灘涂作業船舶加裝冷卻水艙研究

龍可軍，楊 濤

（1.海裝駐廣州地區第三軍事代表室， 廣州510000，2.廣州船舶及海洋工程設計研究院，廣州510250）

1 前言

某些需要在淺灘水域或灘涂附近作業的船舶，如灘涂清障船、漁船、挖泥船等，因該水域的水深極淺，在船舶作業時，由于海水受船體、螺旋槳及作業機械等攪動，其所含淤泥、海草、海藻等雜物常常會進入船舶海水冷卻水系統，對海底門、濾器、冷卻器等造成嚴重堵塞，引起運行設備高溫報警或停機等現象，需要船員頻繁地對其清洗，造成船舶連續作業時間短、清淤工作量大。如果采用風冷式柴油機似乎可以解決上述問題，但其會引起機艙散熱通風困難或噪音大等而無法實際應用。為此，不少用戶希望另外增設冷卻水艙，以便船舶在正常航行時，應用柴油機標配的冷卻水系統冷卻，而灘涂作業時應用冷卻水艙冷卻，滿足各種工況需求。但不同船用柴油機品牌往往采用不同的冷卻型式，各種型式是否均適用加裝冷卻水艙需要研究。本文基于現有船用柴油發動機的常用典型冷卻水型式，分析其加裝冷卻水艙的適應性，提出與其匹配的加裝方案，并對比其優缺點,確定優選方案。

2 常用冷卻型式及加裝方案

目前船用柴油機多采用閉式水冷型式，基本上可以歸納為三種典型型式。下面分析各種型式的特點，并提出對應的加裝冷卻水艙方案。

2.1 冷卻型式A及其加裝方案

（1）冷卻水典型型式A

該型式的冷卻水系統由海水冷卻水系統和淡水循環冷卻水系統組成：發動機缸套、滑油冷卻器、排煙管及中冷卻器等，均由機內淡水系統冷卻；其淡水通過高溫淡水冷卻器由海水冷卻。其特點是：柴油機的冷卻器集中在高溫淡水冷卻系統中，其原理如圖1所示。

圖1 柴油機冷卻水典型型式A

（2）加裝方案

該模式的柴油機各熱交換器均由淡水冷卻，基于其特點提出以下兩種加裝冷卻水艙匹配方案：

① GA1方案

用冷卻水艙的水替代舷外海水，如圖2所示：柴油機冷卻水的熱量通過機帶高溫淡水冷卻器交換至加裝海水循環管路，然后將其傳送至冷卻水艙，冷卻水艙的水溫為此逐步升高，直至其達到允許的最高溫度；其優點是：所增管路少，系統簡單，冷卻水艙可加注海水，使用成本較低；其缺點是：基于柴油機出廠設計基準，其海水冷卻水進機溫度通常為32 ℃左右，故冷卻水艙內的最高水溫不宜過高，否則容易引起柴油機淡水、滑油高溫報警，而多數區域的夏季環境溫度通常都會超過35 ℃，冷卻水艙內水溫度往往也會超過32 ℃，因此允許壓載艙內水溫升幅極其有限，且冷卻水艙向外散熱的速度緩慢，因此在溫暖環境下冷卻水艙的水溫在短時內將達到或超過極限值，船舶持續作業的時間無法保證，難以滿足船舶作業需求，故該方案不宜選用。

圖2 冷卻水艙的水替代舷外海水方案

② GA2方案

冷卻水艙并入淡水冷卻水系統，如圖3所示：柴油機內部冷卻水的總熱量，通過機帶高溫淡水冷卻水管路和加裝管路將其直接傳送至冷卻水艙，冷卻水艙的水溫為此逐步升高，直至達到其允許最高溫度；該方案的優點是：基于高溫淡水冷卻系統的允許進機水溫高的特點（常常可達70 ℃以上），允許冷卻水艙的上限溫度相應較高，其溫度提升幅度較大（往往可達30 ℃以上），因此即使在夏季高溫環境下運行，亦可保證柴油機長時間持續運行，滿足船舶作業需求，適用性較好；但缺點是：加裝管線較復雜，增加管路較多，要求冷卻水艙的水質要好，成本相對較高。

