賴友榮,周艷輝

(廣東艾高裝備科技有限公司, 廣東 佛山 528000)

0 引 言

艦船行駛在海上最怕碰到海底礁石。因?yàn)橐坏┡灤鲎驳胶５捉甘?輕則導(dǎo)致船體變形,影響艦船正常行駛,重則導(dǎo)致船體開裂、滲水從而引發(fā)重大安全事故。因此,及時(shí)清除掉海上艦船行駛航道內(nèi)的礁石尤為重要。而清除需要通過壓縮機(jī)為鉆機(jī)提供動(dòng)力并在航道礁石上鉆取爆破孔,即采用機(jī)械鉆機(jī)在水下進(jìn)行鉆孔爆破,爆破后采用抓斗(采用抓石斗)挖泥船進(jìn)行清渣。為了保證足夠的電力供應(yīng),壓縮機(jī)通常采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng),只要攜帶足夠的燃油,就能使柴油機(jī)能夠長(zhǎng)時(shí)間的、持續(xù)的為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)輸出動(dòng)力。螺桿壓縮機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,必須要通過熱交換器利用冷卻風(fēng)或者冷卻水進(jìn)行熱量交換,以保證壓縮機(jī)安全可靠運(yùn)行,因此冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。筆者根據(jù)船艙的設(shè)備布置情況,結(jié)合對(duì)流換熱理論,創(chuàng)造性地提出水冷冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算思路及方法,為船用環(huán)境下的柴驅(qū)螺桿壓縮機(jī)設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

1 鉆孔爆破船內(nèi)部設(shè)備的布置

柴驅(qū)壓縮機(jī)布置在船艙內(nèi),鉆機(jī)布置在甲板上,通過管路將船艙內(nèi)的壓縮機(jī)空氣引至甲板上的鉆機(jī),由于壓縮機(jī)固定在船艙內(nèi),宜采用撬裝式壓縮機(jī),船上要有足夠的甲板面積,滿足搭建鉆機(jī)平臺(tái)及安裝輔助設(shè)備、生活設(shè)施的需要;大型的爆破船施工工程較大,以筆者所在公司某客戶為例進(jìn)行布置,甲板上總共布置有12臺(tái)鉆機(jī)設(shè)備,每2臺(tái)鉆機(jī)由1個(gè)太空氣壓縮機(jī)提供動(dòng)力,因此船艙內(nèi)布置7臺(tái)壓縮機(jī),其中1臺(tái)為備用壓縮機(jī),其余6臺(tái)每?jī)膳_(tái)布置在一個(gè)相鄰的船艙內(nèi),壓縮機(jī)艙的旁邊布置有設(shè)備監(jiān)控室,用于觀察設(shè)備的運(yùn)行狀況;船艙內(nèi)設(shè)備布置如圖1所示。

圖1 船艙內(nèi)設(shè)備布置圖

由于采用柴驅(qū)型螺桿壓縮機(jī),燃油的及時(shí)供應(yīng)是保證壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵,直接影響到鉆孔施工的進(jìn)度。壓縮機(jī)自身配備儲(chǔ)油箱,加滿一箱油大約可以滿足8 h的正常施工,每使用8 h壓縮機(jī),油位報(bào)警器就會(huì)因油位低而報(bào)警停機(jī),因此設(shè)計(jì)自動(dòng)加油裝置能夠提高工作效率。船上單獨(dú)設(shè)計(jì)有總儲(chǔ)油箱,總儲(chǔ)油箱的位置高于壓縮機(jī)自帶的油箱,壓縮機(jī)自帶的油箱上面設(shè)計(jì)有高、低油位傳感器,油箱的加油口設(shè)計(jì)有防爆電磁閥,當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行使柴油消耗至低油位時(shí),低油位傳感器發(fā)出信號(hào),控制柜檢測(cè)到此信號(hào)后,給防爆電磁閥通電,防爆電磁閥開啟,柴油通過自身重力的作用流入到壓縮機(jī)的油箱;當(dāng)柴油加至高油位時(shí),高油位傳感器發(fā)出信號(hào)給控制柜,切斷防爆電磁閥的電源,防爆電磁閥關(guān)閉,從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加油的功能。

