萬新斌（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

某船多機艙輔助設(shè)備中央冷卻系統(tǒng)設(shè)計

萬新斌
（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

針對某船多機艙設(shè)備的設(shè)置情況，對輔助設(shè)備中央冷卻系統(tǒng)的形式、水系統(tǒng)的設(shè)計、中央冷卻器的設(shè)計、壓力、流量調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計、系統(tǒng)的冗余設(shè)計進行分析和研究，形成針對該船的輔助設(shè)備中央冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案，并對系統(tǒng)的控制策略進行了介紹。

多機艙；輔助設(shè)備；中央冷卻系統(tǒng)

引　言

冷卻水系統(tǒng)作為船舶動力系統(tǒng)的一個重要組成部分，其作用是為船舶設(shè)備運行提供足夠的冷卻水，以保證船舶在運營過程中各設(shè)備處于正常的可控溫度范圍內(nèi)［1］。如果船舶動力輔助設(shè)備和電站柴油機的低溫冷卻水均采用海水進行冷卻，容易產(chǎn)生管路腐蝕嚴重、維修工作量大、維護費用高等問題。

船舶中央冷卻系統(tǒng)，是采用淡水作為柴油機的低溫冷卻水，同時對船舶的輔助設(shè)備進行淡水冷卻，用海水對淡水進行集中冷卻的形式。因其具有以下優(yōu)點：維修簡單、費用低、可靠性高、運行安全，尤其是海水管路短、腐蝕少、有利于機艙布置和實現(xiàn)自動控制等，所以日益為軍民艦船廣泛采用。

1　多機艙輔助設(shè)備中央冷卻系統(tǒng)簡介

某型船設(shè)有前主機艙、后主機艙和后輔機艙共三個機艙，并設(shè)有前后主電站，分別位于前主機艙和后輔機艙內(nèi)。由于正常運行過程中的主機轉(zhuǎn)速變化范圍較大（進一轉(zhuǎn)速與進五轉(zhuǎn)速相差約300 r / min），同時按主機制造廠要求，主機采用單獨的低溫冷卻水系統(tǒng)。需要系統(tǒng)提供冷卻的輔助設(shè)備為：主發(fā)電機組、停泊發(fā)電機組、主空壓機、高壓空壓機、大氣冷凝器、單位式空調(diào)、貨油泵軸承及齒輪和貨油泵隔艙傳動裝置等。為了減少對設(shè)備的腐蝕，因此采用中央冷卻系統(tǒng)對上述輔助設(shè)備進行冷卻。

該船在前后主電站各設(shè)3臺主發(fā)電機組，在最大任務(wù)工況下，前后主電站均需2臺主發(fā)電機組投入工作，再加上其余輔助設(shè)備，中冷系統(tǒng)負荷較大。因此，在該船前主機艙和輔機艙各設(shè)置1套中央冷卻系統(tǒng)。在最大任務(wù)工況下前后兩套輔助設(shè)備中央冷卻系統(tǒng)均需運行；在1臺主電站運行的情況下，通過1套中央冷卻系統(tǒng)即可實現(xiàn)對本站主發(fā)電機組和全船其他輔助設(shè)備的冷卻，前后兩套中冷系統(tǒng)可以互為備用。

圖1　標(biāo)準(zhǔn)式中央冷卻系統(tǒng)原理

2　基本型式的選擇和水系統(tǒng)的設(shè)計

該船輔助設(shè)備中央冷卻系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)式中央冷卻系統(tǒng)，其基本原理如圖1所示，低溫淡水在中央冷卻器中與海水進行熱交換，高溫淡水在缸套水冷卻器中由低溫淡水冷卻，系統(tǒng)中僅有中央冷卻器使用海水冷卻［2］，提高了防腐蝕性能。

中央冷卻系統(tǒng)的水系統(tǒng)包括低溫淡水系統(tǒng)和海水系統(tǒng)，均可分為定水量系統(tǒng)和變水量系統(tǒng)［3］。由于定量系統(tǒng)的冷卻水循環(huán)總量不變，能耗較大，因此該船水系統(tǒng)均采用變水量系統(tǒng)，其中低溫淡水系統(tǒng)采用變水量和定水量相結(jié)合的水系統(tǒng)。

圖2　變流量淡水系統(tǒng)原理

該船低溫淡水系統(tǒng)的基本原理如圖2所示。當(dāng)發(fā)電機組運行的數(shù)量變化時，機帶泵隨之進行啟停，系統(tǒng)的低溫淡水總量也隨之變化。由于除發(fā)電機組以外的中冷系統(tǒng)冷卻設(shè)備多達33個，且均需系統(tǒng)設(shè)置的電動泵進行冷卻，如采用變水量系統(tǒng)，水泵配置復(fù)雜且系統(tǒng)控制較為繁瑣，因此該船除發(fā)電機組以外的輔助設(shè)備采用定量淡水系統(tǒng)。前后兩套中央冷卻系統(tǒng)均設(shè)置兩臺輔助設(shè)備低溫淡水泵，其中一臺水泵運行即可對前、后主機艙、后輔機艙及泵艙的所有輔助設(shè)備實現(xiàn)淡水冷卻。

