船舶冷却水系统设计方案指导

编制大纲：补充开发设计需要的局部，参考《船舶管舾装设计工艺有用手册》需要补充的内容：1，水泵〔定速离心泵，变频泵；2，温控阀；345，特别案例的区分〔温控阀，板冷，变频泵对整个冷却系统形式选定的影响；分别封闭式，凹凸温混流式，配置变频海水泵没有温控阀的中心式〕〔特别是一些厂家自己的阅历系数8，补充开发设计需要的局部，参考《船舶管舾装设计工艺有用手册》前言〔目的〕

防工业出版社为蓝本，将其中的冷却水系统做了进一步内容扩展和深化描述，供给应具体设计人员参考。参考《船舶管舾装设计工艺有用手册系统进展核心：1，稳定调整；2，节约能源，余热循环利用；3，节约本钱，替代方案的方式；关键词：稳定的压力，稳定的流量，稳定的温度，稳定的水质〔这个水质包含化学成分稳定不结垢，物理成分稳定，极少气泡，气泡会影响热交换器的效率〕冷却水系统名目1，范围2，冷却水系统的根本形式3，系统形式的选择4，冷却水系统实例5，中心冷却系统热平衡计算6，冷却水系统的主要设备配置要点7，制淡装置〔造水机〕8，具有冰区航行船级符号船舶的冷却水系统特别要求9，海水进水阀操纵位置的要求10，冷却水系统的温控阀11，冷却水系统的节流孔板12，冷却水系统的泵13，冷却水系统的膨胀水箱冷却水系统1，冷却水系统的根本形式1，开式冷却水系统冷闭式冷却水常规冷却水却系统系统水系中心冷却水系统混合式中心冷却水系统独立式中心冷却水系统统自流式中心冷却水系统统自流式中心冷却水系统混合式冷却水系统，所谓开式和闭式冷却水系统是指柴油机本身冷却水系统而言。开式根本不承受开式系统。海拖〔海洋港口拖轮〕还在使用海水直接冷却柴油〔潜在问题：船内海水泄露，在与柴油机连接的弹性管配置不正确时简洁消灭，已有其他公司的海拖由于这个弹性管裂开造成沉船〕，在闭式系统中，柴油机是用淡水冷却，而淡水在经过热交换器用舷外水冷却。这削减了对柴油机的腐蚀和对环境的污染，并提高了牢靠性。，为使主机以外的其他机械设备均用淡水，且用一个系统进展冷却，就形成中心冷却系统。同时，假设有局部设备单独用海水冷却，则称混合〔蒸汽货泵系统的真空冷凝器还在独立使用海水直接冷却〕，在柴油机的淡水冷却系统中，有高温水回路和低温水回路。如承受凹凸温水的混合来调整参数，则属于混流式。如凹凸温回路各自分开，则为独立式。，在独立式中心冷却水系统中，高温水热交换器可以用低温淡水冷却〔称为独立型，高温水热交换器用海水冷却〔称为独立I型。，在独立式中心冷却系统〔I型〕中，对某些船舶，他的中心冷却器〔利用船舶航行的速度冷却系统。返回名目2，系统形式的选择；对柴油机的冷却水系统形式，各柴油机制造厂都有规定和推举〔MAN和瓦锡兰机型多数在GUIDE以下因素进展选择。低速柴油机的冷却水系统；常规冷却水系统和中心冷却水系统均可选用，两种系统的优缺点比照见表2，船东，特别是大型航运公司，毫无例外选用中心冷却水系统。出于效率，长期航运费用，常规维护都是极为有利的。中心冷却系统中，根本推举承受独立式中心冷却水系统〔瓦锡兰的苏尔寿柴油机也有推举承受混流式中心冷却水系统式中心冷却水系统必需设置高温水冷却器，对高温水的调整比混流式稳定牢靠。对航速较高的集装箱船，船东提出或者经过与船东协商，可选用自流式中心冷却水系统，以进一步提高航行的经济性。中速柴油机的冷却系统油冷却系统各有特色。为保证该系统完全符合预定要求，制造厂还能供给系统的附属设备〔统。