中央冷却系统讲解.docx
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中央冷却系统讲解
大连海事大学
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毕业论文
二○一二年八月
船舶中央冷却系统简介
专业班级：
船舶与海洋工程
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继续教育学院
内容摘要
现代柴油机船舶动力装置普遍采用中央冷却系统，对主柴油机和其他辅助设备进行冷却，以保证装置安全可靠地工作．
冷却系统是保证船舶动力装置安全可靠运行的动力系统之一，其作用是冷却动力装置中的柴油机组和各种辅助设备以及需要冷却的其他配套装置，使整个动力装置系统设备得到稳定、可靠、合理的冷却，以保证在有效的工作范围内正常工作。
近年来，舰船对海水系统防腐防漏的要求越来越高，中央冷却系统与海水接触的管路和附件相对较少，其总体防腐蚀性能有望改善，采用中央冷却系统将成为舰船冷却系统设计的一个发展方向。
而对综合电力推进舰船而言，由于需要冷却的设备多、布置比较分散，工况又比较复杂，中央冷却系统采用自动控制，可以显著提高其运行的可靠性和节能效果，并且可与综合电力推进系统整体高自动化水平相适应。
中央冷却系统及其控制技术的研发对提高舰船机舱自动化水平和开拓动力保障系统的完善设计大有裨益。
2中央冷却系统的特点和设计理念以采用综合电力推进系统的某型舰船为例，其中冷却系统具有如下特点:
（l）在航行和动力定位工况下共用一套供电系统，推进装置供电和日常低压配电均由中压电网来提供。
中央冷却系统除了需对分设在前后机舱的多台柴油发电机组进行冷却外，还要对变压器、变频器、推进装置进行有效冷却，
在国外,现在许多新造的海船都采用中央冷却系统；在国内，为国外船东建造的船舶，按照船东的要求也全都采用这种系统。
用中央冷却系统取代传统冷却系统当前已成为必然的趋势，可见中央冷却的重要性。
Ananalysisofdistributionofwaterflowin
centralcoolingsystemonboard“shipoffuture”
SUNPei-ting,HUANGLian-zhong,MABao-sheng,LUDai-chen
（MarineEngineeringCollege,DalianMaritimeUniv.,Dalian116026,China）
Abstract：
ThisArticleanalyzesthedistributionofthewaterflowrateinthecentralcoolingsystemonboardoftheGerman“ShipoftheFuture”.Accordingtotheconservationofenergyandmass,thepositionofthetemperaturecontrolvalveisdeterminedbycalculation,thereasonofpoorcontrolabilityofthesystemisfoundout,andimprovementmethodsproposed.
Keyword:
marinedieselengine;centralcoolingsystem;temperaturecontrol;three-wayvalve;controlabi
一、船舶中央冷却系统定义---------------------------------------------1
中央冷却系统管路组成-------------------------------------------------1
二、船舶冷却系统定义---------------------------------------------------------1
船舶冷却系统常见几种系统-----------------------------------------------1
船舶系统冷却分类---------------------------------------------------1
1.开式海水冷却系统----------------------------------------------1
2.闭式淡水冷却系统-----------------------------------------------1
