大型铺管船冷却水系统设计_黄文威.pdf

72 船舶标准化工程师 2023/3 大型铺管船冷却水系统设计大型铺管船冷却水系统设计1 1 黄文威，曲庆亮，于富强（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）摘 要：摘 要：为提高复杂冷却水系统的设计合理性，基于某大型铺管船，从设备选型、动力定位、设备功能及布置位置等4 方面对冷却水用户进行分析，并探讨冷却水系统的设计要点。研究成果可为船舶与海洋工程装备冷却水系统的设计提供一定参考。关键词：关键词：铺管船；冷却水系统；系统设计 中图分类号：中图分类号：U664.814 文献标志码：文献标志码：A DOI：10.14141/j.31-1981.2023.03.018 Design of Cooling Water System for Large Pipe-Laying Vessel HUANG Wenwei,QU Qingliang,YU Fuqiang(Shanghai Zhenhua Heavy Industry Co.,Ltd.,Shanghai 200125,China)Abstract:In order to improve the design rationality of complex cooling water system,based on a large pipe-laying vessel,the cooling water users are analyzed from 4 aspects:equipment type,dynamic positioning,equipment function,and layout position,and the design points of the cooling water system are discussed.The research results can provide some references for the design of cooling water systems for ships and marine engineering equipment.Key words:pipe-laying vessel;cooling water system;system design 基金项目：上海市优秀技术带头人计划资助项目（19XD1433400）作者简介：黄文威（1987），男，工程师。研究方向：船舶与海洋工程轮机设计。0 引言引言 某大型深水起重铺管船配备5 000 t全回转起重机，J-Lay、S-Lay 等 2 型铺管系统，8 点锚泊定位系统，可实现单船浅水、深水、超深水铺管作业。铺设管径范围覆盖660英寸（1英寸=0.025 4 m），铺管最大水深为 3 000 m。此外，铺管船还配备 3级动力定位（Dynamic Positioning 3，DP3）系统和直升机起降平台。铺管船的强大功能来自其配备的众多设备，出于优化设备体积和提高冷却效率的考量，这些设备大多采用水冷。这些设备数量众多，类型复杂，冷却参数各不相同，为确保设备的正常运行，需要对铺管船冷却水系统进行合理设计1。基于某大型铺管船，从设备类型、动力定位、设备功能及布置位置等4 方面对冷却水用户进行分析，并探讨冷却水系统的设计要点。1 分类分析分类分析 本文研究的大型深水起重铺管船搭载了大量的作业设备，从艏部到艉部具有水冷需求的设备数量超过250 件，下面分别从设备类型、动力定位、设备功能及布置位置等4 方面对冷却水用户进行分类。1.1 设备类型分类设备类型分类 根据设备类型的不同，铺管船冷却水用户可分为船舶设备和作业设备。1）船舶设备：保障船舶正常运行和人员正常生 技术交流 Technical Communication 2023/3 船舶标准化工程师 73 活的设备，如主发电机及其辅助设备、推进器及其辅助设备、空压机和空调冷藏设备等。2）作业设备：体现船舶功能和施工能力的设 备，如锚泊定位绞车、A&R 绞车系统、S-Lay 铺管设备和J-Lay 铺管设备等。设备类型分类情况及参数信息见表1。表1 设备类型分类情况及参数信息 序号 类别 数量/件数量占比/%总散热量/kW散热量占比/%总冷却水量/(m3/h)冷却水量占比/%1 船舶设备107 41.8 52 980.3 76.44 3 949.7 61.22 2 作业设备149 58.2 16 326.6 23.56 2 501.9 38.78 1.2 动力定位分类动力定位分类 根据是否为 DP 系统服务，铺管船冷却水用户可分为DP相关设备和非DP 相关设备。1）DP 相关设备：铺管船满足 DP 要求，部分船舶设备需要根据 DP 要求进行冗余设计，如主发电机及其辅助设备、推进器及其辅助设 备等。2）非DP相关设备：主要包括作业设备和部分不需要满足DP 要求的船舶设备。动力定位分类情况及参数信息见表2。表2 动力定位分类情况及参数信息 序号 类别 数量/件 数量占比/%总散热量/kW散热量占比/%总冷却水量/(m3/h)冷却水量占比/%1 DP相关设备 99 38.67 49 590.9 71.55 3 372.0 52.27 2 非DP相关设备157 61.33 19 716.0 28.45 3 079.6 47.73 1.3 设备功能分类设备功能分类 根据设备功能的不同，铺管船冷却水用户可分 为主发电机及其辅助设备、空调冷藏设备等12 个类别，具体见表3。