全船动力装置冷却水系统；1〕低速机动力装置：a，常规冷却系统，除了为主机设置缸套淡水冷却泵，海水冷却泵；另外需要为关心柴油机、空压机、空调、冷藏、大气冷凝器、真空冷凝器等装置配置海水泵；b，中心冷却系统，应用淡水冷却，包括关心柴油机、空压机、空调、冷藏、大气冷凝器、〔如今由于真空冷凝器只是在装货卸货时开启，的系统负荷和本钱〕2〕中速机动力装置：a，主机承受制造厂推举的独立的中心冷却水系〔主机独立一套，关心设备独立一套，各自分开〕b，包括主机在内的〔案例：目前凝析油轮，关心设备之间的水量和出口水压〕2优点优点常规冷却系统 中心冷却系统主机仅需设置两套冷却水泵，海〔1〕用海水冷却的冷却器仅需一套水冷却泵，缸套水冷却泵； 〔1只，或者2只〕管路系统简洁； 〔2〕其他冷却器均用淡水冷却，材料初始投资较低 要求低，因而价格低；需要耐腐蚀的海水管路短；、冷却器修理量小；传热效果好；缺点全部冷却器都用海水冷却，因此〔1〕3修理量大； 3套冷却水泵；海水冷却泵，低需要另外配置其他机械设备用 却泵，高温水冷却泵；的海水冷却泵； 〔2〕初始投资高；需要耐腐蚀的海水管路长；返回名目3，冷却水系统实例；手上的实船案例：同样的系统有微小的差异TORM11.4万吨：独立式中心冷却水系统；OKOK5OKHAFNIA7500〔有发电机缸套水为主机停车暖缸：独立式中心冷却水系统海工拖船：直接海水冷却的系统；OKOK集装箱船；自流式冷却水系统返回名目4，中心冷却系统热平衡计算；在初步热平衡计算之后，在中心板冷热交换功率和中心冷却水泵排量，主冷却海水泵排量理论值的根底上，依据规格书要求百分比的量进展订货。〔的自然损失，把整个系统当成对外完全热绝缘；T HQ*C温降热交换量Hkca〕介质流量Q/小时〔kg/h〕介质比热C千克开〔kcal/kgk单位换算常数：1kW=860kcal/h1000kg/m31025kg/m3这个公式用于热平衡计算的总表格，属于理论计算。计算步骤，冷却系统形式确定后，需要进展热平衡计算。步骤如下：〔或者是冷却系统流向图〕将主机及其他设备的参数输入流程图；〔通常规格书定义的参数〕进展第一次预算，初步确定其余参数；初步确定配套设备的规格；〔通常是板冷厂家计算确定冷却器等配套设备的规格；对于中心板冷的污垢系数看规15%留意：由于海水在温度上升时，盐析现象加重，为避开过快的44℃及以下。〔打算承受现有船型：凝析油船〕计算要点；各个关键点的温度值选择：需要掌握中心板冷海水出口的温度50551015间，具体以厂家指导文件为准。主机及各机械设备的热交换量及冷却水流量可依据设备厂家规定。32℃〔除非规格书另外指定，或者有特地的冬季工况MAN机指导文件建议实际调试尽可能低。中心冷却器海水冷却泵低温淡水冷却泵中心冷却器海水冷却泵低温淡水冷却泵I2X50%3X50%3X50%II2X100%2X100%2X100%2X100%+1X停靠III2X50%，或者1X100%2X100%2X50%+1X50/100%速2X100%+1X停靠留意：变速泵因价格问题较贵，除非船东指定，船厂一般不做推举。返回名目5，冷却水系统的主要设备配置要点冷却器〔也有局部承受板式冷却器，而在中心冷却系统中则承受板式冷却器，但是自流式冷却器为管壳式。其他设备中的冷却器〔如齿轮箱滑油冷却器，大气冷凝器，制冷机组冷凝器等〕均承受管壳式。板式冷却器〔板数，流淌形式，阻力，液泵所需功率等。由于所选的板数，流淌形式与液流阻力、所需液泵的功率有亲热关系，而板数多少与价格相关，阻力大小影响营运费用，故此用户向板冷制造厂家供给有关参数〔发热交换量，进出口参数，介质流量〕后，制造厂有责任进展计算并作出最正确选择，然后交给设计部门和船厂认可。对冷却介质为海水的板式冷却器，板材为钛合金。而非海水则用不锈钢AISI31〔AmericanIronandSteelInttute管壳式冷却器通常，由该设备制造厂进展计算，选型〔流向。但在估算冷却面积时可用下述公式1000*QA Wh*t*其中A〔m2〕Q–热交换量〔KW〕Wη–清洁系数〔另称污垢系数〕0.85-0.9h〔W/m2*K〕对淡水冷却器h=3500-4000对滑油冷却器h=256-410对各个管壳式冷却器厂家来说，h的数值不同，可以用最终结果和系统参数反推厂家的h△tK，计算公式如下：t”t2 2t

