動(dòng)力定位風(fēng)電安裝船冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李康康 王 樂 吳 磊

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

近年來，隨著海上風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，為適應(yīng)海上風(fēng)機(jī)的深水化和大型化，滿足海上風(fēng)機(jī)的運(yùn)輸、起重、打樁、吊裝等作業(yè)需求，具有自航、自升、起重功能并配備動(dòng)力定位系統(tǒng)的風(fēng)電安裝船獲得了市場的青睞［1］。考慮到自升自航式風(fēng)電安裝船的作業(yè)特點(diǎn)，為縮短其就位時(shí)間，提高有效的作業(yè)時(shí)間和效率，常為其配備動(dòng)力定位系統(tǒng)，動(dòng)力定位等級通常為DP-1或DP-2。DP-1不需考慮系統(tǒng)設(shè)計(jì)的冗余，DP-2則具有較高的作業(yè)安全性和系統(tǒng)冗余度，要求任何部件和系統(tǒng)單個(gè)故障不會引起定位能力的喪失，故而兩者的輪機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有較大差異。其中冷卻水系統(tǒng)作為重要的輔助動(dòng)力系統(tǒng)，對船舶的安全可靠運(yùn)營至關(guān)重要［2］，因此，本文以1 200 t自升自航式風(fēng)電安裝船為研究對象，探討不同動(dòng)力定位等級下風(fēng)電安裝船的冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算。

1 系統(tǒng)介紹

1 200 t自升自航式風(fēng)電安裝船是一種專業(yè)化的海上風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸安裝裝備，主要用于近海風(fēng)電場施工作業(yè)，具備8 MW及以下海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的打樁施工、塔筒吊裝和風(fēng)機(jī)安裝能力，由船體、四樁腿、升降系統(tǒng)、起重機(jī)和打樁系統(tǒng)組成。

當(dāng)風(fēng)電安裝船的動(dòng)力裝置運(yùn)行時(shí)，為防止需要散熱的機(jī)械設(shè)備因受熱部件溫度過高或熱負(fù)荷過大而影響正常工作，需設(shè)置冷卻水系統(tǒng)為其提供足夠的冷卻水，以保證其在一定溫度范圍內(nèi)可靠地工作，這些機(jī)械設(shè)備包括：主發(fā)電機(jī)、停泊發(fā)電機(jī)組、推進(jìn)器相關(guān)設(shè)備、電氣設(shè)備、升降系統(tǒng)以及空調(diào)冷藏設(shè)備等。根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，冷卻水系統(tǒng)可分為海水冷卻系統(tǒng)和淡水冷卻系統(tǒng)；設(shè)計(jì)時(shí)，海水溫度取32℃，淡水溫度取 38℃。［3］

2 系統(tǒng)用戶

風(fēng)電安裝船功能多樣、工況復(fù)雜。在對風(fēng)電安裝船各典型工況的功率消耗進(jìn)行估算后，DP-1和DP-2的動(dòng)力系統(tǒng)配置見表1。可以發(fā)現(xiàn)，為保證單個(gè)故障出現(xiàn)后船舶仍有一定的定位能力，DP-2風(fēng)電安裝船所需配置的動(dòng)力裝置較DP-1多一臺主發(fā)電機(jī)組，并且艏側(cè)推的功率也有提高。

同時(shí)，當(dāng)動(dòng)力定位等級為DP-2時(shí)，為保證單點(diǎn)故障（包括推力器故障和電力系統(tǒng)故障）時(shí)系統(tǒng)仍然能夠保持一定的動(dòng)力定位的能力［4］，除動(dòng)力系統(tǒng)外，電氣設(shè)備間的柜機(jī)同樣需要冗余設(shè)置。不同工況下需冷卻水系統(tǒng)冷卻的機(jī)械設(shè)備運(yùn)行情況見表2。

