船舶冷却水系统地设计研究及指导.doc
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1、编制大纲:需要补充的内容:1,水泵(定速离心泵,变频泵) ;2,温控阀;3,节流孔板;4,热平衡计算的理论公式,温升热量水量公式;5,特殊案例的区分(温控阀,板冷,变频泵对整个冷却系统形式选定的影响;分离封闭式,高低温混流式,配置变频海水泵没有温控阀的中央式。 ) 6,利用目前的实船进行计算公式的验证,还有一些经验系数的反推导(特别是一些厂家自己的经验系数)7,膨胀水箱;8,补充开发设计需要的部分,参考船舶管舾装设计工艺实用手册前言(目的)以船舶设计实用手册-轮机分册-国防工业出版社为蓝本,将其中的冷却水系统做了进一步内容扩展和深化描述,提供给详细设计人员参考。参考船舶管舾装设计工艺实用手册
2、,补充一部分工程计算公式;系统发展核心:1,稳定调节;2,节省能源,余热循环利用;3,节省成本,替代方案的方式;关键词:将冷却水稳定可靠的输送到需要冷却的设备中:这个可靠和稳定来源于几个参数:稳定的压力,稳定的流量,稳定的温度,稳定的水质(这个水质包含化学成分稳定不结垢,物理成分稳定,极少气泡,气泡会影响热交换器的效率)冷却水系统目录1,范围2,冷却水系统的基本形式3,系统形式的选择4,冷却水系统实例5,中央冷却系统热平衡计算6,冷却水系统的主要设备配置要点7,制淡装置(造水机)8,具有冰区航行船级符号船舶的冷却水系统特殊要求9,海水进水阀操纵位置的要求10, 冷却水系统的温控阀11, 冷却水
3、系统的节流孔板12, 冷却水系统的泵13, 冷却水系统的膨胀水箱冷却水系统1,冷却水系统的基本形式冷却水系统的基本形式见表 1,开式冷却水 系统 常规冷却水 系统 混合式中央冷却水系统 独立式中央冷却水系统中央冷却水 系统 自流式中央冷却水系统冷 却 水 系 统闭式冷却水 系统混合式冷却 水系统注解:(1) ,所谓开式和闭式冷却水系统是指柴油机本身冷却水系统而言。开式系统是指柴油机本身直接用舷外海水或者江水冷却。如今除江河小船之外,基本不采用开式系统。海拖(海洋港口拖轮)还在使用海水直接冷却柴油机。 (潜在问题:船内海水泄露,在与柴油机连接的弹性管配置不正确时容易出现,已有其他公司的海拖因为这
4、个弹性管破裂造成沉船)(2) ,在闭式系统中,柴油机是用淡水冷却,而淡水在经过热交换器用舷外水冷却。这减少了对柴油机的腐蚀和对环境的污染,并提高了可靠性。(3) ,为使主机以外的其他机械设备均用淡水,且用一个系统进行冷却,就形成中央冷却系统。同时,若有部分设备单独用海水冷却,则称混合式冷却水系统。 (蒸汽货泵系统的真空冷凝器还在独立使用海水直接冷却)(4) ,在柴油机的淡水冷却系统中,有高温水回路和低温水回路。如采用高低温水的混合来调节参数,则属于混流式。如高低温回路各自分开,则为独立式。(5) ,在独立式中央冷却水系统中,高温水热交换器可以用低温淡水冷却(称为独立 I 型) ,高温水热交换器
5、用海水冷却(称为独立 II 型) 。(6) ,在独立式中央冷却系统(I 型)中,对某些船舶,他的中央冷却器也可以设计为用自流海水冷却(利用船舶航行的速度) ,这种称为自流式中央冷却系统。返回目录2,系统形式的选择;对柴油机的冷却水系统形式,各柴油机制造厂都有规定和推荐(MAN 和瓦锡兰机型多数在 GUIDE 指导文件内) ,设计时应按照厂商推荐的系统并考虑下列因素进行选择。(1)低速柴油机的冷却水系统;1)常规冷却水系统和中央冷却水系统均可选用,两种系统的优缺点对比见表 2,船东,特别是大型航运公司,毫无例外选用中央冷却水系统。出于效率,长期航运费用,常规维护都是极为有利的。2)中央冷却系统中
