大型海工平臺冷卻水方案和溫升問題分析

(招商局重工(深圳)有限公司，廣東 深圳 518054)

1 冷卻系統原理及故障現象

在海工平臺上，機械設備在運行的時候會產生大量的熱量,對設備進行恰當的冷卻降溫尤為重要。平臺和船舶上的冷卻水系統的功能就是隨設備熱負荷變化自動或手動控制相關執行機構來保證其熱交換器溫度穩定。平臺長期離岸作業，可用的冷卻水只有海水和淡水。淡水尤其珍貴，而海水卻取之不盡，成本很低。淡水經過軟化處理并加添加劑后對設備腐蝕很小，所以一般用淡水直接冷卻主機缸套等相應部件，然后用海水通過熱交換器來冷卻淡水后直接排海。這種設備內部淡水閉式循環結合外部海水開式冷卻的混合式冷卻是平臺上比較經濟和常用的冷卻方式[1-3]。

內部淡水閉式循環基本原理見圖1。

圖1 機內淡水冷卻閉式循環

系統分為高溫淡水循環和低溫淡水循環兩部分。高溫循環由淡水循環泵#1，高溫淡水膨脹柜，高溫淡水熱交換器，溫控三通閥及其他附件組成，由循環泵帶動淡水流動對缸套、活塞和噴油器等進行冷卻。膨脹柜應安裝在相對高位，可以補充管內淡水泄漏損失和吸收水發熱導致的體積增大, 同時也保持淡水泵吸入壓力為正。當冷卻回水溫度過高，達到78 ℃觸發點，溫控三通閥變向將淡水導向熱交換器，經外部海水冷卻后繼續循環，如果回水溫度不高于78 ℃則溫控三通閥直接將水倒回缸套，繼續用于缸套等的冷卻。對于這些高溫部位的冷卻不能使用低溫淡水，因為過大的溫差會引發過大的熱應力而對設備造成傷害。

低溫淡水與高溫淡水冷卻的對象不一樣，溫控三通閥觸發點設置在38 ℃，此處溫控三通閥根據觸發水溫，靈活重復利用回流水，有節能作用[4]。高溫和低溫淡水熱交換器可以做在一個撬塊上，淡水管路分開，外部進來的海水可以做成共同的進口和出口，集成在一個主機撬塊上。海水進入與淡水管在板式熱交換器內進行熱交換后，升溫變熱排出，淡水降溫回流繼續冷卻設備。船上的熱交換器以板式居多[5]，其內部結構是連續上下波浪狀的換熱薄金屬板片[6]，多層安裝，外部用板夾住、然后螺栓固定。冷熱流體在2塊板片間曲折的矩式通道里對流[7],通過薄板充分換熱。這種薄板結構熱傳導交換能力極強，內部緊湊，整體外形小，熱量損失小，拆裝和內部維護也便利，特別適合船舶和海工平臺上狹窄空間使用[8-9]。

板式換熱器的參數與內部淡水循環流量、外部海水流量、海水和淡水的比熱及比重有關,各設備廠家先確定內部散熱量和換熱量，工作最低和最高溫度,進行各熱交換器節點計算，得出相應的外部冷卻水溫升、流量等數據，從而最終確定熱交換器的參數和選型[10]。由若干熱交換器的流量，壓降，溫度的綜合性熱平衡計算得出總海水冷卻泵的需求流量、壓頭、功率。

外部開式海水冷卻原理見圖2。

圖2 外部海水開式循環

本船需要冷卻的設備為5臺主發電機組以及其他輔助機械，如圖2所示，采用并聯的海水冷卻系統，由海底門、粗濾器、吸排總管、冷卻循環泵、輸送介質支管、關斷隔離閥門、止回閥，安全泄放閥等組成。海水冷卻泵采用一用一備的方案, 泵出口設置濾器和安全閥，濾器用來過濾雜質，安全閥用來在管路系統壓力過高時釋放管路壓力。海水冷卻泵一般選擇離心泵，泵壓頭由淡水系統的設計壓力決定，外部海水冷卻系統的設計壓力要比內循環淡水冷卻系統低。這樣設計的好處是一旦冷卻器(熱交換器)破損了，可以允許淡水泄漏到海水系統里面去，但是不允許海水漏到淡水里面去，避免造成設備內部損壞和污染。