3.中央冷却系系统------------------------------------------------1
船舶冷却系统组成----------------------------------------------------1
1.海水冷却系统---------------------------------------------------1
2.淡水冷却系统---------------------------------------------------1
3.中央冷却系统---------------------------------------------------1三、冷却水系统的作用---------------------------------------------------------1
冷却水系统的基本形式--------------------------------------------2
1.开式冷却水系统--------------------------------------------2
2.闭式冷却水系统-------------------------------------------2
3.中央冷却水系统-------------------------------------------2
4.常规冷却水系统与中央冷却水系统的优缺点--------------------3四、中央冷却系统热平衡计算----------------------------------------------------3
中央冷却中流量分布分析---------------------------------------8
中央冷却水系统--------------------------------------------------------8
船舶中央冷却特点------------------------------------------------------8
中央冷却系统其设计应能满足下列基本要求------------------------------------------------9
结论-------------------------------------------------------------------------------------------------10
参考文献----------------------------------------------------------------------------------------------11
船舶中央冷却系统简介
一、船舶中央冷却定义
为了解决冷却系统的腐蚀和污染,近年来发展了采用淡水取代海水在冷却系统的中间回路中循环,这种冷却系统通常称为中央冷却系统。
中央冷却系统管路组成
中央冷却水系统主要由海水、高温（缸套）淡水、低温淡水三部分管路组成
二、船舶冷却定义
船舶冷却系统的作用就是利用海水或者淡水冷却船舶主机、副机系数做功后产生过多的热热量，防止设备因为温度过高导致不能工作或者损坏的一个管系
船舶冷却系统常见的系统
船舶冷却水系统常见有开式海水系统、闭式淡水冷却系统、中央冷却系统。
船舶冷却系统的分类
1.开式海水冷却系统
利用海水来冷却设备的系统，因为海水的腐蚀性很大，如果直接进入设备会减少设备的使用寿命，所以一般的船舶都是常用热交换的方式，用海水冷却淡水，淡水在冷却设备的方法达到冷却设备的目的。
2。
闭式淡水冷却系统
利用船舶淡水舱或设备的淡水来冷却设备的管系，特点是腐蚀性小，管路清洁。
缺点是远洋船舶淡水储备有时间不够用，所以有时要和海水冷却系统结合交替工作
3。
中央冷却系统
中央冷却系统海水、淡水管理分开，淡水管路腐蚀性小且清洁，管理成本低，系统工作可靠性强；高温、低温两路淡水分别冷却不同船舶的设备，使用系统适应性强，提高设备工作性能。
基于以上突出优点，近年来新造船舶多采用中央冷却系统。
船舶冷却水控制系统主要任务是随热负荷变化自动控制执行机构来保证冷却水温度稳定。
目前船舶冷却水控制系统普通能耗大，执行机构动作频繁磨损大，控制不稳定。
低温淡水的温度主要通过调节阀改变流经中央冷却器的旁通量来实现，调节发的动作由控制系统检测海水、淡水温度变化进行比例积分进行调节。
海水流量由系统控制在四种海水流量之间转换，目的在于控制崩入系统的海水不会过剩，保证中央冷却器的换热效率，实现最大程度的节能及海水流量的优化控制。
