飽和潛水設備中央冷卻水系統設計

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(招商局重工(深圳)有限公司，廣東 深圳 518054)

一般傳統中央冷卻系統采用開式海水冷卻系統，系統一般由2個海水箱及吸入濾器、2臺海水冷卻水泵(一主一備)、2臺熱交換器，2臺淡水冷卻泵(一主一備)和1臺壓力膨脹水柜組成。各冷卻水用戶設備從冷卻水供水總管上取水后排出至回水總管，用戶設備的熱負荷被冷卻水帶走。這種傳統形式具有以下不足：①管路、閥門、電纜及其他靜態部件單點故障可能導致的整個冷卻水系統失效；②船舶火災或進水可能導致整個冷卻水系統失效。為此，以某型入級DNVGL船級社的飽和潛水支持船為例，通過與傳統中央冷卻水系統進行比較，探討基于FMEA的飽和潛水設備冷卻水系統的技術特征和設計要點。

1 系統組成及布置

在高壓氧環境中，潛水員對溫度的變化非常敏感，所處高壓氧環境下合適的溫度是對飽和潛水員生命和身體健康的重要保障，因此，必須精確可靠地對溫度進行控制[1]。

1.1 基本組成

系統劃分為左舷系統和右舷系統2個獨立的子系統，每個子系統由1個海水箱及吸入濾器、2臺海水冷卻水泵(一主一備)、一臺熱交換器、2臺淡水冷卻泵(一主一備)和1臺壓力膨脹水柜組成。2個子系統間在水泵和冷卻器的進出口，設置有聯通管路和隔離閥。當某一側子系統內設備故障或檢修時，通過打開隔離閥，另一側子系統內相應功能設備能夠介入維持系統運轉，以提供更多的裕度，典型形式見圖1。

1.2 冗余組劃分

將系統劃分為2個子系統，見表1。

表1 系統冗余組劃分

由于減壓艙氣體回收空壓機只有1臺，為保障其冷卻水供應，將其同時劃分到冗余組A和B，在其冷卻水進出口通過開支管的方式設置備用接口，并設置隔離閥門。

1.3 布置

為降低船舶火災或進水對冷卻水系統可能導致的整個系統失效的風險[1]，系統的2個冗余組內的設備、管路及電纜等部件相互分散遠離、呈左右對稱布置。條件允許的情況下，2個冗余組也可布置在2個不同的艙室，艙室間由A60防火艙壁隔開，聯通管上的隔離閥布置在防火艙壁的2側約500 mm處。

圖1 飽和潛水設備中央冷卻水系統典型設計

1.4 故障模式及影響分析(FMEA)

由于系統的2個子系統完全獨立，且每個子系統具備提供足夠量的冷卻水，供冗余組內的潛水設備使用，任何子系統獨立工作均能保障全部潛水員的生命，所以任何單點故障都不至于威脅到潛水員的生命安全。另外，系統設置了聯通管及隔離閥，即使某一側系統內的泵或冷卻器因故障或檢修而無法使用，也可以通過打開常閉的聯通閥，用另一側的泵和冷卻器為2個冗余組的用戶不間斷提供冷卻水，為系統提供足夠的裕度，進一步保障潛水員的生命安全。冗余組A和B主要故障模式及影響見表2[2]。

2 設計要點

根據系統設計原則，應按照設備的最惡劣工況來選擇設備的參數，以確保在單點故障的情況下設備有足夠的能力來應對故障或檢修情況，相關設備參數取1.1倍計算值作為安全系數。

表2 部分故障模式及影響

2.1 系統工況

各部件工況見表3。

表3 各部件的工況

2.2 淡水冷卻水泵的選型

離心泵設計和選型技術[3-4]已經非常成熟，在此僅對泵的流量和揚程2個主要參數進行選定，其他參數由泵廠家選型后進行認可。

1)流量Q1。根據潛水系統設備熱負荷參數表，可算出每個冗余組的冷卻水流量Q0?？紤]到隨著使用時間變長管路可能變得粗糙，往往按要求最小流量的1.1倍，即將Q1= 1.1Q0作為泵的設計選型參數。

2)揚程H1。泵的揚程主要由閉式冷卻水回路中管路沿程損失和局部損失決定，一般根據經驗初定閉式淡水冷卻泵的揚程H1=30 m，該數據通過了后期管路阻力校核計算。管路阻力計算由成熟軟件完成，在此不作贅述。注意潛水設備在各層甲板都有分布，由于系統靜壓力作用，可能會出現低處潛水設備進口壓力超過設備允許的壓力。在校核揚程時，應注意同時校核避免低處冷卻水設備超壓的情況，如經核算確實存在局部超壓，可有如下2種解決方案：①增大管徑，降低泵的揚程；②在超壓設備冷卻水進口安裝背壓閥，背壓閥出口引至設備冷卻水出口管路上，背壓閥的設定壓力值為被保護設備的最大允許壓力。

2.3 壓力膨脹水柜的選型

閉式循環系統一般采用氣囊式壓力膨脹水柜，有容積和設定壓力2個主要參數。

壓力膨脹水柜的設定壓力一般在泵未運行狀態下設定，設定值應滿足以下2個條件中的較大值。

1)比系統最高點高1.5 m水柱所產生的靜壓頭，即

P0= (H1+ 1.5)

(1)

式中：H1為膨脹水柜底部距離系統最高點的高度差。

2)正常運行中泵的汽蝕余量加1 m水柱所產生的靜壓力，即

P0=(mNPSHr+ 1)

