張富明，戴 清

（1. 708研究所，上海 200011；2. 上海斯迪安船舶設(shè)計公司，上海 200030）

0 引 言

4400t起重鋪管船[1]，采用電力推進，入德國勞氏船級社（GL）船級，滿足二級動力定位要求（簡稱DP2），垂直起重能力4400t，回轉(zhuǎn)起重能力3000t。機艙中配置有7臺4350kW主發(fā)電機（No.1～No.7MDG）和1臺1200kW港口發(fā)電機（HDG）；在船的前后左右布置有8臺推進器，2臺1935kW導(dǎo)管式艏側(cè)推T1、T2，2臺5500kW全回轉(zhuǎn)主推進器T7、T8和4臺2200kW全回轉(zhuǎn)可伸縮式定位推進器T3～T6，見圖1。該船的冷卻系統(tǒng)分為高溫水、低溫水和海水冷卻等3個系統(tǒng)，高溫水冷卻系統(tǒng)主要為主發(fā)電機組及港口發(fā)電機的缸頭缸套冷卻服務(wù)；低溫水冷卻系統(tǒng)主要用于發(fā)電機組、推進器、空壓機、中央空調(diào)、單元空調(diào)、冷凍裝置、鋪管設(shè)備和定位絞車的冷卻；海水冷卻系統(tǒng)主要用于冷卻流經(jīng)板式冷卻器的溫度較高低溫水。本文主要論述低溫水冷卻系統(tǒng)。圖2為低溫水冷卻系統(tǒng)簡圖、表1為至各設(shè)備冷卻的低溫水流量。

圖1 推進器布置

1 冷卻水系統(tǒng)特點

該船的冷卻系統(tǒng)有如下特點：

1)推進設(shè)備多、功率大，需冷卻設(shè)備也多，冷卻水的需要量大。既要保證在航行和部分負(fù)載工況下的冷卻水用水量，又要保證動力定位[2]（DP）-鋪管時最大負(fù)載工況下冷卻水用水量。

2)推進設(shè)備和需冷卻設(shè)備分散，且布置位置高低落差很大，既要保證位置高和離冷卻水泵遠(yuǎn)的設(shè)備的用水量，也要保證位置低和離冷卻水泵近的冷卻設(shè)備的用水量；既要滿足最大負(fù)載工況下各用水設(shè)備的壓力要求，又能保證部分負(fù)載時各設(shè)備的冷卻水進水壓力不超過設(shè)備的承壓能力。

3)在鋪管和起重作業(yè)時，必須保持船的位置，因此推進系統(tǒng)必須滿足DP2的冗余要求。對該船來說，至少要保證4臺主發(fā)電機組和足夠數(shù)量的推進器正常運轉(zhuǎn)，從而保證船舶的定位和鋪管設(shè)備正常工作，并在完成后安全退出。

圖2 低溫冷卻水系統(tǒng)

表1 低溫淡水水量/散熱量分配 m3·h-1/ kW

2 滿足冗余要求冷卻水系統(tǒng)設(shè)計

2.1 冗余要求

對于民用船舶，追求的是經(jīng)濟、可靠和較長的使用壽命，因此，全船往往設(shè)計成一個中央冷卻水系統(tǒng)。

對于該船來說，因有冗余要求，因此對冷卻水系統(tǒng)除按常規(guī)流量、壓力、溫度等要求考慮外，還必須按規(guī)范中對DP2系統(tǒng)的冗余要求來設(shè)計。

該船冷卻系統(tǒng)承擔(dān)了7臺主發(fā)電機組，8臺推進器等重要設(shè)備的冷卻，按動力定位的能力分析，在設(shè)備和系統(tǒng)發(fā)生單個故障時，至少要保證有4臺主發(fā)電機組和6臺（除主推進器以外的不相鄰的2臺推進器）或7臺推進設(shè)備能正常工作，從而使船舶能保持位置，將正在進行的鋪管工作繼續(xù)一段時間，直至安全退出。所以，冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足在發(fā)生單個故障時，仍能保證：1）有4臺主發(fā)電機組正常工作；2）有6或7臺推進設(shè)備能正常工作；3）保證發(fā)電機、推進器的控制設(shè)備有一個正常的工作環(huán)境，以免過熱造成故障，進而使發(fā)電機組和推進器發(fā)生過障，如控制室的單位空調(diào)器等；4）保證生活環(huán)境設(shè)備，錨泊設(shè)備，鋪管設(shè)備的冷卻。

2.2 分組設(shè)計

首先，對主發(fā)電機組系統(tǒng)，在正常運行時，能保證設(shè)定的備用發(fā)電機處于待機狀態(tài)，它的高溫水系統(tǒng)的電磁閥在備機時自動打開，相關(guān)的缸套水加熱器就會自動預(yù)熱備用發(fā)電機組，以便隨時起動。

