基于船舶加熱系統(tǒng)的缸套水廢熱回收設(shè)計(jì)

孫 未

（上海歐得利船舶工程有限公司 上海200023）

引 言

近年來國(guó)際航運(yùn)市場(chǎng)能源緊缺、燃料成本巨大，隨著2013 年船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）生效，節(jié)能減排技術(shù)越來越引起造船界和各大航運(yùn)公司的關(guān)注。目前市場(chǎng)上柴油機(jī)作為船舶的主要?jiǎng)恿?，其效率的高低直接影響船舶的能耗。然而，燃油在燃燒過程中產(chǎn)生的能量并沒有被完全轉(zhuǎn)化成船舶推進(jìn)動(dòng)力，近一半的能量以熱量的形式被冷卻水帶走或散失到環(huán)境中，即我們經(jīng)常所說的余熱或廢熱［1］。通過各種技術(shù)手段將廢熱回收利用，不但可降低船舶運(yùn)營(yíng)成本，而且可減輕對(duì)環(huán)境的污染［2］。通?？梢曰厥盏膹U熱形式包括廢氣和缸套水。此次北歐船東就提出對(duì)缸套水廢熱回收用于機(jī)艙加熱的要求。

廢熱回收有許多方式，諸如肯朗循環(huán)系統(tǒng)、渦輪發(fā)電、造水機(jī)、廢氣鍋爐、余熱制冷等。但在普通中小型船舶上考慮到空間的布置和經(jīng)濟(jì)性，上述方式并非都能實(shí)現(xiàn)。本文以實(shí)際建造的17 500 DWT化學(xué)品船為背景，論述在中小型船舶中對(duì)柴油機(jī)缸套水廢熱回收用于機(jī)艙加熱的設(shè)計(jì)。

1 本船的性能和特點(diǎn)

本船為中速船用柴油機(jī)帶齒輪箱、調(diào)距槳的化學(xué)品船，配有PTO（軸發(fā)）和PTH（俗稱“帶我回家”）功能，以及液壓式深井泵和變頻設(shè)備，是適用于無限航區(qū)的新型節(jié)能環(huán)保型綠色船舶。

該船總布置圖見圖1，主尺度見表1，主要?jiǎng)恿ε渲靡姳?。

表2 動(dòng)力配置

2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)和解決辦法

將缸套水廢熱回收，并用于加熱系統(tǒng)。設(shè)計(jì)主要有以下兩個(gè)難點(diǎn)。

（1）船上常規(guī)加熱系統(tǒng)介質(zhì)是蒸汽或者熱油，而將用于回收的廢熱介質(zhì)是缸套水，廢熱介質(zhì)形態(tài)有很大差異，難以統(tǒng)一。

（2）相對(duì)于船上加熱系統(tǒng)常用的蒸汽170℃、熱油220℃，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境情況下，本船的主機(jī)缸套水溫度僅為96℃，主發(fā)缸套水溫度87℃，廢熱溫度較低。在這種情況下，即使成功回收了柴油機(jī)廢熱，最終也難以用于以蒸汽或熱油為熱源的加熱系統(tǒng)。

考慮到船東對(duì)運(yùn)載特殊貨品的要求，最終決定更換加熱方式，采用非常規(guī)的熱水為加熱介質(zhì)。雖然熱水的焓值變化量較小，熱水加熱相較于蒸汽加熱、熱油加熱經(jīng)濟(jì)性較差，但當(dāng)貨物為一些熱敏感、熱反應(yīng)貨品或者溫度變化很小的貨品時(shí)，比如硝酸銨溶液（93%或以下）［3］，熱水則具有天然優(yōu)勢(shì)。為使被回收的廢熱成功引入加熱系統(tǒng)，本船將加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)為高溫、低溫兩層循環(huán)，同時(shí)考慮到船舶各種工況下所需熱能各不相同，將高溫、低溫加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)為可以相互補(bǔ)充熱源的形式，既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系。

對(duì)于廢熱回收的方式，為減少初次設(shè)備投資和節(jié)約機(jī)艙空間，本船選取最簡(jiǎn)單、最直接的熱交換器回收缸套水廢熱。利用熱量自發(fā)地從高溫物體向低溫物體傳遞的原理，使缸套水中的廢熱通過熱交換傳遞到機(jī)艙和上層建筑的熱用戶處。

2.1 缸套水廢熱回收模型和數(shù)據(jù)

