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1 冷卻系統(tǒng)原理及故障現(xiàn)象

在海工平臺(tái)上，機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,對(duì)設(shè)備進(jìn)行恰當(dāng)?shù)睦鋮s降溫尤為重要。平臺(tái)和船舶上的冷卻水系統(tǒng)的功能就是隨設(shè)備熱負(fù)荷變化自動(dòng)或手動(dòng)控制相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)保證其熱交換器溫度穩(wěn)定。平臺(tái)長(zhǎng)期離岸作業(yè)，可用的冷卻水只有海水和淡水。淡水尤其珍貴，而海水卻取之不盡，成本很低。淡水經(jīng)過(guò)軟化處理并加添加劑后對(duì)設(shè)備腐蝕很小，所以一般用淡水直接冷卻主機(jī)缸套等相應(yīng)部件，然后用海水通過(guò)熱交換器來(lái)冷卻淡水后直接排海。這種設(shè)備內(nèi)部淡水閉式循環(huán)結(jié)合外部海水開(kāi)式冷卻的混合式冷卻是平臺(tái)上比較經(jīng)濟(jì)和常用的冷卻方式[1-3]。

內(nèi)部淡水閉式循環(huán)基本原理見(jiàn)圖1。

圖1 機(jī)內(nèi)淡水冷卻閉式循環(huán)

系統(tǒng)分為高溫淡水循環(huán)和低溫淡水循環(huán)兩部分。高溫循環(huán)由淡水循環(huán)泵#1，高溫淡水膨脹柜，高溫淡水熱交換器，溫控三通閥及其他附件組成，由循環(huán)泵帶動(dòng)淡水流動(dòng)對(duì)缸套、活塞和噴油器等進(jìn)行冷卻。膨脹柜應(yīng)安裝在相對(duì)高位，可以補(bǔ)充管內(nèi)淡水泄漏損失和吸收水發(fā)熱導(dǎo)致的體積增大, 同時(shí)也保持淡水泵吸入壓力為正。當(dāng)冷卻回水溫度過(guò)高，達(dá)到78 ℃觸發(fā)點(diǎn)，溫控三通閥變向?qū)⒌畬?dǎo)向熱交換器，經(jīng)外部海水冷卻后繼續(xù)循環(huán)，如果回水溫度不高于78 ℃則溫控三通閥直接將水倒回缸套，繼續(xù)用于缸套等的冷卻。對(duì)于這些高溫部位的冷卻不能使用低溫淡水，因?yàn)檫^(guò)大的溫差會(huì)引發(fā)過(guò)大的熱應(yīng)力而對(duì)設(shè)備造成傷害。

低溫淡水與高溫淡水冷卻的對(duì)象不一樣，溫控三通閥觸發(fā)點(diǎn)設(shè)置在38 ℃，此處溫控三通閥根據(jù)觸發(fā)水溫，靈活重復(fù)利用回流水，有節(jié)能作用[4]。高溫和低溫淡水熱交換器可以做在一個(gè)撬塊上，淡水管路分開(kāi)，外部進(jìn)來(lái)的海水可以做成共同的進(jìn)口和出口，集成在一個(gè)主機(jī)撬塊上。海水進(jìn)入與淡水管在板式熱交換器內(nèi)進(jìn)行熱交換后，升溫變熱排出，淡水降溫回流繼續(xù)冷卻設(shè)備。船上的熱交換器以板式居多[5]，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是連續(xù)上下波浪狀的換熱薄金屬板片[6]，多層安裝，外部用板夾住、然后螺栓固定。冷熱流體在2塊板片間曲折的矩式通道里對(duì)流[7],通過(guò)薄板充分換熱。這種薄板結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)交換能力極強(qiáng)，內(nèi)部緊湊，整體外形小，熱量損失小，拆裝和內(nèi)部維護(hù)也便利，特別適合船舶和海工平臺(tái)上狹窄空間使用[8-9]。

板式換熱器的參數(shù)與內(nèi)部淡水循環(huán)流量、外部海水流量、海水和淡水的比熱及比重有關(guān),各設(shè)備廠家先確定內(nèi)部散熱量和換熱量，工作最低和最高溫度,進(jìn)行各熱交換器節(jié)點(diǎn)計(jì)算，得出相應(yīng)的外部冷卻水溫升、流量等數(shù)據(jù)，從而最終確定熱交換器的參數(shù)和選型[10]。由若干熱交換器的流量，壓降，溫度的綜合性熱平衡計(jì)算得出總海水冷卻泵的需求流量、壓頭、功率。

