船舶中央冷卻系統淡水側水系統設計分析

周振宇

● （中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

船舶中央冷卻系統淡水側水系統設計分析

周振宇

● （中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011）

介紹了船舶中央冷卻系統淡水側水系統的幾種設計方案，并對其中一種常用的變水量系統的水系統壓力分布進行了分析探討。可供設計人員在船舶中央冷卻水系統設計時參考。

船舶中冷系統；淡水側水系統；水壓力分布分析

0 引言

船舶上冷卻系統中海水管路的腐蝕是一個一直困擾著船舶設計、制造與使用的問題。為了解決冷卻系統中的腐蝕問題，目前國外船舶一般采用中央冷卻系統，即整個動力系統低溫部分和高溫部分和其他輔助設備的冷卻均采用淡水冷卻，再通過中央冷卻器用海水來集中冷卻這些淡水。中央冷卻系統的出發點就是盡可能減少海水管路并將海水管路控制在有限的范圍中，從根本上解決了海水對船舶絕大部分管路的腐蝕問題。因此，中冷系統在這幾年的應用日漸廣泛。

1 中冷系統淡水側水不同水系統設計方案分析

中央冷卻系統設計時，在淡水側可采用不同的水系統設計方法，借鑒空調冷（熱）媒水系統設計分類方法[1]，根據系統負荷側總水量變化狀況，將中冷淡水側水系統分為定水量系統和變水量系統，其中變水量系統根據不同水泵設置方法，又分為不同的變水量系統。現在就這幾種系統設計進行分析比較，以便選擇較合理的設計方法。

1.1 定水量系統

圖1為定水量系統系統設計，為了滿足末端裝置的負荷變化，在末端裝置處采用三通閥進行調節。這種系統的特點是系統中負荷側總水量是不變的。這種系統的優點是系統簡單，操作簡便，各末端裝置之間不會互相干擾，系統在調試好后運行穩定；在冬季，由于系統中各處的水均是流動的，且系統中的水溫是中和的，因此系統不需采取特殊的防凍措施。該系統的缺點是水量按最大負荷確定的，而最大負荷出現的時間很短，及使在最大負荷時，各末端裝置的峰值也不會在同一時間內出現，絕大部分時間供水量都大于所需的水量，因此水泵無效耗能很大。此外，采用該系統方案設計中冷系統時，則必需改變主機、輔機采用機帶泵的形式，同時主機、輔機相應的控制部分也要作相應的改動，這是采用該系統設計的關鍵所在。

圖1 定水量系統示意圖

1.2 變水量系統1

圖2為單式泵的變水量系統，末端裝置處設置了兩通閥，當末端裝置不需要供水時，該處的兩通閥關閉，系統停止向該裝置供水，因此系統在供水側的水量是變化的。為了確保系統中水泵與水量的匹配性，在供回水總管之間設置了壓差旁通控制閥。采用該方式時，同樣需改變主機、輔機采用機帶泵的形式。相對于其他變流量系統設計，該系統設計及控制還是較簡單的。雖然是變水量系統，但是由于該系統的水泵仍然是按系統最大總水量來配置的，因此運行中水泵耗能與定水量系統相同，沒有起到變水量系統的節能作用。用于中冷系統時，在冬季時，由于不需供水的分管路的水不流動，如果管路經過環境溫度低于0℃以下的場所，長時間有該處可能會結冰使管路凍裂，因此該管段的水需排放掉。

圖2 單式泵變水量系統示意圖

1.3 變水量系統2

圖3為復式泵的變水量系統，該系統不需改變主機、輔機采用機帶泵的形式和相應的控制形式。此系統在換熱器側和末端裝置側分別設置水泵的復合環路，是二次泵系統。該系統在換熱器側設置一次泵，一次環路內水量維持不變；在末端裝置側設置了二次泵構成了二次環路。該系統的優點是各末端裝置的運行相對獨立，比較靈活，對于大型系統中各末端負荷變化規律不一和供水作用半徑相差懸殊的場合尤其適合。但該系統由于采用二次泵形式，一次泵的水量相當于二次泵水量的總和，在二次泵運行臺數減少后一次泵仍然需要全負荷運行；且目前的中冷系統中，其主要服務區域集中在機艙區域，供水作用半徑不大，為此增加兩套環路及水泵，會使設計復雜化，空間擁擠。且該系統相對于其他變流量系統設計，該系統設計及控制也比較復雜，因此該系統設計在應用中幾乎不予采用。同樣用于中冷系統時，在冬季時，同樣需要考慮不使用管路的防凍問題。

