張達(dá)，朱劍鵬

（1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 2 0 0 0 3 0；2.江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 2 0 1 9 1 3）

船舶冷卻水系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)研究

張達(dá)1，朱劍鵬2

（1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 2 0 0 0 3 0；2.江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 2 0 1 9 1 3）

船舶的冷卻水系統(tǒng)是一個(gè)十分重要的系統(tǒng)，合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及配置可以降低造船成本，達(dá)到節(jié)能的效果。本文通過減少中央冷卻器的投資費(fèi)用和減少泵送能耗費(fèi)用兩方面來對(duì)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能研究，應(yīng)用海水泵變頻節(jié)能系統(tǒng)，通過優(yōu)化海水流量來達(dá)到節(jié)能的目的。

冷卻水系統(tǒng)；中央冷卻器；能耗；變頻節(jié)能系統(tǒng)

1 中央冷卻水系統(tǒng)節(jié)能研究思路

綠色造船的理念風(fēng)靡全球,船東最為關(guān)注成本問題。構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)控制總成本是優(yōu)化系統(tǒng)成本的有效方法。船舶冷卻水系統(tǒng)的總成本包括：（1）初始投資費(fèi)用，系統(tǒng)管路以及管路閥件、附件成本以及安裝費(fèi)用；（2） 泵送能耗費(fèi)用，如各種冷卻水泵在工作時(shí)消耗的能源費(fèi)用；（3） 維修費(fèi)用，包括修理費(fèi)用、工時(shí)以及備件。研究顯示船舶的中央冷卻系統(tǒng)年總成本大致為：初始投資費(fèi)用為2 0%～2 5%；泵送能耗費(fèi)用為6 5%～7 0%；維修費(fèi)用約為1 0%。因此降低系統(tǒng)成本最為關(guān)鍵在于如何減少中央冷卻水系統(tǒng)的泵送能耗費(fèi)用。

1.1 減少泵送能耗費(fèi)用

冷卻水系統(tǒng)中的工作泵包括海水冷卻泵、低溫淡水泵和高溫淡水泵。降低這三種泵的功耗即可減少泵送能耗費(fèi)用。海水泵的泵送能源費(fèi)用優(yōu)化空間相對(duì)較大，由于在設(shè)計(jì)時(shí)選取的海水溫度為 3 2℃，但船舶實(shí)際航行時(shí)，海水溫度隨季節(jié)及航區(qū)的改變而變化，實(shí)際海水溫度通常低于 3 2℃。船舶一般保持在經(jīng)濟(jì)航速航行，功率也遠(yuǎn)小于標(biāo)定功率，實(shí)際換熱量也遠(yuǎn)大于理論設(shè)計(jì)，所需要的冷卻的海水量也大大減少，此時(shí)，海水冷卻泵一直在設(shè)計(jì)工況下工作，這將造成極大的能量浪費(fèi)。

當(dāng)海水溫度低于設(shè)計(jì)選取的溫度時(shí)，冷卻系統(tǒng)中需要的海水量會(huì)相應(yīng)降低。 海水冷卻泵一般選用離心泵，離心泵服從“比例定律”，即流量與轉(zhuǎn)速為一次方關(guān)系，靜壓頭與轉(zhuǎn)速為平方關(guān)系，泵耗功率與轉(zhuǎn)速為三次方關(guān)系，于是流量的降低會(huì)大大降低泵耗功率。

從表1看出，如果用變頻調(diào)速的方法來減少水泵流量進(jìn)行節(jié)能改造，經(jīng)濟(jì)效益將是十分顯著的。因此，根據(jù)不同的海水溫度，選擇不同的運(yùn)行頻率以及相應(yīng)的水泵轉(zhuǎn)速，就能選擇不同的海水流量，由此能夠大大降低海水泵的泵送能源費(fèi)用。

表1 離心泵轉(zhuǎn)速與頻率、揚(yáng)程、軸功率關(guān)系表

2 冷卻水系統(tǒng)額定負(fù)荷海水溫度與流量的關(guān)系

船舶冷卻系統(tǒng)在額定換熱量下,所需海水量隨海水進(jìn)口溫度的變化,可以定量地揭示出系統(tǒng)的節(jié)能潛力。這里以江南造船廠設(shè)計(jì)的2 2 0 0 0立方液化氣船冷卻水系統(tǒng)為研究對(duì)象，根據(jù)說明書可知：該船設(shè)有3臺(tái)主海水冷卻泵（1臺(tái)備用），3臺(tái)低溫淡水冷卻泵（1臺(tái)備用），兩臺(tái)高溫淡水冷卻泵，2臺(tái)高溫淡水冷卻器和2臺(tái)低溫淡水冷卻器。

