主机冷却水废热利用及变频供水技术

瞿琼燕 周琦

摘要：随着环保节能理念在船舶设计建造的逐渐应用推广，本文主要是针对废热利用和变频供水设备在船舶设计使用可行性进行对比分析论证。船舶主机燃烧时产生大量的废热，废热再利用尤为重要。设置一套冷却水换热装置，将主机冷却水中的热量加以利用，能满足全船供暖、加热以及生活用热水。变频供水系统不仅节电、节水、节约空间，更主要的是能确保整个供水系统的恒定压力，提供稳定的水量，延长设备使用寿命。

关键词：废热利用;冷却水热交换;变频供水;节能环保

前言

目前，节能的理念在各领域被广泛认可，随着人们节能意识的增强，各种节能的设备和措施已经在很多领域得以实施。在船舶设计建造中，节能的设备和措施的运用也不少，例如：通过减少船体粗糙度来提高推进效率等主要措施。近年来，利用主机废热等节能设备也被广泛运用，目前国内船舶主要有利用主辅机（高温）冷却水余热作为制淡装置的热源，利用主机排气的废热设置废气锅炉以产生蒸汽供全船加热使用等。其实，在主机废热的利用方面，主机缸套水废热的利用应该是可以大力开发的，主机缸套水温度远大于50℃，通过热交换器可以置换出大量的热量，在航行途中可以完全替代锅炉，大大节约燃油消耗。因此，设置一套主机冷却水废热利用装置，是非常必要可行的。同时，随着变频调速技术的日臻完善，以变频调速为核心的智能供水系统在陆用领域已完全取代了高位水箱和压力罐等供水设备。在船用领域，日用淡水系统内设备较多，各设备的运行工况也不尽相同，所以变频供水系统压力恒定、起动平稳、模块化体积小等优势明显，能完全取代常规供水系统。

1技术可行性研究

1.1 废热利用途径及可行性

主机高温水冷却系统是通过热交换器将90℃左右高温淡水冷却至50℃左右淡水再循环冷却主机缸套，冷却水一般采用海水并直接排舷外。对于这部分的热量，我们完全可以通过热交换器置换后直接用于船上各个系统的热源需求。一般主机高温淡水中可回收的热量能达到总置换热量的60%～65%，而且水温至少能达到70℃以上，完全能满足全船中央空调系统采暖、机舱等舱室加热、生活用热水加热及其他热水杂用等热量需求，使得船舶在航行时无需开锅炉或电加热，大大减少能耗。

1.2 变频供水系统特点

一般，船用日用热水系统设置若干台常用泵，用水量大的时间段多台泵全开，用水量小的时间段只需1台泵运转，这样采用变频调速控制进行恒压供水，一旦用水量上升则依次工频（或变频）启动其他供水泵，满足使用工况。变频恒压供水的特点：（1）节电：优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度的节能运行;（2）節水：根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少水的跑、漏现象;（3）节约空间：变频供水通过改变泵的转速达到系统压力恒定，不需要常规的压力水柜，从而大大节约了设备在机舱的占用空间。（4）压力恒定：由于通过转速保持系统压力，所以整个系统的压力基本在设定压力值附近运行，避免了传统压力水柜压力在设定的范围内运行;（5）运行可靠：由变频器实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限。由于泵的平均转速降低了，并设定定时换泵运行，从而延长了泵和阀门等设备的使用寿命。

1.3 废热利用和变频供水组合的工作原理

根据主机资料计算出可以置换得到的热量，同时计算全船需要热源的各个系统的热量总和，一般主机冷却水的废热会大于全船所需热量总和，配置大小合理的热交换器（一般可采用板式热交换器）。根据各个系统所需的热量计算出分流量，得到总的热水流量，从而合理配置热水泵若干台，并且配置热水分配总成，同时各个分配管上配置遥控阀及温度传感器，并接入各个系统总管。根据不同船舶的实际情况，配置控制箱及变频器并编程，根据获取热量的多少合理分配给各个系统使用。

1.4 方案流程图

主机冷却水废热利用和变频供水组合系统流程如图1所示：

通过板式热交换器将主机冷却水（即主机缸套水）的废热置换出来，热水系统采用闭式循环，通过一套变频稳压供水，至中央空调供暖、机舱及非空调舱室供暖、油舱加热等使用。

2效益分析

2.1节能效益分析

以救捞局建造的14000 kW海洋救助拖船为例，配置2台MAN B&W（型号6L48/60CR）主机，功率7 200 kW。在100%负荷工况下，缸套水流量75m3/h，出水温度90℃，回水温度为53℃。

理论可置换废热Q，见式（1）：

其中：Q——可置换废热，kW/h;

L——缸套水流量，m3/h;

Δt——缸套水温差，K;

根据该船“机械设备估算书”中全船蒸汽耗量计算得到最大负荷洗舱及停泊工况共需要热量1 230 kW，配置了1台燃油蒸汽产量1 500 kg/h的蒸汽锅炉，燃油耗量为117 kg/h，以及2台用于主机排气的废气锅炉。如果该船采用了主机冷却水废热回收装置，则只要在主机开启的状态下，燃油蒸汽锅炉可以停止工作，同时二台废气锅炉也可以不用装船。

根据实船使用工况，如下：

冬季工况：按照11月至次年4月（每月按30天）计算，船舶航行期间锅炉平均每天运行10小时，可节约燃油：

其中：

C—燃油耗量，kg/h;

H—每天运行时间，h;

D—冬季运行天数，5 x 30 = 150天;

其他季节工况：按照5月至10月计算，船舶航行期间锅炉为油舱加热，平均每天运行6小时，可节约燃油：

其中：

C—燃油耗量，kg/h ;

H—每天运行时间，h ;

D—夏季运行天数，7×30 = 210 天 ;

总计节约燃油：M = M1+M2 = 175+147 = 322 t

以船用-10号柴油每吨0.7万元计算，可节约 322 * 0.7= 225.4万元

同时，变频供水也能节约部分用电负荷，节约燃油耗量，并使得设备使用寿命延长，节约维护费用。

2.2环境效益分析

根据《中国环境影响评价培训教材》，燃烧1 m3柴油排放的主要大气污染物总量：SO2约10 kg/m3、废气NO2约8.57 kg/m3、烟尘约1.8 kg/m3。柴油密度取950 kgf/Nm3，则SO2、NO2和烟尘的排放系数分别为10.53 kg/m3、9.02 kg/m3、1.89 kg/m3。还是以14000kW海洋救助拖船为例，可减少的废气排放量如下：

SO2：322×10.53 / 1000 = 3.39 t

NO2：322×9.02 / 1000 = 2.90 t

烟尘：322×1.89 / 1000 = 0.61 t

由以上计算可以看出，主机冷却水废热利用和变频供水组合运用于船舶供热，其节能效益和环境效益都非常显著。

3结论

利用主机冷却水废热和变频供水为全船供热是主机废热再利用的一个新思路。经分析研究表明，此举可以减少燃油消耗，具有显著地节能效益和环境效益。

但是，由于不同船舶的系统配置不尽相同，所以，主机冷却水废热利用和变频供水组合需要在船舶设计中与设计师密切沟通，对于废热热量、船舶各系统所需热量及流量的计算、温控阀的温度设定以及与锅炉的切换都要设计合理，使得这项节能技术能完全融入船舶的正常运行之中。