圖3 復式泵變水量系統示意圖

1.4 變水量系統3

圖4 變水量系統3示意圖

圖4是目前常用的一種中冷淡水系統設計方案。該系統維持了主、輔機采用機帶泵的形式和相應的控制形式，當部分末端裝置不工作時，這些機帶泵將停止運行，使得系統中特別是主管路中的水量發生了變化，因此該系統為典型的變水量系統。該系統的優點是各末端裝置可獨立運行，不使用的末端對應的水泵可停止運行，運行節能效果明顯。但該系統需在各末端裝置管路設置了自力式壓力調節閥以確保各分支路的水流量維持不變，因此在設計時應對系統壓力作分析以選擇合適的調節閥和水泵，該系統設計技術要求較高，系統控制和調試設定也比較復雜[2]，如果實際管路走向與設計管路走向相差較大時，容易使系統出現問題。為了更好的了解這類系統設計的可行性和可靠性，預見可能發生的問題，現在我們就其淡水側水系統做以下幾方面的分析。

1.4.1 水系統壓力分析

為了確保水泵、各調節閥與系統管路設計相匹配，我們借鑒空調冷（熱）媒水閉式系統壓力分析方法[3]，首先對變水量系統 3在不同運行工況下的系統壓力分布進行分析。圖5為中冷系統在靜止時和運行時的壓力分布示意圖，為了方便視圖，圖中對系統總管段部分作了簡化。從靜止流體壓強分布規律可以知道，當系統內充滿水后，系統各部件所承受的水靜壓強P的大小與其所處位置的水深h成比例關系的，即壓強P=ρ g h；因此系統水靜壓強分布線如圖中雙點劃線所示。當系統運行時，管路與膨脹水箱的連接點是恒壓點（即水泵運行與不運行時該處的水靜壓強不變），由水泵壓頭（揚程）所造成的靜壓強分布線就必定通過該點。由于管路摩擦阻力和局部阻力的關系，沿管路的壓強逐漸減少，其變化情況如圖中虛線所示。這樣，水泵運行時靜壓力分布線就是雙點劃線和虛線坐標值的疊加（合成的壓力分布線在圖中沒有表示出來）。

圖5 變水量系統3在靜止時和運行時的壓力分布示意圖

從圖5的壓力分布線可知，系統中可能出現低壓的管段在膨脹水箱接入點至水泵這一段管段上，當該段管路壓力損失很大而膨脹水箱的安裝位置又較低時（即該處水靜壓強值又較低），該處的壓力就會變得很低。我們知道當管路中壓力等于或低于水溫相應的汽化壓力時，該處的水就會發生汽化，汽化發生后，會產生氣蝕現象。通常在其他系統設計時這一管段非常短，不需考慮這個問題。在實際應用中，主機、輔機所帶水泵的布置位置均較近，因此出現氣蝕的概率很低；系統中冷水機組的冷卻水泵距離膨脹水箱接入點是最遠的，建議對該管段的壓力損失進行估算，以確定該管段設計及膨脹水箱位置合理性。

1.4.2 水系統自力式壓力調節閥特性分析及匹配問題

圖6為系統全負荷運行（系統中所有水泵全部運行）與部分負荷運行（系統中部分水泵運行）時的壓力分布示意圖，其中虛線為全負荷運行時的系統壓力分布線，雙點劃線為只有管路3的水泵運行時的系統壓力分布線。我們知道，管路阻力損失P與流量Q的關系為P=KQ2，管路確定后，管路特性系數K為定值。從圖中可看出，當總管路的水流量減小時，管路阻力損失將降低，使得整個系統的壓力損失降低，這時如果不做任何調節控制，則水泵會偏離原有的工作點，當最大流量與最小流量差別很大時，則水泵可能無法正常工作，甚至會影響到末端裝置的正常工作。當部分水泵運行時，各分管路的水流量由于阻力損失的變動而相互干擾產生波動。因此，這時，如果要維持分管路的流量在全負荷狀態時的流量，則需在管路中人為增加阻力，使系統阻力損失回復到全負荷運行的狀態值，這個調節功能則需要由合適的自動調節閥來完成。所以該調節閥的正確選擇及應用是非常關鍵的。因此應結合管路壓力損失變化、水泵特性和調節閥特性的分析，使之相互匹配。