初始條件設(shè)定：海水進(jìn)口溫度：3 2℃；海水出口溫度：4 4℃；淡水進(jìn)口溫度：4 8.6℃；淡水出口溫度：3 6℃；系統(tǒng)熱交換量：7 4 0 0 k W。

把海水出口溫度、淡水進(jìn)口溫度、淡水出口溫度作為常量，通過改變海水進(jìn)口溫度，根據(jù)熱平衡計(jì)算的方法，可得不同海水進(jìn)口溫度下系統(tǒng)所需要的海水排量，從而估算主海水冷卻泵的排量。

由熱平衡計(jì)算可得：當(dāng)海水溫度設(shè)定在3 2℃時(shí)，所需要的冷卻的海水量為3 2 0 m3/h；當(dāng)海水溫度設(shè)定在2 4℃時(shí)，所需要的冷卻的海水量為1 6 8 m3/h。海水溫度從3 2℃逐漸降低至2 4℃，所需要的海水冷卻量也逐步減少，這說明如果能夠根據(jù)海水溫度的變化來控制海水泵的排量，將節(jié)省泵送能耗。

3 海水泵變頻節(jié)能系統(tǒng)的應(yīng)用

隨著E E D I生效，如何采取措施達(dá)到節(jié)能減排的效果已經(jīng)成為船舶設(shè)計(jì)師重點(diǎn)關(guān)注的問題。減排規(guī)則要求越來越嚴(yán)苛，設(shè)計(jì)人員不得不尋求有效的節(jié)能減排技術(shù)，變頻技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。 對(duì)于冷卻水系統(tǒng)中的大排量的海水冷卻泵應(yīng)用變頻技術(shù)，根據(jù)不同的海水溫度選擇相應(yīng)的頻率和轉(zhuǎn)速，優(yōu)化海水流量，節(jié)能效果將是十分顯著的。

3.1 海水泵變頻節(jié)能原理

這里仍以江南造船廠設(shè)計(jì)的2 2 0 0 0立方液化氣船冷卻水系統(tǒng)為研究對(duì)象，該冷卻水系統(tǒng)配置有3臺(tái)海水冷卻泵，每臺(tái)泵的額定功率為3 7 k W，海水泵由變頻器控制，連續(xù)檢測(cè)中央冷卻器出口的淡水溫度，由溫度傳感器把溫度信號(hào)傳遞給頻率自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)，頻率系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的溫度調(diào)整成相應(yīng)的頻率，驅(qū)動(dòng)海水冷卻泵改變馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，海水流量根據(jù)轉(zhuǎn)速改變而改變，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制，隨著海水溫度的降低，所需的海水流量也逐漸減少，此時(shí)海水冷卻泵的馬達(dá)功率也會(huì)降低。

圖1 變頻控制海水冷卻泵系統(tǒng)圖

圖1 為典型的變頻海水冷卻泵系統(tǒng)。變頻控制系統(tǒng)通過檢測(cè)冷卻器出口不同的淡水溫度，從來改變水泵馬達(dá)頻率，輸出所需要的海水流量，達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到淡水出口溫度超過設(shè)定溫度時(shí)，則表明冷卻水量太少，變頻系統(tǒng)就通過加大馬達(dá)的頻率、提高泵的轉(zhuǎn)速來增大海水泵的流量；當(dāng)檢測(cè)溫度小于 3 6℃時(shí)，則冷卻水量太多，需要降低轉(zhuǎn)速來減少冷卻水量。值得注意的是，冷卻水量減少了，海水溫度就會(huì)增加，當(dāng)海水溫度超過4 8℃時(shí)會(huì)發(fā)生鹽析現(xiàn)象，因此當(dāng)海水出口溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)不能再降低海水泵的轉(zhuǎn)速，此時(shí)我們可以通過自動(dòng)三通溫控閥調(diào)節(jié)淡水溫度；當(dāng)?shù)隹谔幍臏囟鹊扔?3 6℃時(shí)，若此時(shí)旁通管路關(guān)閉，則系統(tǒng)處于節(jié)能模式運(yùn)行。

