CN115743498A - 一种与船体共形的大流量循环水系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种与船体共形的大流量循环水系统，其包括取水管隧、连接管道、海水滤器、大功率循环水泵、循环水管系、汽轮发电机组冷凝器；取水管隧采用3m×3m的方管，安设在船体上，与船体共形，其具有取水口，在取水口处设有海生物防治装置；连接管道有两根，其一端与取水管隧连接，另一端通过大功率循环水泵与汽轮发电机组冷凝器连接；汽轮发电机组冷凝器通过循环水管将循环水排入大海中。本发明采用直径为3m的海水管道与船体共形，在满足所需循环水流量的前提下，避免了大直径管路在船体中的安装难度，降低了管路运维费用，同时提高了船舶生命力。

Description

一种与船体共形的大流量循环水系统

技术领域

本发明涉及一种循环水系统，具体涉及一种与船体共形的大流量循环水系统。

背景技术

对于核动力船舶而言，目前采用压水堆作为反应堆，使用轻水作为传热介质，高温高压水在反应堆压力容器中流动，将核燃料裂变产生的热量导出至蒸汽发生器中，在蒸汽发生器中，将热量传导到蒸发器二次侧给水并产生蒸汽，蒸汽驱动汽轮机转动做功后，在冷凝器中冷凝变为欠饱和度水。整个过程中需要大量的海水作为最终冷源，因此需要设计一个满足流量要求的循环水系统。

一般的汽轮发电机组主要由汽轮机、发电机、冷凝器及汽轮机与发电机之间的喉部等组成。根据热力学定律，降低汽轮机背压可以增加汽轮机可利用能量并提高出力。汽轮机背压由凝汽器换热面积、冷却水温度和冷却水流量等共同决定。在冷却水入口温度确定的前提下，要降低汽轮机背压必须增加冷却水流量以减小冷却水温升，或增加凝汽器面积以降低凝汽器端差，这两种方法将导致循环水泵功耗增加或者凝汽器面积加大，这必将导致运行费用高、建设成本高、设备体积庞大等影响。

另外，降低汽轮机背压将导致排汽容积流量增加。为使机组在各工况运行时排汽环形速度在合理范围内，减小排汽损失的同时避免末级叶片产生附加激振力，这就需要采用更长的低压末级叶片或者增加排汽缸个数，这将导致低压缸和凝汽器总体积增大，增加布置难度。因此，背压不是越低越好，需要综合考虑经济性和船舶适装性。

针对某海洋核动力浮动平台项目，配置了电功率为百兆瓦级的汽轮发电机组，考虑平台总体对汽轮发电机组的尺寸、重量限制等，为尽可能的提升汽轮发电机组的热力循环效率，最后核算得到冷凝器喉部压力为6kPa，所需冷凝器循环水流量约30000t/h。考虑到循环水泵的能耗等影响因素，计算得到的循环水管道内径为3m。

目前，直径为3m的海水管道，在船舶上的安装固定、布放位置以及重量等，均会对船舶平台总体带来较大的影响——可能造成船舶超重，或提高系统运维费用、或降低系统乃至船舶的生命力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种与船体共形的大流量循环水系统，该系统采用直径为3m的海水管道与船体共形的方式，在满足所需循环水流量的同时，降低了制造费用和系统运维费用，及安装难度，有效解决了船舶总体空间、重量的限制以及大管径海水管道在船上固定安装、位置布放等问题，满足了低流速、大流量、低压降的循环水管路布置要求。

本发明所采用的技术方案是：

一种与船体共形的大流量循环水系统，其包括取水管隧、连接管道、海水滤器、大功率循环水泵、循环水管、汽轮发电机组冷凝器；

所述取水管隧采用3m×3m的方管，安设在船体上，与船体共形，其具有高位取水口和低位取水口，其中高位取水口位于舷侧，低位取水口位于船底；在高位取水口和低位取水口处均设有海生物防治装置；取水管隧上设上开口和下开口，且上开口置于下开口上；

