蒸發(fā)式造水機(jī)在柴電動(dòng)力定位船上的使用分析

藍(lán)彬彬，劉煒慧，楊榮鋒

(江蘇熔盛重工有限公司，江蘇 南通226532)

目前海水淡化的方式主要有蒸發(fā)式和反滲透式。本文主要是對(duì)蒸發(fā)式造水機(jī)在柴電動(dòng)力定位船上的使用進(jìn)行分析，此類工程船舶大多采用中、高速柴油發(fā)電機(jī)組構(gòu)建全船電網(wǎng)，并且船舶的工況復(fù)雜多變，所以發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷變化較劇烈，引起發(fā)電機(jī)組的缸套水溫度波動(dòng)變化較明顯，導(dǎo)致蒸發(fā)式造水機(jī)不能正常工作。為此，對(duì)蒸發(fā)式造水機(jī)在柴電動(dòng)力定位船上的使用進(jìn)行分析。

1 蒸發(fā)式造水機(jī)的優(yōu)勢(shì)

船舶上采用蒸發(fā)式造水機(jī)，主要是從以下三方面考慮:①可充分利用低溫工作工質(zhì)作為加熱熱源，從而提升整個(gè)船舶動(dòng)力裝置的經(jīng)濟(jì)性，如當(dāng)真空度為93%時(shí)，海水的沸點(diǎn)相應(yīng)為38.66℃，這樣，一般柴油機(jī)缸套冷卻水即可作為加熱工質(zhì);②保持相對(duì)較低的蒸發(fā)溫度還可以大大減輕蒸發(fā)換熱面上的結(jié)垢;③蒸發(fā)式造水機(jī)制造出來(lái)的淡水，由于是蒸餾水所以品質(zhì)較高。

2 造水機(jī)工作流程

真空蒸發(fā)式造水機(jī)組成見(jiàn)圖1。

圖1 蒸發(fā)式造水機(jī)工作示意

海水經(jīng)海水泵泵壓后經(jīng)管線1進(jìn)入造水機(jī)上部的冷凝室，經(jīng)過(guò)管式冷凝器換熱后分為三路:一路經(jīng)管路2直接排出舷外;另一路經(jīng)管線3去噴射泵，作為噴射泵的引流，在其作用下將造水機(jī)蒸發(fā)室和冷凝室內(nèi)的真空度升到80%以上;最后一路經(jīng)管線4經(jīng)過(guò)氣動(dòng)閥和流量計(jì)，進(jìn)入蒸發(fā)室，在蒸發(fā)室內(nèi)進(jìn)行加熱蒸發(fā)。海水蒸發(fā)汽化后的水蒸汽經(jīng)過(guò)汽水分離器，與之前的管式冷凝器進(jìn)行換熱冷凝，冷凝后的淡水經(jīng)管路5靠重力收集在一個(gè)凝水收集柜中，通過(guò)凝水泵將合格的淡水直接輸送到淡水艙中，不合格的淡水則直接卸放至艙底污水井，蒸發(fā)室內(nèi)的蒸發(fā)完飽和海水，經(jīng)過(guò)管線6通過(guò)鹵水泵直接排出舷外。管線7為主機(jī)缸套熱水的進(jìn)、出造水機(jī)的蒸發(fā)室管路。