表3 设备功能分类情况及参数信息 序号 类别 数量/件 总散热量/kW 总冷却水量/(m3/h)1 主发电机及其辅助设备 24 44 352.0 2 412.0 2 空调冷藏设备 27 09 053.5 1 559.4 3 作业变压器变频器 14 03 661.2 0 632.2 4 推进器及其辅助设备 42 03 539.0 0 642.6 5 铺管作业设备 4 02 400.0 0 408.0 6 A&R绞车 53 01 653.0 0 253.1 7 定位绞车 28 01 620.0 0 209.2 8 J-lay 设备 34 01 457.4 0 134.4 9 作业空压机 8 00 779.7 0 045.1 10 配电间变压器 6 00 280.2 0 073.5 11 S-lay 设备 3 00 261.3 0 045.0 12 其他辅助设备 13 00 249.6 0 037.0 合计 256 69 306.9 6 451.6 74 船舶标准化工程师 2023/3 1.4 布置位置分类布置位置分类 该船总长约200 m，若将布置在艏部和艉部的设备均设计在一个冷却水系统中，系统的管路过长，将导致管道内的阻力损失过大2。此外，为满足系统内各个冷却水用户对冷却水量和压力的需求，系统的冷却水泵需要很大的排量和压头。因此，包含所有设备的冷却水系统设计方案不仅会增加建造成本，还不利于系统的后期维护和保养。在进行冷却水系统设计时，要参考冷却水用户的布置位置，采用就近原则进行设计。根据布置位置的不同，铺管船冷却水用户可分为艏部设备和艉部设备，见表 4。表4 布置位置分类情况及参数信息 序号 类别 数量/件数量占比/%总散热量/kW散热量占比/%总冷却水量/(m3/h)冷却水量占比/%1 艏部设备133 51.95 58 223.0 84.01 4 725.0 73.24 2 艉部设备123 48.05 11 083.9 15.99 1 726.6 26.76 综合考虑以上对铺管船冷却水用户的分类情况，从系统建造成本、操作灵活性和维护便利性等角度 出发，尽量精简冷却系统的数量，最终确定该铺管 船的冷却水系统设计方案为 4 个独立的系统，见 表5。表5 冷却系统设计方案 序号 类别 数量/件 数量占比/%总散热量/kW 散热量占比/%总冷却水量/(m3/h)冷却水量占比/%1 主发电机组冷却水系统24 9.38 4 4352 63.99 2 412.0 37.39 2 推进器冷却水系统 52 20.31 4 329.9 6.25 0 778.6 12.07 3 艏部辅助设备冷却水系统82 32.03 12 560.4 18.12 1 994.1 30.91 4 艉部辅助设备冷却水系统98 38.28 8 064.6 11.64 1 266.9 19.63 2 主发电机组冷却水系统主发电机组冷却水系统 该船共有 6 台主发电机组，3 台布置在左舷机舱，3 台布置在右舷机舱。每台主发电机组配置单独的中央冷却水系统，设备内部采用淡水冷却，高温淡水通过外部海水进行冷却3。6 台主发电机组的冷却水系统相互独立，任何1 台主发电机组的冷却水系统故障不会影响其他5 台的正常运行。因此，各冷却水系统的冷却水泵（淡水冷却泵和海水冷却泵）均不需要配置备用泵。主发电机组冷却水系统主要包括如下设备：柴油机、发电机、滑油冷却器、主机回油冷却器、发电机淡水冷却循环泵、滑油冷却器淡水循环泵、中央冷却器和主发电机组海水冷却泵等。各设备均为DP相关设备，系统设计需要满足DP3的冗余要求。除发电机需要配置单独的淡水泵进行冷却外，其他设备均通过柴油机机带淡水泵进行冷却。因此，每个主发电机组的设备可为柴油机设备组和发电机设备组。1 号主发电机组冷却水系统示意图见图1。图1 1号主发电机组冷却水系统示意图 3 推进器冷却水系统推进器冷却水系统 该船配置有10 套推进器。其中：1 号和2 号为全回转主推进器，布置在艉部；3 号、4 号和7 号为 技术交流 Technical Communication 2023/3 船舶标准化工程师 75 伸缩式推进器，布置在艉部；5 号、6 号和8 号为伸缩式推进器，布置在艏部；9 号和10 号为管隧式侧向推进器，布置在艏部。每套推进器配置单独的冷却水系统，10 套推进器的冷却水系统相互独立。每套推进器冷却水系统配置 2 台海水冷却泵、1 台板式冷却器和2 台淡水冷却泵。其中，海水泵冷却和淡水冷却泵均为1 用1 备。推进器冷却水系统主要包括如下设备：推进器机械本体冷却单元、推进器电机、推进器变压器、推进器变频器及推进器室单元空调等。推进器均为 DP 相关设备，布置范围广，可覆盖艏部至艉部的大部分区域。各推进器采用独立的冷却水系统不仅能很好地满足 DP3 的冗余要求4，还方便操作。全回转主推进器冷却水系统示意图见图2。图2 全回转主推进器冷却水系统示意图 4 艏部辅助设备冷却水系统艏部辅助设备冷却水系统 艏部辅助设备冷却水系统主要包括变压器、柜式空调等 DP 设备，空压机、冷水机组、冷藏装置等船舶辅助设备，艏部锚泊定位绞车、J-Lay 绞车等作业设备。考虑到 DP、安全返港、冗余、隔离等要求，可将艏部辅助设备冷却水系统分为艏部左舷辅助设备冷却水系统和艏部右舷辅助设备冷却水系统等 2个独立子系统。每个子系统配置3 台海水冷却泵、2台中央冷却器和3 台淡水冷却泵。其中，海水冷却泵和淡水冷却泵均为 2 用 1 备，中央冷却器 1 用 1 备。艏部左舷辅助设备冷却水系统示意图见图3。图3 艏部左舷辅助设备冷却水系统示意图 5 艉部辅助设备冷却水系统艉部辅助设备冷却水系统 艉部辅助设备冷却水系统主要包括如下设备：艉部锚泊定位绞车、工作空压机、导管架系统液压动力站、S-Lay系统液压动力站、作业设备变压器、柜式空调、作业设备变频器、绞车刹车电阻及A&R绞车等。根据作业设备使用工况，艉部辅助设备冷却水系统配置 4 台海水冷却泵、3 台中央冷却器和 4 台淡水冷却泵。其中，海水冷却泵和淡水冷却泵在最大使用工况时3 用1 备，中央冷却器2 用1 备。艉部辅助设备冷却水系统的设备均为作业设备，在设计时需要考虑到不同的使用工况。选取同一时间需要开启的设备水量最大、散热量最大的工况进行设计，可有效减小冷却水泵排量、冷却器的换热量和船舶能耗。由分析可知：在最大作业工况时，艉部辅助设备冷却水系统需要开启 3 台海水泵、2台冷却器和3 台淡水泵；而在其他作业工况下，开启 2