所述连接管道有两根，每根连接管道上均设有海水滤器；两根连接管道的一端分别与取水管隧上的上开口和下开口连接，另一端分别与一个大功率循环水泵连接，2个大功率循环水泵分别通过循环水管与汽轮发电机组冷凝器连接；汽轮发电机组冷凝器通过循环水管将水排入大海中。

按上述方案，所述取水管隧内设有高位阻挡板、低位阻挡板，高位阻挡板安设在取水管隧的顶部，低位阻挡板安设在取水管隧的底部；高位阻挡板、低位阻挡板间隔设置，有助于泥沙沉积。

按上述方案，所述高位阻挡板、低位阻挡板为可拆卸高位阻挡板、可拆卸低位阻挡板。

按上述方案，所述取水管隧为双层方管，内外方管之间，设置有加强筋，保证取水管隧在表压为0.2MPa的压力下不产生变形。

按上述方案，所述取水管隧上涂刷有防污涂料，在取水管隧内设有锌块；在取水管隧的高位取水口和低位取水口处加装有铜阳极。

按上述方案，所述海生物防治装置包括海生物过滤网，防止海生物在取水管隧内部的附着、堆积及生长。

按上述方案，在连接管道的入口处设有细孔径过滤网，进一步保证进入设备过流部件的水质，确保设备运行不受影响。

按上述方案，所述连接管道为直径为1.4m的管路。

按上述方案，所述取水管隧、连接管道、循环水管采用钛合金、铜或耐腐蚀不锈钢材制成。

按上述方案，循环水管与汽轮发电机组冷凝器在船内底中后部形成一个Z型走向，且靠近船底布置。

海水经海生物防治装置进入方形取水管隧后进入连接管道，并经过大功率循环水泵的加压，进入汽轮发电机组冷凝器内管束。在汽轮发电机组冷凝器内，设置有大量直径为10mm左右的细换热管，以增加冷凝器的换热面积。海水经过流量分配，流过管侧，经过汽轮机做功后的乏汽掠过管束，与管束内室温条件下的循环水发生热量交换。受热后的海水，在管束末端，重新汇聚后进入循环管道，回流进海洋。

本发明的有益效果在于：

通过设置3m×3m的方管与船体共形，可提高汽轮发电机组的热电转换效率，降低汽轮机喉部背压，达到在相应背压要求下，冷凝器尺寸、重量控制在船总体要求的范围内时对大流量循环水的要求；

针对系泊、航行工况下海底深度不同，设计了舷侧高位、船底低位两个取水口，在浅水区使用低位取水口取水，保证循环水流量的要求，在高位采用高位取水口，保障不同航行区域的取水能力和取水质量；

在高位取水口和低位取水口处均设有海生物防治装置，防止海生物在取水口、取水管隧上的附着、堆积等问题，有效解决海生物堆积、附着造成的管道堵塞、金属腐蚀等问题；

在取水管隧内设置高位阻挡板、低位阻挡板，以助于水中夹杂的微细泥沙在取水管隧内沉积，且高位阻挡板、低位阻挡板可作为方形取水管隧的加强筋，增加方形取水管隧的结构强度；

在连接管道上设有海水滤器、以保证水在经过方形取水管隧后仍夹带的微量小型海生物、泥沙等，在过滤器中过滤，防止了大流量吸取海水所带来的泥沙在管路内的堆积、对设备过流部件的损坏等；充分保证经过循环水泵、汽轮发电机组冷凝器等过流部件设备对水质的要求；

为防止海水对管路的腐蚀，可以首选钛合金作为方形取水管隧、连接管道、循环管路及设备过流部件的材料，可有效防止海水对管路、设备过流部件的腐蚀；考虑到船舶建造经济性等指标，也可以采用铜、耐腐蚀不锈钢材等作为方形取水管隧、连接管道、循环管路及设备过流部件的材料，充分采用物理防腐蚀(如涂防腐漆)、化学防腐蚀(如加锌块等)等手段相结合的方法，保证管路在船舶设计寿命中，均具有较好的性能；

