王帥軍，朱發(fā)新，李玉樂(lè)

(浙江海洋大學(xué) 港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江 舟山 316022)

隨著航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，能源緊缺及燃油成本高漲、燃油需求量持續(xù)增長(zhǎng)以及國(guó)際海事組織(IMO)對(duì)船舶節(jié)能減排的關(guān)注，使得節(jié)能減排成為各大航運(yùn)公司重視的問(wèn)題[1-2]。研究和應(yīng)用節(jié)能技術(shù)以降低船舶能耗，加強(qiáng)船舶節(jié)能減排的基礎(chǔ)性管理和設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)，不僅可為航運(yùn)企業(yè)節(jié)省大量的燃油費(fèi)用，還可以減少船舶營(yíng)運(yùn)所造成的環(huán)境污染，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)保雙重效益。因此，加強(qiáng)船舶廢熱的回收利用是實(shí)現(xiàn)船舶節(jié)能減排的重要、有效的途徑。

船舶廢熱的回收主要包括船舶廢氣余熱回收和高溫冷卻淡水中的余熱回收。近些年來(lái)，專(zhuān)家學(xué)者在船舶廢氣能量回收方面傾注了大量心血，取得了可觀的成績(jī)。但只回收廢氣中的余熱還不夠，高溫淡水的余熱量也很大，存在利用空間，有效的回收利用對(duì)船舶節(jié)能具有重要意義。

在以柴油機(jī)為主推進(jìn)裝置的船舶中，燃料燃燒產(chǎn)生的巨大熱量，大約只有40%～55%轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，大部分熱量通過(guò)冷卻水、排氣等方式向外界耗散[3]。柴油機(jī)缸套內(nèi)高溫淡水的溫度一般為70～85 ℃，這部分能量的總量非常大但沒(méi)有被有效利用，卻是隨海水排出舷外，因此造成大量的能量損耗。根據(jù)柴油機(jī)熱平衡的計(jì)算，總熱量的25%～35%被缸套冷卻水帶走。在能源極度緊缺的今天，挖掘船舶余熱的再利用，已是節(jié)能減排的必然趨勢(shì)[4-6]。

1 船舶主機(jī)高溫淡水冷卻水系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 高溫淡水冷卻系統(tǒng)

船舶主機(jī)在工作時(shí)，汽缸內(nèi)燃油燃燒產(chǎn)生大量的熱量，使燃燒室部件表面溫度升高，影響部件的正常工作。這些熱量被一部分排煙帶走，另一部分則需要由冷卻介質(zhì)處理，從而確保燃燒室部件溫度維持在一個(gè)正常工作范圍。

一般情況下，主機(jī)活塞由滑油冷卻，缸套的上部、汽缸蓋以及排氣閥由高溫淡水冷卻系統(tǒng)冷卻，之后高溫淡水的熱量由低溫淡水帶走。如圖1所示，高溫淡水經(jīng)缸套冷卻水總管K處進(jìn)入缸套冷卻水腔。冷卻缸套后，通過(guò)兩個(gè)冷卻水接頭進(jìn)入汽缸蓋冷卻水套，冷卻水冷卻汽缸蓋下部后，向上流動(dòng)經(jīng)過(guò)汽缸蓋上部鉆有的一圈冷卻水孔，進(jìn)入缸蓋和排氣閥閥座形成的冷卻水密空間。冷卻排氣閥閥座后，一部分從缸蓋內(nèi)部通道出來(lái)，通過(guò)一個(gè)連接管去冷卻排氣閥上部；另一部分從缸蓋其他的內(nèi)部通道流出汽缸蓋，匯集到高溫淡水出口總管。冷卻排氣閥上部的冷卻水最終也通過(guò)缸蓋的出口管進(jìn)入高溫淡水出口總管。

1-膨脹水箱;2-主機(jī)缸套淡水冷卻泵；3-除氣箱;4-高溫淡水冷卻器;5-造水機(jī)。圖1 高溫淡水冷卻系統(tǒng)

冷卻水從出口總管L出來(lái)后，先經(jīng)過(guò)第一個(gè)調(diào)溫三通閥A，這個(gè)三通閥是造水機(jī)系統(tǒng)旁通閥，其溫度一般設(shè)定為70 ℃左右，造水機(jī)通過(guò)該三通閥并聯(lián)在系統(tǒng)上。造水機(jī)系統(tǒng)旁通管可以調(diào)節(jié)流過(guò)造水機(jī)的高溫淡水量，可對(duì)進(jìn)入缸套淡水冷卻器的水溫進(jìn)行有效調(diào)節(jié)。造水機(jī)工作時(shí)，三通閥動(dòng)作使一部分缸套高溫淡水流過(guò)造水機(jī)；當(dāng)造水機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，三通閥直接使高溫淡水旁通。