船舶冷却系统组成
1.海水冷却系统
海水冷却系统由海底门、海水总管、海水泵、海水输送管、控制阀门、机带海水泵等
2.淡水冷却系统
淡水冷却系统由淡水舱、淡水泵、淡水输送管、控制阀门、机带淡水泵、排舷外管组成。
3.中央冷却系统
海水管路、淡水管、调节阀、中央冷却器组成。
三、船舶冷却水系统作用
柴油机动力装置中一些机械设备在正常运行中不断产生热量，这些热量必须及时散发，否则发热件温度将继续上升，以至超过容许的限度而破坏机械设备的工作可靠性。
如柴油机气缸内燃烧产生的热量除了对外作功外，其中一部分热量将传到机器的部件上，若不给予适当的冷却，这些部件将因为温度过高而不能继续工作。
为了及时而有效地散发这些热量，通常就要让一定量的液体连续流经受热部件，把这些热量带出设备。
冷却系统一般采用淡水或海水作为冷却介质。
冷却系统带走的热量有很大一部分是燃料燃烧做功后所剩余的热量，一般占燃烧热量的20%-30%。
由于柴油机是一种热机，是依靠燃料燃烧的热量来作功的，所以冷却系统带走的热量是一种损失。
很显然，冷却越强烈，这部分的损失越大，就越明显地降低柴油机的资金，另一方面，由于受热部件的温度很高，与冷却水接触的表面温度又较低，因此在这样的温差下易产生热应力，温差过大，部件就会产生裂纹。
由此可知柴油机对冷却过程是有严格的要求。
冷却系统的作用就是对柴油机进行强制冷却，将各受热部件的温度控制在允许的范围内；两一方面又要保持恰当的冷却水温度和采用合适的冷却介质，以保证其正常可靠地工作。
在决定决定冷却水温度是需要充分考虑到冷却不足或冷却过度带来的后果。
如冷却不足将使部件受热过度，导致材料机械性能下降，产生热应力与变形，破坏工作面的正常间隙，造成过度的磨耗甚至咬死而损坏；冷却不足还将会使滑油温度过高，缩短滑油使用寿命引起滑油变质和结焦，破坏油膜而失去润滑作用。
相反，如冷却过度将使冷却液带走的热量过多，而使柴油机经济性下降；冷却过度会使气缸内形成硫酸而腐蚀缸壁及活塞。
因而冷却水系统的热冷却计算是十分重要的。
二、冷却水系统的基本形式
冷却水系统分：
开式冷却水、闭式冷却水系统；闭式冷却水系统分：
常规冷却水、中央冷却水系统、混合式冷却水系统；中央冷却水系统分为：
混流式中央冷却系统、独立式中央冷却水、自流式中央冷却水系统。
1.开式冷却水系统
所谓开式冷却水系统是指柴油机本身直接用舷外水海水江河水进行冷却。
开式系统的优点：
是装置简单，管理维修方便。
缺点：
舷外水质差，河水含有杂质，海水含有各种氯化盐，会堵塞冷却空间或部件产生腐蚀及发生沉淀产生水垢，降低热效率。
为防盐类析出，海水温度应50-55℃，高温部件不能用，由于柴油机的冷却水温度一般要求在60℃以上，高速机应达80℃-90℃。
因此现今除江河小船外，基本上已不采用开式冷却水系统。
2.闭式冷却水系统
与开式系统相对应，是指柴油机本身用淡水冷却而淡水再经热交换器用舷外水冷却。
也就是淡水在系统中作封闭循环，而封闭循环的淡水再由另一个开式冷却系统（不是指柴油机本身）来冷却、因而它具有很多优点：
（1）循环与机内的是清洁的淡水，不易发生堵塞现象。
（2）清洁水不易发生积垢现象，保证良好的热效果及延长部件的使用寿命。
（3）不受海水中析出盐分的温度限制，可采用较高的冷却水温，提高热效率。
（4）缩短暖缸时间，提高机动性。
（暖缸时，淡水不经过冷却器或关闭海水泵）
3．中央冷却水系统
为使主机以外的其他机械设备均用淡水，且用一个冷却系统进行冷却便形成了中央冷却水系统.若有部分设备单独用海水冷却则称为混合式冷却系统。
在柴油机淡水冷却系统中，有高温水回路和低温水回路，如采用高温水的混合来调节系统参数，则属混流式中央冷却系统：
如高低温回路各自分开，则为独立式中央冷却系统。
在独立中央冷却系统中，如高温水热交换器用低温水淡水冷却。
在某些航速较高的船舶上，如集装箱船、舰艇等，它的中央冷却器（低温淡水冷却）利用船舶航行的速度船舶航行速度所获得的自流海水冷却，称为自流式中央冷却系统
4.常规冷却水系统与中央冷却水系统的优缺点
常规冷却水系统优点：
1.主机仅需设置两套冷却水泵；海水冷却泵和缸套水冷却泵；2.管路系统简单；3.处投资低。
中央冷却水系统优点：
1.用海水冷却器仅需1套；2.其他冷却器均用淡水冷却，材料要求低，价格便宜；3.需耐腐蚀的海水冷却管路短；4.冷却器维修量小，传热效果好。
常规冷却水系统缺点：
1.所有冷却器均用海水冷却，因而维修量大；2.需配其它机械设备用的海水冷却泵；3.需耐腐蚀的海水管路长。
中央冷却水系统缺点：
