主機冷卻水廢熱利用及變頻供水技術

瞿瓊燕 周琦

摘要：隨著環保節能理念在船舶設計建造的逐漸應用推廣，本文主要是針對廢熱利用和變頻供水設備在船舶設計使用可行性進行對比分析論證。船舶主機燃燒時產生大量的廢熱，廢熱再利用尤為重要。設置一套冷卻水換熱裝置，將主機冷卻水中的熱量加以利用，能滿足全船供暖、加熱以及生活用熱水。變頻供水系統不僅節電、節水、節約空間，更主要的是能確保整個供水系統的恒定壓力，提供穩定的水量，延長設備使用壽命。

關鍵詞：廢熱利用;冷卻水熱交換;變頻供水;節能環保

前言

目前，節能的理念在各領域被廣泛認可，隨著人們節能意識的增強，各種節能的設備和措施已經在很多領域得以實施。在船舶設計建造中，節能的設備和措施的運用也不少，例如：通過減少船體粗糙度來提高推進效率等主要措施。近年來，利用主機廢熱等節能設備也被廣泛運用，目前國內船舶主要有利用主輔機（高溫）冷卻水余熱作為制淡裝置的熱源，利用主機排氣的廢熱設置廢氣鍋爐以產生蒸汽供全船加熱使用等。其實，在主機廢熱的利用方面，主機缸套水廢熱的利用應該是可以大力開發的，主機缸套水溫度遠大于50℃，通過熱交換器可以置換出大量的熱量，在航行途中可以完全替代鍋爐，大大節約燃油消耗。因此，設置一套主機冷卻水廢熱利用裝置，是非常必要可行的。同時，隨著變頻調速技術的日臻完善，以變頻調速為核心的智能供水系統在陸用領域已完全取代了高位水箱和壓力罐等供水設備。在船用領域，日用淡水系統內設備較多，各設備的運行工況也不盡相同，所以變頻供水系統壓力恒定、起動平穩、模塊化體積小等優勢明顯，能完全取代常規供水系統。

1技術可行性研究

1.1 廢熱利用途徑及可行性

主機高溫水冷卻系統是通過熱交換器將90℃左右高溫淡水冷卻至50℃左右淡水再循環冷卻主機缸套，冷卻水一般采用海水并直接排舷外。對于這部分的熱量，我們完全可以通過熱交換器置換后直接用于船上各個系統的熱源需求。一般主機高溫淡水中可回收的熱量能達到總置換熱量的60%～65%，而且水溫至少能達到70℃以上，完全能滿足全船中央空調系統采暖、機艙等艙室加熱、生活用熱水加熱及其他熱水雜用等熱量需求，使得船舶在航行時無需開鍋爐或電加熱，大大減少能耗。

1.2 變頻供水系統特點

一般，船用日用熱水系統設置若干臺常用泵，用水量大的時間段多臺泵全開，用水量小的時間段只需1臺泵運轉，這樣采用變頻調速控制進行恒壓供水，一旦用水量上升則依次工頻（或變頻）啟動其他供水泵，滿足使用工況。變頻恒壓供水的特點：（1）節電：優化的節能控制軟件，使水泵實現最大限度的節能運行;（2）節水：根據實際用水情況設定管網壓力，自動控制水泵出水量，減少水的跑、漏現象;（3）節約空間：變頻供水通過改變泵的轉速達到系統壓力恒定，不需要常規的壓力水柜，從而大大節約了設備在機艙的占用空間。（4）壓力恒定：由于通過轉速保持系統壓力，所以整個系統的壓力基本在設定壓力值附近運行，避免了傳統壓力水柜壓力在設定的范圍內運行;（5）運行可靠：由變頻器實現泵的軟起動，使水泵實現由工頻到變頻的無沖擊切換，防止管網沖擊、避免管網壓力超限。由于泵的平均轉速降低了，并設定定時換泵運行，從而延長了泵和閥門等設備的使用壽命。

