动力定位风电安装船冷却水系统设计

李康康 王 乐 吴 磊

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

近年来，随着海上风电行业的快速发展，为适应海上风机的深水化和大型化，满足海上风机的运输、起重、打桩、吊装等作业需求，具有自航、自升、起重功能并配备动力定位系统的风电安装船获得了市场的青睐［1］。考虑到自升自航式风电安装船的作业特点，为缩短其就位时间，提高有效的作业时间和效率，常为其配备动力定位系统，动力定位等级通常为DP-1或DP-2。DP-1不需考虑系统设计的冗余，DP-2则具有较高的作业安全性和系统冗余度，要求任何部件和系统单个故障不会引起定位能力的丧失，故而两者的轮机系统设计有较大差异。其中冷却水系统作为重要的辅助动力系统，对船舶的安全可靠运营至关重要［2］，因此，本文以1 200 t自升自航式风电安装船为研究对象，探讨不同动力定位等级下风电安装船的冷却水系统的设计计算。

1 系统介绍

1 200 t自升自航式风电安装船是一种专业化的海上风电设备运输安装装备，主要用于近海风电场施工作业，具备8 MW及以下海上风机基础的打桩施工、塔筒吊装和风机安装能力，由船体、四桩腿、升降系统、起重机和打桩系统组成。

当风电安装船的动力装置运行时，为防止需要散热的机械设备因受热部件温度过高或热负荷过大而影响正常工作，需设置冷却水系统为其提供足够的冷却水，以保证其在一定温度范围内可靠地工作，这些机械设备包括：主发电机、停泊发电机组、推进器相关设备、电气设备、升降系统以及空调冷藏设备等。根据冷却介质的不同，冷却水系统可分为海水冷却系统和淡水冷却系统；设计时，海水温度取32℃，淡水温度取 38℃。［3］

2 系统用户

风电安装船功能多样、工况复杂。在对风电安装船各典型工况的功率消耗进行估算后，DP-1和DP-2的动力系统配置见表1。可以发现，为保证单个故障出现后船舶仍有一定的定位能力，DP-2风电安装船所需配置的动力装置较DP-1多一台主发电机组，并且艏侧推的功率也有提高。

同时，当动力定位等级为DP-2时，为保证单点故障（包括推力器故障和电力系统故障）时系统仍然能够保持一定的动力定位的能力［4］，除动力系统外，电气设备间的柜机同样需要冗余设置。不同工况下需冷却水系统冷却的机械设备运行情况见表2。

表1 1 200 t自升自航式风电安装船动力系统配置kW

表2 各工况下冷却水用户情况

3 DP-1冷却水系统

综合考虑系统的布置和不同工况下的运行情况，将DP-1风电安装船的海水冷却系统分为首部海水冷却系统和尾部海水冷却系统，首部海水冷却系统为首部升降装置液压泵站、首部锚绞车液压泵站、冷藏装置、中央空调压缩冷凝机组及首部水冷柜机提供冷却海水，尾部海水冷却系统为主发电机组冷却器、辅助冷却器、尾部升降装置液压泵站、尾部锚绞车液压泵站及尾部水冷柜机提供冷却海水；淡水冷却系统分为为主发电机组提供冷却淡水的主发淡水冷却系统和为推进设备等提供冷却淡水的辅助淡水冷却系统。

3.1 主发淡水冷却系统

主发电机组淡水冷却系统采用高低温水混流式冷却系统，发电机组自带高低温冷却水泵。从柴油机出来的部分高温水和低温水混合成指定温度的高温水进机进行再循环，剩余的高温水和低温水混合后进入主发电机组冷却器进行冷却，简化后的主发淡水冷却系统见图1。

图1 主发淡水冷却系统简图

单台主发电机组冷却水热交换量为1 316 kW，海水需求为90 m3/h。动力定位时，5台主发电机组同时运行，系统总换热量为5×1 316 kW，每台主发电机组冷却器的换热量按总换热量的60%设计，最终确定的板式冷却器的换热量为2×4 000 kW。

3.2 辅助淡水冷却系统

辅助淡水冷却系统为典型的独立式中央冷却水系统，通过板式冷却器交换热量。系统用户除推进相关设备外，还包括发电机组的回油冷却器。系统最大负荷发生在动力定位工况，该工况下的热平衡计算见表3。

