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      主機(jī)冷卻水廢熱利用及變頻供水技術(shù)

      2021-12-22 23:43:16瞿瓊燕周琦
      科技信息·學(xué)術(shù)版 2021年2期
      關(guān)鍵詞:節(jié)能環(huán)保

      瞿瓊燕 周琦

      摘要:隨著環(huán)保節(jié)能理念在船舶設(shè)計(jì)建造的逐漸應(yīng)用推廣,本文主要是針對(duì)廢熱利用和變頻供水設(shè)備在船舶設(shè)計(jì)使用可行性進(jìn)行對(duì)比分析論證。船舶主機(jī)燃燒時(shí)產(chǎn)生大量的廢熱,廢熱再利用尤為重要。設(shè)置一套冷卻水換熱裝置,將主機(jī)冷卻水中的熱量加以利用,能滿足全船供暖、加熱以及生活用熱水。變頻供水系統(tǒng)不僅節(jié)電、節(jié)水、節(jié)約空間,更主要的是能確保整個(gè)供水系統(tǒng)的恒定壓力,提供穩(wěn)定的水量,延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

      關(guān)鍵詞:廢熱利用;冷卻水熱交換;變頻供水;節(jié)能環(huán)保

      前言

      目前,節(jié)能的理念在各領(lǐng)域被廣泛認(rèn)可,隨著人們節(jié)能意識(shí)的增強(qiáng),各種節(jié)能的設(shè)備和措施已經(jīng)在很多領(lǐng)域得以實(shí)施。在船舶設(shè)計(jì)建造中,節(jié)能的設(shè)備和措施的運(yùn)用也不少,例如:通過減少船體粗糙度來提高推進(jìn)效率等主要措施。近年來,利用主機(jī)廢熱等節(jié)能設(shè)備也被廣泛運(yùn)用,目前國(guó)內(nèi)船舶主要有利用主輔機(jī)(高溫)冷卻水余熱作為制淡裝置的熱源,利用主機(jī)排氣的廢熱設(shè)置廢氣鍋爐以產(chǎn)生蒸汽供全船加熱使用等。其實(shí),在主機(jī)廢熱的利用方面,主機(jī)缸套水廢熱的利用應(yīng)該是可以大力開發(fā)的,主機(jī)缸套水溫度遠(yuǎn)大于50℃,通過熱交換器可以置換出大量的熱量,在航行途中可以完全替代鍋爐,大大節(jié)約燃油消耗。因此,設(shè)置一套主機(jī)冷卻水廢熱利用裝置,是非常必要可行的。同時(shí),隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日臻完善,以變頻調(diào)速為核心的智能供水系統(tǒng)在陸用領(lǐng)域已完全取代了高位水箱和壓力罐等供水設(shè)備。在船用領(lǐng)域,日用淡水系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備較多,各設(shè)備的運(yùn)行工況也不盡相同,所以變頻供水系統(tǒng)壓力恒定、起動(dòng)平穩(wěn)、模塊化體積小等優(yōu)勢(shì)明顯,能完全取代常規(guī)供水系統(tǒng)。

      1技術(shù)可行性研究

      1.1 廢熱利用途徑及可行性

      主機(jī)高溫水冷卻系統(tǒng)是通過熱交換器將90℃左右高溫淡水冷卻至50℃左右淡水再循環(huán)冷卻主機(jī)缸套,冷卻水一般采用海水并直接排舷外。對(duì)于這部分的熱量,我們完全可以通過熱交換器置換后直接用于船上各個(gè)系統(tǒng)的熱源需求。一般主機(jī)高溫淡水中可回收的熱量能達(dá)到總置換熱量的60%~65%,而且水溫至少能達(dá)到70℃以上,完全能滿足全船中央空調(diào)系統(tǒng)采暖、機(jī)艙等艙室加熱、生活用熱水加熱及其他熱水雜用等熱量需求,使得船舶在航行時(shí)無(wú)需開鍋爐或電加熱,大大減少能耗。

      1.2 變頻供水系統(tǒng)特點(diǎn)

      一般,船用日用熱水系統(tǒng)設(shè)置若干臺(tái)常用泵,用水量大的時(shí)間段多臺(tái)泵全開,用水量小的時(shí)間段只需1臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn),這樣采用變頻調(diào)速控制進(jìn)行恒壓供水,一旦用水量上升則依次工頻(或變頻)啟動(dòng)其他供水泵,滿足使用工況。變頻恒壓供水的特點(diǎn):(1)節(jié)電:優(yōu)化的節(jié)能控制軟件,使水泵實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能運(yùn)行;(2)節(jié)水:根據(jù)實(shí)際用水情況設(shè)定管網(wǎng)壓力,自動(dòng)控制水泵出水量,減少水的跑、漏現(xiàn)象;(3)節(jié)約空間:變頻供水通過改變泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到系統(tǒng)壓力恒定,不需要常規(guī)的壓力水柜,從而大大節(jié)約了設(shè)備在機(jī)艙的占用空間。(4)壓力恒定:由于通過轉(zhuǎn)速保持系統(tǒng)壓力,所以整個(gè)系統(tǒng)的壓力基本在設(shè)定壓力值附近運(yùn)行,避免了傳統(tǒng)壓力水柜壓力在設(shè)定的范圍內(nèi)運(yùn)行;(5)運(yùn)行可靠:由變頻器實(shí)現(xiàn)泵的軟起動(dòng),使水泵實(shí)現(xiàn)由工頻到變頻的無(wú)沖擊切換,防止管網(wǎng)沖擊、避免管網(wǎng)壓力超限。由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了,并設(shè)定定時(shí)換泵運(yùn)行,從而延長(zhǎng)了泵和閥門等設(shè)備的使用壽命。

