40 000噸級(jí)綠色靈便型散貨船海水冷卻系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

崔利梅，孫建慶

(天津新港船舶重工有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)所，天津 300452)

40 000噸級(jí)綠色靈便型散貨船海水冷卻系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

崔利梅，孫建慶

(天津新港船舶重工有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)所，天津 300452)

40 000噸級(jí)綠色靈便型散貨船采用中央冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，配備3臺(tái)冷卻海水泵，1臺(tái)為定速泵，2臺(tái)為變速泵，可根據(jù)船舶動(dòng)力裝置的負(fù)荷、不同海域的海水溫度和溫控閥的開度，利用變頻控制技術(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)海水泵的轉(zhuǎn)速、流量，從而達(dá)到有效降低船舶電能消耗及廢氣排放，在實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的同時(shí)，也將改善海上運(yùn)輸效能。

40 000噸級(jí)綠色靈便型散貨船;冷卻系統(tǒng);海水泵;變速調(diào)節(jié)

2011年7月，國際海事組織 (IMO)在海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì) (MEPC)第62屆會(huì)議上通過了《國際防止船舶造成環(huán)境污染公約》 (MRAPOL)附則Ⅵ有關(guān)船舶能效規(guī)則的修正案，并確定船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù) (EEDI)于2013年1月1日生效實(shí)施。船舶設(shè)計(jì)建造向節(jié)能減排方向發(fā)展已成為大勢(shì)所趨，應(yīng)對(duì)船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù) (EEDI)是一場(chǎng)沒有退路的“爭奪戰(zhàn)”，綠色環(huán)保、節(jié)能減排正成為船企新的競爭焦點(diǎn)。為了適應(yīng)這一發(fā)展要求，船企的發(fā)展必須要融入綠色，通過開展造綠色船舶來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)，以圖在低迷的市場(chǎng)中創(chuàng)造需求，贏得機(jī)會(huì)。天津新港船舶重工有限責(zé)任公司目前正在批量建造的40 000噸級(jí)綠色船舶就是小靈便型散貨船的升級(jí)版，它在船體線型、機(jī)槳匹配、能耗分布、節(jié)能技術(shù)利用、尾部渦流能量利用等方面都具有超前的競爭優(yōu)勢(shì)，尤其是衡量油耗和碳排放的船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù) (EEDI)將低于基準(zhǔn)線20%左右，與同類型標(biāo)準(zhǔn)散貨船相比設(shè)計(jì)日油耗可降低25%左右，因此該船型已受到不少船東的青睞。

1 能耗分析

綠色節(jié)能專項(xiàng)技術(shù)是該船型的主要研究課題。要尋找提高船舶能效的突破口，首先要對(duì)船舶的能耗進(jìn)行分析。經(jīng)對(duì)全船電力負(fù)荷分析發(fā)現(xiàn)，本船型最大的電能消耗用戶組包括:為推進(jìn)服務(wù)的輔助設(shè)備 (電能消耗占總電能消耗的35%);貨艙、甲板機(jī)械設(shè)備 (電能消耗占總電能消耗的27%);空冷通和加熱設(shè)備 (電能消耗占總電能消耗的22%)。

對(duì)于燃燒重油的船舶，燃燒1 t重油就會(huì)釋放近3 t的二氧化碳，目前唯一能起作用的技術(shù)就是提高燃料使用效率。當(dāng)主機(jī)或推進(jìn)設(shè)備效率提高1%時(shí)，每年將節(jié)省約30 000美元的成本;當(dāng)發(fā)電機(jī)效率提高1%或總電力負(fù)荷降低1%時(shí)，每年將節(jié)省約8 350美元的成本。

因此，通過分析船舶能效分布狀態(tài)，就可以找出提高船舶能效的可能途徑，本文研究的海水冷卻系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)就是一種有效的解決方案。

2 海水冷卻系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的研究

2.1 方案的提出

從降低為推進(jìn)服務(wù)的輔助設(shè)備電能入手，發(fā)現(xiàn)長期運(yùn)行的海水冷卻系統(tǒng)也是一能耗大戶，對(duì)于該系統(tǒng)最重要的節(jié)能方式就是提高其能效。如果中央冷卻系統(tǒng)的冷卻海水泵的流量可以根據(jù)船舶動(dòng)力裝置的負(fù)荷、海水溫度和溫控閥的開度來自動(dòng)調(diào)節(jié)，不僅會(huì)大大降低冷卻海水泵的電能消耗，還可以大大延長水泵的使用壽命，節(jié)省維修成本。因此，采用變速泵控制技術(shù)可以作為最佳解決方案。

2.2 冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成

本船采用中央冷卻系統(tǒng)，由海水冷卻和淡水冷卻2個(gè)子系統(tǒng)組成。海水冷卻系統(tǒng)包括海底箱、冷卻海水泵和中央冷卻器構(gòu)成的開式循環(huán)系統(tǒng)，利用海水冷卻循環(huán)淡水;淡水冷卻系統(tǒng)包括低溫淡水冷卻泵、負(fù)荷設(shè)備、自動(dòng)溫控閥和中央冷卻器組成的閉式循環(huán)系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1 冷卻系統(tǒng)控制原理圖

2.3 冷卻海水系統(tǒng)的溫度和流量控制設(shè)計(jì)