為滿足在設(shè)計海況條件下，設(shè)備和系統(tǒng)發(fā)生單個故障時，冷卻水系統(tǒng)仍能保證有4臺主發(fā)電機組和6或7臺推進設(shè)備能正常工作的要求，將低溫水冷卻系統(tǒng)設(shè)計成3組。

一是將主發(fā)電機組分為3組：No.1～2主發(fā)電機組為一組，No.3～4主發(fā)電機組為一組，No.5～7主發(fā)電機組為一組；二是全船需冷卻的設(shè)備也分為3組。No.1低溫冷卻水系統(tǒng)專為No.3～4主發(fā)電機組和機艙左/前部的冷卻設(shè)備服務(wù)，包括T1、T2、T3、T4推進器；No.2低溫冷卻水系統(tǒng)專為No.5～7主發(fā)電機組和機艙右/后部的冷卻設(shè)備服務(wù)，包括T5、T6、T7、T8推進器；No.3冷卻系統(tǒng)專為No.1～2主發(fā)電機組及有關(guān)設(shè)備服務(wù)。分組如圖2所示。

分組使電力供應(yīng)設(shè)備有了冗余，在任意一組冷卻水系統(tǒng)發(fā)生故障時，另兩組冷卻水系統(tǒng)還能保證4～5臺主發(fā)電機組正常工作，也就能保證了6～7臺推進器能得到充分電力和冷卻水，而正常工作。

對推進設(shè)備，它的冷卻水分別由 No.1、2冷卻水系統(tǒng)供給，第一組供給 T1～T4推進器，第二組供給T5～T8推進器，任一組冷卻水系統(tǒng)故障，留下的一組不能保證有6～7臺推進器正常工作，所以按冗余要求，設(shè)置了應(yīng)急冷卻水系統(tǒng)，當(dāng)?shù)谝换虻诙靼l(fā)電機組的某機冷卻水進口軟管發(fā)生斷裂漏水時，相應(yīng)的低溫水膨脹箱就會連續(xù)發(fā)出低位-低低位報警，就可即刻起用應(yīng)急冷卻水系統(tǒng)并切斷漏水的那組冷卻水系統(tǒng)供水，為其供水的推進器供應(yīng)冷卻水，回水則進入另一臺板式冷卻器冷卻。

2.3 對設(shè)備或零部件設(shè)置冗余功能

設(shè)計過程中，對系統(tǒng)本身和它內(nèi)部的活動或有故障風(fēng)險設(shè)備或零部件，進行了故障模式分析（FMEA），在此基礎(chǔ)上設(shè)置冗余功能。對No.1、2低溫水系統(tǒng)：1）當(dāng)1號或3號低溫水冷卻泵發(fā)生故障時，2號低溫冷卻水泵自動投入工作，備用1號或3號低溫水冷卻泵；2）在冷卻器能力的設(shè)計上，每臺都有百分之百冷卻能力并設(shè)置高差壓報警，在一臺冷卻器堵塞時，可提前清洗，另一臺冷卻器能擔(dān)負(fù)2個系統(tǒng)的工作；3）在 No.1、2低溫冷卻水系統(tǒng)中的主發(fā)電機組彈性軟管斷裂，發(fā)生大量滲漏的應(yīng)急情況下，此時低溫水膨脹箱液位會很快下降，由低位報警很快變?yōu)榈偷臀粓缶?，可用遙控的方法關(guān)閉漏水系統(tǒng)管路，并使2號低溫冷卻水泵和應(yīng)急冷卻管路即刻投入工作，保證有4臺以上主發(fā)電機和6～7臺推進器正常工作；4）在No.1、2低溫冷卻水系統(tǒng)中，任意一個低溫水溫度調(diào)節(jié)閥故障時，另一個低溫水溫度調(diào)節(jié)閥，均可承擔(dān) 2個系統(tǒng)的冷卻或溫度調(diào)節(jié)；5）低溫水膨脹箱設(shè)低液位和低低液位報警，先關(guān)閉或隔離大量漏泄管段，再采取堵漏措施； 6）每一個推進設(shè)備都有2套冷卻管路，一套管路用于正常冷卻水供應(yīng)，一套管路用于應(yīng)急供應(yīng)冷卻水；7）各推進器堵塞或漏水時，設(shè)備的進口壓力傳感器會發(fā)出低壓報警，停止該推進器，切斷該推進器供水；8）鑒于船尾主推進器等設(shè)備的冷卻水由機艙第 2組冷卻水系統(tǒng)供應(yīng)，中間的管弄長，故障難以發(fā)現(xiàn)，且維修困難，所以在管弄設(shè)置了2套冷卻水管路，2進2回，當(dāng)管弄出口處冷卻水增壓泵前低溫水出現(xiàn)低壓報警時，可關(guān)閉原運行管路，改走應(yīng)急管路，對艉部T6、T7和T8推進器等主要設(shè)備進行冷卻；9）考慮至艉部推進器的冷卻水管路比較長，壓力損失較大，為防止冷卻水壓力過低，設(shè)置了 2臺冷卻水增壓泵，一臺出現(xiàn)故障，另一臺自動投入工作；10）噴油嘴冷卻器的故障會引起油系統(tǒng)故障報警，但只影響一臺發(fā)電機組，不設(shè)置冗余。