該系統(tǒng)通過頻繁檢測(cè)淡水的溫度，隨著溫度的改變而改變海水泵的轉(zhuǎn)速，從而改變海水泵的流量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。隨著運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)，管路內(nèi)壁會(huì)生成污垢，污垢的形成會(huì)降低傳熱效率，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)加大海水冷卻泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速，提高海水流量，以增加能耗的代價(jià)確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。目前中央冷卻器布置時(shí)，設(shè)計(jì)增加反沖洗功能，采用系統(tǒng)定時(shí)使海水泵滿負(fù)荷運(yùn)行一段時(shí)間，通過反沖洗管路來沖走冷卻器內(nèi)的污垢，保證系統(tǒng)在低能耗狀態(tài)中運(yùn)行。

3.2 海水節(jié)能系統(tǒng)功能

正常工作時(shí)，兩臺(tái)泵在運(yùn)行，一臺(tái)泵備用。

壓力低泵切換功能：當(dāng)檢測(cè)到壓力低信號(hào)時(shí)，海水節(jié)能系統(tǒng)會(huì)發(fā)出起動(dòng)備用泵命令，當(dāng)備用泵起動(dòng)成功并且壓力建立以后，海水節(jié)能系統(tǒng)會(huì)發(fā)出命令停止出口壓力低的泵并發(fā)出報(bào)警。

異常停機(jī)切換功能：當(dāng)海水泵運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)過載、短路等故障導(dǎo)致異常停機(jī)，海水節(jié)能系統(tǒng)會(huì)根據(jù)泵的備機(jī)順序，起動(dòng)第一備用泵，同時(shí)發(fā)出備用泵自動(dòng)起動(dòng)報(bào)警。

順序起動(dòng)功能：當(dāng)電網(wǎng)失電且恢復(fù)供電后，之前運(yùn)行的泵會(huì)自起動(dòng)。

3.3 海水節(jié)能系統(tǒng)工作模式

手動(dòng)工作模式：模式旋鈕選擇在手動(dòng)工作模式下時(shí)，通過撥動(dòng)升速/降速旋鈕可人工調(diào)節(jié)海水泵運(yùn)行頻率，頻率調(diào)節(jié)范圍為3 0～6 0 Hz。

自動(dòng)工作模式：模式旋鈕選擇在自動(dòng)工作模式下時(shí)，海水泵管理系統(tǒng)會(huì)根據(jù)淡水出口溫度值自動(dòng)調(diào)節(jié)海水泵頻率，如淡水出口溫度值高時(shí)，調(diào)高海水泵頻率。溫度恢復(fù)正常時(shí)，自動(dòng)降低海水泵頻率。

4 結(jié)語

海水泵變頻節(jié)能系統(tǒng)在江南造船2 2 0 0 0 L P G液化氣船上已成功安裝使用，經(jīng)過試航監(jiān)測(cè)出來的結(jié)果，安裝該系統(tǒng)后的能耗是未安裝該系統(tǒng)前的4 0%左右，充分體現(xiàn)了變頻控制冷卻海水泵技術(shù)的節(jié)能效果。如今提倡綠色造船，國(guó)際海事組織對(duì)船舶的能效以及二氧化碳的排放提出了更高的要求。船舶設(shè)計(jì)人員應(yīng)該提高節(jié)能環(huán)保意識(shí)，集思廣益，從各個(gè)方面入手研究節(jié)約能源的方法，以提高能源的利用率。冷卻水系統(tǒng)海水冷泵的變頻控制是一項(xiàng)非常值得推廣的技術(shù)，投資回報(bào)率極高，它能夠降低對(duì)船舶電站的負(fù)荷，從而節(jié)約了能源，降低船舶營(yíng)運(yùn)成本。

[1]張亦弛，毛佳煒.8 0 0 0 k W系列海洋救助船冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方案探討[J].船舶設(shè)計(jì)通訊，2 0 1 4(1),6 7.

[2]吳鵬飛，霍旭穎.船舶冷卻海水泵變頻控制模式應(yīng)用研究[J].船舶與海洋工程，2 0 1 3,(2),4 9.

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