船舶中央冷卻系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

周 振 星

（上海睿緯海事咨詢有限公司，上海 200442）

0 引 言

船舶中央冷卻系統(tǒng)為目前較常用的一種閉式冷卻系統(tǒng)形式。系統(tǒng)中各用戶是通過淡水循環(huán)冷卻，淡水再集中通過中央冷卻器（一般為板式換熱器）由舷外海水冷卻帶走熱量的。主要設(shè)備有海水泵和中央換熱器。中央冷卻系統(tǒng)具有維修簡(jiǎn)單，費(fèi)用低；可靠性高，運(yùn)行更安全；氣缸冷卻水溫度易于保持穩(wěn)定，便于冷態(tài)預(yù)熱啟動(dòng)；海水管路短，減少腐蝕；有利于機(jī)艙布置和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)。

隨著燃料價(jià)格的不斷上漲，船舶的營(yíng)運(yùn)成本也水漲船高。因此在船舶設(shè)計(jì)階段，在滿足航行安全可靠的基礎(chǔ)上對(duì)節(jié)能措施的考慮就越來越重要了。本文從中央冷卻系統(tǒng)的工況入手，通過優(yōu)化中央冷卻系統(tǒng)布置，同樣可以達(dá)到節(jié)能的目的。

1 船舶中央冷卻系統(tǒng)布置形式

中央冷卻系統(tǒng)可分為2種[1]，即混流式中央冷卻水系統(tǒng)和獨(dú)立式中央冷卻水系統(tǒng)。圖1是一種混流式中央冷卻水系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用柴油機(jī)的高溫水和低溫水混合來調(diào)節(jié)參數(shù)。圖2是獨(dú)立式中央冷卻水系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用柴油機(jī)的高溫水和低溫水各自獨(dú)立來調(diào)節(jié)參數(shù)。

2 中央冷卻系統(tǒng)的營(yíng)運(yùn)成本組成

一般船舶的中央冷卻系統(tǒng)年?duì)I運(yùn)成本[2]見圖3：

圖1 混流式中央冷卻系統(tǒng)

圖2 獨(dú)立式中央冷卻系統(tǒng)

從圖 3可看出，泵的能耗占了整個(gè)年成本的絕大部分，約在70%以上。要提高船舶的經(jīng)濟(jì)性，必須減少泵的能耗。泵能耗主要來自高溫水泵、低溫水泵和海水泵，其所占比例大致依次為20%～25%，30%～45%，35%～45%。

3 中央冷卻系統(tǒng)的節(jié)能分析

對(duì)于淡水回路，可以通過安裝制淡設(shè)備來回收主機(jī)缸套水的廢熱，從而達(dá)到節(jié)能目的。

圖3 中央冷卻系統(tǒng)成本組成

對(duì)于海水回路，海水泵排量是按照船舶在設(shè)計(jì)工況（即主機(jī)在額定功率下運(yùn)行、海水溫度為32℃、機(jī)艙溫度為45℃）下運(yùn)行時(shí)所需要的海水量來設(shè)計(jì)的。實(shí)際上，船舶一般在75%的主機(jī)額定功率（CSR）下運(yùn)行，海水溫度一般低于32℃，這時(shí)海水具有更大的冷卻能力，機(jī)艙溫度也低于45℃。因此實(shí)際所需的海水量大大低于設(shè)計(jì)值。圖4和圖5為船舶年航行區(qū)域和所需海水量隨溫度的變化曲線，從中可說明，海水泵可通過變工況運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

圖4 所需海水量隨溫度變化曲線

圖5 船舶航行區(qū)域隨溫度分布

從圖4和圖5可看出，海水溫度在24℃時(shí)所需海水量只是設(shè)計(jì)點(diǎn)的50%，且船舶只有5%的航行區(qū)域海水溫度在30～32℃。這說明大部分航行時(shí)間海水泵可以運(yùn)行在設(shè)計(jì)點(diǎn)以下，可以改變海水泵的運(yùn)行工況來優(yōu)化海水流量，減少海水泵的功耗。

圖6是一型系列散貨船后續(xù)船的中央冷卻水系統(tǒng)，相對(duì)于首制船的設(shè)計(jì)作了幾處修改：

圖6 53K散貨船中央冷卻系統(tǒng)

1) 缸套水冷卻器取消，系統(tǒng)改為混合式中央冷卻系統(tǒng)；

2) 海水泵由2×100%主泵+1×系泊海水泵改為3×50%主泵布置；

3) 根據(jù)實(shí)船運(yùn)行情況，適當(dāng)降低淡水泵的壓頭。

改進(jìn)后的系統(tǒng)，可以在主機(jī)部分工況和低溫海水域時(shí)，使用一臺(tái)流量為50%的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的海水流量泵即可帶走全部系統(tǒng)的熱量。需說明，設(shè)計(jì)點(diǎn)所需海水流量，一般是以主輔機(jī)都以100%的設(shè)計(jì)功率即主機(jī)MCR工況下運(yùn)行，海水溫度為32℃時(shí)計(jì)算出來的。因此在大部分時(shí)間里可以減少50%的海水泵功耗。

通過功能關(guān)系式計(jì)算表列出改進(jìn)后系統(tǒng)節(jié)能量：

?。喊l(fā)動(dòng)機(jī)效率1η=0.46；發(fā)電機(jī)效率2η=0.95；電纜效率3η=0.95

重燃油熱值K=40200kJ/kg ；燃油價(jià)格P=USD960/t

表1 系統(tǒng)改進(jìn)前后各泵的運(yùn)行參數(shù)

表2 船舶正常航行狀況分布及日能耗

表3 年化系統(tǒng)改進(jìn)前后燃油消耗量及節(jié)約能耗

4 結(jié) 語(yǔ)

通過系統(tǒng)改造后，一艘該型散貨船一年可節(jié)約燃油約81.4t，合計(jì)節(jié)約費(fèi)用約USD78144。說明按3×50%海水泵容量布置的中央冷卻水系統(tǒng)可以達(dá)到一定的節(jié)能目的，也得到了船東的認(rèn)可。

[1] 中國(guó)船舶工業(yè)總公司. 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)：輪機(jī)分冊(cè)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1999.

[2] Engard Central Cooling Control System[J]. ALFA-LAVAL Marine & Power Engineering. 1985.