孔于再紅

（1.上海交通大學(xué) 上海200030；2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

動(dòng)力定位船舶冷卻水熱平衡系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

（1.上海交通大學(xué) 上海200030；2.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

冷卻水系統(tǒng)是重要的船舶動(dòng)力輔助系統(tǒng)。裝備動(dòng)力定位系統(tǒng)的船舶，由于其冷卻水系統(tǒng)設(shè)備多而分散，且性能差別較大，導(dǎo)致其主要參數(shù)與傳統(tǒng)船型差異較大。文中針對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行分析，并進(jìn)一步研究動(dòng)力定位船舶的冷卻水系統(tǒng)精細(xì)化設(shè)計(jì)。

動(dòng)力定位；冷卻水；熱平衡系統(tǒng)；優(yōu)化研究

引 言

船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)自20世紀(jì)70 年代逐漸發(fā)展起來(lái)，推動(dòng)其發(fā)展的需求主要來(lái)自海洋工程、科學(xué)考察等領(lǐng)域。其原理是通過(guò)采集風(fēng)、浪、流等環(huán)境參數(shù)，根據(jù)位置參照系統(tǒng)提供的位置信息，通過(guò)控制系統(tǒng)計(jì)算出抵消所有外力所需的推力大小和方向，并自動(dòng)控制全船的推進(jìn)器輸出，使船舶能夠保持首向和船位。在工程和科研的進(jìn)一步需求下，出現(xiàn)了動(dòng)力跟蹤功能，使船舶能夠抵抗風(fēng)浪流的影響，沿著預(yù)定軌跡航行。

近年來(lái)新設(shè)計(jì)的動(dòng)力定位船舶較多采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，即柴油機(jī)不直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳，而是以主電站的形式提供電能。電能經(jīng)過(guò)電網(wǎng)輸配和變頻器之后驅(qū)動(dòng)推進(jìn)電機(jī)，僅有部分強(qiáng)調(diào)航渡功能的船型如三用工作船、平臺(tái)供應(yīng)船等仍然采用柴油機(jī)帶軸系螺旋槳的推進(jìn)方式，但是即使是這些船型，通常也會(huì)通過(guò)推進(jìn)齒輪箱的輸出支路匹配軸帶發(fā)電機(jī)，有些設(shè)計(jì)中軸帶發(fā)電機(jī)還能夠作為輔助推進(jìn)電機(jī)使用，這些動(dòng)力型式實(shí)際上也可視為電力推進(jìn)與傳動(dòng)推進(jìn)方式的結(jié)合。

電力推進(jìn)系統(tǒng)，能改善動(dòng)力定位系統(tǒng)的性能，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）對(duì)復(fù)雜工況的適應(yīng)性更佳：動(dòng)力定位船舶往往會(huì)面臨多種不同的工況和海況，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)可以通過(guò)運(yùn)行不同數(shù)量的主發(fā)電機(jī)組來(lái)應(yīng)對(duì)變化的功率需求，從而使原動(dòng)機(jī)始終能夠運(yùn)行在高效負(fù)荷區(qū)間。

（2）對(duì)動(dòng)力定位/動(dòng)力跟蹤系統(tǒng)的匹配性更佳：隨著定位精度和作業(yè)水深的要求不斷提高，動(dòng)力定位/動(dòng)力跟蹤系統(tǒng)正逐漸成為必要配置，而變頻電機(jī)和全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的組合具備較佳的響應(yīng)速度和操縱精度。

（3）艙室布置靈活：由于電站與推進(jìn)電機(jī)之間不需要軸系傳動(dòng)，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶的動(dòng)力艙室布置不受推進(jìn)器位置的局限，可以將各種動(dòng)力設(shè)備分散布置，能夠更合理地利用并不寬敞的船上空間。

采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶的設(shè)備配置不同于傳統(tǒng)推進(jìn)方式，而設(shè)備配置的變化也影響到輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文將研究動(dòng)力定位船舶冷卻水系統(tǒng)的特點(diǎn)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向。

1 動(dòng)力定位船舶冷卻水熱平衡系統(tǒng)的特點(diǎn)

