楊達(dá)梅

（廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，廣州 510250）

1 前言

7 000 HP多功能工程船是由廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)的多用途近海工程船。該船主要承擔(dān)在我國近海海域執(zhí)行船只拖帶、應(yīng)急搶修、消防滅火和海上落水人員搜救等任務(wù)；還可執(zhí)行人員交通、島礁運(yùn)輸補(bǔ)給等任務(wù)。本船冷卻水系統(tǒng)為需要散熱的主機(jī)、輔機(jī)、齒輪箱、CPP、甲板機(jī)械、空調(diào)等機(jī)械設(shè)備供應(yīng)足夠的冷卻水，確保設(shè)備能正常可靠地工作。冷卻水系統(tǒng)是船舶動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成部分，與船舶航行的穩(wěn)定與安全密切相關(guān)，是本船履行主要功能任務(wù)的重要保證。

2 冷卻水系統(tǒng)的基本形式

冷卻水系統(tǒng)的基本形式有開式冷卻水系統(tǒng)和閉式冷卻水系統(tǒng)兩種，如圖1所示。

圖1 冷卻水系統(tǒng)基本形式

開式冷卻水系統(tǒng)是指柴油機(jī)本身直接用舷外海水或江水冷卻，如今已基本不采用；閉式冷卻水系統(tǒng)是指柴油機(jī)用淡水冷卻，淡水再經(jīng)熱交換器用舷外水冷卻。這樣可減少海水對柴油機(jī)的腐蝕，提高了可靠性。

若其他機(jī)械設(shè)備與主機(jī)使用同一個(gè)淡水冷卻系統(tǒng)，稱為中央冷卻水系統(tǒng)；若有部分設(shè)備單獨(dú)使用海水冷卻，則稱混合式冷卻系統(tǒng)。

在柴油機(jī)的淡水冷卻水系統(tǒng)中，有高溫水回路和低溫水回路。如采用高低溫水的混合來調(diào)節(jié)參數(shù)，則屬混流式；如高低溫水回路各自分開，則為獨(dú)立式。

采用自流海水（利用船舶航行的速度）來冷卻淡水冷卻器的中央冷卻水系統(tǒng)，稱為自流式中央冷卻水系統(tǒng)。該種冷卻系統(tǒng)偶有使用于航速較快的集裝箱船。

常規(guī)冷卻水系統(tǒng)和中央冷卻水系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。

表1 兩種冷卻水系統(tǒng)的比較

3 冷卻水系統(tǒng)形式的選擇

對于柴油機(jī)的冷卻水系統(tǒng)形式，各柴油機(jī)制造廠均有規(guī)定或推薦，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按照廠商規(guī)定或推薦的系統(tǒng)并綜合考慮以下因素進(jìn)行選擇：被冷卻設(shè)備的數(shù)量、使用工況、布置位置、初始投資及船東的需求等。

作為多用途工程船，因工況組合復(fù)雜，配置的設(shè)備種類繁多，需要水冷卻的機(jī)械設(shè)備也較一般船舶多，詳見表2。

表2 全船水冷卻設(shè)備匯總表

由表2可知，從各設(shè)備的使用工況看，輔機(jī)(正常航行時(shí)二用一備，救助拖帶時(shí)使用三臺)、后齒輪箱、前齒輪箱、調(diào)距槳單元、中間軸承、舵機(jī)液壓單元及尾軸密封等與主機(jī)使用工況比較一致，均在船舶航行時(shí)長時(shí)間運(yùn)行；絞車液壓單元和鯊魚鉗液壓單元?jiǎng)t只在拖帶作業(yè)時(shí)運(yùn)行；冷藏裝置和空調(diào)機(jī)組需全天后運(yùn)行；錨機(jī)則僅在起錨/拋錨作業(yè)時(shí)短時(shí)間運(yùn)行；垃圾處理裝置則不定時(shí)短時(shí)間運(yùn)行。

從各設(shè)備的布置位置上看，主機(jī)、輔機(jī)、后齒輪箱、前齒輪箱、調(diào)距槳單元及中間軸承均布置在機(jī)艙；舵機(jī)液壓單元、鯊魚鉗液壓單元及尾軸密封布置在船尾；冷藏裝置、空調(diào)機(jī)組及錨機(jī)液壓單元布置在船首；垃圾處理裝置及絞車單元布置在主甲板中部。