ttt”1 21 2t”t

2 212t”tt121 2多数管壳式热交换器依据混合流设计，上述公式中：t’–被冷却介质出口温度〔℃〕12t〔℃〕2t〔℃〕1△t也可以用其他公式计算：t”t”ttt 2 1 2 12 212t〔℃〕2t〔℃〕1冷却水泵对常规冷却系统，不管海水冷却泵，低温淡水冷却泵，高温淡1+1对中心冷却系统，冷却水泵的配置见前表格。缸套水预热器〔有关心锅炉〔可以用发电机缸套水电等方式。MAN低速机L11%12H35℃。SULZER605%泵排量。对加热器的加热力量则与加热时间和环境温度有关。6H40℃，9KW膨胀水箱水泵吸入口正压头以及补充管路淡水泄露损失和热膨胀。柴油机制造厂对各型柴油机所需要的膨胀水箱的容量和安装高度均有具体规定，设计系统时留意查阅厂家最的指导书。海水箱〔海底门〕至少需要设置两只海水箱，布置于两舷，且尽可能低；对需要进入浅水道的船舶可增加一个高位海水箱；仅用一个海水箱就能满足全部用水需求；〔根部安装截止阀4气的小孔；每只海水箱需要装设蒸汽和压缩空气冲洗管，对准格栅，压缩海水箱内部应装置防腐蚀锌块；有冰区加强入籍符号的船舶，海水箱要求见冰区的特别要求；返回名目6，制淡装置〔造水机〕〔1〕MAN实际可用热量计算Q JW

*qL1

%*KPQ–实际可用热量〔KW〕JWQL点的缸套水热交换量〔见主机说明书〔KW〕L1q%-SMCR点或优化点O〔见主机JW说明书；KCSR时缸套水热交换量的修正系数〔见主机说明书；p0.87–考虑各种环境温度及主机设计的综合修正系数。实际需要热量计算当指定制淡量后，可求出实际需要的热量QJWM”Q” fwJW 0.03JW

–实际需要热量〔KW〕jw0.03实例：52X8L32,3840X2=7680KW造水18t/24h，实际需求热量540KW，比照功率占比540/7680=7.03%30KW产生一吨水，在设备订货估算时可用30KW33KW1〔这个阅历数值对于低速机和中速机一样适用，用于订货快速计算适用，固然还是需要公式来校验和厂家依据设备本身的性能进展校准〕制淡系统的设计依据MAN的推举，当’jw

*qL1 jw主机负荷50%Q’＞50%*Qjw淡装置缸套水出口处设置一温度掌握阀。实际可用热量计算

*qL1 jwQ Qjw

RX其中Q–实际可用热量〔KW〕jwQ–在CMCR〔即R〔见主机说明书〕RX X〔W/kW〕NCMCR点的功率kW〕RX实际需要热量计算依据指定的制淡量，可求出实际需要的热量QjwM”Q” fwJW 0.032JW

–实际需要热量〔KW〕jw0.0323〕制淡系统的设计SELZERQ’≤40%QJW

50%JWQ’JW

40%〔最高只能到85%〕时，应在缸套水进制淡装置处装设温度掌握阀。压问题。假设机舱布置确实存在困难，需要在订货时向厂家提出，让厂家修改设备满足较高的排放背压。返回名目7，具有冰区航行船级符号船舶的冷却水系统特别要求对具有漂流浮冰区加强符号的船舶〔CCS/IceClassB,GL/E,LR/ID,DNV/ICE-C等〕一般无特别要求，但是：入GL级的E后；部。入DNV级的ICE-C级冰区加强的船舶，应做到：一只海水箱应位于接近船中心线处，并尽量靠后；至少一只海水箱有足够高度，以使冰积聚在泵吸口以上；1985IC〔CCS/IceClassB以上，GL/E1以上，LR/I以上，DNV/ICE-C以上，至少一只海水箱应符合以下要求；海水箱的进口应尽可能位于接近船中心线处，且尽可能靠近船尾；海水箱应有足够的高度，以使冰块积聚在泵吸口以上。推举为公式：H min s其中H –海水箱最小高度〔m〕minV3〔ms1/3750KW发动机功率应配约1m3的海水箱容积〔此处发动机功率为主机功率加上船舶营运所必需的副发动机功率〕4发动机冷却海水排出管也应以同样管径也应以同样管径接至海水箱顶部；依据需要，海水箱上部可设有融冰加热盘管或蒸汽；依据需要，可利用压载水作为冷却水；返回名目8，海水进水阀操纵位置的要求SOLAS应位于肯定的高度。其位置应使机舱因海水总管破损，而浸水后轮机员有足够的时间到达操纵位置进展海水阀的关闭操作。为符合这个要求，需进展浸水计算，以确定操纵位置的高度。此项要求已列入各船级社的审查范围。各船级社具体要求是：浸水时间，DNV10minLR30min。浸水速率依据海水总管最大横截面的重力浸水；海水进水阀的操纵形式可以是手动式，也可以是电动式，液动式，气动式。具体的计算方法和步骤如下：1〕简洁计算法；10min30minH0W T*AH0K其中W–海水浸水量〔m3〕T〔10min30min〕〔m2〕H〔m〕010min30minWh海水进水阀操纵位置的高度只需要等于大于h，一般在某个平台甲板上。具体计算法计算公式；hfhfH02g*H0T 2W2g*H0S*F