目前新設(shè)計(jì)的動(dòng)力定位船舶基本都采用中央冷卻系統(tǒng)。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)最重要的參數(shù)是中央冷卻器淡水側(cè)和海水側(cè)的進(jìn)出口溫度，這直接反映了系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

海水和淡水在中央冷卻器的進(jìn)口溫度與船只的使用海域有關(guān)，通常無(wú)限航區(qū)的船舶選擇海水32℃和淡水36℃，在設(shè)計(jì)中為了適應(yīng)特定航區(qū)的需要，海水溫度最高的取值為35℃。而海水和淡水的出口溫度則反映了系統(tǒng)的熱負(fù)荷情況，同時(shí)選擇合理的出口溫度，有利于改善中央冷卻器的換熱效率。

在常規(guī)的三大主力運(yùn)輸船型（散貨船、油船和集裝箱船）上，由于動(dòng)力系統(tǒng)配置相似，其中央冷卻系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)除冷卻水量之外的差異都不大。運(yùn)輸船的中央冷卻系統(tǒng)最主要的用戶(hù)是低速推進(jìn)柴油機(jī)，而柴油機(jī)的冷卻水溫升通常較高，所以中央冷卻器淡水側(cè)的溫度最高可達(dá)到60℃左右。通常將海水側(cè)出口的溫度控制在50℃以下，恰好低于海水鹽析現(xiàn)象發(fā)生的限制點(diǎn)，又能夠保證較高的換熱效率。

動(dòng)力定位船舶由于采用電力推進(jìn)方式，其動(dòng)力設(shè)備的配置不同于常規(guī)的運(yùn)輸船型；此外，配備動(dòng)力定位功能的船舶通常為工程用途，往往還安裝大量作業(yè)設(shè)備，這些設(shè)備同樣也需要冷卻水系統(tǒng)的支持，且為考慮系統(tǒng)冗余，通常還分為多個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)。在這種情況下，繼續(xù)沿用“中央冷卻系統(tǒng)”的稱(chēng)呼顯得并不合適，文中將以“集中冷卻系統(tǒng)”替代。

本文以我院設(shè)計(jì)的某型50 000 t自航半潛船為例，對(duì)動(dòng)力定位船舶的冷卻水系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析。該船型擁有面積寬廣的后部低干舷甲板，可運(yùn)輸各種大型特種貨物（如港吊和固定式平臺(tái)模塊等），也可用于船舶調(diào)（例如石油鉆井平臺(tái)和絞吸式挖泥船等）。船上安裝了DP-2等級(jí)的動(dòng)力定位系統(tǒng)。由于布置需要，集中冷卻系統(tǒng)分為三個(gè)循環(huán)，分別為主發(fā)電機(jī)組冷卻循環(huán)、首部設(shè)備冷卻循環(huán)和尾部設(shè)備冷卻循環(huán)，以下是該船的集中冷卻水系統(tǒng)的熱平衡計(jì)算。

1.1 主發(fā)電機(jī)組冷卻循環(huán)

該船型配有4臺(tái)主發(fā)電機(jī)組，機(jī)組采用德國(guó)MAN32/40系列中速柴油機(jī)和中壓發(fā)電機(jī)。需要注意的是，由于船東預(yù)想的業(yè)務(wù)范圍包括中東地區(qū)，因此設(shè)計(jì)環(huán)境溫度的選取與常規(guī)航路相比略高，分別為海水冷卻系統(tǒng)33℃和淡水冷卻系統(tǒng)38℃。

主發(fā)電機(jī)組冷卻循環(huán)系統(tǒng)的淡水冷卻泵為機(jī)帶泵，為了適應(yīng)動(dòng)力定位工況，主發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)成每臺(tái)主發(fā)電機(jī)組配1臺(tái)板式冷卻器的形式，這樣每臺(tái)主發(fā)電機(jī)組的淡水冷卻循環(huán)皆可自成系統(tǒng)。每2臺(tái)主發(fā)電機(jī)組的板式冷卻器之間設(shè)置連通管路可互為備用。