6、,基本推荐采用独立式中央冷却水系统(瓦锡兰的苏尔寿柴油机也有推荐采用混流式中央冷却水系统) 。独立式中央冷却水系统必须设置高温水冷却器,对高温水的调节比混流式稳定可靠。3)对航速较高的集装箱船,船东提出或者经过与船东协商,可选用自流式中央冷却水系统,以进一步提高航行的经济性。(2)中速柴油机的冷却系统通常按照柴油制造厂的推荐系统进行设计。大同小异,各个系列的柴油冷却系统各有特色。大部分中速柴油机制造厂推荐的系统均为主机的中央冷却系统,同时为保证该系统完全符合预定要求,制造厂还能供应系统的附属设备(包含水泵,冷却器等) 。所推荐的系统中有混流式中央冷却水系统,也有独立式中央冷却水系统。设计时必须
7、符合柴油机制造厂的推荐系统。(3)全船动力装置冷却水系统;1)低速机动力装置:a,常规冷却系统,除了为主机设置缸套淡水冷却泵,海水冷却泵;另外需要为辅助柴油机、空压机、空调、冷藏、大气冷凝器、真空冷凝器等装置配置海水泵;b,中央冷却系统,应设计成包括主机在内的整个动力装置的中央冷却水系统,所有设备均用淡水冷却,包括辅助柴油机、空压机、空调、冷藏、大气冷凝器、真空冷凝器等装置;(如今因为真空冷凝器只是在装货卸货时开启,使用频率较低,故设置真空冷凝器为独立的海水冷却,降低淡水冷却的系统负荷和成本)2)中速机动力装置:a,主机采用制造厂推荐的独立的中央冷却水系统,而辅助柴油机和其他机械设备用各自的冷
8、却系统(案例:半潜船,主机独立一套,辅助设备独立一套,各自分开)b,包括主机在内的所有机械设备设计成整套中央冷却水系统, (案例:目前凝析油轮,所有设备采用统一的中央板冷,并且高低温混流,要点是平衡主机和辅助设备之间的水量和出口水压)表 2常规冷却系统中央冷却系统 优点(1) 主机仅需设置两套冷却水泵, 海水冷却泵,缸套水冷却泵; (2) 管路系统简单; (3) 初始投资较低(1) 用海水冷却的冷却器仅需一套 (1 只,或者 2 只) (2) 其他冷却器均用淡水冷却,材 料要求低,因而价格低; (3) 需要耐腐蚀的海水管路短; (4) 、冷却器维修量小; (5) 传热效果好;缺点(1) 所有冷
9、却器都用海水冷却,因 此维修量大; (2) 需要另外配置其他机械设备用 的海水冷却泵; (3) 需要耐腐蚀的海水管路长;(1) 有 3 个冷却回路,因而需要设 置 3 套冷却水泵;海水冷却泵, 低温水冷却泵,高温水冷却泵;(2) 初始投资高;返回目录3,冷却水系统实例;手上的实船案例:同样的系统有细微的差别TORM11.4 万吨:独立式中央冷却水系统;OK凝析油船:混流式中央冷却水系统 OK5 万吨半潜船:分别独立式中央冷却水系统 OKHAFNIA 75000(有发电机缸套水为主机停车暖缸):独立式中央冷却水系统海工拖船:直接海水冷却的系统;OK海工船,中央冷却水系统 OK集装箱船;自流式冷却
10、水系统返回目录4,中央冷却系统热平衡计算;在初步热平衡计算之后,在中央板冷热交换功率和中央冷却水泵排量,主冷却海水泵排量理论值的基础上,按照规格书要求百分比的量进行订货。(1)热平衡计算的基本公式(用于理论计算足够,这个阶段不用考虑系统的自然损失,把整个系统当成对外完全热绝缘) ;*HTQ C其中:温升/温降- 度()T热交换量 H 千卡(kcal)介质流量 Q 千克/小时(kg/h)介质比热 C 千卡/千克*开(kcal/kg*k)单位换算常数: 1 kW=860 kcal/h淡水密度 1000kg/m3海水密度 1025 kg/m3这个公式用于热平衡计算的总表格,属于理论计算。(2)计算步