圖3 冷卻水艙并入高溫淡水冷卻水系統方案

基于其特點，提出如圖3所示的加裝方案：

① 灘涂作業前轉換操作：T型三通閥V1、V2、V3、V4轉90°；開啟截止閥V7、V8；關閉截止閥V9、V10；

② 灘涂作業時，冷卻水系統工作原理：淡水冷卻水艙內的水，分別經過閥V7、管2-5、三通閥V2、冷卻高溫淡水冷卻器和中冷器，然后進入淡水冷卻水泵進口；經該泵加壓后，進入滑油冷卻器/缸套，再經三通閥V1和管2-2到達溫控閥V5。該溫控閥的出口開度基于高溫冷卻水溫度自動調整，以分配回流至柴油機和至冷卻水艙的水量。如果水溫較低，則該溫控閥的c口關小，同時b口開大，回流至柴油機的水量增大，而自來冷卻水艙的補充水量減小；反之，c口開大，b口關小，回流至柴油機的水量減小，而自來冷卻水艙的補充水量增大；

③ 對于采用機帶海水冷卻泵的柴油機型，灘涂作業模式時其機帶海水泵無海水流過，則可能因干運轉而損壞。為此，需另加裝一套水循環管路系統，如圖3所示：灘涂作業前，T型三通閥V3、V4旋轉90°，以切斷海水冷卻泵進口與海水總管連接，使海水冷卻泵的進、出口連通，并開啟閥V8；柴油機運行時，海水冷卻泵通過閥V8、管1-7、1-6、1-1從新增膨脹水箱吸水，水流經運轉的泵后，再經管1-2、1-5、1-6、1-1回到泵進口，如此循環反復。如管路出現泄漏，新增膨脹水箱內的水可自動補充；

④ 此外，在灘涂作業模式下，冷卻水艙通過閥V7、V5、V1、V2、管2-6與機帶膨脹水箱處于連通狀態，則冷卻艙的水可能會通過機帶膨脹水箱口溢出。為此，將機上至膨脹水箱的透氣管升高至冷卻水艙最高水位以上，如圖3所示。

2.2 冷卻型式B及其加裝方案

（1）冷卻水典型型式B

該型式的冷卻系統由海水冷卻水系統和淡水循環冷卻水系統組成：發動機缸套、滑油冷卻器、排煙管等由淡水冷卻；高溫淡水通過缸套水冷卻器由海水冷卻，中冷卻器亦由海水冷卻；該型式與型式A的不同之處，在于中冷器由海水冷卻。

其特點是：柴油機的冷卻器分布在高溫淡水冷卻系統和海水冷卻系統中，其工作原理如圖4所示。

圖4 柴油機冷卻水典型模式B

（2）加裝方案GB

與冷卻型式A相比，柴油機中冷器布置在海水冷卻系統中。為此，加裝冷卻水艙時除考慮冷卻水艙對其高溫淡水冷卻外，還需考慮對中冷器的冷卻。由于中冷器本由海水冷卻，船舶正常航行時其管路和熱交換器內充滿海水，如果灘涂作業時將其并入淡水冷卻系統，利用冷卻水艙進行冷卻，其海水勢必會混入冷卻水艙，造成冷卻水艙內水的鹽度增加，并通過加裝的淡水冷卻水管路進入到柴油機內部，引起柴油機部件腐蝕而損壞。為解決上述問題，宜另設一套獨立的中冷器冷卻水艙，如圖5所示。

圖5 設中冷器冷卻水艙和淡水冷卻水艙方案

① 灘涂作業前轉換操作：T型三通閥V1、V2、V3、V4轉90°；開啟截止閥V7、V8；關閉截止閥V9、V10；

② 灘涂作業時冷卻水系統工作原理：淡水冷卻水艙內的水，分別經過閥V7、管2～5、三通閥V2至高溫淡水冷卻器；然后進入淡水冷卻水泵進口，經該泵加壓后，進入滑油冷卻器/缸套，再經三通閥V1和管2～2到達溫控閥V5，其原理與上述GA2相似；與此同時，中冷器冷卻水艙內的水，分別經過閥V8、管1～6、三通閥V4、管1～1進入機帶海水冷卻水泵進口，流經機帶海水冷卻水泵后，經管1～2、中冷器、三通閥V3、管1～5后回流至中冷器冷卻水艙。如此反復循環，中冷器冷卻水艙水溫逐步升高，直至其達到允許的極限溫度。

