满足冗余要求的起重铺管船冷却水系统设计

张富明，戴 清

（1. 708研究所，上海 200011；2. 上海斯迪安船舶设计公司，上海 200030）

0 引 言

4400t起重铺管船[1]，采用电力推进，入德国劳氏船级社（GL）船级，满足二级动力定位要求（简称DP2），垂直起重能力4400t，回转起重能力3000t。机舱中配置有7台4350kW主发电机（No.1～No.7MDG）和1台1200kW港口发电机（HDG）；在船的前后左右布置有8台推进器，2台1935kW导管式艏侧推T1、T2，2台5500kW全回转主推进器T7、T8和4台2200kW全回转可伸缩式定位推进器T3～T6，见图1。该船的冷却系统分为高温水、低温水和海水冷却等3个系统，高温水冷却系统主要为主发电机组及港口发电机的缸头缸套冷却服务；低温水冷却系统主要用于发电机组、推进器、空压机、中央空调、单元空调、冷冻装置、铺管设备和定位绞车的冷却；海水冷却系统主要用于冷却流经板式冷却器的温度较高低温水。本文主要论述低温水冷却系统。图2为低温水冷却系统简图、表1为至各设备冷却的低温水流量。

图1 推进器布置

1 冷却水系统特点

该船的冷却系统有如下特点：

1)推进设备多、功率大，需冷却设备也多，冷却水的需要量大。既要保证在航行和部分负载工况下的冷却水用水量，又要保证动力定位[2]（DP）-铺管时最大负载工况下冷却水用水量。

2)推进设备和需冷却设备分散，且布置位置高低落差很大，既要保证位置高和离冷却水泵远的设备的用水量，也要保证位置低和离冷却水泵近的冷却设备的用水量；既要满足最大负载工况下各用水设备的压力要求，又能保证部分负载时各设备的冷却水进水压力不超过设备的承压能力。

3)在铺管和起重作业时，必须保持船的位置，因此推进系统必须满足DP2的冗余要求。对该船来说，至少要保证4台主发电机组和足够数量的推进器正常运转，从而保证船舶的定位和铺管设备正常工作，并在完成后安全退出。

图2 低温冷却水系统

表1 低温淡水水量/散热量分配 m3·h-1/ kW

2 满足冗余要求冷却水系统设计

2.1 冗余要求

对于民用船舶，追求的是经济、可靠和较长的使用寿命，因此，全船往往设计成一个中央冷却水系统。

对于该船来说，因有冗余要求，因此对冷却水系统除按常规流量、压力、温度等要求考虑外，还必须按规范中对DP2系统的冗余要求来设计。

该船冷却系统承担了7台主发电机组，8台推进器等重要设备的冷却，按动力定位的能力分析，在设备和系统发生单个故障时，至少要保证有4台主发电机组和6台（除主推进器以外的不相邻的2台推进器）或7台推进设备能正常工作，从而使船舶能保持位置，将正在进行的铺管工作继续一段时间，直至安全退出。所以，冷却水系统的设计应满足在发生单个故障时，仍能保证：1）有4台主发电机组正常工作；2）有6或7台推进设备能正常工作；3）保证发电机、推进器的控制设备有一个正常的工作环境，以免过热造成故障，进而使发电机组和推进器发生过障，如控制室的单位空调器等；4）保证生活环境设备，錨泊设备，铺管设备的冷却。

2.2 分组设计

首先，对主发电机组系统，在正常运行时，能保证设定的备用发电机处于待机状态，它的高温水系统的电磁阀在备机时自动打开，相关的缸套水加热器就会自动预热备用发电机组，以便随时起动。

为满足在设计海况条件下，设备和系统发生单个故障时，冷却水系统仍能保证有4台主发电机组和6或7台推进设备能正常工作的要求，将低温水冷却系统设计成3组。

一是将主发电机组分为3组：No.1～2主发电机组为一组，No.3～4主发电机组为一组，No.5～7主发电机组为一组；二是全船需冷却的设备也分为3组。No.1低温冷却水系统专为No.3～4主发电机组和机舱左/前部的冷却设备服务，包括T1、T2、T3、T4推进器；No.2低温冷却水系统专为No.5～7主发电机组和机舱右/后部的冷却设备服务，包括T5、T6、T7、T8推进器；No.3冷却系统专为No.1～2主发电机组及有关设备服务。分组如图2所示。

分组使电力供应设备有了冗余，在任意一组冷却水系统发生故障时，另两组冷却水系统还能保证4～5台主发电机组正常工作，也就能保证了6～7台推进器能得到充分电力和冷却水，而正常工作。

对推进设备，它的冷却水分别由 No.1、2冷却水系统供给，第一组供给 T1～T4推进器，第二组供给T5～T8推进器，任一组冷却水系统故障，留下的一组不能保证有6～7台推进器正常工作，所以按冗余要求，设置了应急冷却水系统，当第一或第二主发电机组的某机冷却水进口软管发生断裂漏水时，相应的低温水膨胀箱就会连续发出低位-低低位报警，就可即刻起用应急冷却水系统并切断漏水的那组冷却水系统供水，为其供水的推进器供应冷却水，回水则进入另一台板式冷却器冷却。

