某船多机舱辅助设备中央冷却系统设计

万新斌（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

某船多机舱辅助设备中央冷却系统设计

万新斌
（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

针对某船多机舱设备的设置情况，对辅助设备中央冷却系统的形式、水系统的设计、中央冷却器的设计、压力、流量调节装置的设计、系统的冗余设计进行分析和研究，形成针对该船的辅助设备中央冷却系统设计方案，并对系统的控制策略进行了介绍。

多机舱；辅助设备；中央冷却系统

引　言

冷却水系统作为船舶动力系统的一个重要组成部分，其作用是为船舶设备运行提供足够的冷却水，以保证船舶在运营过程中各设备处于正常的可控温度范围内［1］。如果船舶动力辅助设备和电站柴油机的低温冷却水均采用海水进行冷却，容易产生管路腐蚀严重、维修工作量大、维护费用高等问题。

船舶中央冷却系统，是采用淡水作为柴油机的低温冷却水，同时对船舶的辅助设备进行淡水冷却，用海水对淡水进行集中冷却的形式。因其具有以下优点：维修简单、费用低、可靠性高、运行安全，尤其是海水管路短、腐蚀少、有利于机舱布置和实现自动控制等，所以日益为军民舰船广泛采用。

1　多机舱辅助设备中央冷却系统简介

某型船设有前主机舱、后主机舱和后辅机舱共三个机舱，并设有前后主电站，分别位于前主机舱和后辅机舱内。由于正常运行过程中的主机转速变化范围较大（进一转速与进五转速相差约300 r / min），同时按主机制造厂要求，主机采用单独的低温冷却水系统。需要系统提供冷却的辅助设备为：主发电机组、停泊发电机组、主空压机、高压空压机、大气冷凝器、单位式空调、货油泵轴承及齿轮和货油泵隔舱传动装置等。为了减少对设备的腐蚀，因此采用中央冷却系统对上述辅助设备进行冷却。

该船在前后主电站各设3台主发电机组，在最大任务工况下，前后主电站均需2台主发电机组投入工作，再加上其余辅助设备，中冷系统负荷较大。因此，在该船前主机舱和辅机舱各设置1套中央冷却系统。在最大任务工况下前后两套辅助设备中央冷却系统均需运行；在1台主电站运行的情况下，通过1套中央冷却系统即可实现对本站主发电机组和全船其他辅助设备的冷却，前后两套中冷系统可以互为备用。

图1　标准式中央冷却系统原理

2　基本型式的选择和水系统的设计

该船辅助设备中央冷却系统采用标准式中央冷却系统，其基本原理如图1所示，低温淡水在中央冷却器中与海水进行热交换，高温淡水在缸套水冷却器中由低温淡水冷却，系统中仅有中央冷却器使用海水冷却［2］，提高了防腐蚀性能。

中央冷却系统的水系统包括低温淡水系统和海水系统，均可分为定水量系统和变水量系统［3］。由于定量系统的冷却水循环总量不变，能耗较大，因此该船水系统均采用变水量系统，其中低温淡水系统采用变水量和定水量相结合的水系统。

图2　变流量淡水系统原理

该船低温淡水系统的基本原理如图2所示。当发电机组运行的数量变化时，机带泵随之进行启停，系统的低温淡水总量也随之变化。由于除发电机组以外的中冷系统冷却设备多达33个，且均需系统设置的电动泵进行冷却，如采用变水量系统，水泵配置复杂且系统控制较为繁琐，因此该船除发电机组以外的辅助设备采用定量淡水系统。前后两套中央冷却系统均设置两台辅助设备低温淡水泵，其中一台水泵运行即可对前、后主机舱、后辅机舱及泵舱的所有辅助设备实现淡水冷却。

海水只在中央冷却器与淡水进行热交换，用户较为单一，可以通过中冷器淡水出口温度来调节海水泵的流量。考虑到降低控制系统的复杂程度，同时提高系统的可靠性，每套中央冷却系统设置2台双速中央冷却海水泵，一用一备。在负荷较低的工况下采用一台海水泵的低速工况即可，在高负荷工况下，采用一台泵的高速工况；在停泊工况时可用海水泵的低速工况进行冷却，不需另外设置停泊用中央冷却海水泵，降低了系统的装船成本。

3　中央冷却器的选型设计

经估算，该船机组和设备在额定工况时需要的总换热量为6 000 kW，由于换热量较大，若采用一个换热器，其外形尺寸和重量均较大，因此每套系统设置两个换热器，每个换热器的额定换热量为3 600 kW（总换热量的60%）。

中央冷却器可采用管壳式冷却器和板式冷却器两种。经初步测算，管壳式冷却器和板式冷却器的技术参数见表1。

由表1可知，在同样的换热量下，由于板式换热器具有较大的换热系数，其换热面积、外形尺寸和质量均较小。另外板式冷却器如采用钛合金板，其防腐蚀性能优于管壳式冷却器（冷却盘管为铜管或B10）；因此，从性能、外形尺寸和重量等方面考虑，该船采用板式冷却器作为辅助设备中央冷却器。

土木工程建筑结构的设计合理与否，关乎到建筑施工是否可以得到顺利开展与建筑本身是否可以得到有效应用。但是在具体施工过程中，由于设计方案中一些具体标识不够规范与标准，使施工的相关人员产生误解，影响到设计方案的正确运用，使建筑结构设计价值不能充分发挥其价值，这需要设计人员对后续设计工作的开展加强重视，与施工方保持良好的联系，保证设计方案能够得到有效的实施。