将取水管隧设计为双层结构，在内外方管之间，设置间距小的加强筋，以保证方形取水管隧在表压为0.2MPa的压力下不产生变形；

利用平台船体结构构成取水管隧，解决了大管径管路制造，以及安装固定、位置布放等对船体总体的影响，也减轻了大管径管道方案对总体重量的影响；

通过设置3m×3m的方管与船体共形，充分利用船体结构，在流量要求等同的前提下，降低了对管道重量、布放位置、管路固定的约束。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是循环水系统原理图；

图2是与船体共形的大流量循环水系统的结构示意图；

图3是双层方管的结构示意图；

图中：1、船体，2、取水管隧，3、高位取水口，4、低位取水口，5、海生物防治装置，6、高位阻挡板，7、低位阻挡板，8、连接管道，9、海水滤器，10、大功率循环水泵，11、循环水管，12、汽轮发电机组冷凝器，13、汽轮机舱；14、内方管，15、外方管，16、加强筋，17、铜阳极，18、隔离阀，19、细孔径过滤网。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种与船体共形的大流量循环水系统，其包括取水管隧2、连接管道8、海水滤器9、大功率循环水泵10、循环水管11、汽轮发电机组冷凝器12。

取水管隧2采用3m×3m的方管，安设在船体1上，与船体1共形，其具有高位取水口3和低位取水口4。其中，高位取水口3位于舷侧，低位取水口4位于船底。在高位取水口3和低位取水口4处均设有海生物防治装置5，防止海生物在高位取水口3和低位取水口4、取水管隧2上附着、堆积。取水管隧2上设上开口和下开口，且上开口置于下开口上(即在取水管隧2上梯次开口，形成上开口和下开口)。为便于泥沙沉积，提高进入汽轮发电机组冷凝器12的水质，取水管隧2内设有高位阻挡板6、低位阻挡板7，高位阻挡板6安设在取水管隧2的顶部，低位阻挡板7安设在取水管隧2的底部；高位阻挡板6、低位阻挡板7间隔设置，且高位阻挡板6、低位阻挡板7高度均为200mm，高位阻挡板6、低位阻挡板7之间的距离为400mm。为了便于安装和拆卸，以及排出取水管隧2的泥沙，高位阻挡板6、低位阻挡板7可采用可拆卸高位阻挡板、可拆卸低位阻挡板。为了增加取水管隧2的防腐蚀性，提高其使用寿命，可在取水管隧2上涂刷防污涂料，在取水管隧2内设锌块。为防止海生物附着、堆积、生长，可在取水管隧2的高位取水口3和低位取水口4处加装铜阳极17。在较佳实施例中，取水管隧2为双层方管(内方管14、外方管15)，内方管14、外方管15之间设有加强筋16，加强取水管隧2强度，以保证取水管隧在表压为0.2MPa的压力下不产生变形。

连接管道8有两根，每根连接管道8上均设有海水滤器9。第一根连接管道8的一端与取水管隧2上的下开口连接，另一端与第一个大功率循环水泵10连接，第一个大功率循环水泵10通过循环水管11与汽轮发电机组冷凝器12的一个进口连接。第二根连接管道8的一端与取水管隧2上的上开口连接，另一端与第二个大功率循环水泵10连接，第二个大功率循环水泵10通过循环水管11与汽轮发电机组冷凝器12的另一个进口连接，大功率循环水泵10将水升压后进入汽轮发电机组冷凝器12管束中。水在汽轮发电机组冷凝器12管束中与做功后的乏汽热量交换，将热量导出后重新汇聚，通过循环水管11将水排入大海中。本实施例中，两根连接管道8相对独立，分别与汽轮发电机组冷凝器12的2个循环水通道相对应，确保在单个支路故障情况下，还能满足冷凝器50％冷却水需求，保障机组低功率运行。

