大型鋪管船冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)1

黃文威，曲慶亮，于富強(qiáng)

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

某大型深水起重鋪管船配備5 000 t全回轉(zhuǎn)起重機(jī)，J-Lay、S-Lay 等2 型鋪管系統(tǒng)，8 點(diǎn)錨泊定位系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)單船淺水、深水、超深水鋪管作業(yè)。鋪設(shè)管徑范圍覆蓋6～60英寸（1英寸=0.025 4 m），鋪管最大水深為3 000 m。此外，鋪管船還配備3級(jí)動(dòng)力定位（Dynamic Positioning 3，DP3）系統(tǒng)和直升機(jī)起降平臺(tái)。

鋪管船的強(qiáng)大功能來自其配備的眾多設(shè)備，出于優(yōu)化設(shè)備體積和提高冷卻效率的考量，這些設(shè)備大多采用水冷。這些設(shè)備數(shù)量眾多，類型復(fù)雜，冷卻參數(shù)各不相同，為確保設(shè)備的正常運(yùn)行，需要對(duì)鋪管船冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)[1]。

基于某大型鋪管船，從設(shè)備類型、動(dòng)力定位、設(shè)備功能及布置位置等4 方面對(duì)冷卻水用戶進(jìn)行分析，并探討冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 分類分析

本文研究的大型深水起重鋪管船搭載了大量的作業(yè)設(shè)備，從艏部到艉部具有水冷需求的設(shè)備數(shù)量超過250 件，下面分別從設(shè)備類型、動(dòng)力定位、設(shè)備功能及布置位置等4 方面對(duì)冷卻水用戶進(jìn)行分類。

1.1 設(shè)備類型分類

根據(jù)設(shè)備類型的不同，鋪管船冷卻水用戶可分為船舶設(shè)備和作業(yè)設(shè)備。

1）船舶設(shè)備：保障船舶正常運(yùn)行和人員正常生活的設(shè)備，如主發(fā)電機(jī)及其輔助設(shè)備、推進(jìn)器及其輔助設(shè)備、空壓機(jī)和空調(diào)冷藏設(shè)備等。

2）作業(yè)設(shè)備：體現(xiàn)船舶功能和施工能力的設(shè)備，如錨泊定位絞車、A & R 絞車系統(tǒng)、S-Lay 鋪管設(shè)備和J-Lay 鋪管設(shè)備等。

設(shè)備類型分類情況及參數(shù)信息見表1。

表1 設(shè)備類型分類情況及參數(shù)信息

1.2 動(dòng)力定位分類

根據(jù)是否為DP 系統(tǒng)服務(wù)，鋪管船冷卻水用戶可分為DP 相關(guān)設(shè)備和非DP 相關(guān)設(shè)備。

1）DP 相關(guān)設(shè)備：鋪管船滿足DP 要求，部分船舶設(shè)備需要根據(jù)DP 要求進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，如主發(fā)電機(jī)及其輔助設(shè)備、推進(jìn)器及其輔助設(shè)備等。

2）非DP 相關(guān)設(shè)備：主要包括作業(yè)設(shè)備和部分不需要滿足DP 要求的船舶設(shè)備。

動(dòng)力定位分類情況及參數(shù)信息見表2。

表2 動(dòng)力定位分類情況及參數(shù)信息

1.3 設(shè)備功能分類

根據(jù)設(shè)備功能的不同，鋪管船冷卻水用戶可分為主發(fā)電機(jī)及其輔助設(shè)備、空調(diào)冷藏設(shè)備等12 個(gè)類別，具體見表3。

表3 設(shè)備功能分類情況及參數(shù)信息

1.4 布置位置分類

該船總長約200 m，若將布置在艏部和艉部的設(shè)備均設(shè)計(jì)在一個(gè)冷卻水系統(tǒng)中，系統(tǒng)的管路過長，將導(dǎo)致管道內(nèi)的阻力損失過大[2]。此外，為滿足系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)冷卻水用戶對(duì)冷卻水量和壓力的需求，系統(tǒng)的冷卻水泵需要很大的排量和壓頭。因此，包含所有設(shè)備的冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案不僅會(huì)增加建造成本，還不利于系統(tǒng)的后期維護(hù)和保養(yǎng)。

在進(jìn)行冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要參考冷卻水用戶的布置位置，采用就近原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)布置位置的不同，鋪管船冷卻水用戶可分為艏部設(shè)備和艉部設(shè)備，見表4。

