麻蔚然

（舟山中遠海運重工有限公司，浙江舟山 316131）

0 引言

隨著全球對排放的控制越來越嚴格，對節(jié)約能源的需要也越來越強烈。船舶作為全球運輸支柱和經濟紐帶，是一個能耗和排放的重要來源。目前船舶航運中的電力來源主要依靠柴油發(fā)電機組，如何減少船舶在正常工作中的電力消耗是一個值得深究的課題。

目前，大型船舶的冷卻水系統(tǒng)運行流程通常為：中央淡水冷卻系統(tǒng)對各個設備用戶進行必要的冷卻，然后經過冷卻器與海水冷卻系統(tǒng)進行熱交換，進而降低淡水的溫度，降溫后的淡水重新在系統(tǒng)內循環(huán)，周而復始。在船舶設計中，通常將淡水溫度設定為36 ℃，海水溫度則根據(jù)夏季熱帶地區(qū)溫度進行熱平衡計算。然而，船舶在航行或工作過程中，海水的溫度差異較大，設計中存在較大的冗余。同時，船舶在不同的工作狀態(tài)下，設備運行負荷情況不一，而設備的選型需要按最大工況進行設計，這就導致實際工作中同樣存在熱負荷的冗余問題。隨著變頻控制技術的成熟和廣泛應用，通過變頻控制來減少海水冷卻系統(tǒng)的能耗具有非常好的實用性。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 穿梭油輪系統(tǒng)的特殊性

穿梭油輪在運營中的一項重要功能是與 FPSO或鉆井平臺對接并進行貨油的轉駁。在此過程中，船舶需要進行動力定位來克服風力、海浪和洋流的影響，使穿梭油輪與轉駁對象之間保持一個相對固定的位置。同時考慮到操作的安全性，需要對該類型船舶進行系統(tǒng)冗余設計，確保某一重要設備或系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，仍然能保持船舶的動力定位能力。因此，本例的穿梭郵輪配備了3套獨立的中央淡水冷卻系統(tǒng)和海水冷卻系統(tǒng)。

1.2 海水冷卻系統(tǒng)

以3套獨立冷卻系統(tǒng)中的1個為例，海水冷卻系統(tǒng)主要由高低位海底門、海水吸入濾器、海水冷卻泵、壓差控制器、冷卻器、溫度傳感器及一些控制閥件及儀表組成（見圖1）。冷卻海水經過海底門和海水總管，由海水冷卻泵驅動進入冷卻器，在冷卻器中進行海水與淡水的熱交換后排出舷外。海水冷卻泵一般設計為一備一用，冷卻器通常設計為單個滿足100%熱負荷計算。

圖1 海水冷卻系統(tǒng)

1.3 淡水冷卻系統(tǒng)

淡水冷卻系統(tǒng)是一個封閉式內循環(huán)系統(tǒng)，由淡水循環(huán)泵、冷卻器、壓力傳感器、三通溫控閥、膨脹水柜、設備用戶和一些控制閥件及儀表組成（見圖 2）。冷卻系統(tǒng)通過淡水冷卻泵將系統(tǒng)內設定的36 ℃淡水通過管網輸送到各個用戶，帶走用戶內部的熱量。溫度升高后的淡水部分經過冷卻器與海水進行熱交換后進入三通溫控閥，另一部分直接進入三通溫控閥。通過三通溫控閥出口的溫度傳感器反饋混流后的淡水溫度，并根據(jù)PID控制調整三通溫控閥的開閉角度實現(xiàn)高低溫淡水的混合比例達到要求（出口溫度為36 ℃）。

圖2 淡水冷卻系統(tǒng)

2 熱負荷變化

2.1 動力定位工況

如1.1中所述，穿梭油輪的特點在于船舶在裝載貨油過程中需要進行動力定位，主要需克服風力和洋流等可能對船舶造成位置偏移的外力，主要依靠船舶軸系推進系統(tǒng)、舵、多組側推和全回轉推進器的位置監(jiān)測系統(tǒng)進行位置修正。隨著不同強度的風力風向和洋流對動力輸出的要求變化，發(fā)電機的負荷也隨之發(fā)生變化，從而導致系統(tǒng)熱負荷的改變。以某型穿梭油輪為例，在風速48.6 n mile/h，浪高5 m，洋流流速2.14 n mile/h的工況下，B組動力定位推進器的電力需求為5 320 kW，而在靜水的理論狀態(tài)下，實際消耗功率約為798 kW。查閱發(fā)電機臺架試驗參數(shù)（見表 1），在可推算在負荷變化的條件下，單臺發(fā)電機組冷卻系統(tǒng)熱負荷變化約為5.2%。

表1 發(fā)電機臺架試驗參數(shù)

2.2 海水溫度

海水溫度是海水冷卻系統(tǒng)設計中一個非常重要的參數(shù)，穿梭油輪常規(guī)設計中仍然以32 ℃作為基準。但是在實際運營過程中，隨著緯度、季節(jié)和吃水深度的改變，海水溫度一般在10 ℃～32 ℃之間變化。所以在淡水系統(tǒng)流量保持恒定的情況下，海水流量需求有了很大的變化區(qū)間。根據(jù)實際需要自動調整海水流量可有效降低海水冷卻泵的功率消耗。

