程紹堅,顧洪彬,牛慎,王濤濤

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

船舶完成建造和維修后都需要對設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行單獨和聯(lián)合調(diào)試,檢查其運行狀況是否滿足設(shè)計要求,調(diào)試期間必須確保滿足調(diào)試耗量和壓力要求的冷卻水可以持續(xù)提供至船舶冷卻水系統(tǒng)。目前,船塢只具備通過消防水系統(tǒng)向船舶提供少量淡水的能力,主要用于船舶空調(diào)和冷藏設(shè)備的運行,該淡水供給量遠(yuǎn)不能滿足船舶大型設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試的要求[1]。所以,船舶完成建造或維修后都需要在碼頭或海上完成所有設(shè)備和系統(tǒng)的調(diào)試。為實現(xiàn)船舶設(shè)備或系統(tǒng)調(diào)試工序前移的目的,通過對船舶冷卻水系統(tǒng)的運行原理和船塢的實際構(gòu)造進(jìn)行深入分析,設(shè)計一套適用于船塢向新建或維修船舶提供滿足調(diào)試耗量和壓力要求的臨時冷卻水供給系統(tǒng)的應(yīng)用方案。

1 船塢臨時冷卻水供給系統(tǒng)概述

船舶冷卻水系統(tǒng)的作用是利用海水或淡水冷卻船舶設(shè)備和系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生過多熱量。目前,大多數(shù)船舶采用中央冷卻水系統(tǒng),包括淡水冷卻系統(tǒng)和舷外水冷卻系統(tǒng)兩部分。應(yīng)用結(jié)果表明,可以將部分原先必須在碼頭或航行試驗完成的船舶設(shè)備或系統(tǒng)調(diào)試工作前移到船塢階段完成,提高了調(diào)試工作效率、縮短了航行試驗時間、降低了建造成本。淡水冷卻系統(tǒng)屬于閉式循環(huán)系統(tǒng),船舶設(shè)備和系統(tǒng)使用淡水冷卻,升溫的冷卻淡水通過中央冷卻器與低溫端的舷外水進(jìn)行熱交換,實現(xiàn)降溫后循環(huán)使用[2]。舷外水冷卻系統(tǒng)屬于開式系統(tǒng),由海底門、海水總管、冷卻泵、中央冷卻器和排舷外管等組成,冷卻泵從海水總管抽取舷外水輸送至中央冷卻器,冷卻高溫端的升溫淡水后排出舷外。

臨時冷卻水供給系統(tǒng)的作用就是當(dāng)船舶在船塢期間,可以源源不斷地通過船舶海底門向海水總管提供滿足調(diào)試耗量和壓力要求的自然界水源作為舷外冷卻水,省卻了使用陸用淡水的高額費用。此外,還設(shè)有適當(dāng)保護措施避免供給壓力過高,造成臨時冷卻水供給設(shè)備、船舶外殼和海水總管的損壞。該系統(tǒng)主要由臨時冷卻水供給單元、管路和海底門格柵臨時封堵組成。

2 船塢臨時冷卻水供給系統(tǒng)的問題及分析

2.1 問題描述與分析

船塢臨時冷卻水供給系統(tǒng)提供的舷外冷卻水來自于自然界水源(海水或江水),并通過船舶海底門注入海水總管。經(jīng)深入分析,在此過程中會面臨以下的問題。

1)泥沙對系統(tǒng)造成的影響。由于我國自然界水源中的泥沙含量普遍較高,特別是長江中下游的入?？谖恢?。已有相當(dāng)數(shù)量的實際經(jīng)驗和教訓(xùn)證明,在輸送混合多種粒徑泥沙的水流時,泥沙顆粒的存在會與過流壁面發(fā)生摩擦碰撞,造成其磨損破壞,嚴(yán)重影響水泵運行的穩(wěn)定性與使用壽命[3]。通常情況下,含沙量愈大,影響愈明顯。此外,船舶的中央冷卻器較多使用板式冷卻器,由于板式冷卻器波紋板的接觸點較多,當(dāng)液體水質(zhì)含有懸浮的固體顆粒、雜物和水草等時,因板與板之間的間隙很窄,要盡可能地保證所有2 mm以上顆粒在進(jìn)入冷卻器之前,都要過濾掉,一旦進(jìn)入板式冷卻器,就容易發(fā)生雜物堵塞[4],增加冷卻器的污垢阻塞系數(shù),降低冷卻器的工作效率,影響船舶設(shè)備和系統(tǒng)的正常運行。