表4 布置位置分類情況及參數(shù)信息

綜合考慮以上對(duì)鋪管船冷卻水用戶的分類情況，從系統(tǒng)建造成本、操作靈活性和維護(hù)便利性等角度出發(fā)，盡量精簡冷卻系統(tǒng)的數(shù)量，最終確定該鋪管船的冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案為4 個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，見表5。

表5 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2 主發(fā)電機(jī)組冷卻水系統(tǒng)

該船共有6 臺(tái)主發(fā)電機(jī)組，3 臺(tái)布置在左舷機(jī)艙，3 臺(tái)布置在右舷機(jī)艙。每臺(tái)主發(fā)電機(jī)組配置單獨(dú)的中央冷卻水系統(tǒng)，設(shè)備內(nèi)部采用淡水冷卻，高溫淡水通過外部海水進(jìn)行冷卻[3]。6 臺(tái)主發(fā)電機(jī)組的冷卻水系統(tǒng)相互獨(dú)立，任何1 臺(tái)主發(fā)電機(jī)組的冷卻水系統(tǒng)故障不會(huì)影響其他5 臺(tái)的正常運(yùn)行。因此，各冷卻水系統(tǒng)的冷卻水泵（淡水冷卻泵和海水冷卻泵）均不需要配置備用泵。

主發(fā)電機(jī)組冷卻水系統(tǒng)主要包括如下設(shè)備：柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、滑油冷卻器、主機(jī)回油冷卻器、發(fā)電機(jī)淡水冷卻循環(huán)泵、滑油冷卻器淡水循環(huán)泵、中央冷卻器和主發(fā)電機(jī)組海水冷卻泵等。各設(shè)備均為DP相關(guān)設(shè)備，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要滿足DP3的冗余要求。

除發(fā)電機(jī)需要配置單獨(dú)的淡水泵進(jìn)行冷卻外，其他設(shè)備均通過柴油機(jī)機(jī)帶淡水泵進(jìn)行冷卻。因此，每個(gè)主發(fā)電機(jī)組的設(shè)備可為柴油機(jī)設(shè)備組和發(fā)電機(jī)設(shè)備組。1 號(hào)主發(fā)電機(jī)組冷卻水系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 1 號(hào)主發(fā)電機(jī)組冷卻水系統(tǒng)示意圖

3 推進(jìn)器冷卻水系統(tǒng)

該船配置有10 套推進(jìn)器。其中：1 號(hào)和2 號(hào)為全回轉(zhuǎn)主推進(jìn)器，布置在艉部；3 號(hào)、4 號(hào)和7 號(hào)為伸縮式推進(jìn)器，布置在艉部；5 號(hào)、6 號(hào)和8 號(hào)為伸縮式推進(jìn)器，布置在艏部；9 號(hào)和10 號(hào)為管隧式側(cè)向推進(jìn)器，布置在艏部。每套推進(jìn)器配置單獨(dú)的冷卻水系統(tǒng)，10 套推進(jìn)器的冷卻水系統(tǒng)相互獨(dú)立。每套推進(jìn)器冷卻水系統(tǒng)配置2 臺(tái)海水冷卻泵、1 臺(tái)板式冷卻器和2 臺(tái)淡水冷卻泵。其中，海水泵冷卻和淡水冷卻泵均為1 用1 備。

推進(jìn)器冷卻水系統(tǒng)主要包括如下設(shè)備：推進(jìn)器機(jī)械本體冷卻單元、推進(jìn)器電機(jī)、推進(jìn)器變壓器、推進(jìn)器變頻器及推進(jìn)器室單元空調(diào)等。

推進(jìn)器均為DP 相關(guān)設(shè)備，布置范圍廣，可覆蓋艏部至艉部的大部分區(qū)域。各推進(jìn)器采用獨(dú)立的冷卻水系統(tǒng)不僅能很好地滿足DP3 的冗余要求[4]，還方便操作。

全回轉(zhuǎn)主推進(jìn)器冷卻水系統(tǒng)示意圖見圖2。

圖2 全回轉(zhuǎn)主推進(jìn)器冷卻水系統(tǒng)示意圖

4 艏部輔助設(shè)備冷卻水系統(tǒng)

艏部輔助設(shè)備冷卻水系統(tǒng)主要包括變壓器、柜式空調(diào)等DP 設(shè)備，空壓機(jī)、冷水機(jī)組、冷藏裝置等船舶輔助設(shè)備，艏部錨泊定位絞車、J-Lay 絞車等作業(yè)設(shè)備。