取水管隧2、连接管道8、循环水管11采用钛合金、铜或耐腐蚀不锈钢材制成。

本实施例中，海生物防治装置5包括海生物过滤网。在连接管道8的入口处设有细孔径过滤网19。连接管道8为直径为1.4m的管路。

循环水管11与汽轮发电机组冷凝器12在船内底中后部形成一个Z型走向，且靠近船底布置，降低管路支撑结构。

海水滤器主要参数为：工作压力：≤0.25MPa(a)；额定流量：～15000t/h；过滤精度：3mm。

大功率循环水泵10作为循环水系统的能量来源，吸取海水并加压后，送入汽轮发电机组冷凝器12冷凝管束。大功率循环水泵10分档运行，根据汽轮发电机组功率调节运行档位以调节汽轮发电机组冷凝器12真空。为满足单支管路对大流量循环水输送的要求，大功率循环水泵10的参数如下：

型式：电动立式轴流泵/混流泵；额定扬程：～15mH₂O；额定流量：～15000t/h；电机功率：～1000kW；工作介质：海水。

本实施例中，在循环水管11的进口和出口设置有隔离阀18，当循环水管11发生破损时能够远程遥控快速关闭隔离阀18，保障舱室安全。

本实施例中，在取水管隧2的取水口加装了防止海生物和泥沙进入取水管隧2的滤网；在取水管隧的取水口附近，设计了防止海生物附着、堆积、生长的铜阳极；在取水管隧2内涂刷防止海生物堆积同时兼具防腐功能的涂料，并在适当位置加装锌块来实现化学防腐蚀；管道内设计低高度的高、低阻隔，促进细小泥沙在管隧沉积。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种与船体共形的大流量循环水系统，其特征在于：包括取水管隧、连接管道、海水滤器、大功率循环水泵、循环水管、汽轮发电机组冷凝器；

所述取水管隧采用3m×3m的方管，安设在船体上，与船体共形，其具有高位取水口和低位取水口，其中高位取水口位于舷侧，低位取水口位于船底；在高位取水口和低位取水口处均设有海生物防治装置；取水管隧上设上开口和下开口，且上开口置于下开口上；

所述连接管道有两根，每根连接管道上均设有海水滤器；两根连接管道的一端分别与取水管隧上的上开口和下开口连接，另一端分别与一个大功率循环水泵连接，2个大功率循环水泵分别通过循环水管与汽轮发电机组冷凝器连接；循环水走汽轮发电机组冷凝器的管侧，冷却汽轮发电机组做功后的乏汽，通过循环水管将水排入大海中。

2.根据权利要求1所述的与船体共形的大流量循环水系统，其特征在于：所述取水管隧内设有高位阻挡板、低位阻挡板；高位阻挡板安设在取水管隧的顶部，低位阻挡板安设在取水管隧的底部；高位阻挡板、低位阻挡板间隔设置。

3.根据权利要求1或2所述的船体共形的大流量循环水系统，其特征在于：所述取水管隧为双层方管，内外方管之间，设置有加强筋，保证取水管隧在表压为0.2MPa的压力下不产生变形。

4.根据权利要求3所述的船体共形的大流量循环水系统，其特征在于：所述取水管隧上涂刷有防污涂料，在取水管隧内设有锌块；在取水管隧的高位取水口和低位取水口处加装有铜阳极。

5.根据权利要求1所述的船体共形的大流量循环水系统，其特征在于：所述海生物防治装置包括海生物过滤网。

6.根据权利要求1所述的船体共形的大流量循环水系统，其特征在于：在连接管道的入口处设有细孔径过滤网。

7.根据权利要求1所述的船体共形的大流量循环水系统，其特征在于：所述连接管道为直径为1.4m的管路。

8.根据权利要求1所述的船体共形的大流量循环水系统，其特征在于：所述取水管隧、连接管道、循环水管采用钛合金、铜或耐腐蚀不锈钢材制成。

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