2.3 冷卻型式C及其加裝方案

（1）冷卻水型式C

該型式的冷卻系統由高溫淡水冷卻系統、低溫淡水冷卻系統和海水冷卻系統組成：缸套、高溫中冷器等由高溫淡水冷卻：滑油冷卻器、低溫中冷器和高溫淡水冷卻器等由低溫淡水冷卻，低溫淡水通過海水冷卻器由海水冷卻。

其特點是：柴油機冷卻器分布在高溫和低溫兩套冷卻水系統中，而其需交換的總熱量將會集中到低溫淡水冷卻系統中，其工作原理如圖6所示。

圖6 柴油機冷卻水典型模式C

（2）加裝方案GC

該冷卻型式與上述A、B兩個型式相比，不同之處在于：設有一套低溫淡水冷卻系統；其海水冷卻泵通常為獨立動力泵；灘涂作業時，可考慮將海水泵停運，僅將淡水冷卻水艙并入其低溫冷卻水系統實現對柴油機進行冷卻，如圖7所示。

圖7 冷卻水艙并入低溫淡水冷卻水系統方案

① 灘涂作業前轉換操作：關停海水冷卻水泵；T型三通閥V1、V2轉90°；開啟截止閥V3；關閉截止閥V5；

② 灘涂作業時冷卻水系統工作原理：淡水冷卻水艙內的水，分別經過閥V3、管1～1、三通閥V2、管1～2至低溫淡水冷卻泵進口，經該泵加壓后，分別經過低溫中冷器、滑油冷卻器、高溫淡水冷卻器、管1～3、T型三通閥V1、管1～4，回流至淡水冷卻水艙。如此反復循環，淡水冷卻水艙水溫逐步升高，直至其達到允許的極限溫度。

3 冷卻水艙容積確定

采用加裝冷卻水艙方案，應對其所需容積進行估算，以設置符合要求的冷卻水艙。冷卻水艙的容積，與柴油機灘涂作業的時間、柴油機使用工況、環境條件等因素有關，其簡化計算方法推薦如下：

（1）冷卻水艙容積V

式中：V — 冷卻水艙容積，m；

Q — 灘涂作業時柴油機冷卻水中需交換的總散熱量，kJ/h；

q — 冷卻水艙向外散出的總熱量，kJ/h；

t — 船舶灘涂作業時間，h；

C — 冷卻水比重，kg/m；

k — 容積系數，通常取1.15；

f — 水的比熱，kJ/kg·℃；

T1 — 冷卻水艙初始溫度，通常取32 ℃；

T2 — 允許冷卻水艙的最高水溫，建議冷卻水艙并入低溫冷卻系統方案取36 ℃～38℃，而并入高溫冷卻水系統方案取50 ℃～70 ℃。

（2）冷卻水艙向外散去熱量q

式中：q — 冷卻水艙向外散去的總熱量，kJ/h；

S — 冷卻水艙向外散熱的面積，m；

h — 冷卻水艙壁的導熱系數，kJ/ m·℃；

δ— 冷卻水艙壁厚，m；

△t — 冷卻水艙內水溫與周邊環境間的平均溫差，取

4 加裝方案的優缺點對比

基于上述三種典型的柴油機冷卻型式的計算分析和特點，進行分析對比，如表1所列。

表1 三種典型的柴油機冷卻型式加裝方案對比

從表1比較可知：典型模式A的柴油機加裝方案GA2最佳，可運行時間長，適用性最好；典型模式B的加裝方案GB次之；典型模式C的加裝方案GC，可應用于短時灘涂作業的船舶。

5 結束語

航行于灘涂或超淺水域作業的船舶，可根據柴油機自身不同的冷卻水型式，加裝冷卻水艙和相應管路，配置相關轉換閥件，達到在灘涂或超淺水域長時間作業目的。以下幾種因素，可提高其灘涂作業的適用性：

（1）優先選用所有熱交換器均由同一套冷卻系統冷卻的柴油機型，如典型模式A；

（2）優先選用冷卻水進機溫度限值較高的柴油機型；

（3）優先采用冷卻水艙并入柴油機高溫冷卻水系統的加裝方案；

（4）加裝冷卻水艙的方案，應能排除海水混入柴油機體內的可能性；

（5）采用合理的冷卻水艙壁結構，適當增設通風設施，提高其散熱效果。