主發(fā)電機(jī)組冷卻循環(huán)中的被冷卻對(duì)象均為發(fā)電機(jī)組配備的冷卻器，除了柴油機(jī)噴油嘴冷卻器和柴油機(jī)MDO冷卻器以散件形式提供外，其余均整裝在機(jī)組上整體提供。表1列出的是單臺(tái)主發(fā)電機(jī)組的熱平衡計(jì)算。

表1 半潛船單臺(tái)主發(fā)電機(jī)組的冷卻循環(huán)熱平衡計(jì)算

1.2 首部冷卻循環(huán)

該船型的首部設(shè)備較多，其中散熱量較大的是排載空壓機(jī)和空調(diào)機(jī)組。首部循環(huán)設(shè)2臺(tái)板式冷卻器，每臺(tái)的換熱量按總量的60%設(shè)計(jì)，淡水冷卻泵和海水冷卻泵各3臺(tái)，均為2用1備。表2為半潛船首部冷卻循環(huán)熱平衡計(jì)算結(jié)果。

1.3 尾部冷卻循環(huán)

該船尾部布置了推進(jìn)電機(jī)、尾側(cè)推及相應(yīng)的變頻器和變壓器等，還有推進(jìn)齒輪箱和空調(diào)柜機(jī)，半潛船下潛時(shí)尾部完全沒(méi)入水中，無(wú)法設(shè)置煙囪，通風(fēng)必須接自首樓，這也是該船型選擇電力推進(jìn)系統(tǒng)的原因之一。大功率的電機(jī)和電氣設(shè)備均采用水冷，減小了艙室通風(fēng)量。尾部冷卻循環(huán)配置2臺(tái)板式冷卻器，3臺(tái)海水冷卻泵2用1備，3臺(tái)淡水冷卻泵2用1備。

1.4 對(duì)半潛船集中冷卻系統(tǒng)熱平衡計(jì)算的分析

觀察上述三個(gè)冷卻循環(huán)，可以發(fā)現(xiàn)首尾冷卻循環(huán)的中央冷卻器淡水溫升分別為6.5℃和4.1℃。其中首部的溫升稍高是由于占熱負(fù)荷比較很大的排載空壓機(jī)的淡水出水溫度較高，如果扣除排載空壓機(jī)，則其溫升也會(huì)降到4℃左右。

相比傳統(tǒng)船型，半潛船的電氣設(shè)備和空調(diào)設(shè)備無(wú)論是數(shù)量還是熱負(fù)荷占比都大為提高，正是由于電氣設(shè)備和空調(diào)設(shè)備約3℃～5℃的較小溫升，導(dǎo)致整個(gè)冷卻水循環(huán)的溫升顯著降低。

這種情況可視為動(dòng)力定位船舶的集中冷卻系統(tǒng)的典型特征：即隨著電氣設(shè)備和作業(yè)設(shè)備的增加，動(dòng)力定位船舶的集中冷卻器淡水側(cè)溫升出現(xiàn)明顯下降。溫差下降將導(dǎo)致系統(tǒng)需要更大的流量來(lái)帶走同樣的熱量，因而使系統(tǒng)內(nèi)的冷卻水泵排量增大。這會(huì)導(dǎo)致冷卻管系占據(jù)更大空間，系統(tǒng)的能耗上升，不利于冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

冷卻水系統(tǒng)的海水側(cè)設(shè)計(jì)受制于淡水側(cè)，而淡水側(cè)的溫升受制于設(shè)備的冷卻參數(shù)，這通常是由設(shè)備制造商直接提供，而設(shè)備制造商在選擇冷卻參數(shù)時(shí)，權(quán)衡重點(diǎn)是設(shè)備性能和成本，所選擇的冷卻參數(shù)從全船冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度來(lái)看未必是最優(yōu)化的。因此，對(duì)動(dòng)力定位船舶的冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于優(yōu)化設(shè)備的冷卻參數(shù)。以下將對(duì)設(shè)備的發(fā)熱和散熱原理進(jìn)行分析，在保證合理裕度的前提下，討論對(duì)設(shè)備冷卻參數(shù)的優(yōu)化，從而使整個(gè)冷卻系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

2 船用設(shè)備的冷卻參數(shù)優(yōu)化研究

為了便于討論，將船用設(shè)備按照不同的發(fā)熱和散熱原理分類(lèi)為以下5類(lèi)：柴油機(jī)、電機(jī)和變壓器、變頻器、液壓泵站以及空調(diào)設(shè)備。

