主機(jī)冷卻水廢熱利用及變頻供水技術(shù)

瞿瓊燕 周琦

摘要：隨著環(huán)保節(jié)能理念在船舶設(shè)計(jì)建造的逐漸應(yīng)用推廣，本文主要是針對(duì)廢熱利用和變頻供水設(shè)備在船舶設(shè)計(jì)使用可行性進(jìn)行對(duì)比分析論證。船舶主機(jī)燃燒時(shí)產(chǎn)生大量的廢熱，廢熱再利用尤為重要。設(shè)置一套冷卻水換熱裝置，將主機(jī)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(tǒng)不僅節(jié)電、節(jié)水、節(jié)約空間，更主要的是能確保整個(gè)供水系統(tǒng)的恒定壓力，提供穩(wěn)定的水量，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

關(guān)鍵詞：廢熱利用;冷卻水熱交換;變頻供水;節(jié)能環(huán)保

前言

目前，節(jié)能的理念在各領(lǐng)域被廣泛認(rèn)可，隨著人們節(jié)能意識(shí)的增強(qiáng)，各種節(jié)能的設(shè)備和措施已經(jīng)在很多領(lǐng)域得以實(shí)施。在船舶設(shè)計(jì)建造中，節(jié)能的設(shè)備和措施的運(yùn)用也不少，例如：通過減少船體粗糙度來提高推進(jìn)效率等主要措施。近年來，利用主機(jī)廢熱等節(jié)能設(shè)備也被廣泛運(yùn)用，目前國(guó)內(nèi)船舶主要有利用主輔機(jī)（高溫）冷卻水余熱作為制淡裝置的熱源，利用主機(jī)排氣的廢熱設(shè)置廢氣鍋爐以產(chǎn)生蒸汽供全船加熱使用等。其實(shí)，在主機(jī)廢熱的利用方面，主機(jī)缸套水廢熱的利用應(yīng)該是可以大力開發(fā)的，主機(jī)缸套水溫度遠(yuǎn)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(jié)約燃油消耗。因此，設(shè)置一套主機(jī)冷卻水廢熱利用裝置，是非常必要可行的。同時(shí)，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的日臻完善，以變頻調(diào)速為核心的智能供水系統(tǒng)在陸用領(lǐng)域已完全取代了高位水箱和壓力罐等供水設(shè)備。在船用領(lǐng)域，日用淡水系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備較多，各設(shè)備的運(yùn)行工況也不盡相同，所以變頻供水系統(tǒng)壓力恒定、起動(dòng)平穩(wěn)、模塊化體積小等優(yōu)勢(shì)明顯，能完全取代常規(guī)供水系統(tǒng)。

1技術(shù)可行性研究

1.1 廢熱利用途徑及可行性

主機(jī)高溫水冷卻系統(tǒng)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(huán)冷卻主機(jī)缸套，冷卻水一般采用海水并直接排舷外。對(duì)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(gè)系統(tǒng)的熱源需求。一般主機(jī)高溫淡水中可回收的熱量能達(dá)到總置換熱量的60%～65%，而且水溫至少能達(dá)到70℃以上，完全能滿足全船中央空調(diào)系統(tǒng)采暖、機(jī)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(shí)無(wú)需開鍋爐或電加熱，大大減少能耗。

1.2 變頻供水系統(tǒng)特點(diǎn)

一般，船用日用熱水系統(tǒng)設(shè)置若干臺(tái)常用泵，用水量大的時(shí)間段多臺(tái)泵全開，用水量小的時(shí)間段只需1臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣采用變頻調(diào)速控制進(jìn)行恒壓供水，一旦用水量上升則依次工頻（或變頻）啟動(dòng)其他供水泵，滿足使用工況。變頻恒壓供水的特點(diǎn)：（1）節(jié)電：優(yōu)化的節(jié)能控制軟件，使水泵實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能運(yùn)行;（2）節(jié)水：根據(jù)實(shí)際用水情況設(shè)定管網(wǎng)壓力，自動(dòng)控制水泵出水量，減少水的跑、漏現(xiàn)象;（3）節(jié)約空間：變頻供水通過改變泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到系統(tǒng)壓力恒定，不需要常規(guī)的壓力水柜，從而大大節(jié)約了設(shè)備在機(jī)艙的占用空間。（4）壓力恒定：由于通過轉(zhuǎn)速保持系統(tǒng)壓力，所以整個(gè)系統(tǒng)的壓力基本在設(shè)定壓力值附近運(yùn)行，避免了傳統(tǒng)壓力水柜壓力在設(shè)定的范圍內(nèi)運(yùn)行;（5）運(yùn)行可靠：由變頻器實(shí)現(xiàn)泵的軟起動(dòng)，使水泵實(shí)現(xiàn)由工頻到變頻的無(wú)沖擊切換，防止管網(wǎng)沖擊、避免管網(wǎng)壓力超限。由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，并設(shè)定定時(shí)換泵運(yùn)行，從而延長(zhǎng)了泵和閥門等設(shè)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(jù)主機(jī)資料計(jì)算出可以置換得到的熱量，同時(shí)計(jì)算全船需要熱源的各個(gè)系統(tǒng)的熱量總和，一般主機(jī)冷卻水的廢熱會(huì)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(jù)各個(gè)系統(tǒng)所需的熱量計(jì)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(tái)，并且配置熱水分配總成，同時(shí)各個(gè)分配管上配置遙控閥及溫度傳感器，并接入各個(gè)系統(tǒng)總管。根據(jù)不同船舶的實(shí)際情況，配置控制箱及變頻器并編程，根據(jù)獲取熱量的多少合理分配給各個(gè)系統(tǒng)使用。

