船舶中央冷却系统淡水侧水系统设计分析

周振宇

● （中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

船舶中央冷却系统淡水侧水系统设计分析

周振宇

● （中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

介绍了船舶中央冷却系统淡水侧水系统的几种设计方案，并对其中一种常用的变水量系统的水系统压力分布进行了分析探讨。可供设计人员在船舶中央冷却水系统设计时参考。

船舶中冷系统；淡水侧水系统；水压力分布分析

0 引言

船舶上冷却系统中海水管路的腐蚀是一个一直困扰着船舶设计、制造与使用的问题。为了解决冷却系统中的腐蚀问题，目前国外船舶一般采用中央冷却系统，即整个动力系统低温部分和高温部分和其他辅助设备的冷却均采用淡水冷却，再通过中央冷却器用海水来集中冷却这些淡水。中央冷却系统的出发点就是尽可能减少海水管路并将海水管路控制在有限的范围中，从根本上解决了海水对船舶绝大部分管路的腐蚀问题。因此，中冷系统在这几年的应用日渐广泛。

1 中冷系统淡水侧水不同水系统设计方案分析

中央冷却系统设计时，在淡水侧可采用不同的水系统设计方法，借鉴空调冷（热）媒水系统设计分类方法[1]，根据系统负荷侧总水量变化状况，将中冷淡水侧水系统分为定水量系统和变水量系统，其中变水量系统根据不同水泵设置方法，又分为不同的变水量系统。现在就这几种系统设计进行分析比较，以便选择较合理的设计方法。

1.1 定水量系统

图1为定水量系统系统设计，为了满足末端装置的负荷变化，在末端装置处采用三通阀进行调节。这种系统的特点是系统中负荷侧总水量是不变的。这种系统的优点是系统简单，操作简便，各末端装置之间不会互相干扰，系统在调试好后运行稳定；在冬季，由于系统中各处的水均是流动的，且系统中的水温是中和的，因此系统不需采取特殊的防冻措施。该系统的缺点是水量按最大负荷确定的，而最大负荷出现的时间很短，及使在最大负荷时，各末端装置的峰值也不会在同一时间内出现，绝大部分时间供水量都大于所需的水量，因此水泵无效耗能很大。此外，采用该系统方案设计中冷系统时，则必需改变主机、辅机采用机带泵的形式，同时主机、辅机相应的控制部分也要作相应的改动，这是采用该系统设计的关键所在。

图1 定水量系统示意图

1.2 变水量系统1

图2为单式泵的变水量系统，末端装置处设置了两通阀，当末端装置不需要供水时，该处的两通阀关闭，系统停止向该装置供水，因此系统在供水侧的水量是变化的。为了确保系统中水泵与水量的匹配性，在供回水总管之间设置了压差旁通控制阀。采用该方式时，同样需改变主机、辅机采用机带泵的形式。相对于其他变流量系统设计，该系统设计及控制还是较简单的。虽然是变水量系统，但是由于该系统的水泵仍然是按系统最大总水量来配置的，因此运行中水泵耗能与定水量系统相同，没有起到变水量系统的节能作用。用于中冷系统时，在冬季时，由于不需供水的分管路的水不流动，如果管路经过环境温度低于0℃以下的场所，长时间有该处可能会结冰使管路冻裂，因此该管段的水需排放掉。

图2 单式泵变水量系统示意图

1.3 变水量系统2

图3为复式泵的变水量系统，该系统不需改变主机、辅机采用机带泵的形式和相应的控制形式。此系统在换热器侧和末端装置侧分别设置水泵的复合环路，是二次泵系统。该系统在换热器侧设置一次泵，一次环路内水量维持不变；在末端装置侧设置了二次泵构成了二次环路。该系统的优点是各末端装置的运行相对独立，比较灵活，对于大型系统中各末端负荷变化规律不一和供水作用半径相差悬殊的场合尤其适合。但该系统由于采用二次泵形式，一次泵的水量相当于二次泵水量的总和，在二次泵运行台数减少后一次泵仍然需要全负荷运行；且目前的中冷系统中，其主要服务区域集中在机舱区域，供水作用半径不大，为此增加两套环路及水泵，会使设计复杂化，空间拥挤。且该系统相对于其他变流量系统设计，该系统设计及控制也比较复杂，因此该系统设计在应用中几乎不予采用。同样用于中冷系统时，在冬季时，同样需要考虑不使用管路的防冻问题。

