船用柴驅水冷螺桿壓縮機冷卻系統設計與分析*

賴友榮,周艷輝

(廣東艾高裝備科技有限公司, 廣東 佛山 528000)

0 引 言

艦船行駛在海上最怕碰到海底礁石。因為一旦艦船碰撞到海底礁石,輕則導致船體變形,影響艦船正常行駛,重則導致船體開裂、滲水從而引發重大安全事故。因此,及時清除掉海上艦船行駛航道內的礁石尤為重要。而清除需要通過壓縮機為鉆機提供動力并在航道礁石上鉆取爆破孔,即采用機械鉆機在水下進行鉆孔爆破,爆破后采用抓斗(采用抓石斗)挖泥船進行清渣。為了保證足夠的電力供應,壓縮機通常采用柴油機驅動,只要攜帶足夠的燃油,就能使柴油機能夠長時間的、持續的為壓縮機轉動輸出動力。螺桿壓縮機在運轉過程中會產生大量的熱量,必須要通過熱交換器利用冷卻風或者冷卻水進行熱量交換,以保證壓縮機安全可靠運行,因此冷卻系統的設計至關重要。筆者根據船艙的設備布置情況,結合對流換熱理論,創造性地提出水冷冷卻系統的設計計算思路及方法,為船用環境下的柴驅螺桿壓縮機設計提供參考和借鑒。

1 鉆孔爆破船內部設備的布置

柴驅壓縮機布置在船艙內,鉆機布置在甲板上,通過管路將船艙內的壓縮機空氣引至甲板上的鉆機,由于壓縮機固定在船艙內,宜采用撬裝式壓縮機,船上要有足夠的甲板面積,滿足搭建鉆機平臺及安裝輔助設備、生活設施的需要;大型的爆破船施工工程較大,以筆者所在公司某客戶為例進行布置,甲板上總共布置有12臺鉆機設備,每2臺鉆機由1個太空氣壓縮機提供動力,因此船艙內布置7臺壓縮機,其中1臺為備用壓縮機,其余6臺每兩臺布置在一個相鄰的船艙內,壓縮機艙的旁邊布置有設備監控室,用于觀察設備的運行狀況;船艙內設備布置如圖1所示。

圖1 船艙內設備布置圖

由于采用柴驅型螺桿壓縮機,燃油的及時供應是保證壓縮機正常運轉的關鍵,直接影響到鉆孔施工的進度。壓縮機自身配備儲油箱,加滿一箱油大約可以滿足8 h的正常施工,每使用8 h壓縮機,油位報警器就會因油位低而報警停機,因此設計自動加油裝置能夠提高工作效率。船上單獨設計有總儲油箱,總儲油箱的位置高于壓縮機自帶的油箱,壓縮機自帶的油箱上面設計有高、低油位傳感器,油箱的加油口設計有防爆電磁閥,當壓縮機運行使柴油消耗至低油位時,低油位傳感器發出信號,控制柜檢測到此信號后,給防爆電磁閥通電,防爆電磁閥開啟,柴油通過自身重力的作用流入到壓縮機的油箱;當柴油加至高油位時,高油位傳感器發出信號給控制柜,切斷防爆電磁閥的電源,防爆電磁閥關閉,從而實現自動加油的功能。

2 船艙內柴驅壓縮機冷卻系統的設計

2.1 常規風冷冷卻系統設計及問題

在壓縮機行業內,柴油機驅動的螺桿壓縮機冷卻換熱基本采用鋁制翅片式換熱器[1]和冷卻風扇,換熱器由油冷卻器、水箱散熱器及中冷散熱器三個冷卻器組成。它們并排布置在柴油機曲軸前端的后側,其中油冷卻器用于冷卻壓縮機潤滑油;水箱散熱器用來冷卻柴油機缸套內的冷卻液;中冷散熱器用來冷卻柴油機經過渦輪增壓器增壓的空氣。柴油機的前端風扇皮帶輪上安裝有冷卻風扇,由柴油機曲軸皮帶輪通過皮帶驅動帶動冷卻風扇旋轉,產生風壓及風量,通過翅片式換熱器的外翅片表面與內翅片的熱交換,冷卻柴油機及壓縮機主機運轉時產生的熱量。