表1 1 200 t自升自航式風(fēng)電安裝船動(dòng)力系統(tǒng)配置kW

表2 各工況下冷卻水用戶情況

3 DP-1冷卻水系統(tǒng)

綜合考慮系統(tǒng)的布置和不同工況下的運(yùn)行情況，將DP-1風(fēng)電安裝船的海水冷卻系統(tǒng)分為首部海水冷卻系統(tǒng)和尾部海水冷卻系統(tǒng)，首部海水冷卻系統(tǒng)為首部升降裝置液壓泵站、首部錨絞車液壓泵站、冷藏裝置、中央空調(diào)壓縮冷凝機(jī)組及首部水冷柜機(jī)提供冷卻海水，尾部海水冷卻系統(tǒng)為主發(fā)電機(jī)組冷卻器、輔助冷卻器、尾部升降裝置液壓泵站、尾部錨絞車液壓泵站及尾部水冷柜機(jī)提供冷卻海水；淡水冷卻系統(tǒng)分為為主發(fā)電機(jī)組提供冷卻淡水的主發(fā)淡水冷卻系統(tǒng)和為推進(jìn)設(shè)備等提供冷卻淡水的輔助淡水冷卻系統(tǒng)。

3.1 主發(fā)淡水冷卻系統(tǒng)

主發(fā)電機(jī)組淡水冷卻系統(tǒng)采用高低溫水混流式冷卻系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)組自帶高低溫冷卻水泵。從柴油機(jī)出來的部分高溫水和低溫水混合成指定溫度的高溫水進(jìn)機(jī)進(jìn)行再循環(huán)，剩余的高溫水和低溫水混合后進(jìn)入主發(fā)電機(jī)組冷卻器進(jìn)行冷卻，簡化后的主發(fā)淡水冷卻系統(tǒng)見圖1。

圖1 主發(fā)淡水冷卻系統(tǒng)簡圖

單臺主發(fā)電機(jī)組冷卻水熱交換量為1 316 kW，海水需求為90 m3/h。動(dòng)力定位時(shí)，5臺主發(fā)電機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，系統(tǒng)總換熱量為5×1 316 kW，每臺主發(fā)電機(jī)組冷卻器的換熱量按總換熱量的60%設(shè)計(jì)，最終確定的板式冷卻器的換熱量為2×4 000 kW。

3.2 輔助淡水冷卻系統(tǒng)

輔助淡水冷卻系統(tǒng)為典型的獨(dú)立式中央冷卻水系統(tǒng)，通過板式冷卻器交換熱量。系統(tǒng)用戶除推進(jìn)相關(guān)設(shè)備外，還包括發(fā)電機(jī)組的回油冷卻器。系統(tǒng)最大負(fù)荷發(fā)生在動(dòng)力定位工況，該工況下的熱平衡計(jì)算見表3。

表3 輔助淡水冷卻系統(tǒng)熱平衡計(jì)算

在選取輔助淡水冷卻泵的排量時(shí)，應(yīng)全面考慮系統(tǒng)在各工況下的運(yùn)行狀況。從表2可以發(fā)現(xiàn)，輔助淡水冷卻系統(tǒng)在不同工況下的用戶有較大差別，系統(tǒng)冷卻淡水的需求見表4。

為此，選用4臺排量為60 m3/h的輔助淡水冷卻泵，3用1備。輔助冷卻器的換熱量按動(dòng)力定位時(shí)總換熱量的60%設(shè)計(jì)，最終確定的板式冷卻器的換熱量為2×500 kW。

3.3 海水冷卻系統(tǒng)

1 200 t自升自航式風(fēng)電安裝船設(shè)有3個(gè)海底門，通過海水總管相互連接。尾部海水冷卻系統(tǒng)從尾部2個(gè)海底門取水，首部海水冷卻系統(tǒng)從首部1個(gè)海底門取水，必要時(shí)亦可從尾部海底門取水。海水冷卻系統(tǒng)各用戶的換熱需求見表5。

結(jié)合表2所列各工況下冷卻水用戶情況，統(tǒng)計(jì)不同工況下冷卻海水的需求量見表6。為使系統(tǒng)中的冷卻水用戶在各工況下均能得到適度、可靠的冷卻，選取4臺排量為240 m3/h的尾部海水冷卻泵，3用1備；選取3臺排量為150 m3/h的首部海水冷卻泵，2用1備。系統(tǒng)簡圖見下頁圖2。

