7 000 HP多功能工程船冷却水系统设计

杨达梅

（广州船舶及海洋工程设计研究院，广州 510250）

1 前言

7 000 HP多功能工程船是由广州船舶及海洋工程设计研究院设计的多用途近海工程船。该船主要承担在我国近海海域执行船只拖带、应急抢修、消防灭火和海上落水人员搜救等任务；还可执行人员交通、岛礁运输补给等任务。本船冷却水系统为需要散热的主机、辅机、齿轮箱、CPP、甲板机械、空调等机械设备供应足够的冷却水，确保设备能正常可靠地工作。冷却水系统是船舶动力系统的重要组成部分，与船舶航行的稳定与安全密切相关，是本船履行主要功能任务的重要保证。

2 冷却水系统的基本形式

冷却水系统的基本形式有开式冷却水系统和闭式冷却水系统两种，如图1所示。

图1 冷却水系统基本形式

开式冷却水系统是指柴油机本身直接用舷外海水或江水冷却，如今已基本不采用；闭式冷却水系统是指柴油机用淡水冷却，淡水再经热交换器用舷外水冷却。这样可减少海水对柴油机的腐蚀，提高了可靠性。

若其他机械设备与主机使用同一个淡水冷却系统，称为中央冷却水系统；若有部分设备单独使用海水冷却，则称混合式冷却系统。

在柴油机的淡水冷却水系统中，有高温水回路和低温水回路。如采用高低温水的混合来调节参数，则属混流式；如高低温水回路各自分开，则为独立式。

采用自流海水（利用船舶航行的速度）来冷却淡水冷却器的中央冷却水系统，称为自流式中央冷却水系统。该种冷却系统偶有使用于航速较快的集装箱船。

常规冷却水系统和中央冷却水系统的优缺点，如表1所示。

表1 两种冷却水系统的比较

3 冷却水系统形式的选择

对于柴油机的冷却水系统形式，各柴油机制造厂均有规定或推荐，设计时应按照厂商规定或推荐的系统并综合考虑以下因素进行选择：被冷却设备的数量、使用工况、布置位置、初始投资及船东的需求等。

作为多用途工程船，因工况组合复杂，配置的设备种类繁多，需要水冷却的机械设备也较一般船舶多，详见表2。

表2 全船水冷却设备汇总表

由表2可知，从各设备的使用工况看，辅机(正常航行时二用一备，救助拖带时使用三台)、后齿轮箱、前齿轮箱、调距桨单元、中间轴承、舵机液压单元及尾轴密封等与主机使用工况比较一致，均在船舶航行时长时间运行；绞车液压单元和鲨鱼钳液压单元则只在拖带作业时运行；冷藏装置和空调机组需全天后运行；锚机则仅在起锚/抛锚作业时短时间运行；垃圾处理装置则不定时短时间运行。

从各设备的布置位置上看，主机、辅机、后齿轮箱、前齿轮箱、调距桨单元及中间轴承均布置在机舱；舵机液压单元、鲨鱼钳液压单元及尾轴密封布置在船尾；冷藏装置、空调机组及锚机液压单元布置在船首；垃圾处理装置及绞车单元布置在主甲板中部。

综合各设备使用工况及安装位置情况，并考虑管路系统布置等多方面因素，最终确定本船采用混合式冷却水系统，即主机、辅机、后齿轮箱、前齿轮箱、调距桨单元及中间轴承采用中央冷却水系统，其它设备采用海水冷却，其中主机按厂商要求采用高、低温淡水冷却系统。

4 冷却水系统设计

4.1 淡水冷却系统

中央冷却水系统由主推进低温淡水冷却系统和辅机淡水冷却系统组成：主推进低温淡水冷却系统负责给主机空冷器和滑油冷却器及缸套水冷却器、后齿轮箱、前齿轮箱、中间轴承、调距桨单元等设备提供低温淡水；辅机淡水冷却系统负责给三台辅机提供低温淡水；主机缸套高温淡水由主机缸套水冷却器冷却。

（1）主推进低温淡水冷却系统

本该船共配置二套主推进低温淡水冷却系统（左右舷各一套），分别为左右二套推进装置服务。正常运行时，两套冷却系统用眼镜法兰隔断，需要时二套冷却系统可相互连通，满足推进装置部分负荷运行。

主推进低温淡水冷却系统设二台主推进中央冷却器：每台容量为总容量的100%（热交换量），冷却器淡水出口温度设定为36 ℃；低温冷却系统的温度控制阀、温度传感器PT100及温度控仪等均由冷却器厂家配套供应；设置三台电动低温水冷却泵（二用一备）；每套主推进低温淡水冷却系统，各设置一只膨胀水箱（800 L）。

