變頻海水冷卻系統(tǒng)的節(jié)能研究

唐 強 許寒冰 許 浩

（上海船舶研究設(shè)計院，上海201203）

0 前言

為了保證船舶動力系統(tǒng)在各類工況條件下均能安全可靠的運行，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計點為船舶在海水溫度32℃環(huán)境下能全速航行。但實際上，海水溫度受船舶航行的海域及季節(jié)的影響，很少能達到此設(shè)計溫度；另一方面，為了降低主機油耗，船舶多數(shù)情況在經(jīng)濟航速下航行，因此船舶冷卻系統(tǒng)的冷卻能力存在大量冗余［1］。

隨著航運業(yè)的快速發(fā)展，節(jié)能減排已成為船舶行業(yè)的重要課題之一。在新造船項目中，節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用也越來越受到船東的重視，船東在方案設(shè)計階段對船舶的初始投資和運營成本方面均提出了更高的要求。目前變頻技術(shù)日益成熟，產(chǎn)品價格不斷下降，使其在船上的應(yīng)用也更加廣泛。在此背景下，海水冷卻系統(tǒng)采用變頻海水泵，可以根據(jù)實際需要調(diào)整海水泵的轉(zhuǎn)速，較好地解決了定速泵因長期在超出實際需求的功率下運行而導致能耗較大的問題，有利于提高船隊的節(jié)能減排效率。

本文以目前運營的一條47 500 DWT散貨船為例，針對該船在不同工況下的航運情況，分析計算該船采用變頻海水泵的實際節(jié)能效果，并與定速泵方案進行經(jīng)濟性比較，研究結(jié)果可為船東的系統(tǒng)方案選擇提供參考。

1 船舶航運數(shù)據(jù)

該47 500 DWT散貨船為航行于國內(nèi)近海航區(qū)的船舶，低速柴油機驅(qū)動，主機最大持續(xù)功率6 450 kW，連續(xù)服務(wù)功率5 483 kW。該船配置3臺柴油發(fā)電機組，每臺560 kW，正常航行及停泊工況運行1臺主發(fā)電機組，進出港工況運行2臺主發(fā)電機組。除了主輔機外，其他需冷卻的設(shè)備有空調(diào)、冷藏、主空壓機、中間軸承、大氣冷凝器等裝置。

通過船東提供的該船近年航運數(shù)據(jù)得知，該船航線相對固定，為秦皇島—嘉興航線，航線位于渤海、黃海及東海海域，停泊的港口包括秦皇島、天津和嘉興三港。分別在該船航行海域及停泊港口選取若干測點，統(tǒng)計各測點的海水溫度分布情況，并根據(jù)不同月份的航次信息及在各港口的停泊時間，以2 K為溫度間隔，分別繪制航行和停泊工況海水溫度在各梯度內(nèi)的時間分布圖，如圖1、圖2所示。

圖1 航行工況海水溫度分布圖

圖2 停泊工況海水溫度分布圖

由以上的海水溫度分布圖可以看出，該船運營航線的海水溫度范圍為3～29℃。通過進一步計算得到該船航行時海水的平均溫度為14.3℃，停泊時為15.3℃，均遠低于設(shè)計溫度32℃，表明海水冷卻系統(tǒng)具有較大的節(jié)能潛力。

2 變頻系統(tǒng)分析計算

該船海水冷卻系統(tǒng)示意圖如圖3所示，系統(tǒng)設(shè)有相同規(guī)格的冷卻海水泵3臺，流量270 m3/h，壓力0.25 MPa，其中1臺備用。每臺泵均可從海水總管吸入海水經(jīng)中央冷卻器對淡水進行冷卻后排至舷外，中央冷卻器為板式冷卻器，每臺中央冷卻器換熱量為3 541.5 kW，容量為系統(tǒng)熱交換量的60%。

圖3 海水冷卻系統(tǒng)示意圖

現(xiàn)有的冷卻系統(tǒng)設(shè)計，是在中央冷卻器的淡水出口處設(shè)一溫度自動控制閥，當系統(tǒng)熱負荷下降或者海水溫度降低導致淡水出口溫度低于設(shè)定值時，則通過調(diào)節(jié)三通閥的開度，減小淡水進入中央冷卻器進行換熱的流量實現(xiàn)溫度的控制［2］，此時冷卻海水泵仍保持工頻運行，從而導致能源的浪費。變頻海水系統(tǒng)在不改變淡水系統(tǒng)的情況下，改用3臺變頻海水泵，并增加相應(yīng)傳感器、變頻器、控制柜等元器件［3］。此時，當?shù)隹跍囟鹊陀谠O(shè)定值時，則通過變頻器降低變頻泵的轉(zhuǎn)速，從而減小冷卻海水流量實現(xiàn)溫度控制，而當泵因管路阻力限制不能再進一步降速時，則需通過調(diào)節(jié)三通閥開度實現(xiàn)控制目標。

冷卻系統(tǒng)采用變頻海水泵，當船舶工況變化時，可以通過改變離心泵的轉(zhuǎn)速來改變其運行的特性曲線，從而調(diào)整水泵的運行工況，如圖4所示。

圖4 變頻泵在不同轉(zhuǎn)速下的特性曲線

在圖4中，離心泵的額定轉(zhuǎn)速為n1，運行工況點為M1。當冷卻負荷下降時，此時通過降低泵的轉(zhuǎn)速至n2，將泵的特性曲線H-Q下移，與管路阻力曲線He-Q匹配于新的工況點M2，若負荷進一步降低，則可將變頻泵的工況點降至M3，但需保證此時變頻泵的壓頭能夠克服系統(tǒng)管路總阻力。當泵的轉(zhuǎn)速下降時，其流量和壓力均有所減小，從而降低了海水泵的能耗。