本船將分別設(shè)置一臺(tái)缸套水回收裝置，用于回收主機(jī)和主發(fā)柴油機(jī)缸套水中的廢熱。然后用于加熱機(jī)艙內(nèi)的艙柜、上層建筑空調(diào)加熱、暖風(fēng)機(jī)等設(shè)備，進(jìn)出口溫度分別設(shè)計(jì)為70℃/80℃。

建立廢熱回收裝置系統(tǒng)模型如圖2，為提高熱交換效率采用逆流方式，溫度變化見圖3。

傳熱量公式：

圖2 換熱系統(tǒng)模型

圖3 溫度趨勢(shì)變化

式中：QME/QAE分別為主機(jī)缸套水廢熱回收熱量和主發(fā)缸套水廢熱回收熱量（kJ）；

qME/qAE分別為主機(jī)缸套水廢熱回收功率和主發(fā)缸套水廢熱回收功率（kW）；

mME/mAE/m分別為主機(jī)缸套水質(zhì)量、主發(fā)缸套水質(zhì)量、加熱循環(huán)系統(tǒng)質(zhì)量（kg）；

AME/AAE分別為主機(jī)缸套水廢熱回收器換熱面積和主發(fā)缸套水廢熱回收器換熱面積（m2）；

k為廢熱回收器總傳熱系數(shù)（W/m2℃）；

α1/α2分別為換熱器兩側(cè)的換熱系數(shù)（W/m2℃）；δ為傳熱板片厚度（m）；

λ為板片的導(dǎo)熱系數(shù)（W/m℃）；

R1/R2分別為兩側(cè)的污垢系數(shù)（m2℃/W）；

T3/T2/T1分別為熱水加熱循環(huán)進(jìn)、出缸套水廢熱回收裝置的溫度（℃）；

T4/T5分別為主機(jī)缸套水進(jìn)、出口溫度（℃）；T6/T7分別為主發(fā)缸套水進(jìn)、出口溫度（℃）。根據(jù)船上的配置情況，主機(jī)SMCR=4 480 kW，缸套水溫度為96℃，主發(fā)為3×470 kW，缸套水溫度為87℃，然后再綜合船東對(duì)熱能的要求，主機(jī)缸套水廢熱回收裝置設(shè)計(jì)為最大800 kW，主發(fā)缸套水廢熱回收裝置設(shè)計(jì)為最大700 kW，缸套水回收前后的溫度進(jìn)出分別為70℃ / 80℃。

2.2 加熱系統(tǒng)的設(shè)備組成

本船使用封閉式的熱水加熱方式，主要組成有：熱水鍋爐、強(qiáng)制循環(huán)水泵、封閉式熱水膨脹柜、除氣器、廢熱回收換熱器等設(shè)備。

熱水鍋爐提供全船所需的熱能，船上設(shè) 2 臺(tái)熱水鍋爐，每臺(tái)容量為3 000 kW，進(jìn)口與出口工作溫度分別為115℃和140℃，最大設(shè)計(jì)溫度為160℃，工作壓力為1 MPa，最大工作壓力1.5 MPa；高溫?zé)崴h(huán)泵提供整個(gè)高溫?zé)崴到y(tǒng)循環(huán)動(dòng)力，共3 臺(tái)兩用一備，每臺(tái)105 m3/h×0.35 MPa。低溫循環(huán)水泵提供整個(gè)低溫?zé)崴到y(tǒng)循環(huán)動(dòng)力，共2 臺(tái)一用一備，每臺(tái)80 m3/h×0.4 MPa；封閉式的熱水膨脹柜容積為1.5 m3，設(shè)計(jì)壓力為1 MPa，是熱水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度達(dá)到飽和熱水的關(guān)鍵設(shè)備。除氣器用于去除熱水循環(huán)管路中的空氣，盡量減小空氣中的氧氣對(duì)管路和鍋爐的腐蝕。

2.3 加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為兼顧主輔機(jī)缸套水溫度較低的特性，加熱系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為一套高、低溫復(fù)合式的熱水系統(tǒng)。其中高溫?zé)崴疄轱柡蜔崴?，熱源主要? 臺(tái)熱水鍋爐，低溫?zé)崴疄椴伙柡蜔崴瑹嵩礊? 臺(tái)缸套水廢熱回收裝置。系統(tǒng)見圖4。