表3 半潛船尾部冷卻循環(huán)熱平衡計(jì)算

2.1 柴油機(jī)

柴油機(jī)是船舶程領(lǐng)域最常用的動(dòng)力源設(shè)備，柴油機(jī)基本原理本文則不作闡述。新設(shè)計(jì)的動(dòng)力定位船舶基本都采用電力推進(jìn)，因此應(yīng)用最廣的是中、高速柴油機(jī)，廣泛應(yīng)用于推進(jìn)、驅(qū)動(dòng)作業(yè)設(shè)備及匹配發(fā)電機(jī)等用途。

在柴油機(jī)的冷卻過(guò)程中，冷卻水的主要作用是為氣缸、進(jìn)氣、滑油和其他附件提供冷卻。在這些熱量來(lái)源之中，氣缸和滑油的熱量實(shí)際上也是來(lái)自燃料燃燒的能量，而進(jìn)氣冷卻和其他附件的冷卻則是為燃燒提供適當(dāng)?shù)臈l件。

柴油機(jī)的冷卻方式多種多樣，基本包括所有常用的船用冷卻器：氣缸冷卻水通常直接流經(jīng)氣缸壁帶走熱量，空冷器通過(guò)金屬作為傳遞介質(zhì)進(jìn)行氣液之間的傳熱，滑油冷卻器則為板式冷卻器。

通常柴油機(jī)冷卻水出口的溫度為50℃～ 60℃，在各種主要船用設(shè)備中基本是最高的。在運(yùn)輸船型中，由于柴油機(jī)的發(fā)熱量占據(jù)了全船極高的比例，因此冷卻淡水溫升也較高；而動(dòng)力定位船舶由于裝備大量的電氣設(shè)備和作業(yè)設(shè)備，因此其冷卻淡水溫升也被拉低了。

船舶領(lǐng)域使用的柴油機(jī)都屬于定型產(chǎn)品，其內(nèi)部冷卻系統(tǒng)已經(jīng)是成熟設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)外部冷卻水系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)柴油機(jī)廠商提供的參數(shù)和推薦系統(tǒng)圖紙進(jìn)行即可。

2.2 電機(jī)和變壓器

發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)是任何船舶上都大量安裝的設(shè)備，由于電機(jī)的設(shè)計(jì)水平、材料技術(shù)和生產(chǎn)工藝的差異，其發(fā)熱量的計(jì)算方式通常有較大差異。由于其設(shè)計(jì)原理都是電磁感應(yīng)定律，所以發(fā)熱原理也可歸納為以下3類(lèi)［1］：

（1）電流流過(guò)定子繞組時(shí)產(chǎn)生的銅損耗；

（2）在鐵芯內(nèi)當(dāng)磁通變化時(shí)所產(chǎn)生的鐵損耗；

（3）軸承摩擦所產(chǎn)生的機(jī)械損耗及附加損耗。

與電機(jī)相比，變壓器沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件所以少了軸承摩擦等機(jī)械損耗，其主要的發(fā)熱來(lái)自電流流過(guò)繞組時(shí)產(chǎn)生的銅損耗。

在動(dòng)力定位船舶上，除非是類(lèi)似風(fēng)電安裝船和自升式平臺(tái)等難以提供穩(wěn)定冷卻水來(lái)源的船型，水冷電機(jī)是主流的選擇。在通常情況下，設(shè)備商所提供的電機(jī)參數(shù)中只有冷卻水耗量，而不提供電機(jī)的散熱量。因此在設(shè)計(jì)外部冷卻水系統(tǒng)時(shí)，通常采用電機(jī)效率估算其發(fā)熱量。

在氣-水換熱過(guò)程中，氣側(cè)的傳熱系數(shù)與水側(cè)的傳熱系數(shù)相差至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，強(qiáng)化氣側(cè)傳熱系數(shù)，是增大總傳熱系數(shù)，提高換熱效率的關(guān)鍵。目前電機(jī)用的空-水冷換熱器最常見(jiàn)的型式是翅片管，翅片管的翅化比（單位長(zhǎng)度的翅片管面積與光管外表面積之比）通常在12以上，這大大彌補(bǔ)了氣側(cè)傳熱的先天不足，是光管換熱器望塵莫及的。氣體在翅片間的流通面積大、流程短，壓力損失?。?］。