1.4 方案流程圖

主機(jī)冷卻水廢熱利用和變頻供水組合系統(tǒng)流程如圖1所示：

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

2效益分析

2.1節(jié)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(tái)MAN B&W（型號(hào)6L48/60CR）主機(jī)，功率7 200 kW。在100%負(fù)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(jù)該船“機(jī)械設(shè)備估算書”中全船蒸汽耗量計(jì)算得到最大負(fù)荷洗艙及停泊工況共需要熱量1 230 kW，配置了1臺(tái)燃油蒸汽產(chǎn)量1 500 kg/h的蒸汽鍋爐，燃油耗量為117 kg/h，以及2臺(tái)用于主機(jī)排氣的廢氣鍋爐。如果該船采用了主機(jī)冷卻水廢熱回收裝置，則只要在主機(jī)開啟的狀態(tài)下，燃油蒸汽鍋爐可以停止工作，同時(shí)二臺(tái)廢氣鍋爐也可以不用裝船。

根據(jù)實(shí)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(jì)算，船舶航行期間鍋爐平均每天運(yùn)行10小時(shí)，可節(jié)約燃油：

其中：

C—燃油耗量，kg/h;

H—每天運(yùn)行時(shí)間，h;

D—冬季運(yùn)行天數(shù)，5 x 30 = 150天;

其他季節(jié)工況：按照5月至10月計(jì)算，船舶航行期間鍋爐為油艙加熱，平均每天運(yùn)行6小時(shí)，可節(jié)約燃油：

其中：

C—燃油耗量，kg/h ;

H—每天運(yùn)行時(shí)間，h ;

D—夏季運(yùn)行天數(shù)，7×30 = 210 天 ;

總計(jì)節(jié)約燃油：M = M1+M2 = 175+147 = 322 t

以船用-10號(hào)柴油每噸0.7萬(wàn)元計(jì)算，可節(jié)約 322 * 0.7= 225.4萬(wàn)元

同時(shí)，變頻供水也能節(jié)約部分用電負(fù)荷，節(jié)約燃油耗量，并使得設(shè)備使用壽命延長(zhǎng)，節(jié)約維護(hù)費(fèi)用。

2.2環(huán)境效益分析

根據(jù)《中國(guó)環(huán)境影響評(píng)價(jià)培訓(xùn)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(shù)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(jì)算可以看出，主機(jī)冷卻水廢熱利用和變頻供水組合運(yùn)用于船舶供熱，其節(jié)能效益和環(huán)境效益都非常顯著。

3結(jié)論

利用主機(jī)冷卻水廢熱和變頻供水為全船供熱是主機(jī)廢熱再利用的一個(gè)新思路。經(jīng)分析研究表明，此舉可以減少燃油消耗，具有顯著地節(jié)能效益和環(huán)境效益。

但是，由于不同船舶的系統(tǒng)配置不盡相同，所以，主機(jī)冷卻水廢熱利用和變頻供水組合需要在船舶設(shè)計(jì)中與設(shè)計(jì)師密切溝通，對(duì)于廢熱熱量、船舶各系統(tǒng)所需熱量及流量的計(jì)算、溫控閥的溫度設(shè)定以及與鍋爐的切換都要設(shè)計(jì)合理，使得這項(xiàng)節(jié)能技術(shù)能完全融入船舶的正常運(yùn)行之中。