圖4 高溫、低溫加熱系統(tǒng)圖

根據(jù)船東的要求，同時(shí)還能滿足各種工況下船舶熱能消耗的情況，整個(gè)系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為三種操作模式，分別如下：

2.3.1 模式1 高溫、低溫?zé)崴訜嵯到y(tǒng)相互

上述關(guān)于歐盟拒絕適用不方便法院原則的理由并不完全合理。例如，歐盟排斥不方便法院原則的原因之一是該原則將損害被告對(duì)管轄權(quán)法院的合理預(yù)期，而不方便法院原則的啟動(dòng)方式之一是由被告提出申請(qǐng)，因此雖然不方便法院原則的適用具有靈活性，但并不損害當(dāng)事人的可預(yù)見性[6]148。前述提到的另一理由是布魯塞爾公約體系中適用不方便法院原則將影響公約管轄權(quán)規(guī)則的統(tǒng)一適用，但如果涉及的問題不屬于統(tǒng)一目標(biāo)的范疇內(nèi)，那么也無需以統(tǒng)一的方式適用[7]979。

獨(dú)立模式

選擇開關(guān)調(diào)至1，電動(dòng)兩通控制閥（編號(hào)840）切斷高溫、低溫?zé)崴到y(tǒng)之間的連接管路，電動(dòng)三通控制閥（編號(hào)847）連通ab 端，電動(dòng)三通控制閥（編號(hào)848）連通bc 端。

高溫?zé)崴到y(tǒng)設(shè)計(jì)為封閉式熱水循環(huán)系統(tǒng)。從鍋爐出來的飽和熱水先后經(jīng)過貨艙區(qū)的12 個(gè)加熱加熱器（每臺(tái)容量為450 kW）、洗艙水加熱器（容量為6 000 kW）、除氣器、高溫水循環(huán)泵等設(shè)備后，回到鍋爐再次加熱，然后不停地循環(huán)。

低溫水系統(tǒng)為不飽和熱水，由主機(jī)缸套水廢熱回收裝置和主發(fā)廢熱回收裝置提供熱源。低溫?zé)崴?jīng)缸套水加熱后先后流經(jīng)機(jī)艙內(nèi)艙柜、熱水柜、取暖器等設(shè)備，再經(jīng)低溫水循環(huán)泵，最后回到缸套水廢熱回收裝置重新加熱，完成循環(huán)。

2.3.2 模式2 高溫水補(bǔ)充模式

選擇開關(guān)調(diào)至2，電動(dòng)兩通控制閥（編號(hào)840）連通高低溫?zé)崴到y(tǒng)之間的管路，電動(dòng)三通控制閥（編號(hào)847）連通ab 端，電動(dòng)三通控制閥（編號(hào)848）連通ab 端。

當(dāng)船舶靠港后主機(jī)停止運(yùn)行，在不接岸電的情況下，主發(fā)僅有1 臺(tái)運(yùn)行，此時(shí)缸套水中可用于回收的廢熱最大也只有308 kW。但機(jī)艙和上建所需熱能遠(yuǎn)不止這些，此時(shí)，開1 臺(tái)熱水鍋爐為低溫水系統(tǒng)補(bǔ)充熱能，滿足機(jī)艙內(nèi)和上建使用。

選擇開關(guān)調(diào)至3，電動(dòng)兩通控制閥（編號(hào)840）切斷高溫和低溫?zé)崴到y(tǒng)之間的連接管路，電動(dòng)三通控制閥（編號(hào)847）連通ac 端，電動(dòng)三通控制閥（編號(hào)848）連通ac 端。

當(dāng)洗艙時(shí)或者船舶正常航行時(shí)，為節(jié)省燃料，船東不愿意開機(jī)艙內(nèi)的熱水鍋爐，這時(shí)低溫水系統(tǒng)的熱水就流向高溫水系統(tǒng)管路，為貨艙區(qū)熱用戶提供熱量。

2.4 冷卻系統(tǒng)的重要注意事項(xiàng)

在設(shè)置缸套水廢熱回收裝置后，需特別注意缸套水溫度變化，嚴(yán)格按照使用說明書的規(guī)定調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，防止缸套水溫度過低或過高，保證溫度維持在正常范圍內(nèi)。為安全起見，主輔機(jī)缸套水溫差分別不大于12℃和10℃。［4］為此，需要在缸套水管路上設(shè)溫控閥，根據(jù)缸套水進(jìn)機(jī)溫度自動(dòng)調(diào)整進(jìn)入缸套水冷卻器的流量；當(dāng)溫度達(dá)到某一上限值時(shí)，全部進(jìn)入缸套水冷卻器進(jìn)行冷卻；當(dāng)溫度達(dá)到某一下限值時(shí)，則自動(dòng)旁通缸套水冷卻器，直接回柴油機(jī)淡水進(jìn)口。

