1、船舶中央冷却水系统的常见故障与分析文书参照前言虽然航运业的形式很多,船舶运输还是在其中占有很大的比重。随着海运业的不断发展,各式各样的特种船舶广泛的应用。因此,对船舶系统的研究需不断地提高和优化,为船舶动力装置的发展做出努力。船舶的冷却系统是一个具有复杂形式的系统,合理地选择一种冷却系统对整个船舶航运的经济性,维修性是非常重要的,这与造船成本和船东的使用成本都具有很大的影响。中央冷却系统作为船舶冷却系统的一种冷却形式在现代船舶上的运用越来越广泛,对其的研究及优化是一个重要的课题。在我国的船舶行业中,对中央冷却系统的介绍和研究还不是很多,然而在现行的船舶中,船东特别是大公司的船东越来越倾向于中央
2、冷却系统。中央冷却系统对于船厂来说提高了制造成本,对于船东来说提高了设备的可靠性,降低了维修费用,因此,对中央冷却系统的进一步研究有利于船厂降低成本,提高中央冷却系统的运用深度有很大帮助。在韩国和日本等造船强国,中央冷却系统的设计有着很详细的设计基准,他们通过众多的船舶设计人员在实际设计和使用后总结出一整套设计标准,按照这种标准,使得他们船舶的设计既符合各方面的要求，又降低了设计成本。在我国,大部分船厂都没有中央冷却系统的设计的标准,而韩国日本等造船强国又对我们进行技术封锁,我们以前很多船舶系统的设计中,只是部分采用了中央冷却系统的原理,并没有达到完整,经常会出现各种问题,引起在实际制造中大量
3、的返工,造成人力物力的浪费,同时在设计过程中,为了保证各种设备能正常工作,对中央冷却系统设置了大量的余量,增加了设计成本。本文通过了对中央冷却系统的各种形式的介绍和以往的中央冷却系统所产生问题的分析,使中央冷却系统的理论系统化,完善化,以供设计人员及其他相关人员参考。第一章 船舶中央冷却系统的概述1.1 船舶冷却水系统的发展为了使柴油机和其他辅助设备受高温和摩擦作用的部件保持正常稳定的工作性能，必须对这些部件进行冷却。冷却系统的作用就是把冷却介质送到受热部件，将其多余的热量带走。船舶冷却系统作为船舶动力系统的重要组成部分之一，随着材料、工艺以及控制技术的突飞猛进，发展过程大致经过以下三个阶段:
4、1）开式冷却系统，利用舷外海水直接冷却主机与辅机设备。由海水泵将舷外水吸入系统管路中，通过空气冷却器、主机缸套和滑油冷却器等设备换热后，经出海阀排出舷外。开式冷却系统是船上应用最早的冷却方式，其优点有冷却水来源丰富、需要安装的设备和管路少、维护管理方便。缺点是冷却介质使用舷外水，由于水质较差和水温变化较大，容易导致设备冷却水腔积垢堵塞，使受热零部件得不到充分冷却而产生过大的热应力。开式冷却系统主要应用于小型船舶柴油机的冷却。2）半封闭式冷却系统，特点是使用淡水冷却柴油机高温部件，在冷却器中高温淡水被舷外水冷却后循环使用，把主机燃烧室零部件的热量带走。其它低温设备仍使用海水冷却。半封闭式冷却系统
5、的优点是主机使用淡水作为冷却介质，减弱了对被冷却的零部件的腐蚀性，有利于保护被冷却部件。由于水质较好，通常可以将主机进口水温与出口水温分别提高到 6075与 7085。这将有效降低主机燃烧室零件的热应力，提高热效率。缺点是半封闭式冷却系统包括淡水冷却系统和海水冷却系统，使整个冷却系统变得复杂，增加了维护管理工作。而且，由于其它设备仍由海水直接冷却，还是存在着管路与辅助设备的腐蚀、结垢等问题。3）中央冷却系统，由海水系统、低温淡水回路系统和高温淡水回路系统组成。工作原理是利用海水泵输送舷外水进入中央冷却器来冷却低温淡水回路，由低温淡水冷却设备低温部件（包括辅柴油机、空调、冷藏装置、空压机、大气冷
