唐 強(qiáng) 許寒冰 許 浩

（上海船舶研究設(shè)計院，上海201203）

0 前言

為了保證船舶動力系統(tǒng)在各類工況條件下均能安全可靠的運(yùn)行，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計點(diǎn)為船舶在海水溫度32℃環(huán)境下能全速航行。但實(shí)際上，海水溫度受船舶航行的海域及季節(jié)的影響，很少能達(dá)到此設(shè)計溫度；另一方面，為了降低主機(jī)油耗，船舶多數(shù)情況在經(jīng)濟(jì)航速下航行，因此船舶冷卻系統(tǒng)的冷卻能力存在大量冗余［1］。

隨著航運(yùn)業(yè)的快速發(fā)展，節(jié)能減排已成為船舶行業(yè)的重要課題之一。在新造船項目中，節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用也越來越受到船東的重視，船東在方案設(shè)計階段對船舶的初始投資和運(yùn)營成本方面均提出了更高的要求。目前變頻技術(shù)日益成熟，產(chǎn)品價格不斷下降，使其在船上的應(yīng)用也更加廣泛。在此背景下，海水冷卻系統(tǒng)采用變頻海水泵，可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整海水泵的轉(zhuǎn)速，較好地解決了定速泵因長期在超出實(shí)際需求的功率下運(yùn)行而導(dǎo)致能耗較大的問題，有利于提高船隊的節(jié)能減排效率。

本文以目前運(yùn)營的一條47 500 DWT散貨船為例，針對該船在不同工況下的航運(yùn)情況，分析計算該船采用變頻海水泵的實(shí)際節(jié)能效果，并與定速泵方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，研究結(jié)果可為船東的系統(tǒng)方案選擇提供參考。

1 船舶航運(yùn)數(shù)據(jù)

該47 500 DWT散貨船為航行于國內(nèi)近海航區(qū)的船舶，低速柴油機(jī)驅(qū)動，主機(jī)最大持續(xù)功率6 450 kW，連續(xù)服務(wù)功率5 483 kW。該船配置3臺柴油發(fā)電機(jī)組，每臺560 kW，正常航行及停泊工況運(yùn)行1臺主發(fā)電機(jī)組，進(jìn)出港工況運(yùn)行2臺主發(fā)電機(jī)組。除了主輔機(jī)外，其他需冷卻的設(shè)備有空調(diào)、冷藏、主空壓機(jī)、中間軸承、大氣冷凝器等裝置。

通過船東提供的該船近年航運(yùn)數(shù)據(jù)得知，該船航線相對固定，為秦皇島—嘉興航線，航線位于渤海、黃海及東海海域，停泊的港口包括秦皇島、天津和嘉興三港。分別在該船航行海域及停泊港口選取若干測點(diǎn)，統(tǒng)計各測點(diǎn)的海水溫度分布情況，并根據(jù)不同月份的航次信息及在各港口的停泊時間，以2 K為溫度間隔，分別繪制航行和停泊工況海水溫度在各梯度內(nèi)的時間分布圖，如圖1、圖2所示。

圖1 航行工況海水溫度分布圖

圖2 停泊工況海水溫度分布圖

由以上的海水溫度分布圖可以看出，該船運(yùn)營航線的海水溫度范圍為3～29℃。通過進(jìn)一步計算得到該船航行時海水的平均溫度為14.3℃，停泊時為15.3℃，均遠(yuǎn)低于設(shè)計溫度32℃，表明海水冷卻系統(tǒng)具有較大的節(jié)能潛力。

2 變頻系統(tǒng)分析計算

該船海水冷卻系統(tǒng)示意圖如圖3所示，系統(tǒng)設(shè)有相同規(guī)格的冷卻海水泵3臺，流量270 m3/h，壓力0.25 MPa，其中1臺備用。每臺泵均可從海水總管吸入海水經(jīng)中央冷卻器對淡水進(jìn)行冷卻后排至舷外，中央冷卻器為板式冷卻器，每臺中央冷卻器換熱量為3 541.5 kW，容量為系統(tǒng)熱交換量的60%。