改善水冷電機(jī)換熱效果的主要思路是增強(qiáng)熱量傳遞各環(huán)節(jié)的傳熱效率或者增大傳熱的溫差。其中，改善熱量傳遞環(huán)節(jié)的傳熱效率的主要途徑是改進(jìn)翅片的設(shè)計(jì)、電機(jī)繞組線圈采用散熱效率更高的材料包裹和改善電機(jī)內(nèi)部空氣循環(huán)狀況等。

而增大傳熱溫差的方式則需要增大冷卻水流量或者增高電機(jī)內(nèi)部空氣的穩(wěn)態(tài)溫度。其中增大冷卻水量的方式最容易實(shí)現(xiàn)，但卻增大了外部系統(tǒng)的冷卻水流量，從系統(tǒng)精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)的角度來(lái)看并不理想。

根據(jù)筆者在工作中與電機(jī)設(shè)備商的溝通中獲得的信息，目前許多水冷電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，選擇的內(nèi)部空氣穩(wěn)態(tài)溫度是45℃，與風(fēng)冷電機(jī)相同。但是這個(gè)參數(shù)有一定的提升空間。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，常見(jiàn)的船用B級(jí)和F級(jí)溫升等級(jí)允許的絕緣材料的溫升極限分別為80℃和105℃，在絕緣材料能夠安全工作的前提下，選擇稍高的內(nèi)部空氣穩(wěn)態(tài)溫度對(duì)于增大傳熱溫差的效果是非常明顯的，當(dāng)然這個(gè)思路需要電機(jī)廠家進(jìn)行計(jì)算和試驗(yàn)確認(rèn)。

除了發(fā)電機(jī)和小功率電動(dòng)機(jī)通常會(huì)形成型譜之外，大功率的船用電動(dòng)機(jī)通常都屬于非標(biāo)定制的產(chǎn)品，而大功率電機(jī)由于散熱量較大通常采用水冷。盡管大功率電動(dòng)機(jī)為非標(biāo)設(shè)計(jì)，但是設(shè)備商選用的空水冷換熱器通常確實(shí)定型產(chǎn)品，如果沒(méi)有對(duì)散熱情況進(jìn)行核算，直接將該型換熱器的最大冷卻水通流量提供給船舶設(shè)計(jì)師，最終會(huì)導(dǎo)致外部冷卻系統(tǒng)過(guò)度冗余。因此從精細(xì)化設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)設(shè)備商對(duì)電機(jī)的發(fā)熱量進(jìn)行深入計(jì)算，不應(yīng)將過(guò)度的冗余量導(dǎo)入全船的外部冷卻系統(tǒng)。

2.3 變頻器

變頻器是電力推進(jìn)系統(tǒng)中重要的組成部分，因此在動(dòng)力定位船舶上很常見(jiàn)。對(duì)比電機(jī)和變壓器，變頻器內(nèi)部的電氣元件更加脆弱而敏感，對(duì)高溫的承受能力更差。

變頻技術(shù)是建立在現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。絕緣柵雙極型晶體管IGBT于1992年前后開(kāi)始在通用變頻器中得到廣泛應(yīng)用，使得變頻器朝著損耗更低、開(kāi)關(guān)速度更快、體積更小等方面發(fā)展。近年來(lái)，被變頻器廣為采用的第4代、第5代IGBT，以溝道型柵極技術(shù)、非穿通技術(shù)大幅度降低了集電極-發(fā)射極之間的飽和電壓，其開(kāi)關(guān)器件的發(fā)熱量降低了30%以上。

正是由于變頻器的特殊性，所以其冷卻要求也較一般電氣設(shè)備要高。多數(shù)情況下變頻器都要求水冷，即使是少數(shù)風(fēng)冷變頻器，也要求房間的空氣溫度不超過(guò)40℃。水冷變頻器的冷卻管路通常不僅對(duì)發(fā)熱元件表面直接冷卻，同時(shí)也冷卻柜體內(nèi)部的空氣，目前常見(jiàn)的產(chǎn)品參數(shù)，外部冷卻水的溫升通常在3℃～6℃。