2 船艙內(nèi)柴驅(qū)壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 常規(guī)風(fēng)冷冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及問題

在壓縮機(jī)行業(yè)內(nèi),柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺桿壓縮機(jī)冷卻換熱基本采用鋁制翅片式換熱器[1]和冷卻風(fēng)扇,換熱器由油冷卻器、水箱散熱器及中冷散熱器三個(gè)冷卻器組成。它們并排布置在柴油機(jī)曲軸前端的后側(cè),其中油冷卻器用于冷卻壓縮機(jī)潤(rùn)滑油;水箱散熱器用來冷卻柴油機(jī)缸套內(nèi)的冷卻液;中冷散熱器用來冷卻柴油機(jī)經(jīng)過渦輪增壓器增壓的空氣。柴油機(jī)的前端風(fēng)扇皮帶輪上安裝有冷卻風(fēng)扇,由柴油機(jī)曲軸皮帶輪通過皮帶驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)冷卻風(fēng)扇旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生風(fēng)壓及風(fēng)量,通過翅片式換熱器的外翅片表面與內(nèi)翅片的熱交換,冷卻柴油機(jī)及壓縮機(jī)主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱量。

由圖1可知,2臺(tái)壓縮機(jī)安裝固定在船舶甲板下的同一個(gè)船艙內(nèi),如果采用風(fēng)冷冷卻方式,則從翅片出來的熱風(fēng)通常會(huì)比環(huán)境溫度高出20 ℃左右,熱風(fēng)集聚在船艙內(nèi)壓縮機(jī)周圍,致使壓縮機(jī)工作的環(huán)境溫度變高;而且由于2臺(tái)壓縮機(jī)并排布置,其中一臺(tái)壓縮機(jī)的排風(fēng)口剛好與另一臺(tái)壓縮機(jī)進(jìn)風(fēng)口處于同一側(cè),這會(huì)使得其中一臺(tái)壓縮機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度過高,導(dǎo)致冷卻性能不足,這樣的運(yùn)行模式不僅會(huì)引起壓縮機(jī)設(shè)備操作人員的不適,還會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)高溫報(bào)警停機(jī),從而導(dǎo)致壓縮機(jī)無法正常工作。

2.2 新型水冷冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)船艙的特點(diǎn)及使用環(huán)境發(fā)現(xiàn),利用天然的海水做為冷卻介質(zhì)并采用管殼式換熱器能夠達(dá)到很好的冷卻效果。但是海水的腐蝕性極強(qiáng),隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng),海水會(huì)腐蝕冷卻器內(nèi)的銅管,從而導(dǎo)致冷卻器失效,如果空壓機(jī)內(nèi)部的3個(gè)冷卻器(水箱、中冷、油冷)都采用海水直接冷卻方式,則極易出現(xiàn)冷卻器內(nèi)的銅管被海水腐蝕而引起損壞,從而影響壓縮機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn);而更換壓縮機(jī)內(nèi)部的海水冷卻器及其管路相當(dāng)麻煩,也勢(shì)必會(huì)引起較長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī),從而影響到鉆機(jī)的正常工作。為了解決此問題,結(jié)合船艙內(nèi)部有存儲(chǔ)淡水的冷卻水艙,并且冷卻水艙位于空壓機(jī)艙隔壁的特點(diǎn),文中提出了大膽創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)方案?？諌簷C(jī)整機(jī)內(nèi)部的3個(gè)冷卻器采用淡水冷卻器,空壓機(jī)的外部靠近艙壁的位置設(shè)計(jì)有海水冷卻器,采用海水冷卻淡水的方法對(duì)空壓機(jī)內(nèi)部的淡水冷卻器所需的循環(huán)冷卻水進(jìn)行冷卻,從而保證空壓機(jī)內(nèi)部3個(gè)冷卻器的使用壽命。淡水及海水的循環(huán)動(dòng)力分別由淡水泵及海水泵提供,淡水泵及海水泵則設(shè)計(jì)為由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)后端的雙槽皮帶輪通過皮帶連接至水泵輸入軸的皮帶輪而驅(qū)動(dòng),從而完成整個(gè)冷卻循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。冷卻系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 空壓機(jī)內(nèi)部冷卻系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