綜合各設(shè)備使用工況及安裝位置情況，并考慮管路系統(tǒng)布置等多方面因素，最終確定本船采用混合式冷卻水系統(tǒng)，即主機(jī)、輔機(jī)、后齒輪箱、前齒輪箱、調(diào)距槳單元及中間軸承采用中央冷卻水系統(tǒng)，其它設(shè)備采用海水冷卻，其中主機(jī)按廠商要求采用高、低溫淡水冷卻系統(tǒng)。

4 冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 淡水冷卻系統(tǒng)

中央冷卻水系統(tǒng)由主推進(jìn)低溫淡水冷卻系統(tǒng)和輔機(jī)淡水冷卻系統(tǒng)組成：主推進(jìn)低溫淡水冷卻系統(tǒng)負(fù)責(zé)給主機(jī)空冷器和滑油冷卻器及缸套水冷卻器、后齒輪箱、前齒輪箱、中間軸承、調(diào)距槳單元等設(shè)備提供低溫淡水；輔機(jī)淡水冷卻系統(tǒng)負(fù)責(zé)給三臺輔機(jī)提供低溫淡水；主機(jī)缸套高溫淡水由主機(jī)缸套水冷卻器冷卻。

（1）主推進(jìn)低溫淡水冷卻系統(tǒng)

本該船共配置二套主推進(jìn)低溫淡水冷卻系統(tǒng)（左右舷各一套），分別為左右二套推進(jìn)裝置服務(wù)。正常運(yùn)行時(shí)，兩套冷卻系統(tǒng)用眼鏡法蘭隔斷，需要時(shí)二套冷卻系統(tǒng)可相互連通，滿足推進(jìn)裝置部分負(fù)荷運(yùn)行。

主推進(jìn)低溫淡水冷卻系統(tǒng)設(shè)二臺主推進(jìn)中央冷卻器：每臺容量為總?cè)萘康?00%（熱交換量），冷卻器淡水出口溫度設(shè)定為36 ℃；低溫冷卻系統(tǒng)的溫度控制閥、溫度傳感器PT100及溫度控儀等均由冷卻器廠家配套供應(yīng)；設(shè)置三臺電動(dòng)低溫水冷卻泵（二用一備）；每套主推進(jìn)低溫淡水冷卻系統(tǒng)，各設(shè)置一只膨脹水箱（800 L）。

（2）主機(jī)缸套高溫水冷卻系統(tǒng)

主機(jī)缸套采用高溫淡水冷卻：每臺主機(jī)帶高溫水泵，全船另設(shè)一臺電動(dòng)高溫水備用泵，缸套水冷卻器機(jī)帶恒溫閥；每臺主機(jī)設(shè)高溫膨脹水箱一只（500 L）；每臺主機(jī)由廠家配套提供一套缸套水預(yù)熱單元。

（3）輔機(jī)淡水冷卻水系統(tǒng)

輔機(jī)淡水冷卻系統(tǒng)主要為輔機(jī)空冷器、熱交換器提供低溫淡水；輔機(jī)滑油冷卻器及缸套等由輔機(jī)內(nèi)部高溫水系統(tǒng)冷卻。

輔機(jī)淡水冷卻系統(tǒng)設(shè)二臺輔機(jī)冷卻器：每臺容量為一臺輔機(jī)容量的200%（每臺輔機(jī)冷卻器滿足二臺輔機(jī)同時(shí)工作），冷卻器淡水出口溫度設(shè)定為36℃；每臺輔機(jī)帶低溫水冷卻泵；低溫冷卻系統(tǒng)的溫度控制閥、溫度傳感器PT100及溫度控儀等均由冷卻器廠家配套供應(yīng)；系統(tǒng)設(shè)膨脹水箱一只（300 L）；每臺輔機(jī)機(jī)帶一套缸套水預(yù)熱單元。

4.2 海水冷卻系統(tǒng)

中央冷卻海水系統(tǒng)設(shè)三臺200 m3/h的電動(dòng)主海水泵（二用一備）：每臺主海水泵按一臺主推進(jìn)中央冷卻器及一臺輔機(jī)冷卻器所需海水量的100%設(shè)計(jì)；另設(shè)1臺30 m3/h的停泊海水泵，供停泊時(shí)一臺輔機(jī)冷卻用；設(shè)二臺冷藏裝置冷卻海水泵（一用一備）；設(shè)一臺空調(diào)冷卻海水泵；設(shè)二臺輔機(jī)海水冷卻泵（二用一備，也可作為空調(diào)冷卻海水泵的備用泵），供鯊魚鉗液壓單元、絞車液壓單元、錨機(jī)液壓單元、舵機(jī)液壓單元及垃圾處理裝置冷卻用。