3 “海洋石油201”船造水機(jī)現(xiàn)狀

“海洋石油201”的工況一共分為三種:正常航行模式、DP作業(yè)模式以及靠港模式［1］。其中DP作業(yè)模式是經(jīng)常使用的工況，其工況變化最頻繁。蒸發(fā)式造水機(jī)在正常工作時(shí)需要相對(duì)穩(wěn)定的外部條件，當(dāng)蒸發(fā)室內(nèi)負(fù)壓一定時(shí)確保蒸發(fā)室內(nèi)的沸騰溫度保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的溫度區(qū)間內(nèi)，本船使用的是發(fā)電機(jī)組的缸套熱水來(lái)提供熱源，而發(fā)電機(jī)組的缸套熱水的熱量又與發(fā)電機(jī)組的負(fù)載有關(guān)系，本船使用的是瓦錫蘭12V32型主機(jī)，當(dāng)主機(jī)缸套水溫度還未達(dá)到90℃時(shí)(見(jiàn)圖2)，它內(nèi)部的溫控三通閥是關(guān)閉的，也就是說(shuō)缸套水在設(shè)備內(nèi)部循環(huán)，未打開(kāi)整個(gè)系統(tǒng)。只有當(dāng)主機(jī)的負(fù)載達(dá)到35%以后，缸套水水溫在90℃的情況下，主發(fā)電機(jī)組內(nèi)部的溫控三通閥打開(kāi)，此時(shí)，主機(jī)的整個(gè)熱水冷卻系統(tǒng)將會(huì)循環(huán)起來(lái)，那么進(jìn)入造水機(jī)中的熱水溫度也會(huì)隨之上升。當(dāng)船舶處于DP定位模式時(shí)，7臺(tái)推進(jìn)器都處于工作狀態(tài)，全船電站負(fù)載是由當(dāng)時(shí)海況來(lái)決定的，一旦海況發(fā)生變化，發(fā)電機(jī)組負(fù)載亦發(fā)生變化，缸套熱水的水溫也隨之發(fā)生變化，導(dǎo)致蒸發(fā)室內(nèi)的溫度過(guò)高或真空度過(guò)高，從而破壞了蒸發(fā)室內(nèi)部的平衡，致使所造出的淡水不合格。

在對(duì)這一類影響進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，“藍(lán)疆號(hào)”大型起重鋪管船，“海洋石油115”FPSO相似的利用柴油發(fā)電機(jī)組的缸套水作為熱源的造水機(jī)也遇到了類似的問(wèn)題。

圖2 主機(jī)熱水系統(tǒng)管路布置示意

4 問(wèn)題分析及優(yōu)化解決方案

4.1 熱源問(wèn)題

常規(guī)航行船在航海的過(guò)程中主機(jī)的功率基本穩(wěn)定，缸套水的溫度也比較穩(wěn)定，所以造水機(jī)利用缸套水加熱就沒(méi)什么問(wèn)題，而該船主機(jī)缸套水的溫度波動(dòng)比較大，原因有兩個(gè)。

1)該船的主機(jī)功率變化比較大，因?yàn)樵摯莿?dòng)力定位船，如果外部風(fēng)浪的載荷發(fā)生變化的話，為了保持船位置，推進(jìn)器的功率也會(huì)頻繁發(fā)生變化，這就導(dǎo)致主機(jī)功率和缸套水溫度波動(dòng)，另外，本船在各種工況下的負(fù)荷不同，比如管子焊接，管子下放，管子回收，起重機(jī)吊重物上升、下放和選裝等，各個(gè)工況相互切換的時(shí)候，也會(huì)導(dǎo)致主機(jī)功率波動(dòng)。

2)在船舶工作在鋪管模式時(shí)，主機(jī)功率在一個(gè)臨界值附近，主機(jī)缸套水大循環(huán)時(shí)而打開(kāi)時(shí)而關(guān)閉，這時(shí)進(jìn)造水機(jī)的缸套水溫度會(huì)在40～80℃之間來(lái)回波動(dòng)，造水機(jī)根本無(wú)法正常工作。

以上原因?qū)е略焖畽C(jī)能正常工作的時(shí)間比較短，利用率比較低。所以設(shè)想在主發(fā)電機(jī)組缸套水進(jìn)入造水機(jī)前安裝一個(gè)帶緩沖功能電加熱器，由溫度傳感器來(lái)檢測(cè)進(jìn)入造水機(jī)的缸套水溫度，然后通過(guò)控制電加熱器的功率來(lái)維持進(jìn)入造水機(jī)的缸套水溫度恒定，這樣就可以大大提高造水機(jī)的利用率。該類方案目前在柴電動(dòng)力的科考船，海監(jiān)船已被廣泛應(yīng)用。