3 海水冷卻系統(tǒng)設計要點

3.1 海水冷卻泵參數(shù)

流量是海水冷卻泵的一個重要參數(shù)。在對海水冷卻泵的流量進行選取時，首先要根據(jù)最大熱交換需求及海水預期的出口溫度進行計算，再綜合考慮泵排量的冗余情況，最后選定流量參數(shù)。海水冷卻泵排量計算公式為[1]

式中：Q為海水冷卻泵流量，m3/h；H為冷卻水熱交換量，kW；C 為比熱容，J/(kg?℃)；t1為海水進口溫度，℃；t2為海水出口溫度，℃，為了防止海水鹽稀，海水出口溫度t2一般設定在45 ℃～48 ℃之間。目標設定溫度越高對應的冷卻器或海水冷卻泵的設備選型就越經濟。

揚程是海水冷卻泵的另一個重要參數(shù)。海水冷卻泵通常布置在船舶機艙的底層，本例中蘇伊士型穿梭油輪排舷外出口和系統(tǒng)管路的最高點均在水線以下（輕載工況下），所以海水冷卻泵的揚程計算中不需要考慮排出靜壓差問題，只需要考慮海水管路沿程損失和冷卻器的壓力降。

3.2 冷卻器選擇

在船舶設計中，換熱量較大的換熱器一般選擇板冷形式。對于海水冷卻的板冷在材質上需要選擇耐腐蝕材質的鈦合金。除了根據(jù)淡水冷卻系統(tǒng)計算得到的最大熱交換量外，板冷還需要考慮設備壓力降的選擇。板冷壓力降一般選擇0.07 MPa～0.10 MPa，同時它的選擇與3.1中提到的海水冷卻泵的揚程選擇相互關聯(lián)。從設計經驗角度，可適當提高壓力降，增加高效板片的使用比例，這對于設備采購成本有益。

3.3 海水冷卻泵切換控制

海水冷卻泵選擇為離心泵，一般設計為一備一用，以實現(xiàn)海水冷卻泵故障時能自動切換。通常在泵出口設置壓力傳感器來監(jiān)測泵的出口壓力是否正常。由于不同的吃水狀態(tài)將影響泵出口的壓力值，這導致壓力設定值需要通過中央控制系統(tǒng)參照吃水數(shù)據(jù)進行修正，進而增加了系統(tǒng)設計的復雜性。本型穿梭油輪根據(jù)3.1節(jié)描述的特殊性（系統(tǒng)管路高點在輕載吃水線以下），在設計中使用海水冷卻泵進出口設置壓差傳感器的方式，以消除吃水和波浪變化對自動切換控制參數(shù)設定的影響。所以，海水冷卻泵自動切換可以直接根據(jù)泵的特性曲線中可適用的最小頻率下的壓力值進行設定。本系統(tǒng)管路在設計工況下背壓較小，需要在選擇壓差傳感器時考慮足夠的精度和靈敏度。

3.4 變頻控制

如圖1所示，在冷卻器出口處設置1只PT100溫度傳感器，連續(xù)監(jiān)測海水排舷外溫度，信號反饋給變頻控制系統(tǒng)。海水冷卻泵的特性決定了泵的功率與轉速之間為3次方關系，設定海水出口溫度目標值為45 ℃，自動調頻系統(tǒng)將溫度傳感器反饋的實時海水溫度與設定值做對比，并進行頻率的調整。隨著頻率的變化，海水冷卻泵的轉速也隨之相應變化，進而調整海水的排量以達到需要的冷卻效果，最終達到降低能耗的目的。

根據(jù)變頻器效率、海水冷卻泵電機效率與轉速的關系，當電機實際轉速與額定轉速比小于0.3時，變頻器的效率會急劇下降，低于0.5時電機的效率下降幅度也明顯增強[2]。所以，海水冷卻泵的變頻控制范圍廠家一般推薦在0.5～1.0。在實際使用中，海水冷卻系統(tǒng)中的閥件處于全開狀態(tài)，不會調整閥門的開度，所以系統(tǒng)管路特征是不變的[3]。

結合海水冷卻泵的特性曲線和管路特征曲線（見圖3），A點為設計最大工況下的運行點，B點為設計最小工況且保證泵運行效率情況下的運行點。將B點對應的凈壓頭作為3.3中描述的海水冷卻泵故障自動切換點的設計參照。

圖3 海水冷卻泵性能曲線

4 結論

設計中設備的選型必須根據(jù)最大工況來進行，而實際運營過程中達到最大工況的時間占比卻很少。海水冷卻系統(tǒng)采用變頻設計后，有效地節(jié)省了能源消耗，但同時也在設備成本投入上有所增加。穿梭油輪需配備多套獨立海水冷卻系統(tǒng)、動力定位過程中熱負荷變化大的特點決定了其使用變頻控制的可行性和必要性。