圖3 海水冷卻系統(tǒng)示意圖

現(xiàn)有的冷卻系統(tǒng)設(shè)計，是在中央冷卻器的淡水出口處設(shè)一溫度自動控制閥，當(dāng)系統(tǒng)熱負(fù)荷下降或者海水溫度降低導(dǎo)致淡水出口溫度低于設(shè)定值時，則通過調(diào)節(jié)三通閥的開度，減小淡水進(jìn)入中央冷卻器進(jìn)行換熱的流量實(shí)現(xiàn)溫度的控制［2］，此時冷卻海水泵仍保持工頻運(yùn)行，從而導(dǎo)致能源的浪費(fèi)。變頻海水系統(tǒng)在不改變淡水系統(tǒng)的情況下，改用3臺變頻海水泵，并增加相應(yīng)傳感器、變頻器、控制柜等元器件［3］。此時，當(dāng)?shù)隹跍囟鹊陀谠O(shè)定值時，則通過變頻器降低變頻泵的轉(zhuǎn)速，從而減小冷卻海水流量實(shí)現(xiàn)溫度控制，而當(dāng)泵因管路阻力限制不能再進(jìn)一步降速時，則需通過調(diào)節(jié)三通閥開度實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。

冷卻系統(tǒng)采用變頻海水泵，當(dāng)船舶工況變化時，可以通過改變離心泵的轉(zhuǎn)速來改變其運(yùn)行的特性曲線，從而調(diào)整水泵的運(yùn)行工況，如圖4所示。

圖4 變頻泵在不同轉(zhuǎn)速下的特性曲線

在圖4中，離心泵的額定轉(zhuǎn)速為n1，運(yùn)行工況點(diǎn)為M1。當(dāng)冷卻負(fù)荷下降時，此時通過降低泵的轉(zhuǎn)速至n2，將泵的特性曲線H-Q下移，與管路阻力曲線He-Q匹配于新的工況點(diǎn)M2，若負(fù)荷進(jìn)一步降低，則可將變頻泵的工況點(diǎn)降至M3，但需保證此時變頻泵的壓頭能夠克服系統(tǒng)管路總阻力。當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速下降時，其流量和壓力均有所減小，從而降低了海水泵的能耗。

變頻海水泵的工況點(diǎn)由海水管路特性和變頻泵運(yùn)行特性共同決定。當(dāng)海水管路的流量發(fā)生變化時，需保證海水泵的壓頭與海水管路的總壓降相匹配，以保證變頻泵的穩(wěn)定運(yùn)行。為此，需要進(jìn)行管網(wǎng)特性分析。

本文根據(jù)該船海水管路的實(shí)際放樣布置圖，采用流體仿真計算軟件Flowmaster對管路進(jìn)行分析計算。Flowmaster軟件具備完善的元器件數(shù)據(jù)庫，同時支持自定義模塊，軟件具有圖形化用戶交互界面，包含各類流體的性能數(shù)據(jù)，能夠?qū)?fù)雜流體進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的仿真計算［4］。

在建模過程中，根據(jù)海水管路的實(shí)際走向和閥附件的布置情況，依次對水泵、換熱器、管道、閥門、附件、邊界條件等建立仿真模型，確保所建的模型元件與實(shí)際系統(tǒng)中的部件一一對應(yīng)［5］。在此基礎(chǔ)上，對各系統(tǒng)部件賦予必要的性能參數(shù)，使該仿真模型能如實(shí)反映冷卻管網(wǎng)系統(tǒng)特性，建立的海水冷卻系統(tǒng)管網(wǎng)模型如圖5所示。

圖5 海水冷卻系統(tǒng)管網(wǎng)模型

利用仿真模型對該47 500 DWT散貨船進(jìn)行實(shí)船分析計算，可以獲取該船在不同工況下，海水管路不同節(jié)點(diǎn)的流量、壓力等信息。為了與定速泵方案進(jìn)行能耗比較，結(jié)合該船的航運(yùn)情況，選取該船航行工況和停泊工況，通過仿真獲取該船變頻系統(tǒng)在兩類工況的運(yùn)行數(shù)據(jù)。該船航行時冷卻系統(tǒng)熱負(fù)荷為4 059 kW，停泊時為1 908 kW。不同工況下冷卻海水流量的計算結(jié)果如表1所示。