（2）主机缸套高温水冷却系统

主机缸套采用高温淡水冷却：每台主机带高温水泵，全船另设一台电动高温水备用泵，缸套水冷却器机带恒温阀；每台主机设高温膨胀水箱一只（500 L）；每台主机由厂家配套提供一套缸套水预热单元。

（3）辅机淡水冷却水系统

辅机淡水冷却系统主要为辅机空冷器、热交换器提供低温淡水；辅机滑油冷却器及缸套等由辅机内部高温水系统冷却。

辅机淡水冷却系统设二台辅机冷却器：每台容量为一台辅机容量的200%（每台辅机冷却器满足二台辅机同时工作），冷却器淡水出口温度设定为36℃；每台辅机带低温水冷却泵；低温冷却系统的温度控制阀、温度传感器PT100及温度控仪等均由冷却器厂家配套供应；系统设膨胀水箱一只（300 L）；每台辅机机带一套缸套水预热单元。

4.2 海水冷却系统

中央冷却海水系统设三台200 m3/h的电动主海水泵（二用一备）：每台主海水泵按一台主推进中央冷却器及一台辅机冷却器所需海水量的100%设计；另设1台30 m3/h的停泊海水泵，供停泊时一台辅机冷却用；设二台冷藏装置冷却海水泵（一用一备）；设一台空调冷却海水泵；设二台辅机海水冷却泵（二用一备，也可作为空调冷却海水泵的备用泵），供鲨鱼钳液压单元、绞车液压单元、锚机液压单元、舵机液压单元及垃圾处理装置冷却用。

4.3 关键设备的计算和选型

（1）中央冷却水系统热平衡计算

中央冷却水系统需进行系统热平衡计算。计算前需先绘制系统流程图，收集汇总各设备的热交换量及冷却水量，再根据本船环境参数等进行计算。本船海水温度为32 ℃、清洁系数按0.85。

（2）中央冷却器的计算和选型

中央冷却器一般采用板式冷却器。设计时由设计部门向板式冷却器制造厂提供热交换量、进出口参数、介质流量等有关参数，由板式冷却器制造厂对其进行计算和选型（板数、流动型式、阻力、液泵所需功率等）。对冷却介质为海水的板式冷却器，板的材料应为钛合金。本船中央板式冷却器热交换量为2 446 kW、淡水流量为160 m3/h、进口温度分别为48.2 ℃及36 ℃；辅机低温水板式冷却器热交换量为580 kW、淡水流量为38 m3/h、进口温度分别为49℃及36 ℃、海水温度为32℃。

（3）冷却水泵的选型

本船低温淡水泵、主海水泵流量均根据热平衡计算结果及板式冷却器厂家要求选取。虽然采用变频电机或双速电机可节省营运费用，但考虑到初始投资及设备的可靠性，本船选取常规定量电动泵。

（4）系统管路设计

管路设计时应注意对管路进行合理布置，除按流速要求进行计算外还应核算管路沿程阻力。另外，本船冷却用户较多，不同用户所需冷却水量不同，为了保持流量平衡，本船在前齿轮箱、后齿轮箱、调距桨单元、中间轴承入口均设置节流孔板。为了保证冷却淡水泵吸入口的正压头及管路淡水泄漏损失和热膨胀，在高低温淡水系统均设置了膨胀水箱，膨胀水箱容积一般为系统容量的1%。

对于海水冷却的设备，应根据需要设置海水过滤器；设备布置时需注意为板式冷却器的维修保养预留足够的空间。

考虑到我国北方冬季严寒的气候条件，本船将经过中央冷却器的部分海水引回海底门，防止中央冷却器淡水侧温度过低而对设备产生不利影响，也能防止海底门内的海水结冰。

5 实船使用效果

经过多艘船使用验证，本船冷却系统在自由航行、轴发、对外消防、拖带、锚泊等不同工况、不同负载下均能稳定运行，系统流量分配平衡、压力稳定，表现了很高的可靠性。

6 结语

以上简述了船舶冷却水系统的基本形式及特点，并介绍了7 000 HP多功能工程船冷却水系统的设计过程。通过多艘船的实船验证，本船冷却水系统表现了很高的稳定性和可靠性。随着科技技术的不断进步，变频技术、双速电机等控制技术的逐渐成熟，本船冷却水系统仍存在进一步优化的空间，希望能通过新技术的应用，在保持系统可靠性、稳定性的同时，不断降低系统运行能耗、提高系统经济性。