大型铺管船冷却水系统设计1

黄文威，曲庆亮，于富强

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

某大型深水起重铺管船配备5 000 t全回转起重机，J-Lay、S-Lay 等2 型铺管系统，8 点锚泊定位系统，可实现单船浅水、深水、超深水铺管作业。铺设管径范围覆盖6～60英寸（1英寸=0.025 4 m），铺管最大水深为3 000 m。此外，铺管船还配备3级动力定位（Dynamic Positioning 3，DP3）系统和直升机起降平台。

铺管船的强大功能来自其配备的众多设备，出于优化设备体积和提高冷却效率的考量，这些设备大多采用水冷。这些设备数量众多，类型复杂，冷却参数各不相同，为确保设备的正常运行，需要对铺管船冷却水系统进行合理设计[1]。

基于某大型铺管船，从设备类型、动力定位、设备功能及布置位置等4 方面对冷却水用户进行分析，并探讨冷却水系统的设计要点。

1 分类分析

本文研究的大型深水起重铺管船搭载了大量的作业设备，从艏部到艉部具有水冷需求的设备数量超过250 件，下面分别从设备类型、动力定位、设备功能及布置位置等4 方面对冷却水用户进行分类。

1.1 设备类型分类

根据设备类型的不同，铺管船冷却水用户可分为船舶设备和作业设备。

1）船舶设备：保障船舶正常运行和人员正常生活的设备，如主发电机及其辅助设备、推进器及其辅助设备、空压机和空调冷藏设备等。

2）作业设备：体现船舶功能和施工能力的设备，如锚泊定位绞车、A & R 绞车系统、S-Lay 铺管设备和J-Lay 铺管设备等。

设备类型分类情况及参数信息见表1。

表1 设备类型分类情况及参数信息

1.2 动力定位分类

根据是否为DP 系统服务，铺管船冷却水用户可分为DP 相关设备和非DP 相关设备。

1）DP 相关设备：铺管船满足DP 要求，部分船舶设备需要根据DP 要求进行冗余设计，如主发电机及其辅助设备、推进器及其辅助设备等。

2）非DP 相关设备：主要包括作业设备和部分不需要满足DP 要求的船舶设备。

动力定位分类情况及参数信息见表2。

表2 动力定位分类情况及参数信息

1.3 设备功能分类

根据设备功能的不同，铺管船冷却水用户可分为主发电机及其辅助设备、空调冷藏设备等12 个类别，具体见表3。

表3 设备功能分类情况及参数信息

1.4 布置位置分类

该船总长约200 m，若将布置在艏部和艉部的设备均设计在一个冷却水系统中，系统的管路过长，将导致管道内的阻力损失过大[2]。此外，为满足系统内各个冷却水用户对冷却水量和压力的需求，系统的冷却水泵需要很大的排量和压头。因此，包含所有设备的冷却水系统设计方案不仅会增加建造成本，还不利于系统的后期维护和保养。

在进行冷却水系统设计时，要参考冷却水用户的布置位置，采用就近原则进行设计。根据布置位置的不同，铺管船冷却水用户可分为艏部设备和艉部设备，见表4。

表4 布置位置分类情况及参数信息

综合考虑以上对铺管船冷却水用户的分类情况，从系统建造成本、操作灵活性和维护便利性等角度出发，尽量精简冷却系统的数量，最终确定该铺管船的冷却水系统设计方案为4 个独立的系统，见表5。

表5 冷却系统设计方案

2 主发电机组冷却水系统

该船共有6 台主发电机组，3 台布置在左舷机舱，3 台布置在右舷机舱。每台主发电机组配置单独的中央冷却水系统，设备内部采用淡水冷却，高温淡水通过外部海水进行冷却[3]。6 台主发电机组的冷却水系统相互独立，任何1 台主发电机组的冷却水系统故障不会影响其他5 台的正常运行。因此，各冷却水系统的冷却水泵（淡水冷却泵和海水冷却泵）均不需要配置备用泵。

主发电机组冷却水系统主要包括如下设备：柴油机、发电机、滑油冷却器、主机回油冷却器、发电机淡水冷却循环泵、滑油冷却器淡水循环泵、中央冷却器和主发电机组海水冷却泵等。各设备均为DP相关设备，系统设计需要满足DP3的冗余要求。

除发电机需要配置单独的淡水泵进行冷却外，其他设备均通过柴油机机带淡水泵进行冷却。因此，每个主发电机组的设备可为柴油机设备组和发电机设备组。1 号主发电机组冷却水系统示意图见图1。