外部開(kāi)式海水冷卻原理見(jiàn)圖2。

圖2 外部海水開(kāi)式循環(huán)

本船需要冷卻的設(shè)備為5臺(tái)主發(fā)電機(jī)組以及其他輔助機(jī)械，如圖2所示，采用并聯(lián)的海水冷卻系統(tǒng)，由海底門、粗濾器、吸排總管、冷卻循環(huán)泵、輸送介質(zhì)支管、關(guān)斷隔離閥門、止回閥，安全泄放閥等組成。海水冷卻泵采用一用一備的方案, 泵出口設(shè)置濾器和安全閥，濾器用來(lái)過(guò)濾雜質(zhì)，安全閥用來(lái)在管路系統(tǒng)壓力過(guò)高時(shí)釋放管路壓力。海水冷卻泵一般選擇離心泵，泵壓頭由淡水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力決定，外部海水冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力要比內(nèi)循環(huán)淡水冷卻系統(tǒng)低。這樣設(shè)計(jì)的好處是一旦冷卻器(熱交換器)破損了，可以允許淡水泄漏到海水系統(tǒng)里面去，但是不允許海水漏到淡水里面去，避免造成設(shè)備內(nèi)部損壞和污染。

按照?qǐng)D2配置方案，海底門、泵、管路及設(shè)備等安裝完成后，進(jìn)行主發(fā)電機(jī)組進(jìn)行并車聯(lián)合調(diào)試。當(dāng)2#，3#，4#,5# 4臺(tái)主發(fā)并車，發(fā)現(xiàn)在達(dá)到額定負(fù)荷時(shí)，出現(xiàn)了#2主機(jī)的冷卻水出口高溫報(bào)警, 溫度高于換熱器允許的最高溫度55 ℃，3#、4#、5#主機(jī)出口溫度正常。時(shí)值夏季，測(cè)得設(shè)備進(jìn)口水溫為30 ℃，未達(dá)到最大允許進(jìn)口水溫32 ℃。初步判斷2#主機(jī)可能出現(xiàn)的問(wèn)題：管路堵塞，流量不夠，熱交換器堵塞導(dǎo)致壓降過(guò)大，閥門開(kāi)度不夠等。

2 故障排查

一般設(shè)備發(fā)熱源散布在全船，從艙底到頂部駕駛樓，從艏艙到艉艙，對(duì)應(yīng)的冷卻支管延伸到各發(fā)熱源，帶走熱量，然后再折回，將吸收熱量的高溫水排舷外。各支路都暢通才能保證對(duì)應(yīng)設(shè)備在正常工況運(yùn)轉(zhuǎn)。

本次聯(lián)調(diào)只涉及4臺(tái)主機(jī)，就有1臺(tái)主機(jī)冷卻水高溫報(bào)警了，說(shuō)明2#主機(jī)未分配到足夠的冷卻水。采用排除法，先檢查熱交換器，壓降在正常范圍，單獨(dú)啟動(dòng)2#機(jī)試驗(yàn)，流速正常，出口溫度正常，說(shuō)明熱交換器沒(méi)問(wèn)題。試驗(yàn)時(shí)手動(dòng)控制閥門開(kāi)度，開(kāi)度變小時(shí)，出口溫度上升；開(kāi)度變大后溫度下降，這說(shuō)明閥門也能正常工作。

進(jìn)一步查找原因，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試采用只啟動(dòng)2#、3#主機(jī)，發(fā)現(xiàn)冷卻水高溫報(bào)警解除, 再采用啟動(dòng)1#、4#、5#主機(jī)方式，發(fā)現(xiàn)1#高溫報(bào)警，4#、5#水溫正常，由此判斷是由于主供水管路靠近4#、5#主機(jī)，1#、2#主機(jī)管路較遠(yuǎn)，彎頭較多，壓降過(guò)大，導(dǎo)致4#、5#主機(jī)管路搶水，1#、2#主機(jī)無(wú)法獲取足夠的冷卻水流量來(lái)給設(shè)備降溫，導(dǎo)致水溫過(guò)高。

進(jìn)一步分析。

Q0=q1+q2+q3+q4+q5+q6

(1)