1.3 廢熱利用和變頻供水組合的工作原理

根據主機資料計算出可以置換得到的熱量，同時計算全船需要熱源的各個系統的熱量總和，一般主機冷卻水的廢熱會大于全船所需熱量總和，配置大小合理的熱交換器（一般可采用板式熱交換器）。根據各個系統所需的熱量計算出分流量，得到總的熱水流量，從而合理配置熱水泵若干臺，并且配置熱水分配總成，同時各個分配管上配置遙控閥及溫度傳感器，并接入各個系統總管。根據不同船舶的實際情況，配置控制箱及變頻器并編程，根據獲取熱量的多少合理分配給各個系統使用。

1.4 方案流程圖

主機冷卻水廢熱利用和變頻供水組合系統流程如圖1所示：

通過板式熱交換器將主機冷卻水（即主機缸套水）的廢熱置換出來，熱水系統采用閉式循環，通過一套變頻穩壓供水，至中央空調供暖、機艙及非空調艙室供暖、油艙加熱等使用。

2效益分析

2.1節能效益分析

以救撈局建造的14000 kW海洋救助拖船為例，配置2臺MAN B&W（型號6L48/60CR）主機，功率7 200 kW。在100%負荷工況下，缸套水流量75m3/h，出水溫度90℃，回水溫度為53℃。

理論可置換廢熱Q，見式（1）：

其中：Q——可置換廢熱，kW/h;

L——缸套水流量，m3/h;

Δt——缸套水溫差，K;

根據該船“機械設備估算書”中全船蒸汽耗量計算得到最大負荷洗艙及停泊工況共需要熱量1 230 kW，配置了1臺燃油蒸汽產量1 500 kg/h的蒸汽鍋爐，燃油耗量為117 kg/h，以及2臺用于主機排氣的廢氣鍋爐。如果該船采用了主機冷卻水廢熱回收裝置，則只要在主機開啟的狀態下，燃油蒸汽鍋爐可以停止工作，同時二臺廢氣鍋爐也可以不用裝船。

根據實船使用工況，如下：

冬季工況：按照11月至次年4月（每月按30天）計算，船舶航行期間鍋爐平均每天運行10小時，可節約燃油：

其中：

C—燃油耗量，kg/h;

H—每天運行時間，h;

D—冬季運行天數，5 x 30 = 150天;

其他季節工況：按照5月至10月計算，船舶航行期間鍋爐為油艙加熱，平均每天運行6小時，可節約燃油：

其中：

C—燃油耗量，kg/h ;

H—每天運行時間，h ;

D—夏季運行天數，7×30 = 210 天 ;

總計節約燃油：M = M1+M2 = 175+147 = 322 t

以船用-10號柴油每噸0.7萬元計算，可節約 322 * 0.7= 225.4萬元

同時，變頻供水也能節約部分用電負荷，節約燃油耗量，并使得設備使用壽命延長，節約維護費用。

2.2環境效益分析

根據《中國環境影響評價培訓教材》，燃燒1 m3柴油排放的主要大氣污染物總量：SO2約10 kg/m3、廢氣NO2約8.57 kg/m3、煙塵約1.8 kg/m3。柴油密度取950 kgf/Nm3，則SO2、NO2和煙塵的排放系數分別為10.53 kg/m3、9.02 kg/m3、1.89 kg/m3。還是以14000kW海洋救助拖船為例，可減少的廢氣排放量如下：

SO2：322×10.53 / 1000 = 3.39 t

NO2：322×9.02 / 1000 = 2.90 t

煙塵：322×1.89 / 1000 = 0.61 t

由以上計算可以看出，主機冷卻水廢熱利用和變頻供水組合運用于船舶供熱，其節能效益和環境效益都非常顯著。

3結論

利用主機冷卻水廢熱和變頻供水為全船供熱是主機廢熱再利用的一個新思路。經分析研究表明，此舉可以減少燃油消耗，具有顯著地節能效益和環境效益。

但是，由于不同船舶的系統配置不盡相同，所以，主機冷卻水廢熱利用和變頻供水組合需要在船舶設計中與設計師密切溝通，對于廢熱熱量、船舶各系統所需熱量及流量的計算、溫控閥的溫度設定以及與鍋爐的切換都要設計合理，使得這項節能技術能完全融入船舶的正常運行之中。