由圖1可知,2臺壓縮機安裝固定在船舶甲板下的同一個船艙內,如果采用風冷冷卻方式,則從翅片出來的熱風通常會比環境溫度高出20 ℃左右,熱風集聚在船艙內壓縮機周圍,致使壓縮機工作的環境溫度變高;而且由于2臺壓縮機并排布置,其中一臺壓縮機的排風口剛好與另一臺壓縮機進風口處于同一側,這會使得其中一臺壓縮機的進風溫度過高,導致冷卻性能不足,這樣的運行模式不僅會引起壓縮機設備操作人員的不適,還會導致壓縮機高溫報警停機,從而導致壓縮機無法正常工作。

2.2 新型水冷冷卻系統設計

根據船艙的特點及使用環境發現,利用天然的海水做為冷卻介質并采用管殼式換熱器能夠達到很好的冷卻效果。但是海水的腐蝕性極強,隨著使用時間的延長,海水會腐蝕冷卻器內的銅管,從而導致冷卻器失效,如果空壓機內部的3個冷卻器(水箱、中冷、油冷)都采用海水直接冷卻方式,則極易出現冷卻器內的銅管被海水腐蝕而引起損壞,從而影響壓縮機的正常運轉;而更換壓縮機內部的海水冷卻器及其管路相當麻煩,也勢必會引起較長時間的停機,從而影響到鉆機的正常工作。為了解決此問題,結合船艙內部有存儲淡水的冷卻水艙,并且冷卻水艙位于空壓機艙隔壁的特點,文中提出了大膽創新性的設計方案?？諌簷C整機內部的3個冷卻器采用淡水冷卻器,空壓機的外部靠近艙壁的位置設計有海水冷卻器,采用海水冷卻淡水的方法對空壓機內部的淡水冷卻器所需的循環冷卻水進行冷卻,從而保證空壓機內部3個冷卻器的使用壽命。淡水及海水的循環動力分別由淡水泵及海水泵提供,淡水泵及海水泵則設計為由柴油發動機后端的雙槽皮帶輪通過皮帶連接至水泵輸入軸的皮帶輪而驅動,從而完成整個冷卻循環系統的設計。冷卻系統的總體設計圖如圖2所示。

圖2 空壓機內部冷卻系統總體設計圖

(1) 淡水冷卻器設計計算及方案

首先根據壓縮機機頭的PAA參數性能表,查詢散熱量Q油及壓縮機運轉所需的循環潤滑油量m油,然后根據壓縮機設定的排氣溫度T排氣以及熱量計算公式計算出噴油溫度的數值T油[2]:

Q油=C油×m油×ΔT

(1)

ΔT=T排氣-T油

(2)

式中:C油為潤滑油的比熱值,kJ/kg·℃;m油為潤滑油質量流量,kg/s;ΔT為排氣溫度與噴油溫度的差值,℃。

然后根據進水溫度及冷卻水量,利用對流換熱公式進行計算[3]:

Q油放熱=Q水吸熱=K×A×ΔTm

(3)

式中:K為對流傳熱系數,W/m2·K,由大量的實測數據獲得;A為對流換熱面積,m2;ΔTm為對數平均溫差,℃,根據潤滑油及冷卻水的進出口溫差取對數計算獲得。

進行壓縮機油冷卻的換熱面積計算,而實際布置的換熱面積通常都留有15%～20%的面積余量,以避免理論計算取值造成的誤差。然后分別根據柴油發動機提供的中冷換熱量及氣缸燃燒柴油的發熱量,及其需要控制的柴油發動機氣缸吸氣溫度及冷卻液溫度,按照如上的類似的熱量計算公式及對流換熱公式,分別計算出中冷換熱器的換熱面積及冷卻液散熱器的換熱面積,并同樣預留15%～20%的面積余量,避免理論計算取值造成的誤差。

按照實際的換熱面積及進出口位置要求設計出實際的油冷卻器、中冷冷卻器及水箱散熱器的結構,并按照如圖3、4所示的方案進行結構布置。

(2) 海水冷卻器設計計算及方案

根據上文計算的Q油、Q氣、Q冷卻液,將三者換熱量相加即可得到海水冷卻器的換熱量Q總=Q油+Q氣+Q冷卻液,根據Q總及淡水的循環水量及海水循環水量和海水的常年平均溫度T海,利用如上所列的對流換熱計算公式,計算出海水冷卻的換熱面積A海水,并預留20%～30%的面積余量,海水冷卻器的冷卻銅管建議采用牌號為C44300的海軍銅,冷卻器布置在船艙里靠墻位置,提高抗海水的腐蝕能力,如圖5所示。