2)臨時冷卻水與船舶海水總管的連接及海底門格柵的封堵問題。船舶兩舷的海底門是冷卻水引入海水總管的主通道,舷外水通過海底門進(jìn)入海水總管,再由船舶冷卻泵輸送至中央冷卻器,以帶走船舶設(shè)備和系統(tǒng)運行所產(chǎn)生的過余熱量。所以,船舶海底門為格柵式,開敞于船舶航行水域。然而,當(dāng)船舶在船塢內(nèi)建造或維修期間,由于臨時冷卻水供給泵與海水總管沒有現(xiàn)成的接口,且船舶海底門格柵的開敞設(shè)計,成為最大泄漏處,無法確保海水總管始終充滿臨時冷卻水。

3)船舶海水總管的超壓影響。船舶海水總管為舷外水吸入的主要管路,是冷卻系統(tǒng)中口徑最大的管路,連通兩舷的海底門。所以,船舶海水總管實際承受的壓力主要是船舶吃水深度對其產(chǎn)生的水壓,通常很低。但是,船塢臨時冷卻水系統(tǒng)是由水泵輸送舷外水至船舶海水總管,水泵所作的功會大幅提升舷外水的壓力,大概率會超過船舶海水總管的設(shè)計壓力,造成損壞。

4)臨時冷卻水泵及控制單元等設(shè)施布置對船塢運作的影響。船塢是船舶建造和維修的重要場所,會有周期性的放排水和船舶進(jìn)出船塢作業(yè),此時的船塢內(nèi)部應(yīng)保證船舶進(jìn)出通道的暢通,包括水泵和過濾器等無關(guān)設(shè)備不可留置在船塢內(nèi)。而且,常規(guī)使用的冷卻水泵并非潛水泵,且由電機驅(qū)動,并配有相應(yīng)的電力供給和電氣控制設(shè)備。所以,臨時冷卻水泵及控制單元等設(shè)備的布置,既不能因浸水而造成電氣裝置損壞,也不能影響船舶進(jìn)出塢操作。

2.2 解決方案

針對臨時冷卻水供給系統(tǒng)運行所遇到的泥沙堵塞、冷卻水連接、海水總管超壓和單元布置問題,可以采取以下措施予以解決。

1)泥沙對系統(tǒng)造成的影響。為了確保臨時冷卻水供給系統(tǒng)中水泵的正常運行,避免堵塞海水粗濾器或輸送管路的問題,需要盡量避免泥沙隨著水源進(jìn)入臨時冷卻水供給系統(tǒng),或者設(shè)置有效措施排放出泥沙。目前,解決泥沙影響的主要流程是過濾、沉淀和泥沙沖洗排放。即首先使用海水粗濾器(濾網(wǎng)網(wǎng)孔直徑為3～5 mm),粗濾器的主要作用是濾除水源中的雜物、魚蝦、貝類、藻類等大尺寸懸浮物[5];經(jīng)過濾后的水源需要在沉淀池中約24 h再輸送至儲存艙,供日后使用;由于沉淀池和儲存艙長時間使用后,底部也會產(chǎn)生泥沙積聚,所以需要定期沖洗及排放泥沙。對于船塢而言,由于空間限制,沒有足夠的區(qū)域可以用來設(shè)置沉淀池和儲存艙,唯有使用過濾和泥沙排放方式減少泥沙進(jìn)入系統(tǒng)。船塢塢門進(jìn)水口的高度較高,此處的泥沙情況相對較好。但是,由于塢門長期未移動,進(jìn)水口附近還是會積聚泥沙和雜物。故在進(jìn)水初期,泥沙會通過塢門進(jìn)水閥進(jìn)入船塢,但隨著時間變化,泥沙量則會逐漸減少。此外,由于泥沙顆粒直徑偏小,海水粗濾器過濾的效果也不佳。所以,針對船塢的實際情況,最合適的處理泥沙過程是先進(jìn)行泥沙排放,即將引入的水源通過旁通管路直接排放至船塢內(nèi)的排水井再經(jīng)排水泵排出船塢遠(yuǎn)離進(jìn)水口處,同時觀察船塢排水井內(nèi)的進(jìn)水水質(zhì),待泥沙量大幅度減少后,再將水源切換至海水粗濾器進(jìn)行過濾使用。對于海水粗濾器的濾網(wǎng)網(wǎng)孔直徑可選擇較小的3 mm,防止小尺寸雜物進(jìn)入系統(tǒng)。上述先排放泥沙再進(jìn)行過濾的流程,可以較大程度減少泥沙進(jìn)入系統(tǒng),也可減少雜物通過海水粗濾器的幾率,延長濾器的清理維護時間。