式中：Q0為海水冷卻泵的總排量,q1為通過(guò)1#主機(jī)冷卻水流量,q2、q3、q4、q5、q6依次對(duì)應(yīng)2#、3#、4#、5#主機(jī)和其余輔助設(shè)備的冷卻水流量。

當(dāng)2#、3#、4#、5#4臺(tái)主發(fā)并車實(shí)驗(yàn)時(shí)，在總排量Q0不變的情況下，如果4#、5#主機(jī)通過(guò)的流量q4、q5過(guò)大，那么通過(guò)2#、3#主機(jī)的流量q2、q3將會(huì)減少, 也就是說(shuō)離供水主管近的4#,5#主機(jī)搶了2#,3#主機(jī)的水。

同時(shí)采用3個(gè)方法解決此問(wèn)題：①新增供水旁通管路從1#、2#主機(jī)等供水遠(yuǎn)端接入，讓5臺(tái)主機(jī)保持與供水主管同等競(jìng)爭(zhēng)位勢(shì)；②在主機(jī)冷卻水各支路出口和排?？偝隹谠黾觾?nèi)置彈簧式自力式調(diào)節(jié)閥[1]，便于壓力流量的調(diào)節(jié)，進(jìn)一步讓水均衡供給5臺(tái)主機(jī)；③增加旁通調(diào)節(jié)閥。修改后的方案見(jiàn)圖3。

圖3 外部海水開(kāi)式循環(huán)新方案

按新方案，各自力式調(diào)節(jié)閥都裝設(shè)在冷卻設(shè)備源的出口。根據(jù)流量和壓差等參數(shù)確定型號(hào)，調(diào)節(jié)閥的作用是在一定范圍內(nèi)調(diào)整各路支管出口和總出口的壓力流量曲線平衡，內(nèi)置彈簧式自力調(diào)節(jié)閥的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需外接動(dòng)力，可以直接利用其本體前后流體壓力通過(guò)一根小口徑導(dǎo)管來(lái)驅(qū)動(dòng)彈簧, 而彈簧行程又連接閥瓣從而改變閥門開(kāi)度、預(yù)設(shè)壓力，彈簧達(dá)到平衡，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制流量和壓力。在本平臺(tái)冷卻系統(tǒng)的控制運(yùn)用自力式調(diào)節(jié)閥來(lái)替換手動(dòng)截止閥屬于一項(xiàng)重要的功能革新?？朔擞媒刂归y或者節(jié)流孔板做調(diào)節(jié)作用時(shí)需不斷手動(dòng)調(diào)整，修改孔徑、而系統(tǒng)重復(fù)調(diào)試的不足,有效解決了本平臺(tái)2臺(tái)主冷卻水泵供給5臺(tái)主機(jī)和其他設(shè)備時(shí)在各種復(fù)雜工況下單獨(dú)運(yùn)行或并聯(lián)運(yùn)行引起的流量不均和水壓干擾難題，從而避免了各設(shè)備間因冷卻水分配不均衡導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)故障。

在加入了8臺(tái)自力式調(diào)節(jié)閥后, 前面的流量分配公式變更為以下帶修正參數(shù)η的公式。

Q0·η0=q1·η1+q2·η2+q3·η3+q4·η4+

q5·η5+q6·η6+q7·η7

(2)

每個(gè)參數(shù)η表達(dá)了可設(shè)定的自力式調(diào)節(jié)閥的壓差流量關(guān)系，變成了可變量,q7為的旁通調(diào)節(jié)閥，在只需要單臺(tái)主機(jī)或少量設(shè)備運(yùn)行時(shí)釋放富余冷卻水流量直接排海。

Q0·η0可以理解為泵的特性和排?？偣苷{(diào)節(jié)閥的共同作用，因?yàn)檫x用的冷卻泵是離心泵形式，按照泵本身的流量壓力特性，在一定范圍內(nèi)可調(diào)，這可以通過(guò)控制泵出口的揚(yáng)程來(lái)調(diào)節(jié)流量，即通過(guò)調(diào)節(jié)圖3里那個(gè)排海閥開(kāi)度大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 檢驗(yàn)結(jié)果