2.3 对设备或零部件设置冗余功能

设计过程中，对系统本身和它内部的活动或有故障风险设备或零部件，进行了故障模式分析（FMEA），在此基础上设置冗余功能。对No.1、2低温水系统：1）当1号或3号低温水冷却泵发生故障时，2号低温冷却水泵自动投入工作，备用1号或3号低温水冷却泵；2）在冷却器能力的设计上，每台都有百分之百冷却能力并设置高差压报警，在一台冷却器堵塞时，可提前清洗，另一台冷却器能担负2个系统的工作；3）在 No.1、2低温冷却水系统中的主发电机组弹性软管断裂，发生大量渗漏的应急情况下，此时低温水膨胀箱液位会很快下降，由低位报警很快变为低低位报警，可用遥控的方法关闭漏水系统管路，并使2号低温冷却水泵和应急冷却管路即刻投入工作，保证有4台以上主发电机和6～7台推进器正常工作；4）在No.1、2低温冷却水系统中，任意一个低温水温度调节阀故障时，另一个低温水温度调节阀，均可承担 2个系统的冷却或温度调节；5）低温水膨胀箱设低液位和低低液位报警，先关闭或隔离大量漏泄管段，再采取堵漏措施； 6）每一个推进设备都有2套冷却管路，一套管路用于正常冷却水供应，一套管路用于应急供应冷却水；7）各推进器堵塞或漏水时，设备的进口压力传感器会发出低压报警，停止该推进器，切断该推进器供水；8）鉴于船尾主推进器等设备的冷却水由机舱第 2组冷却水系统供应，中间的管弄长，故障难以发现，且维修困难，所以在管弄设置了2套冷却水管路，2进2回，当管弄出口处冷却水增压泵前低温水出现低压报警时，可关闭原运行管路，改走应急管路，对艉部T6、T7和T8推进器等主要设备进行冷却；9）考虑至艉部推进器的冷却水管路比较长，压力损失较大，为防止冷却水压力过低，设置了 2台冷却水增压泵，一台出现故障，另一台自动投入工作；10）喷油嘴冷却器的故障会引起油系统故障报警，但只影响一台发电机组，不设置冗余。

上述措施，从冷却设备，推进设备和管路系统的设计上，采取了冗余设计，因而保证了每个推进设备都能在单个故障时，正常工作和冗余。

3 平衡阀和旁通阀

3.1 保证设备用水量和安全水压

从图2和表1看，No.1、2低温冷却水系统庞大，需冷却的设备多，热交换量和冷却水量较大，因此，系统的设计还必须保证各个不同位置用水设备，在各种工况下的用水量和进水压力。在设计冷却水系统时采取了下列措施：1）选用足够水量的低温水冷却泵和海水冷却泵，保证需冷却的设备用水量总和，并考虑管路阻力引起的水流不均衡，适当留有余量，2）设置足够高度的膨胀水箱，保证位置最高的用水设备的进水压力和用水量，3）配置平衡阀确保主要用水设备在各种工况下用水量的稳定，4）设置旁通阀和节流阀用以调节系统冷却水的流量和压力。表1为各组冷却水系统在DP2工况下的最大用水量，小于相应系统中单台低温冷却水泵的排量。

3.2 平衡阀和旁通阀的设置

从表1看，在正常DP2设计工况，6台柴油发电机组8台推进器运行时，No.3低温水冷却水系统的每台低温水冷却泵排量为400m3/h，需要的冷却水量358m3/h，多余42m3/h；No.1低温冷却水系统的低温水冷却泵排量为1250m3/h，需要的冷却水量约为950m3/h，多余300m3/h；No.2低温冷却水系统的低温水冷却泵排量为1250m3/h，需要的冷却水量约为1015m3/h，多余235m3/h；7台主发电机组、港口发电机、主空压机、8台推进器，艏艉錨绞机，全船空调、单位空调、冷冻压缩机的总管和支管的流量都设置了自动流量平衡阀。在No.1、2的1号和3号低温水冷却泵的出口总管上各设置有一个自力式差压平衡阀和一个截止阀组成的旁通阀组。保证每个设备的冷却水量需求。

自力式差压平衡阀的作用是在正常DP工况下，6台柴油发电机组8台推进器运行时，旁通系统中多余的水流量；与它并联截止阀的作用是在航行工况或平静海况下，只需4～5台发电机组和4～5台推进器工作时，系统多余水量大大增加时，旁通更多的水量。

4 结 语

通过上述措施，使冷却水系统的设计达到了流量平衡和压力控制的目的。

1)码头试车时，1台低温淡水泵工作，7台主发电机组的冷却淡水进口压力如表2所示。

表2 柴油发电机组低温冷却淡水进口压力

2)试航时，2台低温水冷却泵运转，出口水压力 4.6kg/cm2，每台主发电机的高温水冷却器前的低温水压力为4.2～4.3kg/cm2，主发电柴油机冷却水进口压力、主发电机组发电机冷却水进口压力和主空压机冷却水进口压力均为4.1～4.2kg/cm2，控制了各设备的进水压力，满足了各设备的冷却水需要量。

[1]中船708研究所. 大型起重/铺管船及工程船舶的开发[M]. 2010.

[2]姜延春. DP动力定位系统设计[J]. 广船科技，2001, (2)∶ 24.