淺析船舶冷卻水系統目的及功能

張華

摘要：船舶在運行時，很多設備運轉將產生大量的熱量，這些熱量對于設備正常工作是有危害性或者降低設備運轉效率的，所以熱量必須通過一些介質帶走。本文以31.9萬噸大型油船為例，結合船舶冷卻水系統設計工藝原則，淺談冷卻水系統目的及功能。

關鍵詞：船舶；海水冷卻系統；淡水冷卻系統

隨著造船業不斷發展，對船舶的研究需不斷地提高和優化，船舶冷卻水系統是一個具有復雜形式的系統，合理地選型布置及應用冷卻水系統，對整個船舶航運經濟性，維護是非常重要的，這與造船成本和船東的使用成本都具有很大的影響。

1. 冷卻水系統概述

冷卻主機、發電機以及其他種類的輔機，從鄰接海水的海底門把海水吸入后進行循環，冷卻機器后再通過舷側接管排出到船外，一般分為主機冷卻，輔助機械冷卻以及海水日用等，船上機器所需的冷卻海水量是根據設備工況通過熱平衡計算決定的，在此基礎上確定海水總管管徑以及冷卻海水泵的容量，根據冷卻介質的不同分為所有機器直接用海水冷卻的常規海水冷卻系統和所有機器使用淡水冷卻介質的中央冷卻系統。

1.1 海水冷卻系統

除了主機以及發電機的缸套是由淡水冷卻，其他設備包括主機、發電機的空冷器等是用海水冷卻的系統。在技術上使用獨立的海水冷卻系統，可以節約初期建造所用的設備費用（由于泵的數量大大降低）并使系統操作相對簡單，但使用海水冷卻系統對于今后的設備維護和管路的海水腐蝕來說卻是個很大的缺點。

1.2 中央冷卻系統

中央冷卻系統是由為主機以及發電機的缸套提供冷卻的高溫淡水系統和為其他設備提供冷卻水的低溫淡水系統以及由海水通過中央冷卻器冷卻淡水的海水系統構成。中央冷卻系統是低溫淡水循環和高溫淡水循環相互獨立構成的循環冷卻系統，這兩個循環通過溫控閥相連接（高溫冷卻系統也可完全獨立開，此種情況較常見），通過中央冷卻器來冷卻。

2.海水冷卻系統

2.1設置海水冷卻系統的目的

由于海水腐蝕性較強，目前船舶冷卻系統設計多采用中央冷卻系統，中央冷卻系統的冷卻介質就是海水，海水對于運行中的船舶來說是取之不盡的，而且海水溫度相對較低（大多數海域海水不超過32度），設置海水系統就是為了用海水冷卻已經冷卻設備的相對高溫的淡水或滑油。所以，冷卻系統中最終真正帶走熱量的是海水，而淡水和滑油不過是換熱過程的中間介質。

2.2 冷卻系統中的關鍵設備

用于熱量交換的設備叫做換熱器，海水冷卻淡水和滑油的設備叫做冷卻器，冷卻器主要有殼管式冷卻器和板式冷卻器，船舶通常設計有中央冷卻器、滑油冷卻器和主機缸套水冷卻器，它們都是板式冷卻器。板冷的數量是由熱平衡計算和規格書中要求的每臺冷卻器換熱能力決定的，中央冷卻器的作用是用海水作為冷卻介質冷卻相對高溫的淡水。

2.3系統配置及設備的主要功能

高位海底門、低位海底門各一個，海底門是海水進入機艙通道，海水總管在靠近兩只海底門處各設置一只海水濾器，每臺濾器上各有一對防海生物電極，設計壽命為兩年，海水濾器的濾通比不應小于2倍。三臺主海水泵，離心式，其中一臺有自吸功能，兩臺海水泵二用一備。主海水泵是機艙冷卻海水的輸送工具，最主要的作用是從海水總管抽取海水泵至中央冷卻器和大氣冷凝器，交換熱量后排出船外。大氣冷凝器是殼管式冷卻器，船上機器所需的海水量是根據設備工況通過熱平衡計算決定的，在此基礎上選定主海水泵的容量。除上述作用外，主海水泵還有兩個作用：第一，主海水泵與真空冷凝器冷卻海水泵的互為備用泵，應急情況下當真空冷凝器冷卻海水泵出現故障或不能使用時，主海水泵可向真空冷凝器提供冷卻海水，同樣當主海水泵故障或不能使用時，真空冷凝器冷卻海水泵也可以為中央冷卻器和大氣冷凝器提供冷卻海水；第二、主海水泵還為污水處理單元提供清洗用的海水，通至中央冷卻器的海水總管還設有一個應急水接口，當海水泵故障或不能使用時可從岸上接入冷卻水。一臺真空冷凝器冷卻海水泵，離心式。這臺海水泵同樣從海水總管抽取海水泵至真空冷凝器，交換熱量后排出船外。真空冷凝器由兩臺冷卻器組成，兩臺冷卻器功能不同，它們也都是殼管式冷卻器。一臺造水機噴射泵，離心式；一臺造水機，造水機是通過蒸餾法獲得淡水。造水機噴射泵從海水總管抽取海水泵至造水機。進入造水機的海水分為兩部分，一部分用于蒸餾，另一部分用于冷卻。用于蒸餾的海水在造水機蒸餾腔內經過高溫加熱蒸發，蒸汽進入冷凝腔被冷卻海水冷卻，就形成可供生活使用的淡水，淡水再通過一個噴射泵泵至淡水艙，冷卻用的海水與冷凝腔中的蒸汽熱交換后排出船外，蒸餾腔和冷凝腔也都是板式冷卻器，造水機也稱為制淡裝置。兩臺艙底、消防總用泵，離心式，其中一臺主要做消防用，即消防泵，另一臺主要抽吸機艙艙底水排出船外，即艙底水泵，兩臺泵可互為備用，消防泵從海水總管抽取海水作為機泵艙、主甲板和住艙消防使用。