(1) 淡水冷卻器設(shè)計(jì)計(jì)算及方案

首先根據(jù)壓縮機(jī)機(jī)頭的PAA參數(shù)性能表,查詢散熱量Q油及壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需的循環(huán)潤(rùn)滑油量m油,然后根據(jù)壓縮機(jī)設(shè)定的排氣溫度T排氣以及熱量計(jì)算公式計(jì)算出噴油溫度的數(shù)值T油[2]:

Q油=C油×m油×ΔT

(1)

ΔT=T排氣-T油

(2)

式中:C油為潤(rùn)滑油的比熱值,kJ/kg·℃;m油為潤(rùn)滑油質(zhì)量流量,kg/s;ΔT為排氣溫度與噴油溫度的差值,℃。

然后根據(jù)進(jìn)水溫度及冷卻水量,利用對(duì)流換熱公式進(jìn)行計(jì)算[3]:

Q油放熱=Q水吸熱=K×A×ΔTm

(3)

式中:K為對(duì)流傳熱系數(shù),W/m2·K,由大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲得;A為對(duì)流換熱面積,m2;ΔTm為對(duì)數(shù)平均溫差,℃,根據(jù)潤(rùn)滑油及冷卻水的進(jìn)出口溫差取對(duì)數(shù)計(jì)算獲得。

進(jìn)行壓縮機(jī)油冷卻的換熱面積計(jì)算,而實(shí)際布置的換熱面積通常都留有15%～20%的面積余量,以避免理論計(jì)算取值造成的誤差。然后分別根據(jù)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供的中冷換熱量及氣缸燃燒柴油的發(fā)熱量,及其需要控制的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸吸氣溫度及冷卻液溫度,按照如上的類似的熱量計(jì)算公式及對(duì)流換熱公式,分別計(jì)算出中冷換熱器的換熱面積及冷卻液散熱器的換熱面積,并同樣預(yù)留15%～20%的面積余量,避免理論計(jì)算取值造成的誤差。

按照實(shí)際的換熱面積及進(jìn)出口位置要求設(shè)計(jì)出實(shí)際的油冷卻器、中冷冷卻器及水箱散熱器的結(jié)構(gòu),并按照如圖3、4所示的方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置。

(2) 海水冷卻器設(shè)計(jì)計(jì)算及方案

根據(jù)上文計(jì)算的Q油、Q氣、Q冷卻液,將三者換熱量相加即可得到海水冷卻器的換熱量Q總=Q油+Q氣+Q冷卻液,根據(jù)Q總及淡水的循環(huán)水量及海水循環(huán)水量和海水的常年平均溫度T海,利用如上所列的對(duì)流換熱計(jì)算公式,計(jì)算出海水冷卻的換熱面積A海水,并預(yù)留20%～30%的面積余量,海水冷卻器的冷卻銅管建議采用牌號(hào)為C44300的海軍銅,冷卻器布置在船艙里靠墻位置,提高抗海水的腐蝕能力,如圖5所示。

圖5 海水冷卻器布置示意圖

(3) 驅(qū)動(dòng)水泵選型及方案

根據(jù)淡水冷卻器確定的淡水循環(huán)水量和海水冷卻器確定的海水循環(huán)水量進(jìn)行淡水泵及海水泵的選型,同時(shí)需要結(jié)合水管路的長(zhǎng)度,考慮選擇合適的水泵揚(yáng)程,并留有10%～20%的余量;由于空壓機(jī)內(nèi)部冷卻器的冷卻效果基于一定的海水溫度才能保證,因此淡水水泵與海水水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)必須同步進(jìn)行才能保證良好的冷卻效果?；诖饲闆r,提出采用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)后端輸出雙槽輪,利用皮帶傳動(dòng)[4]分別驅(qū)動(dòng)淡水水泵及海水水泵。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的后端及淡水泵和海水泵固定在同一個(gè)支座上面,支座的底部安裝有減振器,淡水泵及海水泵分別位于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的兩側(cè),淡水泵及海水的安裝支架位置設(shè)計(jì)有長(zhǎng)腰形孔位,用于確保皮帶的安裝及皮帶的脹緊調(diào)整;同時(shí),支座還需要設(shè)計(jì)有定位螺栓固定架,當(dāng)水泵的皮帶輪脹緊[4]以后,定位螺栓可頂住水泵的底座,以確保水泵不發(fā)生位移;當(dāng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí),就會(huì)通過皮帶輪分別驅(qū)動(dòng)淡水泵及海水泵。具體的布置方案如圖6所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)水泵的方案布置