目前多數(shù)水冷變頻器采用的方式是內(nèi)部冷卻水循環(huán)獨(dú)立運(yùn)行，與外部冷卻水循環(huán)之間通過(guò)換熱器進(jìn)行熱交換，但是這種做法由于增加一道換熱過(guò)程，所以降低了熱傳遞效率。采用獨(dú)立的內(nèi)部冷卻循環(huán)，是出于對(duì)冷卻水質(zhì)和添加劑的擔(dān)憂(yōu)，一旦元件表面的冷卻管路堵塞或者因?yàn)槔鋮s水添加劑而產(chǎn)生腐蝕導(dǎo)致漏水都會(huì)使設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重故障。但這些問(wèn)題并非不能解決，船舶冷卻系統(tǒng)內(nèi)的添加劑主要根據(jù)柴油機(jī)的要求進(jìn)行添加，變頻器可以根據(jù)添加劑的性質(zhì)選擇管路材料，水質(zhì)則可以通過(guò)增加過(guò)濾設(shè)備來(lái)滿(mǎn)足。

例如瓦錫蘭公司提出的LLC系統(tǒng)，由于瓦錫蘭公司目前有能力提供從發(fā)電機(jī)組直到末端動(dòng)力輸出設(shè)備之中全套的動(dòng)力設(shè)備，所以其提出的LLC系統(tǒng)的冷卻水系統(tǒng)的水質(zhì)和添加劑要求能夠得到統(tǒng)一，其結(jié)果就是LLC系統(tǒng)中的變頻器能夠取消內(nèi)部的冷卻水循環(huán)，直接利用船舶冷卻系統(tǒng)的淡水進(jìn)行冷卻，由于減少了一道換熱過(guò)程，使得冷卻效率大為提高。

此外，關(guān)于變頻器還有一個(gè)值得注意的節(jié)能細(xì)節(jié)，由于變頻器要求所在房間應(yīng)設(shè)置空調(diào)將氣溫控制在40℃以下，所以在艙室布置時(shí)應(yīng)盡量考慮將變頻器室布置在非開(kāi)敞甲板區(qū)域，避免陽(yáng)光直射，能夠大為降低空調(diào)系統(tǒng)的功耗。

2.4 液壓泵站

液壓設(shè)備在動(dòng)力定位船舶上應(yīng)用非常廣，例如海洋石油開(kāi)采領(lǐng)域，作業(yè)設(shè)備、深井泵、甲板設(shè)備和液壓式遙控閥等設(shè)備都需要液壓泵站提供動(dòng)力，當(dāng)船上液壓設(shè)備較多時(shí)，通常會(huì)根據(jù)不同的需求設(shè)置公共液壓泵站。

液壓系統(tǒng)中傳遞能量的介質(zhì)是液壓油，其物理性質(zhì)對(duì)液壓系統(tǒng)的效率非常重要。若液壓油的黏度過(guò)大，會(huì)造成系統(tǒng)的壓力損失增大，效率降低，而且泵的吸油狀況惡化，容易產(chǎn)生空穴和氣蝕作用，使泵運(yùn)轉(zhuǎn)困難。若黏度過(guò)小，則系統(tǒng)泄漏增多，容積損失增加，系統(tǒng)效率降低，并使系統(tǒng)的剛性變差。

液壓系統(tǒng)工作時(shí)，因液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓缸的容積損失和機(jī)械損失，或控制元件及管路的壓力損失和液體摩擦損失等消耗的能量，幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱能。這些熱量少部分以熱輻射的形式散發(fā)或被設(shè)備元件吸收，大部分則被液壓油吸收，使液壓油溫度上升［3］。

若液壓油溫度過(guò)高，會(huì)使得液壓油的黏度大為降低，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)效率降低。常用液壓油的工作溫度極限是15℃～ 65℃。為了保證液壓油的黏度處于良好的范圍內(nèi)，通常推薦的工作溫度范圍是30℃～ 55℃［4-5］。