3.淡水冷卻系統

3.1設置淡水冷卻系統的目的

在水冷卻系統中，最終帶走熱量的海水，低溫淡水是換熱過程的中間介質。但海水有很強的腐蝕性，而且海水中雜質較多，如果用海水冷卻會對設備造成腐蝕傷害或者冷卻水管結垢，如水管采用耐腐蝕材料或者特殊處理又會增加成本。相比下，使用淡水冷卻更簡單有效，因此船舶設計中通常采用淡水冷卻。目前，船舶淡水冷卻系統的主流設計是中央冷卻形式。

3.2低溫淡水冷系統配置及設備的主要功能

三臺低溫淡水冷卻泵，離心式，其中兩臺工作，一臺備用。低溫淡水冷卻水泵的主要功能是為整個低溫淡水冷卻系統完成循環提供動力，把低溫冷卻淡水泵至每個需要被淡水冷卻的設備中，它就像低溫淡水系統的心臟。一個氣動控制的混流式三通溫控閥，溫度設定點為36度（中央淡水冷卻系統設計溫度）；低溫淡水冷卻所有需要淡水冷卻的設備后匯合成溫度略高的淡水（根據熱平衡計算最高溫度不超過51度），其中一部分進入中央冷卻器冷卻成溫度不高于36度的低溫淡水，與另一部分不經過冷卻器的淡水直接在溫控閥內按照比例混合，混合后的水（水溫為設計溫度36度）再循環冷卻各設備。三通溫控閥的基本控制原理是溫控閥出口設置的一只溫度傳感器反饋溫度信號，溫控閥的控制器接收到信號后向溫控閥的驅動頭發出模擬信號，壓縮空氣進入驅動頭調節閥門的開度來實現兩種淡水的比例混合。

需要低溫淡水冷卻的設備主要有三大類，即板式冷卻器、殼管式冷卻器、和本體或缸套類。板式冷卻器有主機缸套水冷卻器、主機滑油冷卻器、發電機滑油冷卻器；殼管式冷卻器有主機空冷器、發電機空冷器、透平滑油冷卻器、艉管滑油冷卻器、空調、冷藏；本體類有中間軸承和鍋爐循環水泵；缸套類有活塞式空壓機。

3.3淡水冷卻水系統中幾個重要設備的冷卻

3.3.1主機淡水冷卻水系統

主機及其配套設備中需要淡水冷卻的主要有三個設備，一個是空冷器，一個是滑油冷卻器，另一個是汽缸套。這三種設備需要兩種溫度的淡水來冷卻，其中空冷器和滑油冷卻器是用低溫水冷卻，屬低溫淡水冷卻系統，空冷器是殼管式冷卻器；汽缸套不能用低溫水直接冷卻，而是要用約82度的高溫淡水來冷卻，屬于高溫淡水冷卻系統。高溫淡水冷卻缸套后溫度約為90度，冷卻缸套后的高溫淡水一部分經過主機缸套冷卻器冷卻后（冷卻后的水溫不超過68度）與另一部分未經過冷卻器的高溫淡水混合成約82度的高溫淡水重新進入汽缸套循環冷卻，與中央冷卻系統相同的是，兩部分水的混合也是在一個氣動混流式溫控閥內完成的，原理與中央冷卻系統的溫控閥相同。主機缸套冷卻器的作用是冷卻主機汽缸套的高溫淡水，而冷卻介質是中央冷卻系統提供的低溫淡水。主機缸套水預熱器是殼管式加熱器，加熱源是7k蒸汽，設置主機缸套水預熱器的目的是為主機暖機。在主機啟動前，通常會用主機缸套水預熱器加熱淡水作為汽缸套的高溫冷卻水。

3.3.2輔機淡水冷卻水系統

輔機的淡水冷卻與主機相似，它需要淡水冷卻也是三個設備，即空冷器、滑油冷卻器和汽缸套。它的空冷器和滑油冷卻器也是用低溫水冷卻的，屬低溫冷卻系統；汽缸套是要用約70度的高溫淡水來冷卻，高溫淡水冷卻缸套后溫度大約為77度，冷卻缸套后的一部分高溫淡水與冷卻空冷器和滑油冷卻器后的一部分溫度略低的高溫淡水（溫度不超過50度）在一個氣動控制混流式三通溫控閥中混合成約70度的高溫淡水重新進入汽缸套循環冷卻，兩種淡水多余的部分進入中央淡水冷卻系統被冷卻，這個三通溫控閥的原理與中央冷卻系統和主機淡水冷卻系統的溫控閥相同。輔機缸套水預熱器是電加熱器，設置輔機缸套水預熱器的目的與主機相同，即在輔機啟動前為輔機暖缸。

結束語

船舶冷卻水系統作為船舶重要設備冷卻系統，它的功能直接影響這船舶的航行特性，甚至影響船舶的正常航行，所以管理人員和施工人員要加強冷卻水系統理論和實際操作經驗的學習和提高，確保設備正常運行和高效使用。

參考文獻：

[1]中國船舶工業總公司.船舶設計實用手冊[M]北京：國防工業出版社，1999.

[2]鄭銳沖.船舶冷卻水系統的優化設計[J].武漢理工大學，2000.

[3]潘偉昌，船舶中央冷卻水系統的分析與初步研究[J].哈爾濱工程大學，2001.