上述措施，從冷卻設(shè)備，推進設(shè)備和管路系統(tǒng)的設(shè)計上，采取了冗余設(shè)計，因而保證了每個推進設(shè)備都能在單個故障時，正常工作和冗余。

3 平衡閥和旁通閥

3.1 保證設(shè)備用水量和安全水壓

從圖2和表1看，No.1、2低溫冷卻水系統(tǒng)龐大，需冷卻的設(shè)備多，熱交換量和冷卻水量較大，因此，系統(tǒng)的設(shè)計還必須保證各個不同位置用水設(shè)備，在各種工況下的用水量和進水壓力。在設(shè)計冷卻水系統(tǒng)時采取了下列措施：1）選用足夠水量的低溫水冷卻泵和海水冷卻泵，保證需冷卻的設(shè)備用水量總和，并考慮管路阻力引起的水流不均衡，適當(dāng)留有余量，2）設(shè)置足夠高度的膨脹水箱，保證位置最高的用水設(shè)備的進水壓力和用水量，3）配置平衡閥確保主要用水設(shè)備在各種工況下用水量的穩(wěn)定，4）設(shè)置旁通閥和節(jié)流閥用以調(diào)節(jié)系統(tǒng)冷卻水的流量和壓力。表1為各組冷卻水系統(tǒng)在DP2工況下的最大用水量，小于相應(yīng)系統(tǒng)中單臺低溫冷卻水泵的排量。

3.2 平衡閥和旁通閥的設(shè)置

從表1看，在正常DP2設(shè)計工況，6臺柴油發(fā)電機組8臺推進器運行時，No.3低溫水冷卻水系統(tǒng)的每臺低溫水冷卻泵排量為400m3/h，需要的冷卻水量358m3/h，多余42m3/h；No.1低溫冷卻水系統(tǒng)的低溫水冷卻泵排量為1250m3/h，需要的冷卻水量約為950m3/h，多余300m3/h；No.2低溫冷卻水系統(tǒng)的低溫水冷卻泵排量為1250m3/h，需要的冷卻水量約為1015m3/h，多余235m3/h；7臺主發(fā)電機組、港口發(fā)電機、主空壓機、8臺推進器，艏艉錨絞機，全船空調(diào)、單位空調(diào)、冷凍壓縮機的總管和支管的流量都設(shè)置了自動流量平衡閥。在No.1、2的1號和3號低溫水冷卻泵的出口總管上各設(shè)置有一個自力式差壓平衡閥和一個截止閥組成的旁通閥組。保證每個設(shè)備的冷卻水量需求。

自力式差壓平衡閥的作用是在正常DP工況下，6臺柴油發(fā)電機組8臺推進器運行時，旁通系統(tǒng)中多余的水流量；與它并聯(lián)截止閥的作用是在航行工況或平靜海況下，只需4～5臺發(fā)電機組和4～5臺推進器工作時，系統(tǒng)多余水量大大增加時，旁通更多的水量。

4 結(jié) 語

通過上述措施，使冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計達(dá)到了流量平衡和壓力控制的目的。

1)碼頭試車時，1臺低溫淡水泵工作，7臺主發(fā)電機組的冷卻淡水進口壓力如表2所示。

表2 柴油發(fā)電機組低溫冷卻淡水進口壓力

2)試航時，2臺低溫水冷卻泵運轉(zhuǎn)，出口水壓力 4.6kg/cm2，每臺主發(fā)電機的高溫水冷卻器前的低溫水壓力為4.2～4.3kg/cm2，主發(fā)電柴油機冷卻水進口壓力、主發(fā)電機組發(fā)電機冷卻水進口壓力和主空壓機冷卻水進口壓力均為4.1～4.2kg/cm2，控制了各設(shè)備的進水壓力，滿足了各設(shè)備的冷卻水需要量。

[1]中船708研究所. 大型起重/鋪管船及工程船舶的開發(fā)[M]. 2010.

[2]姜延春. DP動力定位系統(tǒng)設(shè)計[J]. 廣船科技，2001, (2)∶ 24.