通過(guò)造水機(jī)系統(tǒng)調(diào)溫三通閥后，冷卻水進(jìn)入系統(tǒng)中的第二個(gè)調(diào)溫三通閥，這個(gè)三通閥是高溫淡水系統(tǒng)三通閥，其設(shè)定溫度為80 ℃左右。從調(diào)溫閥出來(lái)的冷卻水分成兩路，一路旁通不經(jīng)過(guò)冷卻器；另一路進(jìn)入高溫淡水冷卻器，冷卻后與不經(jīng)過(guò)冷卻器的缸套水匯集在一起進(jìn)入除氣水箱。高溫淡水系統(tǒng)三通閥利用安裝在缸套水出口總管上的傳感器檢測(cè)缸套水出機(jī)溫度，然后通過(guò)調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)三通閥，控制旁通水量與進(jìn)入冷卻器的水量使淡水出機(jī)溫度維持在80～85 ℃。當(dāng)進(jìn)入主機(jī)缸套的淡水溫度低于正常值時(shí)，調(diào)節(jié)三通閥旁通開(kāi)度，減少流過(guò)缸套水冷卻器的缸套水量；當(dāng)溫度高于正常值時(shí)，增大流過(guò)缸套水冷卻器的缸套水量而加強(qiáng)冷卻。高溫淡水流過(guò)第二個(gè)三通閥以后進(jìn)入除氣箱，系統(tǒng)中如果進(jìn)氣，空氣就通過(guò)除氣箱上部管路進(jìn)入膨脹水箱從排氣管中釋放。另外，從膨脹水箱中有一路水直接進(jìn)入除氣箱，可以起到向系統(tǒng)補(bǔ)水和增加缸套水泵壓頭的作用，冷卻水通過(guò)除氣箱后，進(jìn)入到2臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的缸套水泵。

1.2 現(xiàn)有系統(tǒng)的缺陷及影響

在系統(tǒng)的諸多缺陷中，船舶發(fā)動(dòng)機(jī)熱量損失是船舶柴油機(jī)在運(yùn)行中極為重要一個(gè)方面。在船舶中央冷卻系統(tǒng)中，當(dāng)海水與低溫淡水進(jìn)行熱交換之后，海水溫度逐漸升高。但大部分海水被排出舷外，其余熱并沒(méi)得到回收利用，降低了船舶柴油機(jī)的熱效率。

在船舶中央冷卻系統(tǒng)中，應(yīng)注意海水泵的臟堵，一旦海水濾器臟堵就會(huì)造成海水泵的吸入真空增大而吸不上水，達(dá)不到冷卻的效果。另外，由于海水具有腐蝕性，可能導(dǎo)致系統(tǒng)中央冷卻器及管路等因腐蝕而穿孔泄漏，造成淡水污染，增加了船舶柴油機(jī)中央冷卻系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)的成本，縮短了設(shè)備及管路的使用壽命[7]。

2 主機(jī)高溫淡水廢熱利用裝置

2.1 工作原理

在主機(jī)中央冷卻水系統(tǒng)中，熱量伴隨各級(jí)冷卻消耗，造成大量的能源浪費(fèi)。為有效解決這一問(wèn)題，利用溫度自發(fā)的從高溫物體向低溫物體傳遞的原理，運(yùn)用高溫淡水的溫度高于燃油艙、滑油艙和沉淀柜等待加熱終端的特點(diǎn)，對(duì)主機(jī)冷卻水系統(tǒng)進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)一套高溫淡水廢熱的回收利用裝置，取代常規(guī)的低溫淡水冷卻系統(tǒng)和海水冷卻系統(tǒng)，對(duì)高溫淡水系統(tǒng)的淡水進(jìn)行冷卻以維持燃燒室部件正常運(yùn)行溫度，同時(shí)回收高溫淡水中的廢熱用于加燃油艙、滑油艙和沉淀柜等待加熱終端，使各個(gè)終端達(dá)到所需的加熱溫度以維持正常運(yùn)行。

