動力定位風電安裝船冷卻水系統設計

李康康 王 樂 吳 磊

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

近年來，隨著海上風電行業的快速發展，為適應海上風機的深水化和大型化，滿足海上風機的運輸、起重、打樁、吊裝等作業需求，具有自航、自升、起重功能并配備動力定位系統的風電安裝船獲得了市場的青睞［1］。考慮到自升自航式風電安裝船的作業特點，為縮短其就位時間，提高有效的作業時間和效率，常為其配備動力定位系統，動力定位等級通常為DP-1或DP-2。DP-1不需考慮系統設計的冗余，DP-2則具有較高的作業安全性和系統冗余度，要求任何部件和系統單個故障不會引起定位能力的喪失，故而兩者的輪機系統設計有較大差異。其中冷卻水系統作為重要的輔助動力系統，對船舶的安全可靠運營至關重要［2］，因此，本文以1 200 t自升自航式風電安裝船為研究對象，探討不同動力定位等級下風電安裝船的冷卻水系統的設計計算。

1 系統介紹

1 200 t自升自航式風電安裝船是一種專業化的海上風電設備運輸安裝裝備，主要用于近海風電場施工作業，具備8 MW及以下海上風機基礎的打樁施工、塔筒吊裝和風機安裝能力，由船體、四樁腿、升降系統、起重機和打樁系統組成。

當風電安裝船的動力裝置運行時，為防止需要散熱的機械設備因受熱部件溫度過高或熱負荷過大而影響正常工作，需設置冷卻水系統為其提供足夠的冷卻水，以保證其在一定溫度范圍內可靠地工作，這些機械設備包括：主發電機、停泊發電機組、推進器相關設備、電氣設備、升降系統以及空調冷藏設備等。根據冷卻介質的不同，冷卻水系統可分為海水冷卻系統和淡水冷卻系統；設計時，海水溫度取32℃，淡水溫度取 38℃。［3］

2 系統用戶

風電安裝船功能多樣、工況復雜。在對風電安裝船各典型工況的功率消耗進行估算后，DP-1和DP-2的動力系統配置見表1。可以發現，為保證單個故障出現后船舶仍有一定的定位能力，DP-2風電安裝船所需配置的動力裝置較DP-1多一臺主發電機組，并且艏側推的功率也有提高。

同時，當動力定位等級為DP-2時，為保證單點故障（包括推力器故障和電力系統故障）時系統仍然能夠保持一定的動力定位的能力［4］，除動力系統外，電氣設備間的柜機同樣需要冗余設置。不同工況下需冷卻水系統冷卻的機械設備運行情況見表2。

表1 1 200 t自升自航式風電安裝船動力系統配置kW

表2 各工況下冷卻水用戶情況

3 DP-1冷卻水系統

綜合考慮系統的布置和不同工況下的運行情況，將DP-1風電安裝船的海水冷卻系統分為首部海水冷卻系統和尾部海水冷卻系統，首部海水冷卻系統為首部升降裝置液壓泵站、首部錨絞車液壓泵站、冷藏裝置、中央空調壓縮冷凝機組及首部水冷柜機提供冷卻海水，尾部海水冷卻系統為主發電機組冷卻器、輔助冷卻器、尾部升降裝置液壓泵站、尾部錨絞車液壓泵站及尾部水冷柜機提供冷卻海水；淡水冷卻系統分為為主發電機組提供冷卻淡水的主發淡水冷卻系統和為推進設備等提供冷卻淡水的輔助淡水冷卻系統。

3.1 主發淡水冷卻系統

主發電機組淡水冷卻系統采用高低溫水混流式冷卻系統，發電機組自帶高低溫冷卻水泵。從柴油機出來的部分高溫水和低溫水混合成指定溫度的高溫水進機進行再循環，剩余的高溫水和低溫水混合后進入主發電機組冷卻器進行冷卻，簡化后的主發淡水冷卻系統見圖1。

圖1 主發淡水冷卻系統簡圖

單臺主發電機組冷卻水熱交換量為1 316 kW，海水需求為90 m3/h。動力定位時，5臺主發電機組同時運行，系統總換熱量為5×1 316 kW，每臺主發電機組冷卻器的換熱量按總換熱量的60%設計，最終確定的板式冷卻器的換熱量為2×4 000 kW。

3.2 輔助淡水冷卻系統

輔助淡水冷卻系統為典型的獨立式中央冷卻水系統，通過板式冷卻器交換熱量。系統用戶除推進相關設備外，還包括發電機組的回油冷卻器。系統最大負荷發生在動力定位工況，該工況下的熱平衡計算見表3。