11、骤,冷却系统形式确定后,需要进行热平衡计算。步骤如下:1)确定流程图;(或者是冷却系统流向图)2)将主机及其他设备的已知参数输入流程图;3)输入环境参数;(通常规格书定义的参数)4)进行第一次预算,初步确定其余参数;5)初步确定配套设备的规格;6)由中央冷却制造厂进行详细设计(通常是板冷厂家计算) ,最终确定冷却器等配套设备的规格;对于中央板冷的污垢系数看规格书要求,通常设置在 15%;7)注意:因为海水在温度上升时,盐析现象加重,为避免过快的盐析,板冷的海水出口计算温度通常选在 44及以下。(3)计算实例;(计划采用现有船型:凝析油船)(4)计算要点;1)各个关键点的温度值选择:需要控制中央
12、板冷海水出口的温度防止盐析发生,盐析温度范围在 50到 55。另,为了机械部件冷却热应力正常,柴油机的淡水进出口温差控制在 10到 15之间,具体以厂家指导文件为准。2)主机及各机械设备的热交换量及冷却水流量可按照设备厂家规定。3)轴系中间轴承的热交换量取主机功率的 0.5%-1.0%。4)海水温度 32(除非规格书另外指定,或者有专门的冬季工况要求) ,低温冷却淡水温度为 36(除非主机厂家有特殊要求,MAN 机指导文件建议实际调试尽可能低) 。5)中央冷却器,海水冷却泵及低温淡水冷却泵的配置有几种方案,见表:中央冷却器海水冷却泵低温淡水冷却泵常用方案 I2X50%3X50%3X50%常用方
13、案 II2X100%2X100%2X100%常用方案 III2X50%,或者 1X100%2X100%+1X 停泊 或 2X100%变速 或 2X50%+1X50/100%变 速2X100%+1X 停泊注意:变速泵因价格问题较贵,除非船东指定,船厂一般不做推荐。返回目录5,冷却水系统的主要设备配置要点(1)冷却器通常,在常规冷却系统中多采用管壳式冷却器(也有部分采用板式冷却器) ,而在中央冷却系统中则采用板式冷却器,但是自流式冷却器为管壳式。其他设备中的冷却器(如齿轮箱滑油冷却器,大气冷凝器,制冷机组冷凝器等)均采用管壳式。1)板式冷却器船舶设计时通常由板式冷却器厂家对其进行计算和选型(板数,
14、流动形式,阻力,液泵所需功率等) 。由于所选的板数,流动形式与液流阻力、所需液泵的功率有密切关系,而板数多少与价格相关,阻力大小影响营运费用,故此用户向板冷制造厂家提供有关参数(发热交换量,进出口参数,介质流量)后,制造厂有责任进行计算并作出最佳选择,然后交给设计部门和船厂认可。对冷却介质为海水的板式冷却器,板材为钛合金。而非海水则用不锈钢 AISI316(American Iron and Steel Institute).2)管壳式冷却器通常,由该设备制造厂进行计算,选型(流向) 。但在估算冷却面积时可用下述公式1000* *WQAht其中 A 管壳式冷却器冷却面积(m2)QW 热交换量(
15、KW) 清洁系数(另称污垢系数)0.85-0.9h 传热系数(W/m2*K)对淡水冷却器 h=3500-4000对滑油冷却器 h=256-410对各个管壳式冷却器厂家来说,h 的数值不同,可以用最终结果和系统参数反推厂家的 h 系数。t 对数平均温差(K) ,计算公式如下:12 2212212 12 2.31 * 2ttttt tttgttt 多数管壳式热交换器按照混合流设计,上述公式中:t1 被冷却介质出口温度()t2 被冷却介质进口温度()t2 冷却介质出口温度()t1 冷却介质进口温度()t 也可以用其他公式计算:2121 22ttttt t1 被冷却介质进口温度()t2 被冷却介质出口