變頻海水泵的工況點由海水管路特性和變頻泵運行特性共同決定。當海水管路的流量發(fā)生變化時，需保證海水泵的壓頭與海水管路的總壓降相匹配，以保證變頻泵的穩(wěn)定運行。為此，需要進行管網(wǎng)特性分析。

本文根據(jù)該船海水管路的實際放樣布置圖，采用流體仿真計算軟件Flowmaster對管路進行分析計算。Flowmaster軟件具備完善的元器件數(shù)據(jù)庫，同時支持自定義模塊，軟件具有圖形化用戶交互界面，包含各類流體的性能數(shù)據(jù)，能夠?qū)碗s流體進行快速而準確的仿真計算［4］。

在建模過程中，根據(jù)海水管路的實際走向和閥附件的布置情況，依次對水泵、換熱器、管道、閥門、附件、邊界條件等建立仿真模型，確保所建的模型元件與實際系統(tǒng)中的部件一一對應(yīng)［5］。在此基礎(chǔ)上，對各系統(tǒng)部件賦予必要的性能參數(shù)，使該仿真模型能如實反映冷卻管網(wǎng)系統(tǒng)特性，建立的海水冷卻系統(tǒng)管網(wǎng)模型如圖5所示。

圖5 海水冷卻系統(tǒng)管網(wǎng)模型

利用仿真模型對該47 500 DWT散貨船進行實船分析計算，可以獲取該船在不同工況下，海水管路不同節(jié)點的流量、壓力等信息。為了與定速泵方案進行能耗比較，結(jié)合該船的航運情況，選取該船航行工況和停泊工況，通過仿真獲取該船變頻系統(tǒng)在兩類工況的運行數(shù)據(jù)。該船航行時冷卻系統(tǒng)熱負荷為4 059 kW，停泊時為1 908 kW。不同工況下冷卻海水流量的計算結(jié)果如表1所示。

由于海水泵的額定流量為270 m3/h，當所需冷卻海水流量高于270 m3/h，系統(tǒng)運行2臺海水泵，當所需流量低于270 m3/h，僅運行1臺海水泵，根據(jù)以上數(shù)據(jù)并結(jié)合泵的特性曲線獲取冷卻系統(tǒng)的海水流量和變頻海水泵組功率的變化趨勢如圖6、圖7所示。

表1 不同工況下的冷卻海水流量

圖6 冷卻海水流量變化趨勢圖

圖7 變頻海水泵組功率變化趨勢圖

從以上趨勢圖可以看出，船舶的停泊工況與航行工況相比，冷卻系統(tǒng)的熱負荷下降，因此所需的冷卻水流量下降，變頻海水泵的功率降低，另一方面，當航行的海水溫度下降時，海水的冷卻能力有所增強，冷卻海水流量與海水泵功率也沿特定曲線下降，均實現(xiàn)了無級、連續(xù)變化。通過進一步的分析可知，當海水溫度從設(shè)計點32℃下降至20℃左右時，變頻海水泵的流量及功率下降明顯，當溫度繼續(xù)降低時，海水泵已保持在較低的能耗下運行，表明變頻泵在較寬的溫度范圍內(nèi)均具備明顯的節(jié)能效果。

3 能耗與經(jīng)濟性分析

47 500 DWT散貨船船東提供的航運數(shù)據(jù)顯示，該船一年內(nèi)累計運營355d，其中航行時間約2560h，停泊時間約5 960 h。結(jié)合海域溫度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分別計算變頻海水冷卻系統(tǒng)在航行和停泊工況的能耗，并與該船現(xiàn)有的定速泵方案的系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)進行比較，計算結(jié)果如表2所示。

由計算結(jié)果可知，原方案配置3臺定速海水泵，根據(jù)實際所需的冷卻海水流量改變海水泵的運行臺數(shù)，一年運營周期內(nèi)海水冷卻系統(tǒng)的總能耗為383 400 kW·h，而采用變頻海水泵，通過調(diào)節(jié)海水泵的轉(zhuǎn)速以滿足冷卻需求，系統(tǒng)能耗降至116 705 kW·h，可見，一年可節(jié)能 266 695 kW·h，即在原方案基礎(chǔ)上降低69.6%，節(jié)能效果顯著。

表2 系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)比較表

在系統(tǒng)能耗計算的基礎(chǔ)上，對變頻方案進行經(jīng)濟性分析。該船發(fā)電機組的燃油消耗率為196 g/kW·h，按降低的能耗，一年可節(jié)約燃油約52.3 t。按180 cSt燃料油3 500元/t的價格計算，采用變頻海水泵后，每年降低船舶運營成本約18.3萬元。通過咨詢廠家，采用變頻海水系統(tǒng)因增設(shè)變頻器和控制柜等設(shè)備導致初始投資增加10萬元左右。由此可知，該船運營7個月即可回收該附加成本，可以有效地提高船舶的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)語

本文通過對47 500 DWT散貨船冷卻系統(tǒng)進行分析研究，結(jié)果表明采用變頻海水系統(tǒng)能耗降低69.6%，節(jié)能效果明顯。該船冷卻系統(tǒng)的實際運行負荷及海域溫度分布情況具備一定的代表性，其結(jié)果對同類型船舶具有較強的借鑒意義。在當前航運市場相對低迷的背景下，變頻海水系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，能有效的降低船舶的運營成本，具有廣闊的發(fā)展前景。