在船舶正常運(yùn)行過程中，應(yīng)特別注意個(gè)別氣缸水溫異常的情況，船員應(yīng)結(jié)合該缸的排溫判別熱負(fù)荷是否正常；即可通過調(diào)整該缸的出水調(diào)節(jié)閥，改變循環(huán)冷卻水量使水溫回復(fù)正常。當(dāng)柴油機(jī)出現(xiàn)過熱時(shí)，應(yīng)先卸掉部分負(fù)荷，使冷卻水溫度逐漸降低，不允許立即停機(jī)，更不允許直接放掉熱水換成冷水，避免受熱部件驟冷收縮損壞活塞。［5］

3 缸套水廢熱回收裝置的不足

缸套水廢熱回收是利用了熱交換器和強(qiáng)制循環(huán)水泵，把廢熱輸送去加熱較冷介質(zhì)。工作介質(zhì)為低溫不飽和水。系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、初次投資小、收益較大，其中主機(jī)缸套水廢熱最大回收效率約為17%，主發(fā)缸套水廢熱最大回收效率約為22%，適用于注重環(huán)保且預(yù)算較少的船東。這種設(shè)計(jì)在船價(jià)不斷走低、競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈的情況下，較符合市場(chǎng)需求。

不過，由于主機(jī)和主發(fā)的缸套水溫度較低，這便制約了廢熱回收循環(huán)系統(tǒng)工作介質(zhì)溫度同樣也很低，只能設(shè)計(jì)為進(jìn)出口70℃/80℃，因此熱用戶的加熱溫度也就有了上限，例如燃油日用艙在使用蒸汽加熱時(shí)溫度為80℃，而使用缸套水回收系統(tǒng)加熱時(shí)溫度只能設(shè)計(jì)為65℃。這就需要把燃油供油單元的燃油進(jìn)出口溫度設(shè)計(jì)為65℃/115℃。除此之外，工作介質(zhì)溫度低還會(huì)導(dǎo)致加熱效率較低，在保持加熱效果不變的情況下，加熱器的面積就需要適當(dāng)增大。雖然回收了缸套水廢熱，也相應(yīng)付出了一些代價(jià)。

4 低溫淡水缺點(diǎn)的改善方案

考慮到柴油機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)下的廢氣溫度約為300℃甚至更高，在機(jī)艙棚空間和初次投資都足夠的情況下可以考慮安裝廢氣經(jīng)濟(jì)器，既可以回收一部分廢氣中的熱能，還可以增加低溫淡水系統(tǒng)的溫度，達(dá)到100℃甚至更高的非飽和熱水。這樣就可以有效改善以上所述的低溫加熱系統(tǒng)的不足之處。因此，可以設(shè)計(jì)兩種改善型方案，把柴油機(jī)排氣中的廢熱直接和間接引入低溫?zé)崴訜嵫h(huán)中。第一種改善型方案為直接加熱形式，增加廢氣經(jīng)濟(jì)器直接加熱低溫?zé)崴ㄒ妶D5）；第二種改善型方案為間接加熱形式，增加廢氣經(jīng)濟(jì)器、循環(huán)水泵、換熱器組成的高溫水循環(huán)系統(tǒng)（見圖6）。

圖5 改善型低溫加熱系統(tǒng)1

圖6 改善型低溫加熱系統(tǒng)2

5 結(jié) 語

在民用船舶領(lǐng)域柴油機(jī)這種動(dòng)力輸出形式短時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變，而隨著各國(guó)對(duì)改善環(huán)境的呼聲越來越高，且EEDI 已經(jīng)生效，使節(jié)能減排技術(shù)越來越受到船東重視。經(jīng)研究探討，利用簡(jiǎn)單的廢熱回收裝置和封閉式強(qiáng)制循環(huán)對(duì)柴油機(jī)缸套水廢熱回收的方案是切實(shí)可行的；并且，若把該方案和船舶主輔機(jī)廢氣余熱回收相結(jié)合，則會(huì)更加完善，廢熱又可進(jìn)一步利用，發(fā)展前景廣闊。