海水只在中央冷卻器與淡水進行熱交換，用戶較為單一，可以通過中冷器淡水出口溫度來調(diào)節(jié)海水泵的流量?？紤]到降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，同時提高系統(tǒng)的可靠性，每套中央冷卻系統(tǒng)設(shè)置2臺雙速中央冷卻海水泵，一用一備。在負荷較低的工況下采用一臺海水泵的低速工況即可，在高負荷工況下，采用一臺泵的高速工況；在停泊工況時可用海水泵的低速工況進行冷卻，不需另外設(shè)置停泊用中央冷卻海水泵，降低了系統(tǒng)的裝船成本。

3　中央冷卻器的選型設(shè)計

經(jīng)估算，該船機組和設(shè)備在額定工況時需要的總換熱量為6 000 kW，由于換熱量較大，若采用一個換熱器，其外形尺寸和重量均較大，因此每套系統(tǒng)設(shè)置兩個換熱器，每個換熱器的額定換熱量為3 600 kW（總換熱量的60%）。

中央冷卻器可采用管殼式冷卻器和板式冷卻器兩種。經(jīng)初步測算，管殼式冷卻器和板式冷卻器的技術(shù)參數(shù)見表1。

由表1可知，在同樣的換熱量下，由于板式換熱器具有較大的換熱系數(shù)，其換熱面積、外形尺寸和質(zhì)量均較小。另外板式冷卻器如采用鈦合金板，其防腐蝕性能優(yōu)于管殼式冷卻器（冷卻盤管為銅管或B10）；因此，從性能、外形尺寸和重量等方面考慮，該船采用板式冷卻器作為輔助設(shè)備中央冷卻器。

土木工程建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計合理與否，關(guān)乎到建筑施工是否可以得到順利開展與建筑本身是否可以得到有效應(yīng)用。但是在具體施工過程中，由于設(shè)計方案中一些具體標(biāo)識不夠規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，使施工的相關(guān)人員產(chǎn)生誤解，影響到設(shè)計方案的正確運用，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計價值不能充分發(fā)揮其價值，這需要設(shè)計人員對后續(xù)設(shè)計工作的開展加強重視，與施工方保持良好的聯(lián)系，保證設(shè)計方案能夠得到有效的實施。

表1　兩種冷卻器的技術(shù)參數(shù)

4　壓力、流量調(diào)節(jié)裝置的選型設(shè)計

該船在運行過程中，為滿足各種作業(yè)任務(wù)的用電需要，發(fā)電機組的數(shù)量需隨之進行相應(yīng)調(diào)整。淡水系統(tǒng)中的流量和壓力將發(fā)生變化，為防止淡水管路發(fā)生回流、冷卻水不流動或搶水等，需要保持冷卻水回水管路中的壓力和各設(shè)備進口處的流量基本穩(wěn)定。

針對以上問題，以往的做法是在設(shè)備進、出口管路上設(shè)置節(jié)流孔板，由人工調(diào)節(jié)。節(jié)流孔板一般在系統(tǒng)最大運行工況下進行調(diào)試并設(shè)定，由于該船中冷系統(tǒng)設(shè)備多、工況多變，設(shè)備相互之間影響較大，如在管路上設(shè)置節(jié)流孔板，則數(shù)量較多，易產(chǎn)生操作麻煩、調(diào)節(jié)困難等問題。

基于以上原因，該船采用自力式調(diào)節(jié)閥。這種閥門根據(jù)前后壓力的變化，即可自動對閥門開度進行調(diào)節(jié)，不需提供另外的動力源，大大簡化控制裝置的要求，操作簡單方便［4］。由于發(fā)電機組低溫淡水流量較大，為保持回水總管內(nèi)壓力相對穩(wěn)定，該船在發(fā)電機組的出口管路上設(shè)置了自力式壓差調(diào)節(jié)閥，用于自動保持回水總管內(nèi)淡水壓力的恒定。對于各輔助設(shè)備，為保證負荷變化時自動保持設(shè)備冷卻水量恒定，防止搶水現(xiàn)象發(fā)生，在各冷卻水進口支管上設(shè)置了自力式流量調(diào)節(jié)閥。

5　系統(tǒng)的冗余設(shè)計

在部分工況下，前、后兩套輔助設(shè)備中央冷卻系統(tǒng)中運行一套即可滿足該船輔助設(shè)備的冷卻需要。每套中冷系統(tǒng)設(shè)有兩臺中央冷卻器，在低工況下運行一臺中央冷卻器，在高工況下運行兩臺中央冷卻器，前后兩套系統(tǒng)可以互為備用且控制相互獨立，從而提高整個系統(tǒng)的可靠性。

為了提高系統(tǒng)的控制精度，在每臺中央冷卻器的淡水出口管路（非混合后的出口總管）上各設(shè)置一臺調(diào)溫閥，以保證各設(shè)備進口低溫淡水溫度的基本穩(wěn)定；為了提高控制系統(tǒng)的可靠性，防止誤報警和誤動作，在中央冷卻器的淡水出口總管上設(shè)置兩個溫度傳感器，以實現(xiàn)對海水泵的控制；在每臺淡、海水泵的出口管上各設(shè)置兩個壓力傳感器，監(jiān)控水泵的運行情況。