图1 1 号主发电机组冷却水系统示意图

3 推进器冷却水系统

该船配置有10 套推进器。其中：1 号和2 号为全回转主推进器，布置在艉部；3 号、4 号和7 号为伸缩式推进器，布置在艉部；5 号、6 号和8 号为伸缩式推进器，布置在艏部；9 号和10 号为管隧式侧向推进器，布置在艏部。每套推进器配置单独的冷却水系统，10 套推进器的冷却水系统相互独立。每套推进器冷却水系统配置2 台海水冷却泵、1 台板式冷却器和2 台淡水冷却泵。其中，海水泵冷却和淡水冷却泵均为1 用1 备。

推进器冷却水系统主要包括如下设备：推进器机械本体冷却单元、推进器电机、推进器变压器、推进器变频器及推进器室单元空调等。

推进器均为DP 相关设备，布置范围广，可覆盖艏部至艉部的大部分区域。各推进器采用独立的冷却水系统不仅能很好地满足DP3 的冗余要求[4]，还方便操作。

全回转主推进器冷却水系统示意图见图2。

图2 全回转主推进器冷却水系统示意图

4 艏部辅助设备冷却水系统

艏部辅助设备冷却水系统主要包括变压器、柜式空调等DP 设备，空压机、冷水机组、冷藏装置等船舶辅助设备，艏部锚泊定位绞车、J-Lay 绞车等作业设备。

考虑到DP、安全返港、冗余、隔离等要求，可将艏部辅助设备冷却水系统分为艏部左舷辅助设备冷却水系统和艏部右舷辅助设备冷却水系统等2个独立子系统。每个子系统配置3 台海水冷却泵、2台中央冷却器和3 台淡水冷却泵。其中，海水冷却泵和淡水冷却泵均为2 用1 备，中央冷却器1 用1 备。

艏部左舷辅助设备冷却水系统示意图见图3。

图3 艏部左舷辅助设备冷却水系统示意图

5 艉部辅助设备冷却水系统

艉部辅助设备冷却水系统主要包括如下设备：艉部锚泊定位绞车、工作空压机、导管架系统液压动力站、S-Lay 系统液压动力站、作业设备变压器、柜式空调、作业设备变频器、绞车刹车电阻及A & R绞车等。

根据作业设备使用工况，艉部辅助设备冷却水系统配置4 台海水冷却泵、3 台中央冷却器和4 台淡水冷却泵。其中，海水冷却泵和淡水冷却泵在最大使用工况时3 用1 备，中央冷却器2 用1 备。

艉部辅助设备冷却水系统的设备均为作业设备，在设计时需要考虑到不同的使用工况。选取同一时间需要开启的设备水量最大、散热量最大的工况进行设计，可有效减小冷却水泵排量、冷却器的换热量和船舶能耗。由分析可知：在最大作业工况时，艉部辅助设备冷却水系统需要开启3 台海水泵、2台冷却器和3 台淡水泵；而在其他作业工况下，开启2 台海水泵、2 台冷却器和2 台淡水泵即可满足要求；在航行工况下，仅需要开启1 台海水泵、1台冷却器和1 台淡水泵。

艉部辅助设备冷却水系统示意图见图4。

图4 艉部辅助设备冷却水系统

6 辅助设备冷却水系统其他设计方案

对于辅助设备冷却水系统，也可根据设备功能分类标准进行冷却，将DP 设备和非DP 设备分开。辅助设备中的DP 设备（如电站变压器和配电间柜式空调等）均为主发电机组服务，可称为主发电机组辅助设备，主空压机和控制空压机等设备也可归入主发电机组辅助设备冷却水系统中。为满足DP和安全返港的相关要求，可将主发电机组辅助设备冷却水系统分为左舷辅助设备冷却水系统和右舷辅助设备冷却水系统等2 个独立的子系统。对于非DP设备，则需要按功能进行分类冷却。

辅助设备冷却系统其他设计方案见表6。这种按设备功能进行分类冷却的方案在大型海工项目的冷却水系统设计中经常采用。与集中冷却相比，该设计方案可有效缩减冷却系统中的设备数量，简化系统设计、提高冷却效率，也方便后期的水量调试和使用维护[5]。然而，该设计方案会显著增加冷却系统的数量，这会极大增加冷却系统的建造成本和操作维护成本。

7 结论

为提高复杂冷却水系统的设计合理性，本文基于某大型铺管船，从设备选型、动力定位、设备功能及布置位置等4 方面对冷却水用户进行了分类分析，并探讨了冷却水系统的设计要点，希望能对后续类似项目的冷却水系统设计有所启发。