按以上原理現(xiàn)場(chǎng)新增旁通供水管路，濾器和調(diào)節(jié)閥后，進(jìn)行1#、3#、4#、5#主機(jī)并車試驗(yàn)。同時(shí)啟動(dòng)1#、5#主機(jī)并車運(yùn)行，左右供水管全部打開(kāi)，發(fā)現(xiàn)水溫正常，但出口壓力較低；通過(guò)設(shè)定1#、5#主機(jī)調(diào)節(jié)閥調(diào)整出口壓力到250～300 kPa之間，出口水溫39 ℃正常。再啟動(dòng)3#、4#主機(jī)，4臺(tái)主機(jī)并車運(yùn)行,3#、4#、5#主機(jī)出口溫度正常, 1#主機(jī)水溫和水壓很快開(kāi)始上升到達(dá)55 ℃的報(bào)警溫度，立刻重新設(shè)定調(diào)節(jié)閥，減少3#、4#、5#主機(jī)調(diào)節(jié)閥流量，提高1#調(diào)節(jié)閥的流量，1#主機(jī)出口溫度下降到48 ℃正常范圍。4臺(tái)主機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行30 min，出口溫度和壓力等指標(biāo)正常。

4 結(jié)論

1)采用以上方法多次進(jìn)行并車試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這種開(kāi)式混合冷卻系統(tǒng)容易發(fā)生各設(shè)備之間冷卻水分配不均衡問(wèn)題。特別是在管路復(fù)雜，各冷卻支管距離和壓降不一致的情況下，整個(gè)冷卻系統(tǒng)的合理運(yùn)轉(zhuǎn)取決于調(diào)試人員較高的操控技能和經(jīng)驗(yàn)。為此，在多臺(tái)設(shè)備同時(shí)需要冷卻時(shí)，就需要像在每個(gè)冷卻設(shè)備支管出口加自力式調(diào)節(jié)閥，便于每個(gè)設(shè)備單獨(dú)獲得正常需要的流量，來(lái)保證系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。另外，在條件允許的情況下，應(yīng)采用PLC自動(dòng)控制調(diào)節(jié)閥，并采用遠(yuǎn)傳的壓力傳感器和溫度傳感器配合來(lái)調(diào)節(jié)[12]，縮短現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間，也可減少維護(hù)工作量。

2)在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)還有很多問(wèn)題待解決：一是對(duì)管路中各節(jié)點(diǎn)的壓力和流量難以實(shí)際一一把握，基本靠通過(guò)檢測(cè)管路中已有的壓力表來(lái)估算和推測(cè)鄰近點(diǎn)的壓力和流量；二是對(duì)各個(gè)設(shè)備和管路的壓降也靠估算和手工計(jì)算，難免與船上實(shí)際設(shè)備情況和錯(cuò)綜復(fù)雜的管路有誤差，而且估算和計(jì)算誤差也帶來(lái)了調(diào)節(jié)閥實(shí)調(diào)時(shí)誤差范圍較大，需要不斷修正。

3)對(duì)于冷卻系統(tǒng)的研究需要針對(duì)不同船型和平臺(tái)，如果條件允許，應(yīng)考慮FLOWMASTER軟件等對(duì)全船冷卻管路做實(shí)際模擬[12]，計(jì)算出每個(gè)管路節(jié)點(diǎn)的壓力、流量和沿程壓降，從而更好地配置流量調(diào)節(jié)閥和增加PLC自動(dòng)化控制，提前在中控室電腦上精準(zhǔn)設(shè)定好各支路的流量和壓降要求[14]，從而保證整個(gè)冷卻水系統(tǒng)的均衡分配和合理性。

4)設(shè)備的冷卻是一個(gè)在船舶和海工平臺(tái)應(yīng)用廣泛卻又容易出現(xiàn)各種問(wèn)題的地方，近年來(lái)，海工平臺(tái)對(duì)海水設(shè)備和系統(tǒng)防腐防漏的要求越來(lái)越高，本文所用混合式冷卻系統(tǒng)使與海水直接接觸的設(shè)備相對(duì)減少，其總體防腐蝕性能進(jìn)一步得到改善,所以混合式冷卻設(shè)計(jì)在很長(zhǎng)一段時(shí)間都將作為一種成熟的設(shè)計(jì)而運(yùn)用。但是由于需要冷卻的設(shè)備多、管路布置比較分散，平臺(tái)工況復(fù)雜，此類混合式冷卻系統(tǒng)適宜采用自力式調(diào)節(jié)閥或PLC自動(dòng)控制閥、結(jié)合專業(yè)流體軟件計(jì)算的精準(zhǔn)全船混合冷卻設(shè)計(jì)已成為未來(lái)的發(fā)展方向。