圖2為主機(jī)高溫淡水冷卻水系統(tǒng)組成框圖，該系統(tǒng)由高溫淡水系統(tǒng)、換熱水箱、余熱利用終端冷卻器和換熱管4個(gè)主要換熱器件構(gòu)成。高溫淡水冷卻主機(jī)部件帶走多余熱量而使自身的溫度升高，當(dāng)高溫淡水流至三通閥時(shí)，將出口端水引至換熱水箱進(jìn)行換熱，達(dá)到高溫淡水冷卻且水箱中的水被加熱的雙重效果。三通溫控閥能自動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)度大小，使水箱中的溫度維持在60～70 ℃。水箱中被加熱后的水從下部的出水總管流出，經(jīng)出水總閥、熱水分配器和單向閥等流至待加熱終端的加熱管，即對(duì)燃油艙、滑油艙和沉淀柜等待加熱的終端進(jìn)行加熱，使這些終端系統(tǒng)維持正常運(yùn)行。然后經(jīng)單向閥、回流分管等裝置流回至回流總管，并最終被送回至水箱，再次與高溫淡水換熱后進(jìn)行往復(fù)循環(huán)。

1-補(bǔ)水閥；2-補(bǔ)水管；3-出水閥；4-出水管(主機(jī)高溫淡水進(jìn)水管)；5-三通溫控閥；6-進(jìn)水管(主機(jī)高溫淡水出水管)；7-換熱管；8-水箱；9-溢流管；10-回水總管；11-回水總閥；12-出水總管；13-出水總閥；14-回水匯流箱；15-熱水分配器；16-單向閥；17-觀察鏡；18-離心泵；19-回水分管；20-出水分管。圖2 主機(jī)高溫淡水冷卻水系統(tǒng)組成框圖

2.2 組成部件功能

主機(jī)高溫淡水廢熱利用裝置是一個(gè)有序工作的整體，該裝置有眾多元器件有序組合而成，這些器件各自發(fā)揮的作用確保系統(tǒng)有效的運(yùn)行。各種相關(guān)聯(lián)器件的功用敘述如下。

1)水箱。水箱采用敞口設(shè)計(jì)，用于存貯待加熱的水，水箱頂部開(kāi)口有利于熱水的膨脹，也便于工作人員觀察水箱內(nèi)的水位。水箱下部裝設(shè)有用于導(dǎo)出加熱后的熱水的出水總管，出水總管上裝有出水總閥，用于控制加熱后的熱水的流量；水箱上部裝設(shè)補(bǔ)水管，補(bǔ)水管上裝有補(bǔ)水閥，當(dāng)水箱中的水不足時(shí)，安裝在最低工作水位的感應(yīng)器發(fā)出缺水信號(hào)，自動(dòng)開(kāi)啟補(bǔ)水閥進(jìn)行補(bǔ)水；補(bǔ)水閥上方的適當(dāng)位置裝設(shè)溢流管，當(dāng)水位超過(guò)最高工作水位，水經(jīng)溢流管流至溢流箱；水箱中部有回水總管和回水總閥，讓回水管中的水回流至水箱。

2)換熱管。換熱管是用來(lái)輸送主機(jī)缸套內(nèi)的淡水進(jìn)入水箱并與水箱內(nèi)的水進(jìn)行熱交換的構(gòu)件。其入口的進(jìn)水管上設(shè)有三通溫控閥并連接主機(jī)缸套的高溫淡水出口，換熱管的出口通過(guò)出水管連接高溫淡水泵的入口；進(jìn)水口上的三通溫控閥根據(jù)水箱內(nèi)溫度的變化情況，調(diào)節(jié)換熱管進(jìn)口和出口端的流量。三通溫控閥第一端連接主機(jī)缸套，第二端連接換熱水箱，第三端連接主機(jī)缸套的高溫淡水冷卻器。換熱管路的出水端與高溫淡水泵的入口端設(shè)有出水閥。

3)熱水分配器。其主要作用是用來(lái)分配從水箱中流出的熱水至各出水分管。其入口連接水箱的出水總管，出口連接各出水分管。各出水分管上均裝有離心泵，離心泵的兩端均裝設(shè)了單向閥，各出水分管的出口連接待加熱終端的加熱管，對(duì)終端進(jìn)行加熱。

4)待加熱終端。即為需要適當(dāng)進(jìn)行燃油艙、滑油艙和沉淀柜。燃油艙底部裝設(shè)加熱盤(pán)管以加熱重油，保持其具有良好的流動(dòng)性，便于駁運(yùn)。調(diào)節(jié)加熱管的流量，將燃油加熱至適當(dāng)?shù)臏囟纫约铀偃加偷某恋矸蛛x；滑油經(jīng)主、輔機(jī)滑油分油機(jī)供給泵從主、輔機(jī)滑油循環(huán)艙及澄清艙中泵出，經(jīng)加熱后的滑油流入各自的滑油分油機(jī)，經(jīng)過(guò)處理后的油渣流入油渣艙，凈化后的滑油重新回到主、輔機(jī)滑油循環(huán)艙及澄清艙。

