船用柴驱水冷螺杆压缩机冷却系统设计与分析*

赖友荣,周艳辉

(广东艾高装备科技有限公司, 广东 佛山 528000)

0 引 言

舰船行驶在海上最怕碰到海底礁石。因为一旦舰船碰撞到海底礁石,轻则导致船体变形,影响舰船正常行驶,重则导致船体开裂、渗水从而引发重大安全事故。因此,及时清除掉海上舰船行驶航道内的礁石尤为重要。而清除需要通过压缩机为钻机提供动力并在航道礁石上钻取爆破孔,即采用机械钻机在水下进行钻孔爆破,爆破后采用抓斗(采用抓石斗)挖泥船进行清渣。为了保证足够的电力供应,压缩机通常采用柴油机驱动,只要携带足够的燃油,就能使柴油机能够长时间的、持续的为压缩机转动输出动力。螺杆压缩机在运转过程中会产生大量的热量,必须要通过热交换器利用冷却风或者冷却水进行热量交换,以保证压缩机安全可靠运行,因此冷却系统的设计至关重要。笔者根据船舱的设备布置情况,结合对流换热理论,创造性地提出水冷冷却系统的设计计算思路及方法,为船用环境下的柴驱螺杆压缩机设计提供参考和借鉴。

1 钻孔爆破船内部设备的布置

柴驱压缩机布置在船舱内,钻机布置在甲板上,通过管路将船舱内的压缩机空气引至甲板上的钻机,由于压缩机固定在船舱内,宜采用撬装式压缩机,船上要有足够的甲板面积,满足搭建钻机平台及安装辅助设备、生活设施的需要;大型的爆破船施工工程较大,以笔者所在公司某客户为例进行布置,甲板上总共布置有12台钻机设备,每2台钻机由1个太空气压缩机提供动力,因此船舱内布置7台压缩机,其中1台为备用压缩机,其余6台每两台布置在一个相邻的船舱内,压缩机舱的旁边布置有设备监控室,用于观察设备的运行状况;船舱内设备布置如图1所示。

图1 船舱内设备布置图

由于采用柴驱型螺杆压缩机,燃油的及时供应是保证压缩机正常运转的关键,直接影响到钻孔施工的进度。压缩机自身配备储油箱,加满一箱油大约可以满足8 h的正常施工,每使用8 h压缩机,油位报警器就会因油位低而报警停机,因此设计自动加油装置能够提高工作效率。船上单独设计有总储油箱,总储油箱的位置高于压缩机自带的油箱,压缩机自带的油箱上面设计有高、低油位传感器,油箱的加油口设计有防爆电磁阀,当压缩机运行使柴油消耗至低油位时,低油位传感器发出信号,控制柜检测到此信号后,给防爆电磁阀通电,防爆电磁阀开启,柴油通过自身重力的作用流入到压缩机的油箱;当柴油加至高油位时,高油位传感器发出信号给控制柜,切断防爆电磁阀的电源,防爆电磁阀关闭,从而实现自动加油的功能。

2 船舱内柴驱压缩机冷却系统的设计

2.1 常规风冷冷却系统设计及问题

在压缩机行业内,柴油机驱动的螺杆压缩机冷却换热基本采用铝制翅片式换热器[1]和冷却风扇,换热器由油冷却器、水箱散热器及中冷散热器三个冷却器组成。它们并排布置在柴油机曲轴前端的后侧,其中油冷却器用于冷却压缩机润滑油;水箱散热器用来冷却柴油机缸套内的冷却液;中冷散热器用来冷却柴油机经过涡轮增压器增压的空气。柴油机的前端风扇皮带轮上安装有冷却风扇,由柴油机曲轴皮带轮通过皮带驱动带动冷却风扇旋转,产生风压及风量,通过翅片式换热器的外翅片表面与内翅片的热交换,冷却柴油机及压缩机主机运转时产生的热量。