图3 复式泵变水量系统示意图

1.4 变水量系统3

图4 变水量系统3示意图

图4是目前常用的一种中冷淡水系统设计方案。该系统维持了主、辅机采用机带泵的形式和相应的控制形式，当部分末端装置不工作时，这些机带泵将停止运行，使得系统中特别是主管路中的水量发生了变化，因此该系统为典型的变水量系统。该系统的优点是各末端装置可独立运行，不使用的末端对应的水泵可停止运行，运行节能效果明显。但该系统需在各末端装置管路设置了自力式压力调节阀以确保各分支路的水流量维持不变，因此在设计时应对系统压力作分析以选择合适的调节阀和水泵，该系统设计技术要求较高，系统控制和调试设定也比较复杂[2]，如果实际管路走向与设计管路走向相差较大时，容易使系统出现问题。为了更好的了解这类系统设计的可行性和可靠性，预见可能发生的问题，现在我们就其淡水侧水系统做以下几方面的分析。

1.4.1 水系统压力分析

为了确保水泵、各调节阀与系统管路设计相匹配，我们借鉴空调冷（热）媒水闭式系统压力分析方法[3]，首先对变水量系统 3在不同运行工况下的系统压力分布进行分析。图5为中冷系统在静止时和运行时的压力分布示意图，为了方便视图，图中对系统总管段部分作了简化。从静止流体压强分布规律可以知道，当系统内充满水后，系统各部件所承受的水静压强P的大小与其所处位置的水深h成比例关系的，即压强P=ρ g h；因此系统水静压强分布线如图中双点划线所示。当系统运行时，管路与膨胀水箱的连接点是恒压点（即水泵运行与不运行时该处的水静压强不变），由水泵压头（扬程）所造成的静压强分布线就必定通过该点。由于管路摩擦阻力和局部阻力的关系，沿管路的压强逐渐减少，其变化情况如图中虚线所示。这样，水泵运行时静压力分布线就是双点划线和虚线坐标值的叠加（合成的压力分布线在图中没有表示出来）。

图5 变水量系统3在静止时和运行时的压力分布示意图

从图5的压力分布线可知，系统中可能出现低压的管段在膨胀水箱接入点至水泵这一段管段上，当该段管路压力损失很大而膨胀水箱的安装位置又较低时（即该处水静压强值又较低），该处的压力就会变得很低。我们知道当管路中压力等于或低于水温相应的汽化压力时，该处的水就会发生汽化，汽化发生后，会产生气蚀现象。通常在其他系统设计时这一管段非常短，不需考虑这个问题。在实际应用中，主机、辅机所带水泵的布置位置均较近，因此出现气蚀的概率很低；系统中冷水机组的冷却水泵距离膨胀水箱接入点是最远的，建议对该管段的压力损失进行估算，以确定该管段设计及膨胀水箱位置合理性。

1.4.2 水系统自力式压力调节阀特性分析及匹配问题

图6为系统全负荷运行（系统中所有水泵全部运行）与部分负荷运行（系统中部分水泵运行）时的压力分布示意图，其中虚线为全负荷运行时的系统压力分布线，双点划线为只有管路3的水泵运行时的系统压力分布线。我们知道，管路阻力损失P与流量Q的关系为P=KQ2，管路确定后，管路特性系数K为定值。从图中可看出，当总管路的水流量减小时，管路阻力损失将降低，使得整个系统的压力损失降低，这时如果不做任何调节控制，则水泵会偏离原有的工作点，当最大流量与最小流量差别很大时，则水泵可能无法正常工作，甚至会影响到末端装置的正常工作。当部分水泵运行时，各分管路的水流量由于阻力损失的变动而相互干扰产生波动。因此，这时，如果要维持分管路的流量在全负荷状态时的流量，则需在管路中人为增加阻力，使系统阻力损失回复到全负荷运行的状态值，这个调节功能则需要由合适的自动调节阀来完成。所以该调节阀的正确选择及应用是非常关键的。因此应结合管路压力损失变化、水泵特性和调节阀特性的分析，使之相互匹配。