沉淀柜的作用是儲(chǔ)存從燃油艙駁來(lái)的燃油，通過(guò)加熱使其溫度由30 ℃左右升至70～80 ℃，對(duì)燃油進(jìn)行沉淀和物理分離之后，使油渣、油泥沉淀，并經(jīng)放殘去除大部分水分，經(jīng)分油機(jī)凈化處理后的燃油輸送到日用柜。

3 高溫淡水廢熱利用裝置的維護(hù)保養(yǎng)

1)淡水溫度的調(diào)整。 在高溫淡水廢熱利用裝置的日常維護(hù)保養(yǎng)中，應(yīng)嚴(yán)格按照使用說(shuō)明書(shū)的規(guī)定調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)值，避免淡水出口溫度過(guò)低或過(guò)高。對(duì)于中高速柴油機(jī)，一般其出口溫度可控制在70～80 ℃，而對(duì)于低速機(jī)可控制在60～70 ℃；進(jìn)出口溫差控制在12 ℃以內(nèi)[8]。在日常的管理與維護(hù)中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)個(gè)別汽缸水溫出現(xiàn)異常情況時(shí)，輪機(jī)人員應(yīng)結(jié)合該缸的排溫判明熱負(fù)荷是否正常，若判定噴油器和供油量正常，則可通過(guò)調(diào)整該缸的出水調(diào)節(jié)閥，改變其循環(huán)冷卻水量使水溫恢復(fù)正常。當(dāng)柴油機(jī)出現(xiàn)過(guò)熱時(shí)，則應(yīng)先卸掉部分負(fù)荷，使冷卻水溫度逐漸降低，但絕不能立即使其停止運(yùn)轉(zhuǎn)，更不允許直接放掉熱水置換成冷水，避免受熱部件驟冷收縮而將活塞咬死引發(fā)炸缸事故。

2)各缸冷卻水流動(dòng)情況的檢查。主機(jī)正常工作時(shí)，高溫淡水產(chǎn)生的熱量必須由冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，保證高溫淡水的溫度維持在正常范圍內(nèi)。因此在高溫淡水循環(huán)出口設(shè)置溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，當(dāng)高溫淡水的溫度達(dá)到某一上限值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)海水冷卻系統(tǒng)對(duì)高溫淡水進(jìn)行冷卻，防止高溫淡水冷卻系統(tǒng)溫度過(guò)高。待加熱端越多，換熱效率越高，但同時(shí)必須滿足待加熱端60～70 ℃的要求，所以應(yīng)安排合適的燃油艙、滑油艙和沉淀柜數(shù)量以達(dá)到廢熱的最大程度利用，同時(shí)也達(dá)到防止高溫淡水冷卻系統(tǒng)損壞的目的。

3)高溫淡水廢熱回收利用裝置各部件及參數(shù)檢查。需檢查的各部件包括：三通閥、水箱、換熱管、補(bǔ)水裝置、溢流裝置、出水管、熱水分配器、離心泵、回流總管、觀察鏡以及各種閥件的開(kāi)關(guān)位置等；檢查水箱水位、熱水分配器液位和回流匯聚箱液位的設(shè)定參數(shù)是否符合要求。在運(yùn)轉(zhuǎn)中應(yīng)定期檢查水箱水位、溫度和管路流通情況等；觀察各裝置是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)所水質(zhì)情況定期進(jìn)行水箱水更換作業(yè)并進(jìn)行人工清洗。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用換熱裝置換熱性能和水傳熱性能，對(duì)船舶柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)的低溫淡水和海水系統(tǒng)用高溫淡水廢熱利用裝置替換并對(duì)其進(jìn)行探究，得出如下3點(diǎn)結(jié)論。

1)該裝置使船舶主機(jī)的燃燒室部件得到有效的冷卻，從而保證了船舶主機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2)該裝置有效回收利用船舶柴油機(jī)的廢熱，提高了柴油機(jī)的效率和船舶動(dòng)力裝置的總效率。

3)高溫淡水的廢熱用于加熱燃油艙、滑油艙和沉淀柜，解決了以往用蒸汽加熱帶來(lái)的法蘭、閥件極易損壞，維護(hù)管理麻煩的困難，同時(shí)提高了能源的利用率。

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