6、凝器等）以及高温淡水回路，高温淡水用来冷却主机汽缸套与汽缸盖等部件。高温淡水与低温淡水的冷却都是一个循环流动的过程，为闭式冷却。海水系统用于冷却中央冷却器，由海水泵、阀件、过滤设备和长度有限的管路构成，为开式冷却。在中央冷却系统中，舷外海水只在中央冷却器中进行热交换而不接触其它热交换器、辅机发电机以及主柴油机的冷却部件，尽量缩短并简化船舶海水冷却管系，有效地防止了由海水腐蚀引起的冷却器以及管路漏泄故障的发生，提高了设备的使用寿命和系统的安全可靠性。所以，现代大型船舶柴油机动力装置的冷却普遍采用中央冷却系统1.2 中央冷却水系统的基本型式目前，受到最广泛应用的船舶中央冷却系统有以下三种基本的形式
7、：1）独立式中央冷却系统独立式中央冷却系统简图如图 1.1 所示。冷却辅机设备的低温淡水和冷却主机气缸套的高温淡水分为两个回路并均由海水冷却。低温淡水在中央冷却器中和海水进行热交换，高温淡水在缸套水冷却器中和海水进行热交换。因此，这种方案需要装备至少两台使用海水冷却的冷却器图1.1独立式中央冷却系统2）混流式中央冷却系统混流式中央冷却系统简图如图 1.2 所示。高温淡水回路不再是独立系统，混流式系统取消了缸套水冷却器而采用三通阀根据高温淡水的温度要求控制低温淡水与高温淡水混合的流量。高低温淡水需带走的热量全部在中央冷却器中与海水交换。由于少了一个缸套水冷却器，采用高低温水混合对进出主柴油机与中
8、央冷却器的水温控制的准确性难以保证 图1.2混流式中央冷却系统 3）标准中央冷却系统标准中央冷却系统如图 1.3 所示。低温淡水在中央冷却器中与海水进行热交换。高温淡水在缸套水冷却器中由低温淡水冷却。因此，仅有中央冷却器使用海水冷却。该系统相比混流式系统增加了一台冷却器，但可以提高冷却水温控制精度与系统的可靠性。本文研究的某 57000 t 散货船即采用这种形式的中央冷却系统1.3 中央冷却水系统的基本组成如前文所述，船舶中央冷却系统主要由三大部分组成:海水系统、低温淡水系统和高温淡水系统。下面分别介绍这几个系统1.3.1 海水冷却系统海水系统构成比较简单，主要设备有海水泵、过滤设备和中央冷却
9、器。海水从高位或低位海底门进入海水管路，通过两台主海水泵作用输送至中央冷却器海水侧入口，在中央冷却器内与低温淡水热量交换后从冷却器海水侧排出。为避免冷却海水温度过低，在海水入口温度调节阀的作用下部分被加热的海水返回到海水泵入口与舷外海水混合，其余部分由海水管路排放至舷外。图1.3标准中央冷却系统1.3.2 低温淡水冷却系统低温淡水回路中主要设备有低温淡水冷却器、主机空冷器、主机滑油冷却器、主机缸套水冷却器、辅机柴油机、中间轴承、主空压机、集控室空调器、厨房空调器、空调压缩机冷凝器、冷藏压缩机冷凝器、大气冷凝器、低温膨胀水箱等。低温淡水在经过淡水管路系统支路上各换热设备对滑油、空气、缸套冷却水等
10、冷却后，在干路上汇合，由中低温淡水泵将冷却水输送至中央冷却器淡水侧入口，在中央冷却器中与海水进行热交换降低冷却水温度。为达到设定的换热设备进口温度，经三通调节阀作用分流一部分低温淡水不经过中央冷却器，另一部分低温淡水从中央冷却器淡水侧排出后再与未经冷却的低温淡水混合。冷却水经换热设备吸热后回到中央冷却器进行冷却进入下一轮循环。1.3.3 高温淡水冷却系统高温淡水回路的主要功能是冷却主机燃烧室部件，防止燃烧室部件过热或过冷，以保正主机机械处于正常稳定的工作状态。高温淡水系统主要换热设备有主机缸套、高温淡水三通阀和造水机。在主机出口温度调节阀的作用下，冷却水经过主机出来的温度保持在 80。然后经过