图6 变水量系统3全负荷运行和部分负荷运行时的压力分布示意图

1.4.3 建议

根据以上分析，建议在设计中注意以下：

1）由于管路压力损失变化集中在总管段上，因此设计时尽可能减少总管段的阻力损失，即使管路特性系数K越小，管路压力损失随流量变化的变化就越小。具体措施有：缩短总管段的长度，放大总管段管径，减少总管段处的阀件、弯头和分支接头等，采用供、回水集管等，总水流量降低到一定程度时关断其中一个板式热交换器的管路等，如图7所示。

图7 优化后的变水量系统3中冷系统示意图

2）在设计中应尽可能减少带泵分支管路的数量，即尽可能减少系统中最大水流量与最小水流量的差值，以降低管路水量波动的可能性；必要的时候对部分水泵进行联动控制以提高最小流量值（即采用陪打措施）；

3）对管路压力损失变化进行分析，结合水泵特性得出各支管路可能的水流量波动范围，选择合适的调节阀。

4）系统在冬季严寒季节运行的可靠性及解决措施：在冬季时，由于不需供水的分管路的水不流动，当管路周围环境温度低于0℃以下或更低温度时，即便管路外敷设保温，如果管路经过的舱室没有保暖措施，也会出现管路冻裂的问题。由于机舱冬季温度在5℃以上，在机舱区域的管路勿须考虑防冻问题，但供给机舱以外的区域的系统管路，必须考虑该管段的防冻问题，必要时设置相应的阀门和排放管路，在冬季将该管段的水排放掉。

2 结论

从上分析可以看到，中央冷却水系统淡水侧水系统设计的方案是多种多样的，又各有有缺点，如果能妥善解决主机、辅机的机带泵形式及控制问题，可采用定水量系统和变水量系统1的设计方案，系统设计和控制方式均较为简单可靠。对于主、辅机设机带泵型式的，可考虑采用变水量系统3的设计方案，同时注意管路设计和压力平衡控制问题，以确保系统的可靠运行。

[1]陆耀庆主编.实用供热空调设计手册(第二版)[M].北京: 中国建筑工业出版社, 2008.

[2]丁睿, 唐建文, 董威等.电力推进船舶中央冷却系统动态特性建模及控制仿真[J].制冷与空调, 2006.

[3]陈沛霖.岳孝方等.空调与制冷技术手册[M].上海:同济大学出版社, 1990.

上海外高桥八天完成七大造船节点

春江水暖的三月，在上海外高桥造船有限公司的船坞、码头也呈现出一片繁忙的景象。随着3月17日公司为希腊安能格尔航运公司建造的20.6万吨散货船顺利出海试航，8天内公司共完成两船出坞、两船下坞、两船交付，以及一船出海试航的七大生产节点。

3月10日，在船坞内，由公司建造的两艘20.6万吨散货船H1271、H1244船在一号船坞顺利出坞，此轮次的出坞完整性都较上一轮有大幅提高。3月11日，公司建造的两艘20.6万吨散货船H1272、H1273船下坞建造。

3月15日，在码头上，公司建造的31.9万吨VLCC（H1223船）顺利交付离厂；3月16日，公司为日本三德船舶株式会社建造的17.6万吨好望角型散货船H1279船顺利交付离厂；3月17日，公司为希腊安能格尔航运公司建造的20.6万吨好望角型散货船H1243船顺利出海试航。

据悉，公司自3月初至3月17日，先后完成了7大生产节点，约占全年生产大节点总数的10%，为公司完成一季度生产任务打下坚实的基础。

Analysis of Central Cooling Circle Water System Design

ZHOU Zhen-yu
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Several types of central cooling circle water system on ships are introduced.Through analysis the pressure of system,some suggests are given which can be used as reference for some designers in central cooling circle water system design on ships.

central cooling circle water system; system design; pressure analysis

U664.5

A

周振宇（1971-），男，高级工程师。研究方向：船舶空调冷藏通风。