按照圖2配置方案，海底門、泵、管路及設備等安裝完成后，進行主發電機組進行并車聯合調試。當2#，3#，4#,5# 4臺主發并車，發現在達到額定負荷時，出現了#2主機的冷卻水出口高溫報警, 溫度高于換熱器允許的最高溫度55 ℃，3#、4#、5#主機出口溫度正常。時值夏季，測得設備進口水溫為30 ℃，未達到最大允許進口水溫32 ℃。初步判斷2#主機可能出現的問題：管路堵塞，流量不夠，熱交換器堵塞導致壓降過大，閥門開度不夠等。

2 故障排查

一般設備發熱源散布在全船，從艙底到頂部駕駛樓，從艏艙到艉艙，對應的冷卻支管延伸到各發熱源，帶走熱量，然后再折回，將吸收熱量的高溫水排舷外。各支路都暢通才能保證對應設備在正常工況運轉。

本次聯調只涉及4臺主機，就有1臺主機冷卻水高溫報警了，說明2#主機未分配到足夠的冷卻水。采用排除法，先檢查熱交換器，壓降在正常范圍，單獨啟動2#機試驗，流速正常，出口溫度正常，說明熱交換器沒問題。試驗時手動控制閥門開度，開度變小時，出口溫度上升；開度變大后溫度下降，這說明閥門也能正常工作。

進一步查找原因，現場調試采用只啟動2#、3#主機，發現冷卻水高溫報警解除, 再采用啟動1#、4#、5#主機方式，發現1#高溫報警，4#、5#水溫正常，由此判斷是由于主供水管路靠近4#、5#主機，1#、2#主機管路較遠，彎頭較多，壓降過大，導致4#、5#主機管路搶水，1#、2#主機無法獲取足夠的冷卻水流量來給設備降溫，導致水溫過高。

進一步分析。

Q0=q1+q2+q3+q4+q5+q6

(1)

式中：Q0為海水冷卻泵的總排量,q1為通過1#主機冷卻水流量,q2、q3、q4、q5、q6依次對應2#、3#、4#、5#主機和其余輔助設備的冷卻水流量。

當2#、3#、4#、5#4臺主發并車實驗時，在總排量Q0不變的情況下，如果4#、5#主機通過的流量q4、q5過大，那么通過2#、3#主機的流量q2、q3將會減少, 也就是說離供水主管近的4#,5#主機搶了2#,3#主機的水。

同時采用3個方法解決此問題：①新增供水旁通管路從1#、2#主機等供水遠端接入，讓5臺主機保持與供水主管同等競爭位勢；②在主機冷卻水各支路出口和排海總出口增加內置彈簧式自力式調節閥[1]，便于壓力流量的調節，進一步讓水均衡供給5臺主機；③增加旁通調節閥。修改后的方案見圖3。

圖3 外部海水開式循環新方案

按新方案，各自力式調節閥都裝設在冷卻設備源的出口。根據流量和壓差等參數確定型號，調節閥的作用是在一定范圍內調整各路支管出口和總出口的壓力流量曲線平衡，內置彈簧式自力調節閥的優點是無需外接動力，可以直接利用其本體前后流體壓力通過一根小口徑導管來驅動彈簧, 而彈簧行程又連接閥瓣從而改變閥門開度、預設壓力，彈簧達到平衡，就可以實現自動控制流量和壓力。在本平臺冷卻系統的控制運用自力式調節閥來替換手動截止閥屬于一項重要的功能革新。克服了用截止閥或者節流孔板做調節作用時需不斷手動調整，修改孔徑、而系統重復調試的不足,有效解決了本平臺2臺主冷卻水泵供給5臺主機和其他設備時在各種復雜工況下單獨運行或并聯運行引起的流量不均和水壓干擾難題，從而避免了各設備間因冷卻水分配不均衡導致冷卻系統故障。