4.3 關(guān)鍵設(shè)備的計(jì)算和選型

（1）中央冷卻水系統(tǒng)熱平衡計(jì)算

中央冷卻水系統(tǒng)需進(jìn)行系統(tǒng)熱平衡計(jì)算。計(jì)算前需先繪制系統(tǒng)流程圖，收集匯總各設(shè)備的熱交換量及冷卻水量，再根據(jù)本船環(huán)境參數(shù)等進(jìn)行計(jì)算。本船海水溫度為32 ℃、清潔系數(shù)按0.85。

（2）中央冷卻器的計(jì)算和選型

中央冷卻器一般采用板式冷卻器。設(shè)計(jì)時(shí)由設(shè)計(jì)部門向板式冷卻器制造廠提供熱交換量、進(jìn)出口參數(shù)、介質(zhì)流量等有關(guān)參數(shù)，由板式冷卻器制造廠對其進(jìn)行計(jì)算和選型（板數(shù)、流動(dòng)型式、阻力、液泵所需功率等）。對冷卻介質(zhì)為海水的板式冷卻器，板的材料應(yīng)為鈦合金。本船中央板式冷卻器熱交換量為2 446 kW、淡水流量為160 m3/h、進(jìn)口溫度分別為48.2 ℃及36 ℃；輔機(jī)低溫水板式冷卻器熱交換量為580 kW、淡水流量為38 m3/h、進(jìn)口溫度分別為49℃及36 ℃、海水溫度為32℃。

（3）冷卻水泵的選型

本船低溫淡水泵、主海水泵流量均根據(jù)熱平衡計(jì)算結(jié)果及板式冷卻器廠家要求選取。雖然采用變頻電機(jī)或雙速電機(jī)可節(jié)省營運(yùn)費(fèi)用，但考慮到初始投資及設(shè)備的可靠性，本船選取常規(guī)定量電動(dòng)泵。

（4）系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)

管路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意對管路進(jìn)行合理布置，除按流速要求進(jìn)行計(jì)算外還應(yīng)核算管路沿程阻力。另外，本船冷卻用戶較多，不同用戶所需冷卻水量不同，為了保持流量平衡，本船在前齒輪箱、后齒輪箱、調(diào)距槳單元、中間軸承入口均設(shè)置節(jié)流孔板。為了保證冷卻淡水泵吸入口的正壓頭及管路淡水泄漏損失和熱膨脹，在高低溫淡水系統(tǒng)均設(shè)置了膨脹水箱，膨脹水箱容積一般為系統(tǒng)容量的1%。

對于海水冷卻的設(shè)備，應(yīng)根據(jù)需要設(shè)置海水過濾器；設(shè)備布置時(shí)需注意為板式冷卻器的維修保養(yǎng)預(yù)留足夠的空間。

考慮到我國北方冬季嚴(yán)寒的氣候條件，本船將經(jīng)過中央冷卻器的部分海水引回海底門，防止中央冷卻器淡水側(cè)溫度過低而對設(shè)備產(chǎn)生不利影響，也能防止海底門內(nèi)的海水結(jié)冰。

5 實(shí)船使用效果

經(jīng)過多艘船使用驗(yàn)證，本船冷卻系統(tǒng)在自由航行、軸發(fā)、對外消防、拖帶、錨泊等不同工況、不同負(fù)載下均能穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)流量分配平衡、壓力穩(wěn)定，表現(xiàn)了很高的可靠性。

6 結(jié)語

以上簡述了船舶冷卻水系統(tǒng)的基本形式及特點(diǎn)，并介紹了7 000 HP多功能工程船冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。通過多艘船的實(shí)船驗(yàn)證，本船冷卻水系統(tǒng)表現(xiàn)了很高的穩(wěn)定性和可靠性。隨著科技技術(shù)的不斷進(jìn)步，變頻技術(shù)、雙速電機(jī)等控制技術(shù)的逐漸成熟，本船冷卻水系統(tǒng)仍存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間，希望能通過新技術(shù)的應(yīng)用，在保持系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性的同時(shí)，不斷降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗、提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。