      1.3 廢熱利用和變頻供水組合的工作原理

      根據(jù)主機(jī)資料計(jì)算出可以置換得到的熱量,同時(shí)計(jì)算全船需要熱源的各個(gè)系統(tǒng)的熱量總和,一般主機(jī)冷卻水的廢熱會(huì)大于全船所需熱量總和,配置大小合理的熱交換器(一般可采用板式熱交換器)。根據(jù)各個(gè)系統(tǒng)所需的熱量計(jì)算出分流量,得到總的熱水流量,從而合理配置熱水泵若干臺(tái),并且配置熱水分配總成,同時(shí)各個(gè)分配管上配置遙控閥及溫度傳感器,并接入各個(gè)系統(tǒng)總管。根據(jù)不同船舶的實(shí)際情況,配置控制箱及變頻器并編程,根據(jù)獲取熱量的多少合理分配給各個(gè)系統(tǒng)使用。

      1.4 方案流程圖

      主機(jī)冷卻水廢熱利用和變頻供水組合系統(tǒng)流程如圖1所示:

      通過板式熱交換器將主機(jī)冷卻水(即主機(jī)缸套水)的廢熱置換出來,熱水系統(tǒng)采用閉式循環(huán),通過一套變頻穩(wěn)壓供水,至中央空調(diào)供暖、機(jī)艙及非空調(diào)艙室供暖、油艙加熱等使用。

      2效益分析

      2.1節(jié)能效益分析

      以救撈局建造的14000 kW海洋救助拖船為例,配置2臺(tái)MAN B&W(型號(hào)6L48/60CR)主機(jī),功率7 200 kW。在100%負(fù)荷工況下,缸套水流量75m3/h,出水溫度90℃,回水溫度為53℃。

      理論可置換廢熱Q,見式(1):

      其中:Q——可置換廢熱,kW/h;

      L——缸套水流量,m3/h;

      Δt——缸套水溫差,K;

      根據(jù)該船“機(jī)械設(shè)備估算書”中全船蒸汽耗量計(jì)算得到最大負(fù)荷洗艙及停泊工況共需要熱量1 230 kW,配置了1臺(tái)燃油蒸汽產(chǎn)量1 500 kg/h的蒸汽鍋爐,燃油耗量為117 kg/h,以及2臺(tái)用于主機(jī)排氣的廢氣鍋爐。如果該船采用了主機(jī)冷卻水廢熱回收裝置,則只要在主機(jī)開啟的狀態(tài)下,燃油蒸汽鍋爐可以停止工作,同時(shí)二臺(tái)廢氣鍋爐也可以不用裝船。

      根據(jù)實(shí)船使用工況,如下:

      冬季工況:按照11月至次年4月(每月按30天)計(jì)算,船舶航行期間鍋爐平均每天運(yùn)行10小時(shí),可節(jié)約燃油:

      其中:

      C—燃油耗量,kg/h;

      H—每天運(yùn)行時(shí)間,h;

      D—冬季運(yùn)行天數(shù),5 x 30 = 150天;

      其他季節(jié)工況:按照5月至10月計(jì)算,船舶航行期間鍋爐為油艙加熱,平均每天運(yùn)行6小時(shí),可節(jié)約燃油:

      其中:

      C—燃油耗量,kg/h ;

      H—每天運(yùn)行時(shí)間,h ;

      D—夏季運(yùn)行天數(shù),7×30 = 210 天 ;

      總計(jì)節(jié)約燃油:M = M1+M2 = 175+147 = 322 t

      以船用-10號(hào)柴油每噸0.7萬(wàn)元計(jì)算,可節(jié)約 322 * 0.7= 225.4萬(wàn)元

      同時(shí),變頻供水也能節(jié)約部分用電負(fù)荷,節(jié)約燃油耗量,并使得設(shè)備使用壽命延長(zhǎng),節(jié)約維護(hù)費(fèi)用。

      2.2環(huán)境效益分析

      根據(jù)《中國(guó)環(huán)境影響評(píng)價(jià)培訓(xùn)教材》,燃燒1 m3柴油排放的主要大氣污染物總量:SO2約10 kg/m3、廢氣NO2約8.57 kg/m3、煙塵約1.8 kg/m3。柴油密度取950 kgf/Nm3,則SO2、NO2和煙塵的排放系數(shù)分別為10.53 kg/m3、9.02 kg/m3、1.89 kg/m3。還是以14000kW海洋救助拖船為例,可減少的廢氣排放量如下:

      SO2:322×10.53 / 1000 = 3.39 t

      NO2:322×9.02 / 1000 = 2.90 t

      煙塵:322×1.89 / 1000 = 0.61 t

      由以上計(jì)算可以看出,主機(jī)冷卻水廢熱利用和變頻供水組合運(yùn)用于船舶供熱,其節(jié)能效益和環(huán)境效益都非常顯著。

      3結(jié)論

      利用主機(jī)冷卻水廢熱和變頻供水為全船供熱是主機(jī)廢熱再利用的一個(gè)新思路。經(jīng)分析研究表明,此舉可以減少燃油消耗,具有顯著地節(jié)能效益和環(huán)境效益。

      但是,由于不同船舶的系統(tǒng)配置不盡相同,所以,主機(jī)冷卻水廢熱利用和變頻供水組合需要在船舶設(shè)計(jì)中與設(shè)計(jì)師密切溝通,對(duì)于廢熱熱量、船舶各系統(tǒng)所需熱量及流量的計(jì)算、溫控閥的溫度設(shè)定以及與鍋爐的切換都要設(shè)計(jì)合理,使得這項(xiàng)節(jié)能技術(shù)能完全融入船舶的正常運(yùn)行之中。

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