11、除气箱与膨胀水柜来补充泄漏的水、除去系统中的空海水以制取淡水。高温淡水在缸套水冷却器中由低温淡水冷却后，再次进入主机冷气，然后一部分高温水通过造水机。造水机主要是利用主机缸套冷却水的热能汽化冷却主机燃烧室部件，进而循环利用。1.4中央冷却系统性能分析1.4.1 中央冷却系统的优缺点分析与传统冷却系统相比较,中央冷却系统有效地解决用海水作为冷却介质引起的腐蚀结垢和堵塞问题。中央冷却系统的主要优点有以下几方面。首先，中央冷却系统大大缩短了海水管路，由海水腐蚀引起的维修工作仅限于中央冷却系统中的海水系统,使维修工作量及费用减至最低限度。其次，淡水循环系统能够多年保持清洁, 只需进行例行的维护保养工作
12、,可长期无需清理；最后，营运可靠性提高，主辅机不存在冷车启动的问题, 气缸冷却水温度易于通过自动控制保持稳定。但是，中央冷却系统同样存在着缺点。从热传递的角度来看,中央冷却系统为两次传递的冷却系统，热量传递过程的不可逆损失增加了。从硬件的角度来看, 中央冷却系统增加了中央冷却器、淡水泵组与淡水进出口管系等附加设备。中央冷却器采用了耐腐蚀但价格昂贵的钛合金板，这导致了中央冷却系统初始投资要比普通开式循环冷却系统高出许多。系统对高、低温淡水回路温度的控制采用了大量控制设备，管路布置结构复杂。因此，对维修技术的要求提高。为克服附加管路与冷却器的阻力损失,其泵送能源的产生的运营成本也增加了。在燃料成本
13、快速增长的环境下,中央冷却系统存在的这些问题引起了造船界的重视。为了解决中央冷却系统产生的系统费用较高的问题，提高船舶建造运营的经济性。对中央冷却系统的优化主要可采取两方面的措施：中央冷却系统设计优化节能和运行优化节能。前者主要通过设计选择最佳冷却淡水温度、流速、压力、流量以及冷却器的功率来实现；后者主要通过充分利用海水冷却能力，利用合适的控制理论优化海水流量来达到节省泵送能耗的目的。1.4.2 中央冷却系统投资运营成本优化分析为了保证船舶全球航行的需要,中央冷却系统的设计工况为船舶在热带 32C水域全速航行。但实际情况是,一方面船舶大部分时间是在低于 32C 的海域中航行，另一方面船舶又大多
14、处于主机常用功率点下的经济航速。因此,主海水泵长期在超出实际需要的功率下运行。目前，典型船舶的中央冷却系统年总成本大致为:投资费用占 20%-25%，泵能耗费用占 65%-70%，维护费用约占 10%。因此，进行系统优化时应首先考虑减少占成本比重最大的泵送能源费用。泵送能源费用由高温淡水泵、低温淡水泵和海水泵三部分组成，它们的费用比例依次为 20%-25%，30%-45%，35%-45%。中央冷却系统的投资费用中以钛合金制成的板式换热器采购费用占的比例最大，在进行系统设计时也应考虑根据冷却器压力降与系统热负荷合理选择中央冷却器的尺寸。高温淡水循环泵为主机缸套与造水机提供冷却水，流量较为稳定，该
15、泵的能耗节省空间较小。低温淡水回路的运行费用的减少可通过设计管内经济流速来实现，因为回路中的冷却介质为淡水，流速增加不会造成管路腐蚀，流速减小也不会产生堵塞。海水管路运行费用的减少主要依靠优化系统运行时的海水流量。当船舶的运行工况变化时，所需的冷却海水量随之变化。具体来说，工况的变化一般是指主机负荷、环境温度或海水温度的变化。为了达到节能的目标，应根据相关参数的变化，对冷却海水进行变流量控制。1.5 本章小结本章首先简述了船舶冷却水系统发展的三个阶段，即开式冷却系统、半封闭式冷却系统和中央冷却系统。然后概述了中央冷却系统的三种型式：独立式中央冷却系统、混流式中央冷却系统和本文研究的某 5700