由图1可知,2台压缩机安装固定在船舶甲板下的同一个船舱内,如果采用风冷冷却方式,则从翅片出来的热风通常会比环境温度高出20 ℃左右,热风集聚在船舱内压缩机周围,致使压缩机工作的环境温度变高;而且由于2台压缩机并排布置,其中一台压缩机的排风口刚好与另一台压缩机进风口处于同一侧,这会使得其中一台压缩机的进风温度过高,导致冷却性能不足,这样的运行模式不仅会引起压缩机设备操作人员的不适,还会导致压缩机高温报警停机,从而导致压缩机无法正常工作。

2.2 新型水冷冷却系统设计

根据船舱的特点及使用环境发现,利用天然的海水做为冷却介质并采用管壳式换热器能够达到很好的冷却效果。但是海水的腐蚀性极强,随着使用时间的延长,海水会腐蚀冷却器内的铜管,从而导致冷却器失效,如果空压机内部的3个冷却器(水箱、中冷、油冷)都采用海水直接冷却方式,则极易出现冷却器内的铜管被海水腐蚀而引起损坏,从而影响压缩机的正常运转;而更换压缩机内部的海水冷却器及其管路相当麻烦,也势必会引起较长时间的停机,从而影响到钻机的正常工作。为了解决此问题,结合船舱内部有存储淡水的冷却水舱,并且冷却水舱位于空压机舱隔壁的特点,文中提出了大胆创新性的设计方案。空压机整机内部的3个冷却器采用淡水冷却器,空压机的外部靠近舱壁的位置设计有海水冷却器,采用海水冷却淡水的方法对空压机内部的淡水冷却器所需的循环冷却水进行冷却,从而保证空压机内部3个冷却器的使用寿命。淡水及海水的循环动力分别由淡水泵及海水泵提供,淡水泵及海水泵则设计为由柴油发动机后端的双槽皮带轮通过皮带连接至水泵输入轴的皮带轮而驱动,从而完成整个冷却循环系统的设计。冷却系统的总体设计图如图2所示。

图2 空压机内部冷却系统总体设计图

(1) 淡水冷却器设计计算及方案

首先根据压缩机机头的PAA参数性能表,查询散热量Q油及压缩机运转所需的循环润滑油量m油,然后根据压缩机设定的排气温度T排气以及热量计算公式计算出喷油温度的数值T油[2]:

Q油=C油×m油×ΔT

(1)

ΔT=T排气-T油

(2)

式中:C油为润滑油的比热值,kJ/kg·℃;m油为润滑油质量流量,kg/s;ΔT为排气温度与喷油温度的差值,℃。

然后根据进水温度及冷却水量,利用对流换热公式进行计算[3]:

Q油放热=Q水吸热=K×A×ΔTm

(3)

式中:K为对流传热系数,W/m2·K,由大量的实测数据获得;A为对流换热面积,m2;ΔTm为对数平均温差,℃,根据润滑油及冷却水的进出口温差取对数计算获得。

进行压缩机油冷却的换热面积计算,而实际布置的换热面积通常都留有15%～20%的面积余量,以避免理论计算取值造成的误差。然后分别根据柴油发动机提供的中冷换热量及气缸燃烧柴油的发热量,及其需要控制的柴油发动机气缸吸气温度及冷却液温度,按照如上的类似的热量计算公式及对流换热公式,分别计算出中冷换热器的换热面积及冷却液散热器的换热面积,并同样预留15%～20%的面积余量,避免理论计算取值造成的误差。

按照实际的换热面积及进出口位置要求设计出实际的油冷却器、中冷冷却器及水箱散热器的结构,并按照如图3、4所示的方案进行结构布置。

(2) 海水冷却器设计计算及方案

根据上文计算的Q油、Q气、Q冷却液,将三者换热量相加即可得到海水冷却器的换热量Q总=Q油+Q气+Q冷却液,根据Q总及淡水的循环水量及海水循环水量和海水的常年平均温度T海,利用如上所列的对流换热计算公式,计算出海水冷却的换热面积A海水,并预留20%～30%的面积余量,海水冷却器的冷却铜管建议采用牌号为C44300的海军铜,冷却器布置在船舱里靠墙位置,提高抗海水的腐蚀能力,如图5所示。

