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        一種船用乏汽排放快速冷卻減壓的系統(tǒng)

        2019-01-08 01:56:52,,,
        船海工程 2018年6期
        關(guān)鍵詞:冷卻系統(tǒng)艦船液位

        ,,,

        (1.海軍裝備部 裝備項目管理中心,北京 100071;2.中國艦船研究設(shè)計中心,武漢 430064)

        水面艦船結(jié)構(gòu)復(fù)雜,系統(tǒng)龐大,部分高溫高壓設(shè)備在使用過程中會排放產(chǎn)生大量的乏汽。該部分乏汽具有流速高、流量大、脈沖性等特點[1-2],通過一定管徑內(nèi)釋放排出時會產(chǎn)生巨大的沖擊與噪聲,如果直接排放,將對船體結(jié)構(gòu)造成破壞。船用設(shè)備對乏汽排放時間和排放后管路內(nèi)背壓有特殊要求,如處置不當,將對船體安全及設(shè)備使用產(chǎn)生不良影響,因此,在艦船總體資源極其有限的情況下,將大量乏汽快速高效地減溫、減壓是系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)難點[3-4]。結(jié)合艦船相關(guān)設(shè)備對乏汽排放的特殊處理需求,針對乏汽特點對冷卻技術(shù)開展深入研究,建立一套適用于艦船的乏汽冷卻系統(tǒng)技術(shù)方案,通過試驗驗證其可行性并有效化解技術(shù)風險,具有極大的工程意義。

        1 乏汽冷卻系統(tǒng)技術(shù)方案

        由于艦船內(nèi)部空間小,對系統(tǒng)可靠性要求高,因此,考慮將高溫、高壓的乏汽通過管道直接通入裝有常溫水的液艙內(nèi),與水接觸進行均勻換熱冷卻的方式最快捷高效。該方案不僅能在最短時間內(nèi)將管路中的乏汽背壓降至要求范圍內(nèi),而且不需配置過多設(shè)備及附件,對總體資源占用量較小,系統(tǒng)抗沖擊能力較高。

        乏汽冷卻系統(tǒng)流程示意見圖1。

        圖1 乏汽冷卻系統(tǒng)流程示意

        乏汽冷卻系統(tǒng)設(shè)置1個乏汽冷卻收集艙和1套乏汽冷卻裝置,采用將設(shè)備乏汽通過排放管路經(jīng)放置在乏汽冷卻收集艙內(nèi)的乏汽冷卻裝置減溫、減壓后進行強制換熱的方式,實現(xiàn)乏汽的冷卻和收集。

        乏汽冷卻收集艙最大外形尺寸約為5 300 mm×4 100 mm×4 900 mm,艙容約為80 m3,并在液艙頂部設(shè)置透氣管,用于降低乏汽排放對冷卻液艙產(chǎn)生的沖擊。乏汽冷卻收集艙配置2套冷卻水泵,一進一出,實現(xiàn)對艙內(nèi)冷卻水與外界冷卻水源的有效置換,以加強艙內(nèi)冷卻水的均勻換熱、降低不同液位的溫度差;系統(tǒng)內(nèi)回流管路中設(shè)置開度可調(diào)節(jié)的電控閥,用于平衡收集艙內(nèi)進出水量,保持冷卻水液位穩(wěn)定。

        乏汽冷卻裝置(見圖2)本體分為排汽管組、安裝支架兩部分:排汽管組由總管組件、分流管組件、多孔支管件組成,與乏汽排放管路采用DN400法蘭連接,其中多孔支管件上開有若干個直徑4~6 mm的小孔;安裝支架由立柱、橫梁、加強筋組成,與液艙底部及四周壁面采用螺栓固定,并考慮采取一定的彈性減振措施。乏汽冷卻裝置的工作環(huán)境非常惡劣,長期浸泡于水中并遭受鹽霧、霉菌、海水、油污腐蝕和蒸汽、空氣沖蝕影響,因此防腐工作十分重要。在本系統(tǒng)試驗中,乏汽冷卻裝置采用銅合金和雙相不銹鋼制造。

        圖2 乏汽冷卻裝置示意

        乏汽排放管路支架均設(shè)計為滑動支架,不限制管路的熱膨脹,盡可能減小管路熱應(yīng)力;管路彎頭處設(shè)置液壓阻尼器,用于吸收蒸汽產(chǎn)生的脈沖式?jīng)_擊。

        2 試驗

        設(shè)備產(chǎn)生的高溫高壓乏汽汽源質(zhì)量約500 kg,排汽管路(排汽閥前)壓力約為1.0 MPa,排汽管路壓力對應(yīng)飽和溫度約183 ℃。試驗運行過程中,乏汽冷卻裝置多孔支管件完全浸沒在乏汽冷卻收集艙冷卻水中,艙內(nèi)液位可調(diào)節(jié),收集艙頂部預(yù)留約1 m左右的空氣層(緩沖空間)。當設(shè)備運行過程中需要排放乏汽時,開啟排放管路上的閥門,觀察系統(tǒng)的冷卻效果。