16、0 t 散货船采用的带独立缸套水冷却器的混流式中央冷却系统。之后介绍了中央冷却系统中海水冷却系统、低温淡水冷却系统以及高温淡水冷却系统的基本组成和工作原理。最后，分析了中央冷却系统的运营成本构成。针对能耗问题，提出系统设计优化节能和运行优化节能思路。第二章 船舶中央冷却系统在561STEU集装箱的应用2.1概述近年来,集装箱船运输呈现出了强劲的发展趋势。全球集装箱船的大型化趋势也愈演愈烈,在此背景下,我们国家在“九五”计划中也确定了大型集装箱船的攻关划,561STEU大型集装箱船的建造由此应运而生。该船为我国目前自行建造的最大的集装箱船。按照目前流行的设计,大型集装箱船由于航速较高,所匹配的主
17、推进装置(柴油机)也相当大,采用中央冷却系统是合理和经济的,所以船东毫不犹豫地选择了中央冷却系统。2.2 561STEU集装箱船的中央冷却系统简介561STEU集装箱船的中央冷却系统是一个完整的中央冷却系统。它分为淡水冷却系统和海水冷却系统。2.2.1海水冷却系统海水冷却系统由三台主海水泵和两只中央冷却器所组成。每台海水泵的容量为总容量的50%,其中一台为双速泵。每台排量为150Om3/hx1200 m,低速1125m,/hxgoorpm。带有APV的自动控制系统。中央冷却器的容量为总容量的60%,并带有反冲洗管路。原理图见3.1。2.2.2淡水冷却系统淡水冷却系统分为两种形式:主机高温冷却水
18、系统是一独立的系统,主机的高温膨胀水箱与低温冷却水系统的膨胀水箱是分开的。而发电机的冷却水系统是一混流系统。由于发电机的冷却水系统是混流系统,所以在低温淡水冷却部分增加了一只汽水分离装置。(1)低温淡水冷却系统三台低温冷却淡水泵从冷却器的出口泵水,通过三通温度自动控制阀维持低温,淡水温度在泵的出口温度控制在36,并将其接至:主机空冷器主机滑油冷却器主机缸套水冷却器舵轴管滑油冷却器主空压机大气冷凝器中间轴承空调装置冷藏装置主配电板室空调锅炉循环水泵等在中央冷却器的出口,主淡水冷却泵的进口前有另一路通往发电机冷却淡水系统,发电机的冷却淡水系统采用自身所带的低温淡水冷却泵用36C的低温水去冷却自身的
19、空冷器和滑油冷却器,然后再利用高温冷却水泵将这些水对发电机的高温冷却部位进行冷却,高温冷却水出口由一只三通温度自动调节阀将发电机的高温水的出口的温度控制在91C,补充水由低温冷却水部分进行补充,再由另一只总的温度控制阀控制高温水的进口温度至70C。(2)主机高温冷却系统两台主机高温淡水泵把经低温淡水冷却的高温淡水泵至主机,然后接至造水装置,一只三通温度自动调节阀(以维持主机缸套冷却水出口温度为80一85C)此外,本系统还配备了一台预热循环泵和一只预加热器,以供主机暖机用。原理图见2.2,图2.3,图2.4。2.3 561STEU集装箱船热平衡计算书:2.3.1主要设备l)主机型号:MANB&W
20、12K90MCC数量:1台MCR:74520BHPx104RPMNCR:67068BHPx100.4RPM2)发电机型号:WARTSILA6R32LNE数量:4台功率:243OKWx720RPM3)泵浦表2.1泵浦名称数量排量（m3/H）压头（mH2O）主冷却海水泵3x50%150025主冷却淡水泵3x50%107040主机缸套水冷却泵2x100%39530发电机高温淡水泵ENG.DRIVEN7020发电机低温淡水泵ENG.DRIVEN70202.3.2.负载条件表2.2负载条件工作状态主机发电机1-1最大设计100%3-100%1-2正常航行不带冷藏集装箱 90%1-70%1-3正常航行带冷