2)臨時冷卻水與海水總管的連接及海底門格柵的封堵問題。因為船舶海底門格柵是海水總管與舷外的唯一連接處。為了不在船體開設(shè)多余的開口,海底門格柵是最好的臨時冷卻水接入點,但必須將海底門格柵處進(jìn)行臨時封堵[6]。首先,應(yīng)根據(jù)船舶海底門格柵的尺寸確定封堵的本體和封板尺寸,通常比格柵外邊緣擴大100 mm,本體長度約為1 m。臨時封堵采用鋼制框架本體焊接而成,具有較好的承壓能力和密封能力,使用時焊接在船體海底門格柵周邊,使用完畢,進(jìn)行切割,可以反復(fù)使用。其次,應(yīng)根據(jù)冷卻水流量按2 m/s流速計算冷卻水接管的通徑。該接管可以接收舷外冷卻水進(jìn)入海水總管用于船舶在船塢階段進(jìn)行設(shè)備和系統(tǒng)的調(diào)試。最后,在封堵本體底部設(shè)置泥沙泄放口,以排出海底門格柵臨時封堵內(nèi)底積聚的泥沙,詳見圖1。

圖1 海底門格柵臨時封堵示意

3)船舶海水總管的超壓影響。臨時冷卻水供給系統(tǒng)在向塢內(nèi)船舶提供調(diào)試?yán)鋮s水期間,還必須確保塢內(nèi)船舶的安全,需有適當(dāng)保護措施防止船舶海水總管內(nèi)的水壓超過設(shè)計值,造成船舶管路或船體的損壞。首先,在冷卻水泵單元的出口處設(shè)置穩(wěn)壓閥,確保冷卻水總管的供給壓力。其次,還可以在海底門格柵臨時封堵頂部設(shè)置溢流管。根據(jù)確定的實際冷卻水接管截面積按1.25倍計算溢流管的截面積,并換算成通徑。如溢流管通徑過大時,則可在確保截面積的前提下分為若干根溢流管。溢流管的出口高度應(yīng)根據(jù)船舶實際航行吃水深度計算,從船舶基線開始算起,出口處通常略低于實際航行吃水約0.5 m。溢流管的設(shè)置可以模擬船舶實際航行時的承壓情況,保護船舶外殼、海水總管內(nèi)的水壓不會發(fā)生超壓現(xiàn)象。再次,溢流管頂部還需要開設(shè)透氣管,透氣管可以排出臨時冷卻水供給總管和海底門格柵臨時封堵裝置內(nèi)的空氣,防止氣囊的產(chǎn)生,從而影響冷卻水的流入,詳見圖1。

4)臨時冷卻水泵及控制單元等設(shè)施布置對船塢運作的影響。為了保證船塢內(nèi)通道暢通,避免船舶建造、維修和進(jìn)出塢期間與船塢內(nèi)設(shè)備發(fā)生碰撞;同時,又要防止水泵及其電機、電氣控制設(shè)備浸水造成損壞。可以將冷卻水泵、電機、海水濾器和電氣控制箱做成單元式設(shè)計。該單元應(yīng)盡可能將臨時冷卻水供給系統(tǒng)的設(shè)備、管路,包括安全防護等措施集成在一個公共底座上,單元上部可以設(shè)置一個防雨頂棚和適當(dāng)數(shù)量的吊耳,以便單元的起吊運輸[7]。單元與外部接口應(yīng)盡量少,以便單元的拆卸作業(yè)。首先,根據(jù)船塢可容納的最大型船舶調(diào)試所需的冷卻水量和各設(shè)備或系統(tǒng)的冷卻水壓力要求確定冷卻水泵的排量和排出壓頭,考慮到不同工況時的冷卻水耗量也不盡相同,可以將冷卻水泵分為兩臺,一大一小配置。各冷卻水泵可以單獨或并聯(lián)運行,提升冷卻水輸送量的靈活性,滿足不同船型、不同設(shè)備和系統(tǒng)對于冷卻水量的要求。其次,應(yīng)根據(jù)船舶各設(shè)備調(diào)試或系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的壓力要求和冷卻水泵的總揚程等參數(shù)確定穩(wěn)壓閥和泄壓閥的設(shè)計壓力。穩(wěn)壓閥和泄壓閥可以按需設(shè)定并調(diào)節(jié)設(shè)計壓力。當(dāng)冷卻水出口管內(nèi)壓力因自然界水源水位凈壓或冷卻水泵做功后超過設(shè)計值時,可通過穩(wěn)壓閥調(diào)節(jié)排出管內(nèi)的壓力始終處于設(shè)計范圍內(nèi)。同時,當(dāng)臨時冷卻水供給單元本身管路內(nèi)的壓力過高時,則通過泄壓閥釋放多余冷卻水,從而降低單元管路內(nèi)的壓力。提高了臨時冷卻水供給單元、船舶設(shè)備和系統(tǒng)的安全性。再次,應(yīng)根據(jù)自然界水源最大水位產(chǎn)生的靜壓和最大冷卻水耗量,計算自流管通徑。當(dāng)自然界水源水位較高,具有足夠的靜壓時,可以通過自流管路自行流入船舶相關(guān)設(shè)備或系統(tǒng),無需通過水泵再行做功,可以降低單元的能耗。最后,將所有部件和管路閥、附件集中設(shè)計安裝于鋼制公共底座之上,單元主只設(shè)冷卻水進(jìn)出接口、泥沙泄放口和超壓水出口,詳見圖2。