4.2 真空度控制問(wèn)題

由4.1問(wèn)題引出問(wèn)題，一旦缸套水溫度發(fā)生驟增，蒸發(fā)室內(nèi)的負(fù)壓將會(huì)急劇上升，這樣不但會(huì)使沸騰更加劇烈，同時(shí)也將使設(shè)備內(nèi)部大量結(jié)垢。所以設(shè)想在蒸發(fā)室上增加一個(gè)自動(dòng)真空破壞閥，當(dāng)真空度低于一個(gè)設(shè)定值時(shí)，真空破壞閥將自動(dòng)打開(kāi)，外部空氣進(jìn)入蒸發(fā)室;待蒸發(fā)式真空度達(dá)到額定值后，真空破壞閥自動(dòng)關(guān)閉，從而保證蒸發(fā)室內(nèi)的真空度恒定。

4.3 各個(gè)泵的流量控制問(wèn)題

造水機(jī)在調(diào)試過(guò)程中，由于蒸發(fā)室內(nèi)部的真空度達(dá)到90%左右，發(fā)現(xiàn)一旦當(dāng)冷凝水柜或蒸發(fā)室內(nèi)的液位過(guò)低時(shí)，凝水泵與鹵水泵將空轉(zhuǎn)，有時(shí)甚至出現(xiàn)“倒吸”現(xiàn)象，導(dǎo)致造水機(jī)不能持續(xù)正常工作，所以水柜的液位穩(wěn)定與否也直接影響到了造水機(jī)的工作。本船選用的造水機(jī)上，使用的是浮球液位開(kāi)關(guān)，設(shè)置有低、高、高高位開(kāi)關(guān)，而這3個(gè)液位對(duì)應(yīng)有各自變頻泵的不同轉(zhuǎn)速。但是實(shí)際運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)，由于蒸發(fā)室內(nèi)的海水沸騰原因，浮球液位開(kāi)關(guān)的動(dòng)作延遲，常常導(dǎo)致液位低，或液位高報(bào)警。所以設(shè)想可將浮球液位開(kāi)關(guān)改為更為敏感的電子液位傳感器，根據(jù)液位的高低傳輸一個(gè)4～20 mA的電流信號(hào)給變頻泵，這樣能更準(zhǔn)確地控制液位高度了，同時(shí)在艙柜的上、下極限位置設(shè)置一個(gè)報(bào)警液位，保證泵體不會(huì)空轉(zhuǎn)或出現(xiàn)溢流。

4.4 關(guān)于不合格淡水的排放問(wèn)題

本造水機(jī)的淡水由電阻式鹽度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)?shù)砍^(guò)一定值時(shí)，氣動(dòng)閥將會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換，將不合格的淡水直接泄放至艙底，這樣就增加了污水井的污水量和油水分離器的負(fù)荷，所以設(shè)想將不合格的淡水管路直接連接到冷卻海水管路上，與冷卻海水一起排出舷外，不過(guò)在這之前還需要加一個(gè)截止止回閥。

5 結(jié)論

鋪管船上的蒸發(fā)式造水機(jī)是作為反滲透造水機(jī)的補(bǔ)充，是為充分利用柴油發(fā)電機(jī)組的廢熱而設(shè)，由于周期及經(jīng)濟(jì)等原因，以上的優(yōu)化方案并未實(shí)施，而是采取了限制造水機(jī)使用工況的措施，即限制該蒸發(fā)式造水機(jī)的使用工況為穩(wěn)定的航行工況，并按該工況進(jìn)行了調(diào)試提交。

但是，即使對(duì)該造水機(jī)進(jìn)行降工況使用，其調(diào)試過(guò)程仍然費(fèi)時(shí)費(fèi)力。造成這種結(jié)果的主要原因是設(shè)備的選型及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)未充分考慮實(shí)際的使用工況。因此，在以后的設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮船舶的各種工作工況對(duì)設(shè)備性能發(fā)揮的影響［2-3］，權(quán)衡利弊，最終的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能使設(shè)備在所有工況下都能發(fā)揮出最佳性能。

［1］薛愛(ài)麗.“海洋石油201”的壓載控制和液位遙測(cè)系統(tǒng)介紹［J］.船海工程，2012，41(2):84-87.

［2］鄭士君，孫永明.船舶輔機(jī)教程［M］.大連:大連海事大學(xué)出版社，2003.

［3］李之義，胡國(guó)梁，胡甫才.船舶輔助機(jī)械［M］.北京:人民交通出版社，2001.