(2)

式中：mNPSHr為泵的汽蝕余量。

2.4 冷卻器的選型

對于船用大功率的冷卻器，通常選用板式冷卻器，總熱負荷P，冷卻淡水總流量Qh，冷卻器淡水出口溫度t2，海水進口溫度t1= 34 ℃。

熱介質溫升Δt=t1-t2=P/ (Q·ρ·Cp)；

冷介質溫升Δt=t1-t2= 6 ℃；

則所需海水流量Qc=P/ (ρ·Cp·Δt) 。

由此確定本船板式冷卻器初選參數,見表4。

表4 本船板式冷卻器主要參數

板式冷卻器設計和選型技術[5]已經非常成熟，在此僅考慮熱負荷、流量和溫度3個主要參數的選定，其他參數在設備廠家選型后認可。

2.5 海水冷卻泵的選型

海水冷卻泵一般采用帶自吸裝置的離心泵。

1)流量Q2。根據表4中算得的冷卻海水流量，可得到每臺海水冷卻泵的最小流量Qmin，考慮到10%的污垢系數，一般每臺海水泵的流量Q2= 1.1Qmin

2)揚程H2。根據管路阻力計算，可得到海水冷卻泵的揚程H2。

2.6 確定冷卻水管路尺寸

1)海水吸入總管尺寸。一般海水吸入總管流速2～3 m/s，且滿足正常工況下單泵工作時流速大于1 m/s[6]。

檢修工況下，取v=2.5 m/s，根據流量Q2，計算管內徑，并依此選出管子規格，需要對正常工況和惡劣工況下的流速進行核算；海水冷卻泵吸入管應盡量短，且應將泵盡量布置在低處；管路阻力計算應在后期生產設計布置完善后核算，海水冷卻泵吸入口處壓力/真空值應確保泵不發生汽蝕。

2)淡水總管尺寸。淡水總管的最惡劣工況：2臺淡水泵同時工作，總管需要輸送2Q1的淡水形成循環。總管尺寸計算方法同上。

2.7 功能閥門設計

系統中截止閥、止回閥和三通溫控閥的設計比較常規，此處重點介紹一下流量調節閥、背壓閥和自動放氣閥等重要功能閥的設計。

1)流量調節閥。系統設計中各冗余組內的潛水設備處于并聯狀態，設備出口的流量調節閥主要用來調節分配冷卻水量[7-8]，避免系統遠端的設備由于管路阻力大而得不到充足的冷卻水。推薦使用具有流量檢測接口的流量調節閥，以方便調試過程中根據測量值調大或減小閥門開度。

2)背壓閥。系統最遠端設計有背壓閥并配有隔離閥和旁通閥，其目的是在調節系統背壓，使泵始終工作在最佳的額定工作點。背壓閥在系統運行初期或某臺潛水設備檢修時，可以自動旁通掉過多的水流量；隨著運行一段時間后管路阻力增大后或設備檢修完畢，可減少旁通的水流量，使泵的流量和壓頭始終維持在額定值，自動控制整個冷卻水系統的壓力波動[9]。

3)自動排氣閥。在系統的最高點或局部管路的高點，設置有自動排氣閥，用來自動排出系統內部的空氣，減少氣阻發生。

上述自動控制閥門均為機械式，為防止這些功能閥門失效，閥門前后一般設計有手動閥門，方便檢修和更換時與系統隔離，確保單點故障不影響整個系統的運行。

2.8 配電系統設計

本船屬于DP2船，無雙機艙的A60物理分割[10]，由于潛水冷卻水系統涉及潛水員的生命安全，屬于極其重要的系統，因此對于配電系統的最惡劣工況為：主機艙著火全部主電源失效，潛水設備冷卻水系統需要依靠應急電維持運行，基于此，配電系統推薦采用如圖2所示的形式[11]進行配置。

2.9 監測、報警及自動化設計

根據DNVGL船檢社對E0船級符號的要求[12]，在互為備用的泵組出口總管上應設置1個壓力開關，其信號直接硬線連接至泵的啟動器或控制箱，用于備用泵的切換，此外還應設置1個壓力傳感器用于監測泵出口的壓力低于設定值時發出報警，這樣可以確保自動控制元件(壓力開關)失效時，還有一套檢測元件(壓力傳感器)用于監測故障。

淡水冷卻水泵出口總管設置溫度傳感器，用于監測系統水溫，可及時發現冷卻器或溫控閥的故障導致的溫度異常。在潛水設備、海水冷卻泵、淡水冷卻泵、板式冷卻器和壓力膨脹水柜的進出口，設置有必要的溫度計和壓力表，用于監測各設備的溫度和壓力參數，便于快速準確地判斷故障點。

2個冗余組的溫度和壓力信號，應由2套獨立的信號采集和處理系統，每個系統配置單獨的不間斷電源(UPS)，以保證全冗余要求。

3 結論

1)正常工況下，2個子系統完全獨立且同時運行，可保證冗余組的所有設備有冷卻水供應。

2)系統設備、管路及電纜數量增多，一次性投入增多，但泵的參數變小，長期運營成本降低。

3)有足夠的裕度，可非常方便地改變操作工況，應對意料之外的額外載荷、誤操作和檢修工況。

4)具有更高的系統可靠性，任何運動和靜態部件的單點故障，不會威脅到潛水員的生命安全。

5)須對系統進行必要的計劃維保，以盡量降低故障發生率。

6)熟悉故障類型及其處理流程，準備必要的備品備件，確保在故障發生后能迅速恢復系統。