表1　两种冷却器的技术参数

4　压力、流量调节装置的选型设计

该船在运行过程中，为满足各种作业任务的用电需要，发电机组的数量需随之进行相应调整。淡水系统中的流量和压力将发生变化，为防止淡水管路发生回流、冷却水不流动或抢水等，需要保持冷却水回水管路中的压力和各设备进口处的流量基本稳定。

针对以上问题，以往的做法是在设备进、出口管路上设置节流孔板，由人工调节。节流孔板一般在系统最大运行工况下进行调试并设定，由于该船中冷系统设备多、工况多变，设备相互之间影响较大，如在管路上设置节流孔板，则数量较多，易产生操作麻烦、调节困难等问题。

基于以上原因，该船采用自力式调节阀。这种阀门根据前后压力的变化，即可自动对阀门开度进行调节，不需提供另外的动力源，大大简化控制装置的要求，操作简单方便［4］。由于发电机组低温淡水流量较大，为保持回水总管内压力相对稳定，该船在发电机组的出口管路上设置了自力式压差调节阀，用于自动保持回水总管内淡水压力的恒定。对于各辅助设备，为保证负荷变化时自动保持设备冷却水量恒定，防止抢水现象发生，在各冷却水进口支管上设置了自力式流量调节阀。

5　系统的冗余设计

在部分工况下，前、后两套辅助设备中央冷却系统中运行一套即可满足该船辅助设备的冷却需要。每套中冷系统设有两台中央冷却器，在低工况下运行一台中央冷却器，在高工况下运行两台中央冷却器，前后两套系统可以互为备用且控制相互独立，从而提高整个系统的可靠性。

为了提高系统的控制精度，在每台中央冷却器的淡水出口管路（非混合后的出口总管）上各设置一台调温阀，以保证各设备进口低温淡水温度的基本稳定；为了提高控制系统的可靠性，防止误报警和误动作，在中央冷却器的淡水出口总管上设置两个温度传感器，以实现对海水泵的控制；在每台淡、海水泵的出口管上各设置两个压力传感器，监控水泵的运行情况。

控制系统的部分硬件如PLC控制器、C PU、IM153模块、连接器等采用主动冗余切换的设计方法；软件具有一定的容错运行能力和故障报警自动切换备用的功能。

这些措施均提高了系统的可靠性，可以保证中冷系统始终处于连续稳定的运行状态。

通过以上分析，形成该船辅助设备中央冷却系统的初步方案（如图3所示）。

图3　辅助设备中央冷却系统方案图

6　系统控制策略

系统通过对淡水泵、海水泵的出口压力和泵的运行状态，以及中央冷却器淡、海水进出口温度、发电机组出口淡水温度及机组运行状态、三通阀开度等参数的监测和对淡、海水泵的遥控，实现前、后两套中央冷却系统的自动控制。系统主要设备的控制策略如下：

6.1 海水泵的控制

6.1.1 运行控制

人工启动发电机组运行所在舱的一台海水泵，然后转为自动状态，根据三通阀总管出口低温淡水温度T对系统进行控制：

T＜10℃，低温报警；

T＜25℃，海水泵停止使用；

25℃≤T＜34℃，保持一台海水泵处于低速运转状态；

T≥34℃，保持一台海水泵处于高速运转状态；

T＞36℃，高温报警。

6.1.2 选择控制

海水泵工作状态为一用一备。每次装置优先启动两台水泵中运行时间较短的一台，当该台水泵发生故障时，另一台水泵将自动切换使用，并发出水泵故障报警，待正常建压后再关闭故障水泵。

当一台海水泵发生故障、备用泵也同时发生故障时，系统由人工转为另一舱控制，并转为手动控制模式。

6.2 三通阀的控制

三通阀的开度根据其对应的低温淡水出口温度T进行调节：

T＜25℃时，三通阀冷却口保持0%开度，淡水不经过中冷器直接进入下次循环；

25℃≤T≤34℃时，三通阀开度根据T值进行PID控制调节，控制目标为33±1℃；

T＞34℃时，三通阀冷却口保持100%开度，淡水全部经过中冷器后再进入下一次循环。

7　结　论

中央冷却系统因具有较好的防止海水腐蚀能力，日益为军民舰船广泛采用。本文针对某船多机舱设备的配置情况，对中央冷却系统基本型式的选择和水系统的设计、中央冷却器的选型设计、压力、流量调节装置的选型设计、系统的冗余设计进行分析和研究，形成针对该船的中央冷却系统设计方案，并对系统的控制策略进行介绍，为其他舰船同类系统的设计提供了一定的参考和借鉴。

该系统中淡水侧除发电机组以外辅助设备的低温淡水能否采用变流量系统，还需结合后续使用情况进一步研究和探讨。

［1］ 杜磊.基于陆上机舱的中央冷却水系统设计研究［D］.大连海事大学硕士学位论文，2010.

［2］ 陈伟智.某船中央冷却系统控制策略研究［D］.上海交通大学硕士学位论文，2013：9-10.

［3］ 周振宇.船舶中央冷却系统淡水侧水系统设计分析［J］.机电设备，2013（2）：42-45.

［4］ 田志定.自力式调节阀在舰船中央冷却系统中的应用研究［J］.船舶与海洋工程，2013（2）：44-46.

Central cooling system design of auxiliary equipment for multi engine room ship

WAN Xin-bin
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Based on the equipment instalation for a multi engine room ship, this paper analyzes and studies the system mode, and the design of the water system, the central cooler, the pressure， the flux adjustment and the system redundancy for the auxiliary equipment central cooling system. It then proposes the design scheme and introduces the control strategy for the system.

multi engine room; auxiliary equipment; central cooling system

U664.81+4

A

1001-9855（2016）04-0063-05

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2016.04.063

2016-03-03；

2016-04-15

万新斌（1981-），男，硕士，高级工程师，研究方向：舰船轮机研究与设计。