1.有三个冷却回路，因而需设3套冷却水泵；海水冷却泵、低温水冷却泵和高温水冷却泵；2.初投资高。
四、中央冷却系统热平衡计算
（1）高温淡水系统
柴油机主机是船舶动力中心，工作时相对稳定于高速运转状态。
主机高速运转消耗燃油释放能量的同时，整套设备的温度也随之升高，对于这些高温部分位的冷却不能使用低温淡水，因为过大的温差会引发过大的热应力。
运用高温淡水冷却系统的目的就是将温温度差控制在适当的范围内。
一般入口温度约为68℃，经主机热交换后出口温度不超规定温度
（2）海水系统
海水系统从舷外抽水至冷却系统，经中央冷却器对低温淡水进行冷却，海水系统设置了地位海底阀，用于不同的航行工况，通过大容量海水泵抽水至系统，热交换完成后部分海水通过调节阀回到入口处，其余的则排出舷外
（3）低温淡水系统
低温淡水冷却系统为船舶中央冷却系统的中坚力量，船舶轮机系统大部分设备的冷却过程均属于低温淡水冷却，如主机空冷却器、滑油冷却器、空压机、中间轴承、柴油机发电机空冷器、冷藏和空调装置等。
低温淡水从冷却中央冷却器中通过板式热交换器与海水进行热量交换，然后分别按主机、柴油机和其他设备两部分进入以下各个设备，主机部分一般为：
主机空冷器、润油冷却、空压机和中间轴承，经过这些设备后这部分冷却水直接输向高温淡水系统，通过主机部分后回到中央冷却器。
剩余的低温淡水通过柴油机和其他设备后回流到中央冷却器。
（4）热平衡计算
高效的热平衡计算能够迅速结合出冷却系统各个热交换节点的参数、流量、温度等，和各个主要设备的特性数据，如热交换器所传递的热量及高低温交换介质海水、淡水的进出温度和流量、泵的排量等为设计工作中的系统构建提供依据。
根据热力学第一定律，热平衡揭示装置或设备在能量上的转换、传递、利用和损失情况，以散货船的中央冷却系统为计算基础。
热力学基本原理：
Q=q·c·△T·p
Q------冷却过程中交换的热值；
q------冷却水流量；
c------冷却介质比热；
△T----热交换前后冷却介质温度变化；
P------冷却介质密度；
在热力计算过程中所应用的数值级重参数
压力（kg/c㎡）
P0PaPzPePb
10.97644.903.34
温度（k）
T0TaTzTeTb
29331820579331147
在实船中央冷却系统中，冷却介质只有淡水和海水，其比热、密度均为已知量。
冷却水的流量，通常由各主要设备供应商给出配套泵机的建议参数，在进行计算时可以按照这些既定的建议参数确定各节点冷却睡得流量。
再根据不同冷却设备的技术要求，确定若干冷却水进出口既定温度。
数据确定后，按上述公式可进行各热交换节点处的计算，得出相应的温度、流量等数据，最终确定低温淡水冷却泵的流量和中央冷却器所需的热功率。
1 系统中的质量守恒和能量平衡
质量守恒
系统中各支路的质量流量，必须满足质量守恒定律，所以
其中,
s为冷却水泵的排量;
a为通过空气冷却器的冷却水流量;
M为通过汽缸套冷却空间的冷却水流量;
b为通过中央冷却器旁通管路的冷却水流量;
c为通过中央冷却器的冷却水流量．
能量平衡
进入系统的热量和由系统传递给海水的热量必须相等，在忽略水泵电机能量的情况下，能量平衡方程为
其中，
a为空气冷却器高温部分的散热量;
M为燃烧室壁面散热量;
sea为由中央冷却器传递给海水的热量.
3 高温环境下的流量分布
高温环境
首先分析计算，环境海水温度为32℃,空气温度为40℃时的冷却水流量分布和温控阀的位置．
在该环境条件下，主机在全负荷（SMCR）状态下工作时缸套散热损失
M＝1240kW，空冷器高温部分散热损失
a＝1974kW.因此，中央冷却器散热量
sea＝3214kW．此外，为了防止换热器的过大变形，往往限定淡水出口温度与海水入口温度之差不超过25℃，即
Vac－VSeai≤25
因此，在该状态下，中央冷却器入口处的海水温度vseai＝34．8℃，淡水出口的温度vac＝59.8℃．取该部分中央冷却器进出口温差为3℃，则
由以上分析可见，当温控阀为双线性三通阀时（阀门特性如图1所示），阀所处的位置为
图1 线性三通阀特性
这就是说，在该环境中，当柴油机负荷变化时，温控阀只能在36％～100％的行程内进行调节和控制，有效调节行程仅为64％．
低温环境
对于无限航区的船舶来说，环境温度在不断地变化，为了分析在极端情况下冷却水的分布情况和简化分析，海水温度为Vsea＝5℃，机舱温度（即压气机吸入口空气温度）仍为Vair＝40℃，这样，主机缸套和空冷器散热量均不变．
