大型冷卻水系統調試裝置設計

程紹堅，陳劍威，吳擁軍

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

郵輪的各項系統非常龐大，需要調試的設備多，塢期長。所以，需要一套適用于郵輪冷卻水系統調試的裝置，可供郵輪在船塢內邊施工邊進行系統調試，實現調試工序前移，減少郵輪的碼頭系泊時間，盡早安排試航的目標，保證郵輪的順利交付。目前，國內各型船塢只有用于維修船舶空調及冷藏設備冷卻的小流量臨時冷卻水供給系統，沒有可以滿足大型船舶的設備及系統進行聯合調試需求的大流量冷卻水調試裝置，可用于該裝置設計的經驗少。在此背景下，以郵輪冷卻水的供給量和安全性為依據，進行冷卻水量的計算，水泵排量及揚程的選型和冷卻水管路的管徑和系統超壓保護設計[1]，應用于國產首制豪華郵輪冷卻水系統調試裝置的設計。

1 設計原則

郵輪冷卻水系統調試裝置的主要目的是將部分航行試驗項目前移到船塢階段完成，縮短航行試驗時間。所以，該裝置在設計時應遵循以下原則：①準確性，提供冷卻水的狀態應近似于郵輪正常航行時的吃水狀態，提高郵輪設備和系統調試結果的準確性；②郵輪設備和系統的完整性，提供冷卻水時應做到不對郵輪的設備和系統做任何的調整和修改，保持完整性；③高可靠性/安全性，設計必須充分考慮本裝置和郵輪設備和系統的安全和可靠；④可擴展性，設計必須考慮未來更大船型調試的需要。

2 技術要求

首先，我國首制豪華郵輪所在船塢是目前中國最大的船塢，分為前、后2個塢室，可以同時建造2艘大型郵輪，見圖1。所以，郵輪冷卻水系統調試裝置可根據需要同時或分別用于2個塢室內的郵輪冷卻水系統的調試。但是，考慮到2艘郵輪同時滿負荷調試冷卻水系統的可能性極低，所以冷卻水調試裝置的總容量只需滿足單條郵輪冷卻水系統的調試即可。

首制豪華郵輪為滿足安全返港的要求，布置有前、后2個機艙。每個機艙均設有獨立的海水槽用于各機艙冷卻水的供給。首先，根據郵輪的設備參數，確定整船航行時冷卻水系統最大消耗量為4 585 m3/h。 但是，基于分區調試和分系統調試原則，計算得出最大調試工況時，冷卻水系統消耗量為3 800 m3/h。其中，艏部海水緩沖艙所需最大冷卻水消耗量為2 792 m3/h，艉部海水緩沖艙所需最大冷卻水消耗量為1 008 m3/h，見表1。

其次，由于郵輪上需冷卻設備種類較多且調試工況也十分復雜，各工況對于冷卻水的需求量差別很大。所以，在冷卻水系統調試裝置設計時既要考慮各類設備系統的聯合調試的需求，又要滿足單類設備調試工況的消耗需求，同時兼顧經濟性。

圖1 郵輪塢內排布示意圖(單位：m)

表1 郵輪冷卻水系統調試裝置容量計算 m3/h

再次，冷卻水需要引入大型郵輪的海水槽，再由大型郵輪自身的海水冷卻泵輸送至冷卻設備。調試裝置的供給壓力既要保證位于C甲板(距塢底約5.9 m)的海水泵泵殼內充滿水，又要保證海水槽內的壓力不超過設計值(0.12 MPa)。

3 設計要點

大型冷卻水系統調試裝置的主要設計內容包括：冷卻水泵排量和揚程的確定、冷卻水供給管路的管徑計算，以及海水緩沖艙的超壓保護。

3.1 冷卻水總管的通徑計算

國產首制郵輪所在船塢的長度為740 m，冷卻水總管長度約為500 m。因為前、后塢室存在同時消耗冷卻水的工況，所以管徑設計必須確保前后塢室所有冷卻水支管接入大型郵輪接口處的管路阻力均小于總管內的壓力，避免前塢室使用冷卻水時，后塢室沒水的情況發生。同時塢內在左右兩側各設置一根冷卻水總管，可以減小總管的直徑，又可提高系統使用的靈活性。根據前述布置，首先建立管路阻力模型[2]，2路總管按流速3 m/s計算管徑，應選取DN500[3]。此時，后塢室最遠端接入口的管路阻力約為0.11 MPa，詳見圖2。