雖然液壓系統(tǒng)內(nèi)的油箱有散熱作用，但機(jī)械艙室環(huán)境溫度通常按45℃考慮，與液壓油的溫差不大。且即使在油箱周?chē)L(fēng)良好的情況下，其傳熱系數(shù)也僅為約15 W/（m2·K），與水冷方式相比有接近2個(gè)數(shù)量級(jí)的差距［6］。因此，連續(xù)工作的船用大功率液壓泵站，通常情況下都必須采用水冷方式。

液壓泵站常用的冷卻器形式是管殼式和板式冷卻器，相比之下板式冷卻器有著更高的換熱系數(shù)，且便于通過(guò)改變板片數(shù)量來(lái)增減冷卻能力，所以現(xiàn)在船用液壓泵站的冷卻器大多采用板式冷卻器［7］。

液壓泵站廠商通常會(huì)選擇8℃～10℃的液壓油溫升，而出于減少換熱面積降低成本的考慮，廠商通常會(huì)選擇較大的冷卻水量（通常大于液壓油的流量）和較低的溫升（約2.5℃）。

從精細(xì)化設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，應(yīng)當(dāng)提高液壓油進(jìn)出口的設(shè)計(jì)溫度，使得換熱的溫差增大，這樣無(wú)論是冷卻水流量還是熱交換器的換熱面積都可以減少。在綜合考慮了環(huán)境條件和液壓油性質(zhì)的前提下，采用較高的液壓油運(yùn)行溫度，不僅能夠節(jié)約冷卻系統(tǒng)的采購(gòu)成本，還能夠節(jié)約運(yùn)行成本。

2.5 空調(diào)設(shè)備

隨著技術(shù)的發(fā)展，目前的船舶已經(jīng)能夠向船員提供越來(lái)越好的生活條件，動(dòng)力定位船舶往往需要在海上進(jìn)行長(zhǎng)期的高強(qiáng)度作業(yè)，如果不能提供良好的生活條件，會(huì)對(duì)船員和施工人員的工作效率造成嚴(yán)重影響。作為保證生活條件的措施之一，生活區(qū)域由中央空調(diào)覆蓋，監(jiān)控室設(shè)置獨(dú)立柜機(jī)已經(jīng)成為基本配置。此外，為了保證長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，電氣設(shè)備房間尤其是變頻器室會(huì)根據(jù)實(shí)際環(huán)境條件設(shè)置空調(diào)。

除了空調(diào)設(shè)備，伙食冷藏設(shè)備也是必要的基本配置，在部分特殊船型上，冷藏設(shè)備除了為保存食品，還會(huì)為捕撈的海鮮提供保鮮服務(wù)。

無(wú)論是空調(diào)設(shè)備還是冷藏設(shè)備，其工作原理基本一致，制冷劑從冷水機(jī)組中吸收熱量，再經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)后向船舶冷卻系統(tǒng)釋放熱量。在向冷卻系統(tǒng)釋放熱量的過(guò)程中，制冷劑發(fā)生近似的定溫定壓相變，在這一過(guò)程中制冷劑的溫度基本恒定，逐漸從其氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，并將汽化潛熱釋放出來(lái)。目前船舶領(lǐng)域常見(jiàn)的設(shè)計(jì)參數(shù)取冷卻淡水約4℃的溫升，也有采用更高壓力和蒸發(fā)溫度的設(shè)計(jì)，例如半潛船的冷卻淡水溫升達(dá)到9℃。

目前最常見(jiàn)的船用制冷劑是R22、R404和R134a，這三種制冷劑在不同壓力下的蒸發(fā)溫度如圖1所示。

圖1 常用船用制冷劑性質(zhì)

從圖1可以看出，常用制冷劑在冷卻器中的壓力較高，因此通常采用的是管殼式換熱器，或者半焊式板式換熱器，熱側(cè)的板片之間采用焊接代替密封墊片，在冷側(cè)保持便于拆卸清洗的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)增加了熱側(cè)的設(shè)計(jì)壓力［7］。

從圖1能夠看出制冷劑的蒸發(fā)溫度與壓力有密切關(guān)系，都隨著壓力的升高而升高；在相同壓力下，R134a的蒸發(fā)溫度要大大高于R22和R404A。