21、藏集装箱90%3-60%1-4操纵状态下不带冷藏集装箱及艏侧推50%1-85%1-5操纵状态下带冷藏集装箱及艏侧推50%4-80%1-6码头状态不带冷藏集装箱停止1-40%1-7码头状态带冷藏集装箱停止3-70%2.3.3.冷却水需要量计算图表(略)根据热平衡计算,冷却系统泵的排量和各热交换器的参数均能确定。按照热平衡计算确定了各支管的流量和分支情况,从而可以确定各支管的直径(我们可以根据前面所述来确定)。另外,因为管系生产设计是不可能在设计前就完成的,要精确进行管路阻力计算是不可能的,但根据机舱布置图和管系原理图估算管系的阻力,从而确定泵的压头是可以的,这样,我们可以得到各种泵的压头或可以进
22、行泵浦压头的验算。2.4 561STEU集装箱船的中央冷却系统的特点:a)主海水泵采用三台泵各为50%的容量,并有一台双速泵,通过自动控制系统进行控制,节约能源。b)中央冷却器带有反冲洗管路,这样可以延长中央冷却器的使用时间,减少清洗。 c)发电机的缸套冷却高温系统不用冷却器,而采用一只三通温度控制阀与低温冷却水系统相接通的方式,来维持高温系统水的温度,这样不仅节省了发电机缸套水冷却器,还简化了系统,使布置也更合理。图2.1海水冷却系统 图2.2发电机淡水冷却系统图2.3低温冷却水系统图2.4发电机淡水冷却系统2.5本章小结本章主要介绍了中央冷却系统在561STEU集装箱船上运用的实例。第三章
23、 船舶中央冷却系统的实船的应用及所产生的问题分析3.1船舶中央冷却系统在其它船舶上的应用我们公司在各种船舶上使用的中冷系统主要有:1)类似于561STEU集装箱船的中央冷却系统,如72000吨成品油轮等。2)采用低温部分为中央冷却,高温部分主机及发电机均有各自独立的冷却水系统,其冷却由高温冷却器利用低温水冷却高温水,如沪东型74500吨散货轮等。3)我厂为德国建造的2700STEU集装箱船所采用的中央冷却系统是斗式冷却器的中央冷却系统,具有一定的特色。它采用的中央冷却器是一个大的斗式冷却器,正常航行时,中央冷却器所需352Om3/h的海水流量,依靠斗式冷却器首尾直接与舷旁连接,利用海水流向来满
24、足冷却要求,其流量大小取决于主机的负荷,这样,既解决了部分负荷下的海水流量问题,也节省了几台大功率、大排量的海水泵,既满足了不同工况对海水量的要求,也达到了节省功率的目的。3.2中央冷却系统实船运用问题分析经过我们工厂这几年在各种船舶上使用各种型式的中央冷却系统,总的来说是比较成功的,船东在使用方面也比较满意,但也存在一些问题。在实际使用中主要存在以下几个问题:1.在设备前冷却水压力显示较低。现象:在放置较高甲板的设备,如空调装置等,其冷却淡水的进口压力达不到设备所要求的冷却水压力。分析:产生这样现象的原因可能有以下几个方面:(1)在设计中所预估的泵的压力过低。为此,我们从新计算了泵的压头,以
25、及根据经验,我们认为泵的压头已经是类似的船舶只使用较高的了。(2)主淡水泵出口的排量过大,压力不能建立。由于离心水泵存在着排量大,则压头小的特点,可能是由于在实际的设计只各管路之间都存在着不同程度的余量,从而导致管路中的阻力与计算时的阻力相差过大,导致泵的压头过低,排量过大,且多余的水量均从别的管路中排出,导致布置较高的设备冷却水进口的压力过低。我们采用超声波手提式流量计对各管系中的流量进行测量,利用节流孔板对流量多余的管路进行节流,使主淡水泵的排出压头达到额定压头。这样,对布置较高的设备进口压力的提高有一定用处。(3)我们经过对测量数量的详细分析,发现布置较高的设备所需的冷却水水量己经达到,