考慮到DP、安全返港、冗余、隔離等要求，可將艏部輔助設(shè)備冷卻水系統(tǒng)分為艏部左舷輔助設(shè)備冷卻水系統(tǒng)和艏部右舷輔助設(shè)備冷卻水系統(tǒng)等2個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)。每個(gè)子系統(tǒng)配置3 臺(tái)海水冷卻泵、2臺(tái)中央冷卻器和3 臺(tái)淡水冷卻泵。其中，海水冷卻泵和淡水冷卻泵均為2 用1 備，中央冷卻器1 用1 備。

艏部左舷輔助設(shè)備冷卻水系統(tǒng)示意圖見圖3。

圖3 艏部左舷輔助設(shè)備冷卻水系統(tǒng)示意圖

5 艉部輔助設(shè)備冷卻水系統(tǒng)

艉部輔助設(shè)備冷卻水系統(tǒng)主要包括如下設(shè)備：艉部錨泊定位絞車、工作空壓機(jī)、導(dǎo)管架系統(tǒng)液壓動(dòng)力站、S-Lay 系統(tǒng)液壓動(dòng)力站、作業(yè)設(shè)備變壓器、柜式空調(diào)、作業(yè)設(shè)備變頻器、絞車剎車電阻及A & R絞車等。

根據(jù)作業(yè)設(shè)備使用工況，艉部輔助設(shè)備冷卻水系統(tǒng)配置4 臺(tái)海水冷卻泵、3 臺(tái)中央冷卻器和4 臺(tái)淡水冷卻泵。其中，海水冷卻泵和淡水冷卻泵在最大使用工況時(shí)3 用1 備，中央冷卻器2 用1 備。

艉部輔助設(shè)備冷卻水系統(tǒng)的設(shè)備均為作業(yè)設(shè)備，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到不同的使用工況。選取同一時(shí)間需要開啟的設(shè)備水量最大、散熱量最大的工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，可有效減小冷卻水泵排量、冷卻器的換熱量和船舶能耗。由分析可知：在最大作業(yè)工況時(shí)，艉部輔助設(shè)備冷卻水系統(tǒng)需要開啟3 臺(tái)海水泵、2臺(tái)冷卻器和3 臺(tái)淡水泵；而在其他作業(yè)工況下，開啟2 臺(tái)海水泵、2 臺(tái)冷卻器和2 臺(tái)淡水泵即可滿足要求；在航行工況下，僅需要開啟1 臺(tái)海水泵、1臺(tái)冷卻器和1 臺(tái)淡水泵。

艉部輔助設(shè)備冷卻水系統(tǒng)示意圖見圖4。

圖4 艉部輔助設(shè)備冷卻水系統(tǒng)

6 輔助設(shè)備冷卻水系統(tǒng)其他設(shè)計(jì)方案

對(duì)于輔助設(shè)備冷卻水系統(tǒng)，也可根據(jù)設(shè)備功能分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行冷卻，將DP 設(shè)備和非DP 設(shè)備分開。輔助設(shè)備中的DP 設(shè)備（如電站變壓器和配電間柜式空調(diào)等）均為主發(fā)電機(jī)組服務(wù)，可稱為主發(fā)電機(jī)組輔助設(shè)備，主空壓機(jī)和控制空壓機(jī)等設(shè)備也可歸入主發(fā)電機(jī)組輔助設(shè)備冷卻水系統(tǒng)中。為滿足DP和安全返港的相關(guān)要求，可將主發(fā)電機(jī)組輔助設(shè)備冷卻水系統(tǒng)分為左舷輔助設(shè)備冷卻水系統(tǒng)和右舷輔助設(shè)備冷卻水系統(tǒng)等2 個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)。對(duì)于非DP設(shè)備，則需要按功能進(jìn)行分類冷卻。

輔助設(shè)備冷卻系統(tǒng)其他設(shè)計(jì)方案見表6。這種按設(shè)備功能進(jìn)行分類冷卻的方案在大型海工項(xiàng)目的冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用。與集中冷卻相比，該設(shè)計(jì)方案可有效縮減冷卻系統(tǒng)中的設(shè)備數(shù)量，簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、提高冷卻效率，也方便后期的水量調(diào)試和使用維護(hù)[5]。然而，該設(shè)計(jì)方案會(huì)顯著增加冷卻系統(tǒng)的數(shù)量，這會(huì)極大增加冷卻系統(tǒng)的建造成本和操作維護(hù)成本。

7 結(jié)論

為提高復(fù)雜冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理性，本文基于某大型鋪管船，從設(shè)備選型、動(dòng)力定位、設(shè)備功能及布置位置等4 方面對(duì)冷卻水用戶進(jìn)行了分類分析，并探討了冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，希望能對(duì)后續(xù)類似項(xiàng)目的冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)有所啟發(fā)。