船舶冷却水系统设计指导

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》，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，冷却水系统开式冷却水系统闭式冷却水系统常规冷却水系统中央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自流式中央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，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OKHAFNIA75000（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）；*HTQC其中：温升/温降T-度（℃）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：1kW=860kcal/h淡水密度1000kg/m3海水密度1025kg/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，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（AmericanIronandSteelInstitute）.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（KW）η–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：1222122121''2'2.31*'2ttttttttgttt多数管壳式热交换器按照混合流设计，上述公式中：t’1–被冷却介质出口温度（℃）t’2–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t’1–被冷却介质进口温度（℃）t’2–被冷却介质出口温度（℃）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。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