dāng)泄壓閥和穩(wěn)壓閥均不能維持臨時(shí)冷卻水的供給壓力,造成總管壓力超壓時(shí),最后可通過海底門格柵臨時(shí)封堵的溢流管排出超壓的冷卻水。

4 結(jié)論

1)臨時(shí)冷卻水供給系統(tǒng)可以在船塢無水期間長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,保障船塢內(nèi)船舶進(jìn)行設(shè)備和系統(tǒng)調(diào)試的冷卻水需求。

2)冷卻水泵及其他系統(tǒng)設(shè)備的單元集成設(shè)計(jì),有利于拆裝和運(yùn)輸,可避免自身浸水損壞和碰撞船舶的風(fēng)險(xiǎn)。

3)海底門格柵臨時(shí)封堵可解決船舶海水總管在船塢期間無法存水的問題,還可以反復(fù)使用。

4)臨時(shí)冷卻水供給系統(tǒng)的保護(hù)措施可有效避免臨時(shí)冷卻水單元、船舶外板及海水總管損壞。

5)臨時(shí)冷卻水供給系統(tǒng)的使用可實(shí)現(xiàn)部分航行試驗(yàn)項(xiàng)目工序前移,縮短船舶航行試驗(yàn)的時(shí)間,提高船舶試驗(yàn)效率,降低船廠的試驗(yàn)成本。