26、但压力却始终接近于低限值,所以我们又作了进一步的分析,影响设备进口所显示的压力的因素除管系阻力外,还有主冷却海水泵所放置在管路中的位置。例:泵的总压头为35m水柱,冷却器的压降为10m水柱,管路损失为5m水柱,设备压降为20m水柱,若将泵的出口接冷却器的进口,则至设备进口的压头为35一10一5=20m水柱,若将泵的进口接冷却器的出口,则至设备进口的压头为35-5=30二水柱,这样在表压上可以提高,虽本质不产生变化,但这样的布置可以使设备冷却淡水进口的压头远离低限值,同时,低压对冷却器也有一定的好处。2.管路中流量难以调节。现象:在调节流量时调节一个支管的流量则影响其他支管的流量(包括已经调节过
27、的)分析:由于系统中管路分支过多,在调节时很难调节平衡,我们在以往设计的管系原理和生产设计中多采用就近排管的原则,使得在一根淡水总管中开出很多分支至各个设备,使得在使用节流孔板调节流量时,无法调节平衡。因此,我们在原理设计和生产设计中可以将所有的设备分成几组,对每组进行调节,再分别对各组中的各个设备的流量进行调节,然后再对各组进行修正,这样虽然增加了管路防样的复杂性,增加了一室的管路长度,但对总体的流量调节上有很大的帮助。3.主机的缸套水冷却器无需冷却冷却水。现象:在试航中发现缸套水的出口温度调整至78nC时便不再经过冷却器冷却且温度无法上调。分析:出现这样现象,是很难让人想象的,肯定有地方成
28、为了主机现象:在放置较高甲板的设备,如空调装置等,其冷却淡水的进口的散热源,否则不可能出现这种情况。若无法将主机缸套水的温度调节上去,则造水装置便失去了意义。经过对原理图的分析,我们发现有一路用于利用发电机的高温冷却淡水的管路极有可能是由于这根管路未被截断而使热量散失。在截断这根管路后,主机缸套水冷却器立即起作用了。同时,这也给了我们一个启示,实际使用中在主机停止时,可以利用发电机的冷却淡水来预热主机,在主机运转时,也可以利用主机的缸套水去预热备用的发电机。3.3本章小结本章从中央冷却系统在实船上的使用及所产生的问题的分析,提出解决的思路和方法,供大家参考。结论本文通过对中央冷却系统的系统阐述
29、,中央冷却系统在各种船中的应用及某些船舶的中央冷却系统在设计和运用中所产生的一些问题的叙述和分析,使得中央冷却系统的设计理论化,系统化,为广大船舶设计人员提供了设计合理经济的中央冷却系统的理论依据。希望能为广大的船舶设计人员提供一定的设计参考,能对中国的造船事业的系统化,规范化出一点小小的力量。关于本文中央冷却系统的阐述是本人和其他设计人员在运用中央冷却系统中的一些体会和想法,肯定存在不足和错误,望大家能提供指导和问题,为完善中央冷却系统而努力。参考文献期刊类：1潘伟昌.船舶中央冷却系统的分析与初步研究,2001年2朱树文主编.船舶动力装置原理与设计.国防工业出版社,1985年3杜磊. 基于陆
30、上机舱的中央冷却水系统设计研究.大连: 大连海事大学.2010年.4陈伟智. 某船中央冷却系统控制策略研究.大连海事大学.2002年5石昌峰.基于径向基神经网络的船舶冷却水系统故障诊断.2008年 致谢三年的学习即将结束，在此我由衷感谢我的各位老师。在学习中，沈老师不但给予我专业知识和科研能力方面的培养，而且沈老师渊博的知识、务实的工作作风、严谨求实的学术态度都给了我莫大的激励和教育，老师善于沟通、诚恳待人也给我留下了难以磨灭的印象。这些都是我学习的榜样和努力的目标，也必将对我以后的人生道路产生深远的影响。本论文从选题到定稿凝聚着各位老师的心血和汗水，老师毫无保留的精心指导将使我终生受益。值此论文完成之际，谨向老师致以衷心的谢意和深深的敬意。感谢在求学期间各位老师的关心和帮助。有关的参考文献和资料均给了我很多启发和帮助，特此感谢有关作者。最后，衷心感谢评阅本论文和出席论文答辩的各位专家老师在百忙之中所给予的指导！