圖2 臨時冷卻水供給單元

3 臨時冷卻水供給系統(tǒng)的應(yīng)用方案

臨時冷卻水供給系統(tǒng)主要由臨時冷卻水供給單元、管路和海底門格柵臨時封堵組成。船塢內(nèi)船舶沒有設(shè)備和系統(tǒng)的調(diào)試工作時,臨時冷卻水供給單元和海底門格柵臨時封堵無需安裝,可以存放于倉庫內(nèi)。當(dāng)塢內(nèi)船舶需要使用臨時冷卻水時,首先將臨時冷卻水供給單元吊入船塢內(nèi)指定位置,并與塢門進(jìn)水管通過軟管連接妥當(dāng);其次,將臨時封堵焊接至塢內(nèi)船舶海底門格柵進(jìn)水區(qū)域,并通過軟管完成塢內(nèi)冷卻水總管和封堵冷卻水接管的連接。臨時冷卻水供給系統(tǒng)運行期間,由于初期的水源泥沙含量較大,不能使用。可以關(guān)閉單元各濾器的進(jìn)口閥,打開泥沙泄放閥,直接排放至船塢排水井,直至水質(zhì)變清后,關(guān)閉泥沙泄放閥,根據(jù)塢內(nèi)船舶對冷卻水量的需求和自然界水源的水位高度選擇打開相應(yīng)的冷卻水泵或自流管路中海水濾器的進(jìn)口閥。其次,啟動冷卻水泵待其運行穩(wěn)定后,緩慢調(diào)節(jié)穩(wěn)壓閥,確保單元排出總管壓力在設(shè)計值范圍。臨時冷卻水通過海底門格柵封堵進(jìn)入船舶海水總管初期,管路和格柵封堵內(nèi)的空氣可以通過透氣管排出。如果,臨時冷卻水泵單元運行期間管路發(fā)生超壓,泄壓閥可以自動開啟,以穩(wěn)定單元內(nèi)管路的壓力。當(dāng)泄壓閥和穩(wěn)壓閥均不能維持臨時冷卻水的供給壓力,造成總管壓力超壓時,最后可通過海底門格柵臨時封堵的溢流管排出超壓的冷卻水。

4 結(jié)論

1)臨時冷卻水供給系統(tǒng)可以在船塢無水期間長時間運行,保障船塢內(nèi)船舶進(jìn)行設(shè)備和系統(tǒng)調(diào)試的冷卻水需求。

2)冷卻水泵及其他系統(tǒng)設(shè)備的單元集成設(shè)計,有利于拆裝和運輸,可避免自身浸水損壞和碰撞船舶的風(fēng)險。

3)海底門格柵臨時封堵可解決船舶海水總管在船塢期間無法存水的問題,還可以反復(fù)使用。

4)臨時冷卻水供給系統(tǒng)的保護措施可有效避免臨時冷卻水單元、船舶外板及海水總管損壞。

5)臨時冷卻水供給系統(tǒng)的使用可實現(xiàn)部分航行試驗項目工序前移,縮短船舶航行試驗的時間,提高船舶試驗效率,降低船廠的試驗成本。