        試驗中使用的儀器和儀表均在有效使用期內(nèi),并有經(jīng)國家計量部門或有關(guān)部門校正合格的證明。

        2.1 乏汽排放時間及冷卻效果

        不同液位工況下乏汽排放時間見表1。

        由表1可知,乏汽冷卻收集艙內(nèi)冷卻水液位越高,排汽背壓越大,排汽時間越長;從試驗現(xiàn)象觀察可見,液位的升高使乏汽冷卻裝置多孔支管件上的小孔距離液面高度增加,氣泡在水中上升的距離延長,冷凝效果有所提高。根據(jù)試驗數(shù)據(jù),液位位于2.7~3.2 m區(qū)間時,乏汽排放時間均不大于設(shè)備相關(guān)要求值(12 s),透氣口出口壓力最大值均遠小于系統(tǒng)最大設(shè)計值(0.1 MPa)??紤]試驗過程的綜合冷卻效果,通過觀察乏汽排放過程中液面蒸汽逸出情況,對比乏汽排放前后收集艙內(nèi)液位理論升高值與實際升高值之間的差異,液位高度選擇3.0~3.1 m較為合適。

        表1 不同液位工況下乏汽排放時間

        2.2 乏汽排放沖擊

        在乏汽冷卻收集艙中,由于乏汽從乏汽冷卻裝置小孔內(nèi)射流噴出,通過水的傳遞,射流的動能帶動水流必將對收集艙壁面形成沖擊應(yīng)力,見表2。排汽小孔與收集艙壁面的距離影響蒸汽射流對壁面的沖擊,距離越近,沖擊越大;距離越遠,沖擊越小。考慮設(shè)備維修保養(yǎng)等因素,乏汽冷卻裝置最外側(cè)排汽小孔距收集艙壁面的最短距離不小于400 mm。由表2可知,乏汽排放過程中,乏汽冷卻收集艙壁受到的沖擊壓力最大值小于艙體最大設(shè)計耐受強度(0.2 MPa),系統(tǒng)裝船后對船體安全不會產(chǎn)生影響。

        2.3 乏汽排放噪聲

        在乏汽排放噪聲試驗過程中,對乏汽冷卻收集艙外圍1 m處的東、西、南、北4個測點的噪聲數(shù)據(jù)進行采集記錄,試驗結(jié)果見表3。

        表2 乏汽排放過程對乏汽冷卻收集艙壁面沖擊壓力 MPa

        表3 乏汽排放過程噪聲數(shù)據(jù)

        由表3可知,乏汽排放過程中,測得空氣噪聲最大值約為107 dB(A),基本能夠滿足系統(tǒng)裝船相關(guān)技術(shù)要求。

        3 系統(tǒng)風險分析及可靠性措施

        考慮艦船設(shè)備乏汽具有的特點,乏汽冷卻收集艙及排放管路在高溫高壓乏汽排放沖擊下可能產(chǎn)生的疲勞損傷;同時乏汽冷卻系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備在運行過程中可能會發(fā)生故障,需要維修或更換零部件。為了規(guī)避上述風險,系統(tǒng)盡量采用成熟技術(shù),凡設(shè)計中使用的新工藝和新材料,均經(jīng)過充分論證、分析和(或)試驗、驗證;盡量簡化設(shè)計,各分系統(tǒng)、設(shè)備設(shè)計中采用的緊固件、連接件、管路等滿足通用化、系列化、標準化要求,減少其規(guī)格品種及數(shù)量。系統(tǒng)設(shè)計中,綜合均衡可靠性、維修性、經(jīng)濟性的要求,盡量減少維修內(nèi)容、降低對維修技能的要求,同時要保證維修安全;多采用標準化、模塊化、集成化設(shè)計,縮短維修時間;對條件所限難于將可靠性提高到滿意程度的產(chǎn)品,應(yīng)保證良好的維修性和規(guī)定維修周期;在采用其他設(shè)計技術(shù)均無法滿足對其可靠性要求或在有安全性要求時,可采用冗余設(shè)計技術(shù)。

        4 結(jié)論

        結(jié)合艦船有限的總體資源,建立一套適用于艦船設(shè)備乏汽排放快速冷卻減壓的系統(tǒng)技術(shù)方案,通過陸上試驗考查乏汽排放時間及冷卻效果、乏汽排放沖擊、乏汽排放噪聲等技術(shù)性能指標。結(jié)果表明,該系統(tǒng)運行穩(wěn)定,能夠滿足相關(guān)技術(shù)要求,具備裝船條件。

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