由于船用冷卻海水泵變頻控制系統(tǒng)目前在船舶行業(yè)尚沒有標(biāo)準(zhǔn)可借鑒，在船舶配套市場(chǎng)也沒有與之對(duì)應(yīng)的成熟產(chǎn)品。因此，需要針對(duì)本船型的具體情況來自主開展冷卻系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)。

本船型冷卻海水系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)是集成了溫度、流量、溫控閥和變速泵等要素而確定的一體化設(shè)計(jì)方案。

本船型采用的是3臺(tái)34.5 kW冷卻海水泵，按3×50%的冷卻工況設(shè)計(jì)，2臺(tái)為變速泵，1臺(tái)定速泵作為備用。變速泵可以單泵或雙泵并聯(lián)變速調(diào)節(jié)［1］，利用變頻調(diào)速技術(shù)，流經(jīng)冷卻系統(tǒng)的冷卻海水的流量可通過改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)。由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率是隨著系統(tǒng)負(fù)荷對(duì)冷卻量需求的大小而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，這樣可以有效地降低電能的消耗、減少二氧化碳的排放。

溫度設(shè)定，將自動(dòng)溫控閥的出口溫度T3設(shè)定在36℃，將中央冷卻器淡水出口溫度T1設(shè)定在37℃。冷卻器出口淡水溫度T1的變化取決于主機(jī)等設(shè)備負(fù)荷的高低，它將導(dǎo)致冷卻器淡水進(jìn)口處T2(熱端)自動(dòng)溫控閥開度的變化或海水泵轉(zhuǎn)速的變化。

將1號(hào)變速泵或2號(hào)變速泵投入使用，啟動(dòng)時(shí)先處于怠速狀態(tài)，通過智能變頻器提前將電機(jī)的最低轉(zhuǎn)速限定在最高轉(zhuǎn)速的60%，頻率限定在36 Hz(電站頻率為60 Hz)。如果此時(shí)主機(jī)負(fù)荷較低，只有少量的淡水回到冷卻器，大部分淡水則經(jīng)溫控閥旁通。當(dāng)溫控閥T3出口溫度＜36℃時(shí)，此時(shí)的淡水溫度始終接受自動(dòng)溫控閥的開度調(diào)節(jié)。所以，海水泵一直處于怠速節(jié)能狀態(tài)，流經(jīng)冷卻器的海水流量較小。

當(dāng)主機(jī)的負(fù)荷增加，T2端溫度隨之增加，當(dāng)溫控閥的開度接近100%狀態(tài) (旁通全部關(guān)閉)，來自負(fù)荷端的冷卻淡水將全部經(jīng)過中央冷卻器，當(dāng)中央冷卻器淡水的出口溫度T1增加到達(dá)37℃時(shí)，PT100溫度傳感器將溫度信號(hào)反饋給PLC，處于怠速運(yùn)行的海水泵將根據(jù)溫度信號(hào)的變化接受智能變頻器的控制而升速，以增加冷卻海水的流量，使溫控閥出口溫度T3維持在36℃的平衡點(diǎn)。如圖2所示。

如果單臺(tái)變速泵的頻率達(dá)到60 Hz后T1≥37℃，說明1臺(tái)變速泵的最大排量已不能滿足冷卻要求，將自動(dòng)啟動(dòng)另1臺(tái)處于備車狀態(tài)下的變速泵，2臺(tái)海水泵將由PLC控制自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速并聯(lián)運(yùn)行，然后受溫度控制進(jìn)行調(diào)速，自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻海水的流量，達(dá)到新的平衡狀態(tài)。

圖2 溫控閥和變頻器控制狀態(tài)圖

本船型的No.3冷卻海水泵設(shè)計(jì)為定速泵作為備用泵使用。在應(yīng)急情況下，可將變速泵的控制模式設(shè)為非變頻控制，那么定速泵可與變速泵并聯(lián)運(yùn)行，確保冷卻系統(tǒng)的冗余性。

3 結(jié)束語

本船型通過采用自動(dòng)溫控閥和變速泵組合控制的海水冷卻系統(tǒng)將使節(jié)能效果更為顯著。以PLC和變頻器為核心的智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷測(cè)量和按需調(diào)節(jié)海水流量的動(dòng)態(tài)管理，使冷卻系統(tǒng)在接近最佳效率的狀態(tài)下運(yùn)行。隨著變頻技術(shù)的逐漸發(fā)展及節(jié)能減排問題的日益嚴(yán)峻，變頻設(shè)備的投資費(fèi)用可隨其顯著的節(jié)能效果而快速回收于所節(jié)省的能耗費(fèi)用中。該技術(shù)必將在未來的節(jié)能環(huán)保型船舶中被廣泛采用。

［1］王宇，龍秉文，黃海，等.離心泵的流量調(diào)節(jié)與節(jié)能控制 ［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，34(3):235－236.

Central cooling system is adopted with 3 seawater cooling pumps fit out，among which 1 for constant speed and 2 for change speed，the 40 000 dwt environment-protective and flexible bulk-cargo ship can regulate the rotating flow rate of sea-water pumps by auto-control on frequency conversion according to the load of marine power，different temperature at different sea area and open degree on temperature-control valve，so the power consumption can be reduced and the waste-gas can be exhausted effectively.Meanwhile the transport efficiency will be improved.

40 000 dwt environment-protective and flexible bulk-cargo ship;cooling system;sea-water pump;change speed regulation

U673

C

1001－8328(2013)05－0046－02

崔利梅 (1968-)，女，河北唐山人，工程師，中等?？?，從事船舶電氣設(shè)計(jì)工作。

2013－03－27