(4) 冷卻水管路的選型注意事項(xiàng)及方案

空壓機(jī)內(nèi)部有3個(gè)冷卻器,分別為油冷、中冷、水箱散熱器。為方便冷卻水冷的布置,3個(gè)淡水冷卻器的循環(huán)水冷采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以減少管路的復(fù)雜性,減少水流量的大小;為確保能選型到合適的水泵,各冷卻器管路之間的連接采用膠管[5],以減少因制造誤差產(chǎn)生的各冷卻器接口之間的連接尺寸偏差,同時(shí)由于水泵進(jìn)水口處于負(fù)壓狀態(tài),因此膠管的選擇需要考慮到負(fù)壓的影響,避免運(yùn)行時(shí)膠管被吸變形而引起水流量的不足;空壓機(jī)整機(jī)的淡水進(jìn)出水口及海水進(jìn)出水口需合理布置,方便客戶外部的水冷連接,在進(jìn)出水口上粘貼易識(shí)別的標(biāo)識(shí),避免客戶進(jìn)出水口接反;進(jìn)出水口如圖7所示。

圖7 空壓機(jī)整機(jī)進(jìn)出水口

3 冷卻系統(tǒng)調(diào)試測(cè)試

壓縮機(jī)組設(shè)計(jì)制造完成后進(jìn)入船艙中需進(jìn)行開機(jī)調(diào)試,對(duì)冷卻系統(tǒng)的各部件進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試,并收集大量的溫度數(shù)據(jù),然后根據(jù)海水冷卻器的進(jìn)出水溫差、淡水冷卻器的進(jìn)水出溫差及壓縮機(jī)的排氣溫度繪制曲線,如圖8所示。

圖8 海水冷卻器、淡水冷卻器進(jìn)出口溫差及排氣溫度值曲線

從海水冷卻器的進(jìn)出水溫差、壓縮機(jī)淡水冷卻器淡水的進(jìn)出水溫差可以看出,海水冷卻器進(jìn)出水溫差在機(jī)器開機(jī)運(yùn)行1 h后基本達(dá)到穩(wěn)定,即保持約5 ℃左右的溫差;而淡水冷卻器的進(jìn)出水溫差在機(jī)器開機(jī)運(yùn)行1 h后基本達(dá)到穩(wěn)定,即約12 ℃左右的溫差;機(jī)組的排氣溫度運(yùn)行1 h后基本達(dá)到穩(wěn)定,即約120 ℃左右;冷卻系統(tǒng)的換熱性能穩(wěn)定可靠,滿足壓縮機(jī)正常運(yùn)行的使用要求,可以保證螺桿壓縮機(jī)的正常工作。

4 結(jié) 語

文章在常規(guī)柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺桿壓縮機(jī)的冷卻方式基礎(chǔ)上采用水冷冷卻設(shè)計(jì),并結(jié)合艦船的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及相關(guān)自然條件,提出利用海水冷卻淡水,淡水冷卻螺桿壓縮機(jī)整機(jī)的設(shè)計(jì)思路,同時(shí)利用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)后端雙槽皮帶輪,通過皮帶分別驅(qū)動(dòng)淡水泵及海水泵而提供冷卻循環(huán)水,完美地設(shè)計(jì)出柴驅(qū)艦船用水冷螺桿壓縮機(jī);壓縮機(jī)進(jìn)入船艙安裝后,進(jìn)行了開機(jī)調(diào)試,冷卻系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠,可以保證柴驅(qū)螺桿壓縮機(jī)的正常工作,為船用環(huán)境下的柴驅(qū)螺桿壓縮機(jī)水冷冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。