图5 海水冷却器布置示意图

(3) 驱动水泵选型及方案

根据淡水冷却器确定的淡水循环水量和海水冷却器确定的海水循环水量进行淡水泵及海水泵的选型,同时需要结合水管路的长度,考虑选择合适的水泵扬程,并留有10%～20%的余量;由于空压机内部冷却器的冷却效果基于一定的海水温度才能保证,因此淡水水泵与海水水泵的运转必须同步进行才能保证良好的冷却效果。基于此情况,提出采用柴油发动机后端输出双槽轮,利用皮带传动[4]分别驱动淡水水泵及海水水泵。柴油发动机的后端及淡水泵和海水泵固定在同一个支座上面,支座的底部安装有减振器,淡水泵及海水泵分别位于柴油发动机的两侧,淡水泵及海水的安装支架位置设计有长腰形孔位,用于确保皮带的安装及皮带的胀紧调整;同时,支座还需要设计有定位螺栓固定架,当水泵的皮带轮胀紧[4]以后,定位螺栓可顶住水泵的底座,以确保水泵不发生位移;当柴油发动机工作时,就会通过皮带轮分别驱动淡水泵及海水泵。具体的布置方案如图6所示。

图6 驱动水泵的方案布置

(4) 冷却水管路的选型注意事项及方案

空压机内部有3个冷却器,分别为油冷、中冷、水箱散热器。为方便冷却水冷的布置,3个淡水冷却器的循环水冷采用串联结构设计,以减少管路的复杂性,减少水流量的大小;为确保能选型到合适的水泵,各冷却器管路之间的连接采用胶管[5],以减少因制造误差产生的各冷却器接口之间的连接尺寸偏差,同时由于水泵进水口处于负压状态,因此胶管的选择需要考虑到负压的影响,避免运行时胶管被吸变形而引起水流量的不足;空压机整机的淡水进出水口及海水进出水口需合理布置,方便客户外部的水冷连接,在进出水口上粘贴易识别的标识,避免客户进出水口接反;进出水口如图7所示。

图7 空压机整机进出水口

3 冷却系统调试测试

压缩机组设计制造完成后进入船舱中需进行开机调试,对冷却系统的各部件进行验证测试,并收集大量的温度数据,然后根据海水冷却器的进出水温差、淡水冷却器的进水出温差及压缩机的排气温度绘制曲线,如图8所示。

图8 海水冷却器、淡水冷却器进出口温差及排气温度值曲线

从海水冷却器的进出水温差、压缩机淡水冷却器淡水的进出水温差可以看出,海水冷却器进出水温差在机器开机运行1 h后基本达到稳定,即保持约5 ℃左右的温差;而淡水冷却器的进出水温差在机器开机运行1 h后基本达到稳定,即约12 ℃左右的温差;机组的排气温度运行1 h后基本达到稳定,即约120 ℃左右;冷却系统的换热性能稳定可靠,满足压缩机正常运行的使用要求,可以保证螺杆压缩机的正常工作。

4 结 语

文章在常规柴油机驱动的螺杆压缩机的冷却方式基础上采用水冷冷却设计,并结合舰船的内部结构特点及相关自然条件,提出利用海水冷却淡水,淡水冷却螺杆压缩机整机的设计思路,同时利用柴油发动机后端双槽皮带轮,通过皮带分别驱动淡水泵及海水泵而提供冷却循环水,完美地设计出柴驱舰船用水冷螺杆压缩机;压缩机进入船舱安装后,进行了开机调试,冷却系统性能稳定可靠,可以保证柴驱螺杆压缩机的正常工作,为船用环境下的柴驱螺杆压缩机水冷冷却系统的设计提供参考依据。