表4 各工況下輔助淡水冷卻系統(tǒng)冷卻水流量m3/h

表5 海水冷卻系統(tǒng)用戶換熱需求

表6 各工況下冷卻海水流量m3/h

圖2 海水冷卻系統(tǒng)簡圖

4 DP-2冷卻水系統(tǒng)

DP-2風(fēng)電安裝船的冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，海水冷卻系統(tǒng)需考慮的單點(diǎn)故障包括海水泵失效、濾器堵塞等；淡水冷卻系統(tǒng)需考慮的單點(diǎn)故障包括淡水泵故障、溫控閥故障等，同時(shí)還需考慮保證淡水系統(tǒng)發(fā)生泄漏和氣阻時(shí)的動(dòng)力定位能力。

4.1 淡水冷卻系統(tǒng)

將淡水冷卻系統(tǒng)分成3套獨(dú)立的系統(tǒng)，每套系統(tǒng)對應(yīng)2臺主發(fā)電機(jī)組、1臺全回轉(zhuǎn)舵槳及1臺艏側(cè)推，且電氣設(shè)備間的柜機(jī)也需按冗余要求分在不同的冷卻水回路當(dāng)中。各推進(jìn)鏈的冷卻水熱平衡計(jì)算結(jié)果見下頁表7。

根據(jù)分組，為淡水冷卻系統(tǒng)設(shè)置4臺排量為100 m3/h的淡水冷卻泵，3用1備；每套淡水冷卻系統(tǒng)設(shè)置1臺中央板式冷卻器，換熱量按總換熱量的120%設(shè)計(jì)，取3 700 kW。

與此同時(shí)，在淡水冷卻系統(tǒng)管路上設(shè)隔斷閥。DP時(shí)隔斷閥關(guān)閉，3套冷卻水系統(tǒng)相互獨(dú)立，任意1套系統(tǒng)失效均不會影響另外2套冷卻系統(tǒng)的正常工作；其他工況下，隔斷閥打開，淡水冷卻系統(tǒng)合并為1套大的系統(tǒng)，可根據(jù)工況靈活使用。系統(tǒng)簡圖見下頁圖3。

表7 DP-2風(fēng)電安裝船冷卻水系統(tǒng)熱平衡計(jì)算結(jié)果

圖3 DP-2風(fēng)電安裝船冷卻水系統(tǒng)簡圖

4.2 海水冷卻系統(tǒng)

除為淡水冷卻系統(tǒng)的中央板式冷卻器外，海水冷卻系統(tǒng)還需為升降裝置液壓泵、錨絞車液壓泵站等設(shè)備提供冷卻海水。在設(shè)計(jì)時(shí)，如圖2所示，在尾部兩個(gè)海底門連通的總管上設(shè)隔斷閥，并在2號和3號海水泵的吸入端前設(shè)置連通管，各海水泵的出口端則連成總管接板冷。

綜合考慮各工況下冷卻海水量的實(shí)際需求，為DP-2風(fēng)電安裝船的海水冷卻系統(tǒng)配置4臺排量為250 m3/h的海水冷卻泵，3用1備。實(shí)際工作時(shí)系統(tǒng)的海水供求情況見表8。

表8 各工況下冷卻海水用戶及海水供應(yīng)量m3/h

5 結(jié) 語

本文對不同動(dòng)力定位等級的1 200 t自升自航式風(fēng)電安裝船的冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，將DP-1的風(fēng)電安裝船冷卻水系統(tǒng)分為首部海水冷卻系統(tǒng)，尾部海水冷卻系統(tǒng)，主發(fā)電機(jī)組淡水冷卻系統(tǒng)和輔助淡水冷卻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的靈活有效運(yùn)行；將DP-2的風(fēng)電安裝船冷卻水系統(tǒng)分為三個(gè)獨(dú)立的中央冷卻水系統(tǒng)，使之在動(dòng)力定位時(shí)能夠滿足系統(tǒng)的冗余要求。同時(shí)，為保證整個(gè)系統(tǒng)在各工況下都能夠滿足各設(shè)備對冷卻水的需求，合理地對系統(tǒng)中的冷卻器及冷卻水泵的數(shù)量及容量進(jìn)行了選型配置。通過本文的分析計(jì)算，可為今后該類船型的冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一些參考。