16、温度()t2 冷却介质进口温度()t1 冷却介质出口温度()(2)冷却水泵1)对常规冷却系统,不论海水冷却泵,低温淡水冷却泵,高温淡水冷却泵均以 1+1 形式配置,即一台常用,一台备用。2)对中央冷却系统,冷却水泵的配置见前表格。(3)缸套水预热器缸套水预热器可用蒸汽(有辅助锅炉) ,热水(可以用发电机缸套水),电等方式。1)MAN 低速机要求缸套水出口温度最低为 50,预热水量最少是 10%缸套水冷却泵排量,加热器加热能力是主机 L1 点功率的 1%。在这种情况下能使主机缸套水在 12H 内升温 35。2)SULZER 低速级要求缸套水出口温度最少为 60,预热水量为 5%缸套水冷却泵排量。
17、对加热器的加热能力则与加热时间和环境温度有关。预热时间一般为 6H,环境温度 40,加热能力为每缸 9KW。(4)膨胀水箱闭式冷却系统均应设置膨胀水箱,安装在一定高度,用以保持冷却淡水泵吸入口正压头以及补充管路淡水泄露损失和热膨胀。柴油机制造厂对各型柴油机所需要的膨胀水箱的容量和安装高度均有具体规定,设计系统时注意查阅厂家最新的指导书。(5)海水箱(海底门)1)至少需要设置两只海水箱,布置于两舷,且尽可能低;2)对需要进入浅水道的船舶可增加一个高位海水箱;3)仅用一个海水箱就能满足所有用水需求;4)每个海水箱应设置空气管(根部安装截止阀) ,空气管口应伸出舱壁甲板,海水箱进水格栅上下的船体外板
18、可开 4 个流沙和透气的小孔;5)每只海水箱需要装设蒸汽和压缩空气冲洗管,对准格栅,压缩空气压力可为 2-4bar;6)海水箱内部应装置防腐蚀锌块;7)有冰区加强入籍符号的船舶,海水箱要求见冰区的特殊要求;返回目录6,制淡装置(造水机)(1)MAN 低速机1)实际可用热量计算10.87*%*JWLJWPQQqK其中 QJW 实际可用热量(KW)QL1 L1 点的缸套水热交换量(见主机说明书) (KW)qJW%- SMCR 点或优化点 O 的缸套水热交换量修正系数(见主机说明书) ;Kp CSR 时缸套水热交换量的修正系数(见主机说明书) ;0.87 考虑各种环境温度及主机设计的综合修正系数。2
19、)实际需要热量计算当指定制淡量后,可求出实际需要的热量 QJW0.03fw JWMQ其中 QJW 实际需要热量(KW)Mjw 船舶建造规格书规定的制淡量(t/24H,吨每天)0.03 - 转化系数。实例:5 万吨半潜船,主发电机 2X8L32,3840X2=7680KW造水 18 t/24h,实际需求热量 540KW,对比功率占比540/7680=7.03%估算数值是 30KW 产生一吨水,在设备订货估算时可用 30KW到 33KW 产生 1 吨水来估算造水机。 (这个经验数值对于低速机和中速机一样适用,用于订货快速计算适用,当然还是需要公式来校验和厂家依据设备本身的性能进行校准)3)制淡系统
20、的设计按照 MAN 的推荐,当 Qjw50%*QL1*qjw%时,制淡装置仅能在主机负荷 50%以上时使用,当 Qjw50%*QL1*qjw%时,应在制淡装置缸套水出口处设置一温度控制阀。(2)SULZER 低速机设置1)实际可用热量计算3*10jwRXRXQQN其中 Qjw 实际可用热量(KW)QRX 在 CMCR(即 RX)点的缸套水热交换比率(见主机说明书) (W/kW)NRXCMCR 点的功率(kW)2)实际需要热量计算依据指定的制淡量,可求出实际需要的热量 Qjw ,0.032fw JWMQ其中 QJW 实际需要热量(KW)Mjw 船舶建造规格书规定的制淡量(t/24H,吨每天)0.