圖6 變水量系統3全負荷運行和部分負荷運行時的壓力分布示意圖

1.4.3 建議

根據以上分析，建議在設計中注意以下：

1）由于管路壓力損失變化集中在總管段上，因此設計時盡可能減少總管段的阻力損失，即使管路特性系數K越小，管路壓力損失隨流量變化的變化就越小。具體措施有：縮短總管段的長度，放大總管段管徑，減少總管段處的閥件、彎頭和分支接頭等，采用供、回水集管等，總水流量降低到一定程度時關斷其中一個板式熱交換器的管路等，如圖7所示。

圖7 優化后的變水量系統3中冷系統示意圖

2）在設計中應盡可能減少帶泵分支管路的數量，即盡可能減少系統中最大水流量與最小水流量的差值，以降低管路水量波動的可能性；必要的時候對部分水泵進行聯動控制以提高最小流量值（即采用陪打措施）；

3）對管路壓力損失變化進行分析，結合水泵特性得出各支管路可能的水流量波動范圍，選擇合適的調節閥。

4）系統在冬季嚴寒季節運行的可靠性及解決措施：在冬季時，由于不需供水的分管路的水不流動，當管路周圍環境溫度低于0℃以下或更低溫度時，即便管路外敷設保溫，如果管路經過的艙室沒有保暖措施，也會出現管路凍裂的問題。由于機艙冬季溫度在5℃以上，在機艙區域的管路勿須考慮防凍問題，但供給機艙以外的區域的系統管路，必須考慮該管段的防凍問題，必要時設置相應的閥門和排放管路，在冬季將該管段的水排放掉。

2 結論

從上分析可以看到，中央冷卻水系統淡水側水系統設計的方案是多種多樣的，又各有有缺點，如果能妥善解決主機、輔機的機帶泵形式及控制問題，可采用定水量系統和變水量系統1的設計方案，系統設計和控制方式均較為簡單可靠。對于主、輔機設機帶泵型式的，可考慮采用變水量系統3的設計方案，同時注意管路設計和壓力平衡控制問題，以確保系統的可靠運行。

[1]陸耀慶主編.實用供熱空調設計手冊(第二版)[M].北京: 中國建筑工業出版社, 2008.

[2]丁睿, 唐建文, 董威等.電力推進船舶中央冷卻系統動態特性建模及控制仿真[J].制冷與空調, 2006.

[3]陳沛霖.岳孝方等.空調與制冷技術手冊[M].上海:同濟大學出版社, 1990.

上海外高橋八天完成七大造船節點

春江水暖的三月，在上海外高橋造船有限公司的船塢、碼頭也呈現出一片繁忙的景象。隨著3月17日公司為希臘安能格爾航運公司建造的20.6萬噸散貨船順利出海試航，8天內公司共完成兩船出塢、兩船下塢、兩船交付，以及一船出海試航的七大生產節點。

3月10日，在船塢內，由公司建造的兩艘20.6萬噸散貨船H1271、H1244船在一號船塢順利出塢，此輪次的出塢完整性都較上一輪有大幅提高。3月11日，公司建造的兩艘20.6萬噸散貨船H1272、H1273船下塢建造。

3月15日，在碼頭上，公司建造的31.9萬噸VLCC（H1223船）順利交付離廠；3月16日，公司為日本三德船舶株式會社建造的17.6萬噸好望角型散貨船H1279船順利交付離廠；3月17日，公司為希臘安能格爾航運公司建造的20.6萬噸好望角型散貨船H1243船順利出海試航。

據悉，公司自3月初至3月17日，先后完成了7大生產節點，約占全年生產大節點總數的10%，為公司完成一季度生產任務打下堅實的基礎。

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，高級工程師。研究方向：船舶空調冷藏通風。