表3 輔助淡水冷卻系統熱平衡計算

在選取輔助淡水冷卻泵的排量時，應全面考慮系統在各工況下的運行狀況。從表2可以發現，輔助淡水冷卻系統在不同工況下的用戶有較大差別，系統冷卻淡水的需求見表4。

為此，選用4臺排量為60 m3/h的輔助淡水冷卻泵，3用1備。輔助冷卻器的換熱量按動力定位時總換熱量的60%設計，最終確定的板式冷卻器的換熱量為2×500 kW。

3.3 海水冷卻系統

1 200 t自升自航式風電安裝船設有3個海底門，通過海水總管相互連接。尾部海水冷卻系統從尾部2個海底門取水，首部海水冷卻系統從首部1個海底門取水，必要時亦可從尾部海底門取水。海水冷卻系統各用戶的換熱需求見表5。

結合表2所列各工況下冷卻水用戶情況，統計不同工況下冷卻海水的需求量見表6。為使系統中的冷卻水用戶在各工況下均能得到適度、可靠的冷卻，選取4臺排量為240 m3/h的尾部海水冷卻泵，3用1備；選取3臺排量為150 m3/h的首部海水冷卻泵，2用1備。系統簡圖見下頁圖2。

表4 各工況下輔助淡水冷卻系統冷卻水流量m3/h

表5 海水冷卻系統用戶換熱需求

表6 各工況下冷卻海水流量m3/h

圖2 海水冷卻系統簡圖

4 DP-2冷卻水系統

DP-2風電安裝船的冷卻水系統設計時，海水冷卻系統需考慮的單點故障包括海水泵失效、濾器堵塞等；淡水冷卻系統需考慮的單點故障包括淡水泵故障、溫控閥故障等，同時還需考慮保證淡水系統發生泄漏和氣阻時的動力定位能力。

4.1 淡水冷卻系統

將淡水冷卻系統分成3套獨立的系統，每套系統對應2臺主發電機組、1臺全回轉舵槳及1臺艏側推，且電氣設備間的柜機也需按冗余要求分在不同的冷卻水回路當中。各推進鏈的冷卻水熱平衡計算結果見下頁表7。

根據分組，為淡水冷卻系統設置4臺排量為100 m3/h的淡水冷卻泵，3用1備；每套淡水冷卻系統設置1臺中央板式冷卻器，換熱量按總換熱量的120%設計，取3 700 kW。

與此同時，在淡水冷卻系統管路上設隔斷閥。DP時隔斷閥關閉，3套冷卻水系統相互獨立，任意1套系統失效均不會影響另外2套冷卻系統的正常工作；其他工況下，隔斷閥打開，淡水冷卻系統合并為1套大的系統，可根據工況靈活使用。系統簡圖見下頁圖3。

表7 DP-2風電安裝船冷卻水系統熱平衡計算結果

圖3 DP-2風電安裝船冷卻水系統簡圖

4.2 海水冷卻系統

除為淡水冷卻系統的中央板式冷卻器外，海水冷卻系統還需為升降裝置液壓泵、錨絞車液壓泵站等設備提供冷卻海水。在設計時，如圖2所示，在尾部兩個海底門連通的總管上設隔斷閥，并在2號和3號海水泵的吸入端前設置連通管，各海水泵的出口端則連成總管接板冷。

綜合考慮各工況下冷卻海水量的實際需求，為DP-2風電安裝船的海水冷卻系統配置4臺排量為250 m3/h的海水冷卻泵，3用1備。實際工作時系統的海水供求情況見表8。

表8 各工況下冷卻海水用戶及海水供應量m3/h

5 結 語

本文對不同動力定位等級的1 200 t自升自航式風電安裝船的冷卻水系統進行了設計計算，將DP-1的風電安裝船冷卻水系統分為首部海水冷卻系統，尾部海水冷卻系統，主發電機組淡水冷卻系統和輔助淡水冷卻系統，實現了系統的靈活有效運行；將DP-2的風電安裝船冷卻水系統分為三個獨立的中央冷卻水系統，使之在動力定位時能夠滿足系統的冗余要求。同時，為保證整個系統在各工況下都能夠滿足各設備對冷卻水的需求，合理地對系統中的冷卻器及冷卻水泵的數量及容量進行了選型配置。通過本文的分析計算，可為今后該類船型的冷卻水系統設計提供一些參考。