控制系統(tǒng)的部分硬件如PLC控制器、C PU、IM153模塊、連接器等采用主動冗余切換的設(shè)計方法；軟件具有一定的容錯運行能力和故障報警自動切換備用的功能。

這些措施均提高了系統(tǒng)的可靠性，可以保證中冷系統(tǒng)始終處于連續(xù)穩(wěn)定的運行狀態(tài)。

通過以上分析，形成該船輔助設(shè)備中央冷卻系統(tǒng)的初步方案（如圖3所示）。

圖3　輔助設(shè)備中央冷卻系統(tǒng)方案圖

6　系統(tǒng)控制策略

系統(tǒng)通過對淡水泵、海水泵的出口壓力和泵的運行狀態(tài)，以及中央冷卻器淡、海水進出口溫度、發(fā)電機組出口淡水溫度及機組運行狀態(tài)、三通閥開度等參數(shù)的監(jiān)測和對淡、海水泵的遙控，實現(xiàn)前、后兩套中央冷卻系統(tǒng)的自動控制。系統(tǒng)主要設(shè)備的控制策略如下：

6.1 海水泵的控制

6.1.1 運行控制

人工啟動發(fā)電機組運行所在艙的一臺海水泵，然后轉(zhuǎn)為自動狀態(tài)，根據(jù)三通閥總管出口低溫淡水溫度T對系統(tǒng)進行控制：

T＜10℃，低溫報警；

T＜25℃，海水泵停止使用；

25℃≤T＜34℃，保持一臺海水泵處于低速運轉(zhuǎn)狀態(tài)；

T≥34℃，保持一臺海水泵處于高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)；

T＞36℃，高溫報警。

6.1.2 選擇控制

海水泵工作狀態(tài)為一用一備。每次裝置優(yōu)先啟動兩臺水泵中運行時間較短的一臺，當(dāng)該臺水泵發(fā)生故障時，另一臺水泵將自動切換使用，并發(fā)出水泵故障報警，待正常建壓后再關(guān)閉故障水泵。

當(dāng)一臺海水泵發(fā)生故障、備用泵也同時發(fā)生故障時，系統(tǒng)由人工轉(zhuǎn)為另一艙控制，并轉(zhuǎn)為手動控制模式。

6.2 三通閥的控制

三通閥的開度根據(jù)其對應(yīng)的低溫淡水出口溫度T進行調(diào)節(jié)：

T＜25℃時，三通閥冷卻口保持0%開度，淡水不經(jīng)過中冷器直接進入下次循環(huán)；

25℃≤T≤34℃時，三通閥開度根據(jù)T值進行PID控制調(diào)節(jié)，控制目標(biāo)為33±1℃；

T＞34℃時，三通閥冷卻口保持100%開度，淡水全部經(jīng)過中冷器后再進入下一次循環(huán)。

7　結(jié)　論

中央冷卻系統(tǒng)因具有較好的防止海水腐蝕能力，日益為軍民艦船廣泛采用。本文針對某船多機艙設(shè)備的配置情況，對中央冷卻系統(tǒng)基本型式的選擇和水系統(tǒng)的設(shè)計、中央冷卻器的選型設(shè)計、壓力、流量調(diào)節(jié)裝置的選型設(shè)計、系統(tǒng)的冗余設(shè)計進行分析和研究，形成針對該船的中央冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案，并對系統(tǒng)的控制策略進行介紹，為其他艦船同類系統(tǒng)的設(shè)計提供了一定的參考和借鑒。

該系統(tǒng)中淡水側(cè)除發(fā)電機組以外輔助設(shè)備的低溫淡水能否采用變流量系統(tǒng)，還需結(jié)合后續(xù)使用情況進一步研究和探討。

［1］ 杜磊.基于陸上機艙的中央冷卻水系統(tǒng)設(shè)計研究［D］.大連海事大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

［2］ 陳偉智.某船中央冷卻系統(tǒng)控制策略研究［D］.上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013：9-10.

［3］ 周振宇.船舶中央冷卻系統(tǒng)淡水側(cè)水系統(tǒng)設(shè)計分析［J］.機電設(shè)備，2013（2）：42-45.

［4］ 田志定.自力式調(diào)節(jié)閥在艦船中央冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.船舶與海洋工程，2013（2）：44-46.

Central cooling system design of auxiliary equipment for multi engine room ship

WAN Xin-bin
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Based on the equipment instalation for a multi engine room ship, this paper analyzes and studies the system mode, and the design of the water system, the central cooler, the pressure， the flux adjustment and the system redundancy for the auxiliary equipment central cooling system. It then proposes the design scheme and introduces the control strategy for the system.

multi engine room; auxiliary equipment; central cooling system

U664.81+4

A

1001-9855（2016）04-0063-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2016.04.063

2016-03-03；

2016-04-15

萬新斌（1981-），男，碩士，高級工程師，研究方向：艦船輪機研究與設(shè)計。