由于海水泵的額定流量為270 m3/h，當(dāng)所需冷卻海水流量高于270 m3/h，系統(tǒng)運(yùn)行2臺海水泵，當(dāng)所需流量低于270 m3/h，僅運(yùn)行1臺海水泵，根據(jù)以上數(shù)據(jù)并結(jié)合泵的特性曲線獲取冷卻系統(tǒng)的海水流量和變頻海水泵組功率的變化趨勢如圖6、圖7所示。

表1 不同工況下的冷卻海水流量

圖6 冷卻海水流量變化趨勢圖

圖7 變頻海水泵組功率變化趨勢圖

從以上趨勢圖可以看出，船舶的停泊工況與航行工況相比，冷卻系統(tǒng)的熱負(fù)荷下降，因此所需的冷卻水流量下降，變頻海水泵的功率降低，另一方面，當(dāng)航行的海水溫度下降時，海水的冷卻能力有所增強(qiáng)，冷卻海水流量與海水泵功率也沿特定曲線下降，均實(shí)現(xiàn)了無級、連續(xù)變化。通過進(jìn)一步的分析可知，當(dāng)海水溫度從設(shè)計點(diǎn)32℃下降至20℃左右時，變頻海水泵的流量及功率下降明顯，當(dāng)溫度繼續(xù)降低時，海水泵已保持在較低的能耗下運(yùn)行，表明變頻泵在較寬的溫度范圍內(nèi)均具備明顯的節(jié)能效果。

3 能耗與經(jīng)濟(jì)性分析

47 500 DWT散貨船船東提供的航運(yùn)數(shù)據(jù)顯示，該船一年內(nèi)累計運(yùn)營355d，其中航行時間約2560h，停泊時間約5 960 h。結(jié)合海域溫度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分別計算變頻海水冷卻系統(tǒng)在航行和停泊工況的能耗，并與該船現(xiàn)有的定速泵方案的系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，計算結(jié)果如表2所示。

由計算結(jié)果可知，原方案配置3臺定速海水泵，根據(jù)實(shí)際所需的冷卻海水流量改變海水泵的運(yùn)行臺數(shù)，一年運(yùn)營周期內(nèi)海水冷卻系統(tǒng)的總能耗為383 400 kW·h，而采用變頻海水泵，通過調(diào)節(jié)海水泵的轉(zhuǎn)速以滿足冷卻需求，系統(tǒng)能耗降至116 705 kW·h，可見，一年可節(jié)能 266 695 kW·h，即在原方案基礎(chǔ)上降低69.6%，節(jié)能效果顯著。

表2 系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)比較表

在系統(tǒng)能耗計算的基礎(chǔ)上，對變頻方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。該船發(fā)電機(jī)組的燃油消耗率為196 g/kW·h，按降低的能耗，一年可節(jié)約燃油約52.3 t。按180 cSt燃料油3 500元/t的價格計算，采用變頻海水泵后，每年降低船舶運(yùn)營成本約18.3萬元。通過咨詢廠家，采用變頻海水系統(tǒng)因增設(shè)變頻器和控制柜等設(shè)備導(dǎo)致初始投資增加10萬元左右。由此可知，該船運(yùn)營7個月即可回收該附加成本，可以有效地提高船舶的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

本文通過對47 500 DWT散貨船冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明采用變頻海水系統(tǒng)能耗降低69.6%，節(jié)能效果明顯。該船冷卻系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷及海域溫度分布情況具備一定的代表性，其結(jié)果對同類型船舶具有較強(qiáng)的借鑒意義。在當(dāng)前航運(yùn)市場相對低迷的背景下，變頻海水系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，能有效的降低船舶的運(yùn)營成本，具有廣闊的發(fā)展前景。