在加入了8臺自力式調節閥后, 前面的流量分配公式變更為以下帶修正參數η的公式。

Q0·η0=q1·η1+q2·η2+q3·η3+q4·η4+

q5·η5+q6·η6+q7·η7

(2)

每個參數η表達了可設定的自力式調節閥的壓差流量關系，變成了可變量,q7為的旁通調節閥，在只需要單臺主機或少量設備運行時釋放富余冷卻水流量直接排海。

Q0·η0可以理解為泵的特性和排海總管調節閥的共同作用，因為選用的冷卻泵是離心泵形式，按照泵本身的流量壓力特性，在一定范圍內可調，這可以通過控制泵出口的揚程來調節流量，即通過調節圖3里那個排海閥開度大小來實現。

3 檢驗結果

按以上原理現場新增旁通供水管路，濾器和調節閥后，進行1#、3#、4#、5#主機并車試驗。同時啟動1#、5#主機并車運行，左右供水管全部打開，發現水溫正常，但出口壓力較低；通過設定1#、5#主機調節閥調整出口壓力到250～300 kPa之間，出口水溫39 ℃正常。再啟動3#、4#主機，4臺主機并車運行,3#、4#、5#主機出口溫度正常, 1#主機水溫和水壓很快開始上升到達55 ℃的報警溫度，立刻重新設定調節閥，減少3#、4#、5#主機調節閥流量，提高1#調節閥的流量，1#主機出口溫度下降到48 ℃正常范圍。4臺主機平穩運行30 min，出口溫度和壓力等指標正常。

4 結論

1)采用以上方法多次進行并車試驗，發現這種開式混合冷卻系統容易發生各設備之間冷卻水分配不均衡問題。特別是在管路復雜，各冷卻支管距離和壓降不一致的情況下，整個冷卻系統的合理運轉取決于調試人員較高的操控技能和經驗。為此，在多臺設備同時需要冷卻時，就需要像在每個冷卻設備支管出口加自力式調節閥，便于每個設備單獨獲得正常需要的流量，來保證系統正常運轉。另外，在條件允許的情況下，應采用PLC自動控制調節閥，并采用遠傳的壓力傳感器和溫度傳感器配合來調節[12]，縮短現場調試時間，也可減少維護工作量。

2)在調試過程中發現還有很多問題待解決：一是對管路中各節點的壓力和流量難以實際一一把握，基本靠通過檢測管路中已有的壓力表來估算和推測鄰近點的壓力和流量；二是對各個設備和管路的壓降也靠估算和手工計算，難免與船上實際設備情況和錯綜復雜的管路有誤差，而且估算和計算誤差也帶來了調節閥實調時誤差范圍較大，需要不斷修正。

3)對于冷卻系統的研究需要針對不同船型和平臺，如果條件允許，應考慮FLOWMASTER軟件等對全船冷卻管路做實際模擬[12]，計算出每個管路節點的壓力、流量和沿程壓降，從而更好地配置流量調節閥和增加PLC自動化控制，提前在中控室電腦上精準設定好各支路的流量和壓降要求[14]，從而保證整個冷卻水系統的均衡分配和合理性。

4)設備的冷卻是一個在船舶和海工平臺應用廣泛卻又容易出現各種問題的地方，近年來，海工平臺對海水設備和系統防腐防漏的要求越來越高，本文所用混合式冷卻系統使與海水直接接觸的設備相對減少，其總體防腐蝕性能進一步得到改善,所以混合式冷卻設計在很長一段時間都將作為一種成熟的設計而運用。但是由于需要冷卻的設備多、管路布置比較分散，平臺工況復雜，此類混合式冷卻系統適宜采用自力式調節閥或PLC自動控制閥、結合專業流體軟件計算的精準全船混合冷卻設計已成為未來的發展方向。