21、032 - 转化系数。3)制淡系统的设计按照 SELZER 推荐,当 QJW40%QJW时,仅能在主机负荷 50%以上时使用;当 QJW在实际可用热量的 40%以上(最高只能到85%)时,应在缸套水进制淡装置处装设温度控制阀。(3)造水机的安装问题:设备厂家对造水机的安装,特别是将喷射泵组合在机体内的造水机的安装高度有范围限制,主要考虑喷射泵的排放背压问题。如果机舱布置确实存在困难,需要在订货时向厂家提出,让厂家修改设备满足较高的排放背压。返回目录7,具有冰区航行船级符号船舶的冷却水系统特殊要求(1)对具有漂流浮冰区加强符号的船舶(CCS/Ice Class B, GL/E, LR/ID, D
22、NV/ICE-C 等)一般无特殊要求,但是:1)入 GL 级的 E 级冰区加强应做到:a. 一只海水箱的进水口应尽可能位于船中心线上,并尽可能靠后;b. 机器装置的海水排出管,也应以同样管径接一路到海水箱顶部。2)入 DNV 级的 ICE-C 级冰区加强的船舶,应做到:a. 一只海水箱应位于接近船中心线处,并尽量靠后;b. 至少一只海水箱有足够高度,以使冰积聚在泵吸口以上;c. 冷却海水排出管,也应以同样管径接一路到至少一只海水箱;(2)对具有按照 1985 年芬兰-瑞典冰级规则的 IC 符号以上的船舶(CCS/Ice Class B3 以上, GL/E1 以上, LR/IC 以上,DNV/I
23、CE-C 以上),至少一只海水箱应符合以下要求;1)海水箱的进口应尽可能位于接近船中心线处,且尽可能靠近船尾;2)海水箱应有足够的高度,以使冰块积聚在泵吸口以上。推荐为公式:3min1.5sHV其中 Hmin 海水箱最小高度(m)Vs-海水箱容积,见以下表述“3) ” (m3)吸水口的位置应位于离海水箱顶 1/3 高度下。3)海水箱应有足够大容积;每 750KW 发动机功率应配约 1m3 的海水箱容积(此处发动机功率为主机功率加上船舶营运所必须的副发动机功率)4)海水箱海水进口格栅的流通面积不小于进水管截面积的 4 倍;5)发动机冷却海水排出管也应以同样管径也应以同样管径接至海水箱顶部;6)根
24、据需要,海水箱上部可设有融冰加热盘管或蒸汽;7)根据需要,可利用压载水作为冷却水;返回目录8,海水进水阀操纵位置的要求依据 SOLAS 的要求,对周期无人值班的机器处所,海水进水阀的操纵位置应位于一定的高度。其位置应使机舱因海水总管破损,而浸水后轮机员有足够的时间达到操纵位置进行海水阀的关闭操作。为符合这个要求,需进行浸水计算,以确定操纵位置的高度。此项要求已列入各船级社的审查范围。各船级社具体要求是:(1)浸水时间,DNV 等船级社可以接受以 10min 进行计算,而 LR 等船级社则要求 30min。(2)浸水速率按照海水总管最大横截面的重力浸水;(3)海水进水阀的操纵形式可以是手动式,也
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