圖5 海水冷卻器布置示意圖

(3) 驅動水泵選型及方案

根據淡水冷卻器確定的淡水循環水量和海水冷卻器確定的海水循環水量進行淡水泵及海水泵的選型,同時需要結合水管路的長度,考慮選擇合適的水泵揚程,并留有10%～20%的余量;由于空壓機內部冷卻器的冷卻效果基于一定的海水溫度才能保證,因此淡水水泵與海水水泵的運轉必須同步進行才能保證良好的冷卻效果?；诖饲闆r,提出采用柴油發動機后端輸出雙槽輪,利用皮帶傳動[4]分別驅動淡水水泵及海水水泵。柴油發動機的后端及淡水泵和海水泵固定在同一個支座上面,支座的底部安裝有減振器,淡水泵及海水泵分別位于柴油發動機的兩側,淡水泵及海水的安裝支架位置設計有長腰形孔位,用于確保皮帶的安裝及皮帶的脹緊調整;同時,支座還需要設計有定位螺栓固定架,當水泵的皮帶輪脹緊[4]以后,定位螺栓可頂住水泵的底座,以確保水泵不發生位移;當柴油發動機工作時,就會通過皮帶輪分別驅動淡水泵及海水泵。具體的布置方案如圖6所示。

圖6 驅動水泵的方案布置

(4) 冷卻水管路的選型注意事項及方案

空壓機內部有3個冷卻器,分別為油冷、中冷、水箱散熱器。為方便冷卻水冷的布置,3個淡水冷卻器的循環水冷采用串聯結構設計,以減少管路的復雜性,減少水流量的大小;為確保能選型到合適的水泵,各冷卻器管路之間的連接采用膠管[5],以減少因制造誤差產生的各冷卻器接口之間的連接尺寸偏差,同時由于水泵進水口處于負壓狀態,因此膠管的選擇需要考慮到負壓的影響,避免運行時膠管被吸變形而引起水流量的不足;空壓機整機的淡水進出水口及海水進出水口需合理布置,方便客戶外部的水冷連接,在進出水口上粘貼易識別的標識,避免客戶進出水口接反;進出水口如圖7所示。

圖7 空壓機整機進出水口

3 冷卻系統調試測試

壓縮機組設計制造完成后進入船艙中需進行開機調試,對冷卻系統的各部件進行驗證測試,并收集大量的溫度數據,然后根據海水冷卻器的進出水溫差、淡水冷卻器的進水出溫差及壓縮機的排氣溫度繪制曲線,如圖8所示。

圖8 海水冷卻器、淡水冷卻器進出口溫差及排氣溫度值曲線

從海水冷卻器的進出水溫差、壓縮機淡水冷卻器淡水的進出水溫差可以看出,海水冷卻器進出水溫差在機器開機運行1 h后基本達到穩定,即保持約5 ℃左右的溫差;而淡水冷卻器的進出水溫差在機器開機運行1 h后基本達到穩定,即約12 ℃左右的溫差;機組的排氣溫度運行1 h后基本達到穩定,即約120 ℃左右;冷卻系統的換熱性能穩定可靠,滿足壓縮機正常運行的使用要求,可以保證螺桿壓縮機的正常工作。

4 結 語

文章在常規柴油機驅動的螺桿壓縮機的冷卻方式基礎上采用水冷冷卻設計,并結合艦船的內部結構特點及相關自然條件,提出利用海水冷卻淡水,淡水冷卻螺桿壓縮機整機的設計思路,同時利用柴油發動機后端雙槽皮帶輪,通過皮帶分別驅動淡水泵及海水泵而提供冷卻循環水,完美地設計出柴驅艦船用水冷螺桿壓縮機;壓縮機進入船艙安裝后,進行了開機調試,冷卻系統性能穩定可靠,可以保證柴驅螺桿壓縮機的正常工作,為船用環境下的柴驅螺桿壓縮機水冷冷卻系統的設計提供參考依據。