为了突出主要矛盾，在下列分析中并不涉及换热器中换热系数等因数的影响，即仍认为中央冷却器淡水出口温度与海水进口温度之差为25℃．
由于在该种情况下，采取回水加热进口海水温度的措施，使整个中央冷却器海水出口温度不低于10℃，所以
vseai＝12.8℃，vseao＝15.8℃，vac＝vseai＋25℃＝37.8℃
由于设定温控阀为线性阀门特性的三通阀，因此，通过泵的冷却水总流量不变，又由于汽缸套及空冷器散热量不变，所以，通过柴油机和空冷器的冷却水流量亦不变,即
通过中央冷却器和其旁通管路的冷却水流量为
这时，所对应阀门位置应为
也就是说，当柴油机在全负荷范围内变工况运行时，温控阀在69.2%～100%范围内进行调节控制，温控阀的有效控制行程只有30.8%
用于主机冷却水温度调节的神经元自适应控制系统
一般地，神经元自适应控制算法为：
Y=f（ΣWiXi），i=1,2,3,···,n--------------------------------------------（5）
神经元通过修改其加权值Wi进行自组织，即
Wi（t+1）=Wi（t）+d[r（t）–Y（t）]·Xi（t）,i=1,2,3,···,n-----------------------（6）
其中，r（t）为设定值；Y（t）为神经元的输出；Xi（t）（i=1,2,3,···,n）为神经元的输入状态，
在此处取
X1（t）=r（t）-Y（t）=en,X2（t）=en–en-1,X3（t）=ΔX2（t）,···，Xn（t）=ΔXn-1（t）；d为神经元
的学习速率[8]。
使用以上的学习算法，可知神经元是通过关联搜索，进行递进式学习确定Wi（t），当Wi（t）
收敛到一个稳定值Wi时，则|r（t）-Y（t）|的值最小，且最小值为0。
即r（t）-Y（t）不减小到0，
神经元便不停止动作，继续进行关联搜索使偏差减小。
主机冷却水泵自适应控制系统所采用的自适应控制算法为对上述算法的简化:
Y=ΣWiXi,i=1,2,3-------------------------------------------------------------（7）
其中，X1=en,X2=en–en-1,X3=en–2en-1+en-2。
此算法对权值的修正为：
Wi（t+1）=Wi（t）+d（r-Y）Xi+α[Wi（t）–Wi（t-1）],i=1,2,3-----------------（8）
取值时，d要适中，d太大会影响Wi（t）的稳定，d太小则会使Wi（t）的收敛太慢。
α为平滑
因子，是为了使权系数的修整过程较为平滑。
一般地，0<α<1[9]。
主机高温淡水冷却水温度的自适应控制系统
所示为主机高温淡水冷却水温自适应控制系统。
其中的“神经元自适应控制环节”
（即“水泵转速控制环节”）根据温度误差信号来调节冷却水泵的转速，此环节在本文中采
用上述的神经元自适应控制方案。
因为神经元自适应控制可根据误差通过其学习算法来不
断修整控制器的参数，使控制器适应受控对象的参数变化。
其中的冷却水泵环节为比例系
数K，表示流量与转速的比例关系。
在此自适应控制系统中，一些主要的干扰因素也在
主机高温淡水冷却水温度控制系统（Td为主机缸套的入口冷却水设定温度；T为主机缸套的入口
冷却水实际温度；△T为Td与T的差值；R为冷却水泵的转速；F为高温淡水冷却水的流量；G1为主机每小时
耗油量，表示主机的负荷扰动；Tm为主机缸套的出口冷却水温度；Ts为海水入口温度；Te为流经造水机冷
凝器的出口冷却水温度；Tr为流经余热蒸汽冷凝器的出口冷却水温度；Tlwi为冷却池入口低温淡水冷却水温
度；Flw为低温淡水冷却水流量。
）
中央冷却水系统
中央冷却水系统是主机的高温水由低温水来冷却。
它的工作原理是：
中央冷却水系统由三个相互独立的回路组成，即海水回路、高温温淡水回路和低温淡水回路、
（1）海水回路
海水回路相当简单，由海水泵从海水总管吸入海水后送入中央冷却器，冷却低温淡水直接排至舷外。
（2）高温淡水回路
高温淡水回路即主机缸水冷却系统，它是一个闭式循环系统，由高温淡水泵将高文淡水送入主机对气缸、活塞和喷油器等进行冷却，然后从主机的最高点排出，经三通调温阀、高温淡水冷却或旁通管、除气柜后回到高温淡水泵的吸入口。
安装在高温淡水冷却器进出口旁通管路上的三通调温阀用来控制主机淡水出口的温度，一般要求主机淡水出口温度控制在80℃左右。
主机淡水温度的调节可以采用三种不同的方法①调节进入冷
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