在選擇制冷劑種類(lèi)和蒸發(fā)壓力時(shí)，應(yīng)當(dāng)將較少冷卻水流量所帶來(lái)的節(jié)能因素綜合考慮進(jìn)去，畢竟中央空調(diào)系統(tǒng)在船上屬于冷卻水流量較大的用戶(hù)。以半潛船為例，若其淡水溫升由9℃降低到常見(jiàn)的4℃，則其冷卻水流量將從82 m3/h增加到184.5 m3/h。以常規(guī)數(shù)據(jù)考慮，淡水冷卻系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力為0.3 MPa，這意味著系統(tǒng)的冷卻淡水泵的軸功率增加約13 kW，折算成發(fā)電機(jī)組的燃油消耗大約是2.6 kg/h。事實(shí)上，半潛船由于其中央空調(diào)安裝位置較高，其淡水冷卻循環(huán)的系統(tǒng)壓力還要更高。

從外部冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō)，當(dāng)然希望盡可能得提高溫升，這樣能夠以更小的流量帶走更多的熱量。但是制冷劑以及蒸發(fā)壓力的選擇需要權(quán)衡安全、環(huán)保和效率等諸多因素，相比之下，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)屬于次要因素。因此，空調(diào)類(lèi)設(shè)備的冷卻水參數(shù)應(yīng)當(dāng)服從所選定的制冷劑及蒸發(fā)壓力。

3 結(jié) 論

對(duì)動(dòng)力定位船舶的冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)必須建立在優(yōu)化設(shè)備的冷卻水量需求的基礎(chǔ)上，本文通過(guò)對(duì)主要船用設(shè)備的發(fā)熱原理和散熱原理分析，討論了設(shè)備冷卻水量的優(yōu)化方向。設(shè)備的優(yōu)化固然離不開(kāi)設(shè)備商的配合，但是由于多數(shù)的優(yōu)化方向會(huì)增加設(shè)備成本，因此必須由船東和設(shè)計(jì)方進(jìn)行推動(dòng)。應(yīng)當(dāng)建立這樣的觀點(diǎn)，即從全船全壽期成本的角度考慮，優(yōu)化設(shè)備的冷卻參數(shù)所增加的成本會(huì)被外部冷卻系統(tǒng)的功耗降低和中冷冷卻器的換熱面積減少所抵消，并且節(jié)能的理念符合當(dāng)前綠色造船的大趨勢(shì)。

［1］ 黃伯勇. 電機(jī)的發(fā)熱與冷卻［J］. 科技信息， 2006（12）：47.

［2］ 徐建華，周維真. 新型針肋式空氣冷卻器性能淺析［J］. 紅水河，2011，30（6）：112-114，116.

［3］ 成大先，王德夫，劉世參，等. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2013.

［4］ 彭江豐. 艦船用液壓油［J］. 船舶， 2007（4）：44-48.

［5］ 王江濤. 液壓油的選擇與使用注意事項(xiàng)［J］. 湖南農(nóng)機(jī)，2013，40（1）：111-112.

［6］ 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì). CBT 1036-2008 船用板式冷卻器［S］. 2008.

［7］ 楊崇麟.板式換熱器工程設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

Optimization of cooling water thermal equilibrium system on dynamic positioning vessels

KONG Wei1,2YU Zai-hong2
(1. Shanghai Jiao Tong University , Shanghai 200030, China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Cooling water system is an important auxiliary system of power system. Main parameters of dynamic positioning vessels differ a lot from those of traditional transport vessels due to the variety and separation of the cooling water system and the great discrepancy in performance. Based on these features, this paper conducts the further investigation of precise the design of the cooling water system on the dynamic positioning vessels.

dynamic positioning; cooling water; thermal equilibrium system; optimization

U664.81+4

A

1001-9855（2014）03-0048-08

工信部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目“動(dòng)力定位系統(tǒng)研制”課題（GJCB09001）。

2013-11-05 ；

2013-12-05

孔 韡（1982-），男，在讀碩士，工程師，主要從事船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。

于再紅（1976-），女，高級(jí)工程師，主要從事船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。