所以，根據計算確定當江水高度大于12 m時，可以采用自流方案；而當江水高度等于或低于12 m時則使用冷卻水泵方案。

3.2 冷卻水泵的排量

根據前述冷卻水系統調試時消耗量的預測，最大調試工況時冷卻水系統消耗量為3 800 m3/h。考慮冗余度，確定總冷卻水供給量為1.1倍最大調試工況時冷卻水系統消耗量，實取4 200 m3/h。根據各種設備調試工況對冷卻水消耗量的需求量，得出冷卻水消耗量在528～3 800 m3/h之間。經過配置方案分析對比，確定選取2臺750 m3/h和2臺1 350 m3/h冷卻水泵，該配置可以靈活地用于郵輪的各種調試工況。郵輪典型調試工況的冷卻水泵運行參數詳見表2。

圖2 管路阻力模型

表2 典型調試工況的冷卻水泵運行參數 m3/h

圖3 江水潮位示意圖(單位：m)

3.3 冷卻水泵的揚程

根據管路阻力計算以得知后塢室最遠端接入口的管路阻力約為0.11 MPa。所以，冷卻水泵揚程應該為0.12 MPa。但是，國產首制郵輪建造所在船塢外的江水最高潮位和最低潮位分別距離船塢塢底的高度為13.8 m和8.8 m，冷卻水的進水口高度距離塢底高度為5.5 m，見圖3。

從該情況分析，在江水潮位在8.8 m～12.0 m之間會帶給冷卻水泵較大的凈壓頭，考慮到冷卻水調試裝置的實際工況要求是大排量、小揚程的特點，經過各類水泵的特性對比，確定選用大流量、低揚程的渦流泵，其揚程最低約為7 m。如此，冷卻水泵排出總揚程等于江水液位凈壓頭與渦流泵的揚程之和[4]，達到16～19 m，超過了海水槽的設計承壓，所以需要設置超壓保護措施。

3.4 冷卻水系統的超壓保護

超壓保護是冷卻水系統調試裝置設計最關鍵的要素，一旦發生超壓，則會對在建大型郵輪的海水緩沖艙和海水箱造成損壞。為此，首先考慮在冷卻水系統調試裝置的水泵單元出口處安裝1臺調壓閥，以保證總管壓力始終保持在0.12 MPa。同時在水泵單元出口和穩壓閥之間設置1臺泄壓閥，當總管壓力達到12 m時，泄壓閥自動開啟，將多余的冷卻水泄放至塢內集水井，以保證水泵單元的正常運行[5]，避免水泵電機超負荷的情況發生，見圖4。

另外，在距塢底高度為5.5 m的郵輪冷卻水進水閥具有壓力調節功能。該閥可以手動控制將閥后的冷卻水壓力始終保持在0.02 MPa左右。如此，整個郵輪海水槽和海水箱的承壓將維持在7.5 m，符合郵輪正常航行時吃水高度8 m的工況，可保證冷卻水調試系統和郵輪設備及系統的安全性。

圖4 調壓閥和泄壓閥位置示意

4 結論

綜上所述，適用于郵輪的大型冷卻水系統調試裝置的設計首先應按最大調試工況計算冷卻水量，不能單一選擇最大的設計工況，既浪費又會給系統增加危險。其次，冷卻水泵應按照大小搭配的原則選取，以便適用于各種不同工況的水量要求。再者，確定冷卻水泵的揚程時，必須深入分析潮汐的影響，確保低潮位可以吸上水，高潮位時揚程不會超過系統設計壓力。如果不可避免發生水泵揚程超壓，則必須配置系統超壓保護措施。最后，管路設計應進行阻力計算，確保在建船舶每個進水口的阻力近似，以避免發生搶水現象。目前，大型冷卻水系統調試裝置的設計中自動化程度不高，需要操作人員實時進行管控。以后，可以在該設計基礎上增加必要的監控儀表和控制單元，實現遠程集中監控，提高效率和系統安全性。