1hfH0其中T〔s〕W–在浸水时间T〔m3〕S〔m2〕hT〔m〕fH–夏季载重水线与海水总管的位差〔m〕0依据上述公式，用逐次计算法算出时间，时间T关系曲线；10min30min度；海水进水阀操纵位置的高度，应等于或大于上述计算高度；上述两个公式均被船级社认可。第一公式较为保守，在于简洁。其次公式较为正确。返回名目9，冷却水系统的温控阀；对于整个冷却系统的方案考虑，系统动力源，热交换源头，还有调整手段对设备的配置影响很大。例如：在海水冷却泵是变频泵的时候，淡水侧的中心温控阀就可以不承受，由于同时布置两种温度调整措施对淡水侧的温度稳定不利。假设在海水泵是定速离心泵时，淡水侧的中心需要配置三通温控阀。在系统局部热量交换和调整方案需要参考主机厂家的推举，MAN与瓦锡兰〔1〕MAN低速主机和中速机的组合方案大多是凹凸温物理分别的独立冷却方案，凹凸温各自有循环泵，热交换器，还有温控阀，好处在〔2〕瓦锡兰的中速机组会承受凹凸温水混流调整的方案，没有特地的缸套水冷却器，高温水通过凹凸温混流阀来进展热量交换，属于物理混流手段，在混流点，局部低温水混入高温水，混流后降低温度的高温水回到机组缸套连续冷却，在混流点调整出去的高温水混入低温水经过热交换器冷却。凹凸温混流调整的难点：在于进入混流点之前的凹凸温水的压力比照，个人建议混流点之前的低温水压力要高出高温水0.1bar的压力降开头〔关于节流孔板的计算见后续章节〕温控阀用到的一个根本计算公式：热量，水量，温升温降Q C*M*T公式M〔kg〕号的三通温控阀，通过掌握回水的量来掌握海底门的保温温度；〔本节主要介绍三通型1〕从动力形式分为：电驱动和自力式于三通形式可以和厂家确认我们需要的阀盘初始位置对于断电后的初始位置有强制归位要求厂家明确，需要增加机械的蓄力装置帮助归位；时需要和厂家确定温度调整的点来定上下浮动范围有独立温包探头厂家的产品在安装时对温包驱动装置的认图时需要留意选定。有少数厂家的自力式三通温控阀，驱动温包和温包探头都集成在阀体内控阀产生的压力降也会上升。返回名目10，冷却水系统的节流孔板式，原理是：流体在管道中流淌时，由于孔板的局部阻力，使得流体的压力降低，能量损耗，该现象在热力学上称为节流现象。此方式比影响管道的安全运行。汽蚀现象：节流孔板的作用，就是在管道适当的地方将孔径变小，当口的下游，称为缩流断面。在缩流断面处，流速是最大的，流速的增区域，流速下降，压力增加，但是下游的压力不会完全恢复到上游的pvcpvp2分散而裂开，在汽泡裂开的瞬间，产生局部空穴，高压水以极高的汽泡，再被高压水压缩分散，如此形成屡次反复，并产生一种类似我和裂开以致材料受到破坏的全过程称为汽蚀现象。象的系统管道，由于介质是汽水两相流，介质比容和流速成倍增加，80dB许可范围。空化则不同，汽泡裂开和高速冲击会引起严峻噪音，管道面的严峻损坏，其表现为冲刷面会产生类似煤渣的粗糙外表。而且，金属起到化学腐蚀作用。不利，因此，选择节流孔板时应避开这种两种状况的发生。由于孔板主要是防止空化的产生。解决问题的方法，掌握缩流断面处的压力pvc，保持该压力不低于液体的饱和蒸汽压力pv，才是防止汽蚀产生的一项根本措施。对于压〔对于冷却水系统而言是低压系统，一般不会遇到多级的要求〕节流孔板的计算：节流孔板的计算一般是设计孔板的孔径d，孔板级数n，使流量Q实现△p当孔板两端的压差△pqm也增加，当压差△ppvcpv流现象。此时，孔板两端的压差称为堵塞流压差△ps。当节流孔板的实际压差小于其对应的△ps板的压降为△p1时，其次级孔板减压至△p1/2，第三极孔板减压至△p1/2p1/3n+1p1/2n，直减到末级孔板后压力接近所需要的压力为止。1〕由于水中携带蒸汽，此时水流已经不是不行压缩流，而是变为可压缩的汽液两相流。此时通过孔板的流量不再随孔板前后的压差增大而增大，从而形成堵塞流现象。此时孔板两端的压差称为堵塞压差△pmppm蚀的发生。当管道两端压差较大时，可承受多级减压，但是每一级节流孔板的压差要小于本级对应的堵塞流压降。p F2 pF*pm L 1 f wF 0.960.28p/pf v c其中：△p–当前堵塞流压差MPamFfP〔MPa〕1P–水的热力临界压力〔=22.5MPa〕cF0.9LP–相应设计温度下的饱和蒸汽压力〔MPa〕wp–缩流断面处压力〔MPa〕v多级孔板压力的几何递减公式：△p=△p1+△p2+p3+…+pn其中**p2〕孔板孔径计算：(HG/T20570-95力部《火力发电厂汽水管道设计技术规定》(DL/T5054-1996**pdk其中：d–孔板孔径〔mm〕kρ–管道当前工况下的密度〔kg/m3〕△p〔MPa〕d