表3 辅助淡水冷却系统热平衡计算

在选取辅助淡水冷却泵的排量时，应全面考虑系统在各工况下的运行状况。从表2可以发现，辅助淡水冷却系统在不同工况下的用户有较大差别，系统冷却淡水的需求见表4。

为此，选用4台排量为60 m3/h的辅助淡水冷却泵，3用1备。辅助冷却器的换热量按动力定位时总换热量的60%设计，最终确定的板式冷却器的换热量为2×500 kW。

3.3 海水冷却系统

1 200 t自升自航式风电安装船设有3个海底门，通过海水总管相互连接。尾部海水冷却系统从尾部2个海底门取水，首部海水冷却系统从首部1个海底门取水，必要时亦可从尾部海底门取水。海水冷却系统各用户的换热需求见表5。

结合表2所列各工况下冷却水用户情况，统计不同工况下冷却海水的需求量见表6。为使系统中的冷却水用户在各工况下均能得到适度、可靠的冷却，选取4台排量为240 m3/h的尾部海水冷却泵，3用1备；选取3台排量为150 m3/h的首部海水冷却泵，2用1备。系统简图见下页图2。

表4 各工况下辅助淡水冷却系统冷却水流量m3/h

表5 海水冷却系统用户换热需求

表6 各工况下冷却海水流量m3/h

图2 海水冷却系统简图

4 DP-2冷却水系统

DP-2风电安装船的冷却水系统设计时，海水冷却系统需考虑的单点故障包括海水泵失效、滤器堵塞等；淡水冷却系统需考虑的单点故障包括淡水泵故障、温控阀故障等，同时还需考虑保证淡水系统发生泄漏和气阻时的动力定位能力。

4.1 淡水冷却系统

将淡水冷却系统分成3套独立的系统，每套系统对应2台主发电机组、1台全回转舵桨及1台艏侧推，且电气设备间的柜机也需按冗余要求分在不同的冷却水回路当中。各推进链的冷却水热平衡计算结果见下页表7。

根据分组，为淡水冷却系统设置4台排量为100 m3/h的淡水冷却泵，3用1备；每套淡水冷却系统设置1台中央板式冷却器，换热量按总换热量的120%设计，取3 700 kW。

与此同时，在淡水冷却系统管路上设隔断阀。DP时隔断阀关闭，3套冷却水系统相互独立，任意1套系统失效均不会影响另外2套冷却系统的正常工作；其他工况下，隔断阀打开，淡水冷却系统合并为1套大的系统，可根据工况灵活使用。系统简图见下页图3。

表7 DP-2风电安装船冷却水系统热平衡计算结果

图3 DP-2风电安装船冷却水系统简图

4.2 海水冷却系统

除为淡水冷却系统的中央板式冷却器外，海水冷却系统还需为升降装置液压泵、锚绞车液压泵站等设备提供冷却海水。在设计时，如图2所示，在尾部两个海底门连通的总管上设隔断阀，并在2号和3号海水泵的吸入端前设置连通管，各海水泵的出口端则连成总管接板冷。

综合考虑各工况下冷却海水量的实际需求，为DP-2风电安装船的海水冷却系统配置4台排量为250 m3/h的海水冷却泵，3用1备。实际工作时系统的海水供求情况见表8。

表8 各工况下冷却海水用户及海水供应量m3/h

5 结 语

本文对不同动力定位等级的1 200 t自升自航式风电安装船的冷却水系统进行了设计计算，将DP-1的风电安装船冷却水系统分为首部海水冷却系统，尾部海水冷却系统，主发电机组淡水冷却系统和辅助淡水冷却系统，实现了系统的灵活有效运行；将DP-2的风电安装船冷却水系统分为三个独立的中央冷却水系统，使之在动力定位时能够满足系统的冗余要求。同时，为保证整个系统在各工况下都能够满足各设备对冷却水的需求，合理地对系统中的冷却器及冷却水泵的数量及容量进行了选型配置。通过本文的分析计算，可为今后该类船型的冷却水系统设计提供一些参考。