4反比与压降，假设设计多级孔板，第一级压降k对应△p1p1/2p1/22，

k

k

k板后压力接近所需压力。3〕孔板厚度的计算〔对于低压系统的微量调整孔板，厚度可以直接参考管道密封垫圈的厚度〕s计算公式：c

k*Dptpt*其中：sc

–孔板厚度〔mm〕P〔MPa〕K–孔板构造系数〔Dimm〕〔家推举图，用于船厂参考制作F〕返回名目11，冷却水系统的泵冷却系统水泵：核心动力多为离心泵。370KW1可以由具有足够排量不抽取含油介质的其他水泵替代；水泵主要参数选定：压头，排量，吸高；guide11.4万吨，MAN推举0.25MPa，但是考虑板0.3MPa排量：在热平衡计算的最大工况下，计算理论结果；吸高：对系统静水压头有影响，防止消灭气蚀现象，不过目前大多数厂家的参数满足我们的系统静压头，膨胀水箱的设置已满足；泵。对于规格书明确要求选用变频泵时，留意一点：中心型热交换器之后，淡水侧的中心温控阀可以取消。和轴功率都将按肯定比例关系发生转变。表现为，变速时，离心泵的Q1/Q2=n1/n2H1/H2=(n1/n22N1/N2=(n1/n231,2分别表示不同的转速n留意：对于两用一备的变频泵使用方案，建议两台变频泵转速同步调整，维持两台泵出口压力平衡。还有计算时留意考虑管路和板冷的压力损失，确保足45度。〔凝析油船〕对于中心型冷却系统，一套中心板冷对应两套动力源头，柴油机的机带泵，关心设备的冷却水泵，这时，尽可能选用两者的压头全都，最好特性曲线也全都〔此点存在困难，到底泵叶曲线不同，降低两套动力源头的相互干扰，以及为局部压力调整带来便利；中心型冷却系统的泵和中心板冷的布置：1〕MAN的推举系统中，泵是布置在中心板冷的前端；2〕而瓦锡兰的推举中，泵是布置在中心板冷后端；冷却水泵估算：对于柴油机本身不带冷却水泵，又无明确要求，冷却正对主机专用冷却泵，不是中心系统的水泵，所以，这里的计算不能作为中心系统泵的设计依据；淡水冷却泵排量Q

〔m3/FQ Kt*QH

*g*N*Be eF c*tt*2 1–淡水冷却泵排量m3FK20%25%t15%20%10%15%QkJ/k，取42700kJ/k；HeNkWekJ/(kg*取4.18kJ/(kgK)ρ–淡水密度，kg/m31000kg/m3t1t20.147MPa0.196MPa，缸套0.29MPa031MPa海水冷却泵排量Qs；返回名目12，冷却水系统的膨胀水箱排放系统中的空气；使系统中淡水有膨胀余地；向系统补充因蒸发和泄漏损失的水量；保证泵有足够的吸入压头和便利投放化学药剂对冷却水进展处理。重要：为整个系统的压力循环设置一个压力起始点，在计算系统循环压力时，可以从膨胀水箱的补水管接入系统的位置〔这个位置一般在系统泵前，中心板冷之后〕作为参考压力起始点。膨胀水箱的配置：MAN机系统；相应的膨1统核