船舶中央冷卻系統節能優化設計研究

周 振 星

（上海睿緯海事咨詢有限公司，上海 200442）

0 引 言

船舶中央冷卻系統為目前較常用的一種閉式冷卻系統形式。系統中各用戶是通過淡水循環冷卻，淡水再集中通過中央冷卻器（一般為板式換熱器）由舷外海水冷卻帶走熱量的。主要設備有海水泵和中央換熱器。中央冷卻系統具有維修簡單，費用低；可靠性高，運行更安全；氣缸冷卻水溫度易于保持穩定，便于冷態預熱啟動；海水管路短，減少腐蝕；有利于機艙布置和實現自動控制等優點。

隨著燃料價格的不斷上漲，船舶的營運成本也水漲船高。因此在船舶設計階段，在滿足航行安全可靠的基礎上對節能措施的考慮就越來越重要了。本文從中央冷卻系統的工況入手，通過優化中央冷卻系統布置，同樣可以達到節能的目的。

1 船舶中央冷卻系統布置形式

中央冷卻系統可分為2種[1]，即混流式中央冷卻水系統和獨立式中央冷卻水系統。圖1是一種混流式中央冷卻水系統，該系統采用柴油機的高溫水和低溫水混合來調節參數。圖2是獨立式中央冷卻水系統，該系統采用柴油機的高溫水和低溫水各自獨立來調節參數。

2 中央冷卻系統的營運成本組成

一般船舶的中央冷卻系統年營運成本[2]見圖3：

圖1 混流式中央冷卻系統

圖2 獨立式中央冷卻系統

從圖 3可看出，泵的能耗占了整個年成本的絕大部分，約在70%以上。要提高船舶的經濟性，必須減少泵的能耗。泵能耗主要來自高溫水泵、低溫水泵和海水泵，其所占比例大致依次為20%～25%，30%～45%，35%～45%。

3 中央冷卻系統的節能分析

對于淡水回路，可以通過安裝制淡設備來回收主機缸套水的廢熱，從而達到節能目的。

圖3 中央冷卻系統成本組成

對于海水回路，海水泵排量是按照船舶在設計工況（即主機在額定功率下運行、海水溫度為32℃、機艙溫度為45℃）下運行時所需要的海水量來設計的。實際上，船舶一般在75%的主機額定功率（CSR）下運行，海水溫度一般低于32℃，這時海水具有更大的冷卻能力，機艙溫度也低于45℃。因此實際所需的海水量大大低于設計值。圖4和圖5為船舶年航行區域和所需海水量隨溫度的變化曲線，從中可說明，海水泵可通過變工況運行來實現節能。

圖4 所需海水量隨溫度變化曲線

圖5 船舶航行區域隨溫度分布

從圖4和圖5可看出，海水溫度在24℃時所需海水量只是設計點的50%，且船舶只有5%的航行區域海水溫度在30～32℃。這說明大部分航行時間海水泵可以運行在設計點以下，可以改變海水泵的運行工況來優化海水流量，減少海水泵的功耗。

圖6是一型系列散貨船后續船的中央冷卻水系統，相對于首制船的設計作了幾處修改：

圖6 53K散貨船中央冷卻系統

1) 缸套水冷卻器取消，系統改為混合式中央冷卻系統；

2) 海水泵由2×100%主泵+1×系泊海水泵改為3×50%主泵布置；

3) 根據實船運行情況，適當降低淡水泵的壓頭。

改進后的系統，可以在主機部分工況和低溫海水域時，使用一臺流量為50%的設計工況點的海水流量泵即可帶走全部系統的熱量。需說明，設計點所需海水流量，一般是以主輔機都以100%的設計功率即主機MCR工況下運行，海水溫度為32℃時計算出來的。因此在大部分時間里可以減少50%的海水泵功耗。

通過功能關系式計算表列出改進后系統節能量：

取：發動機效率1η=0.46；發電機效率2η=0.95；電纜效率3η=0.95

重燃油熱值K=40200kJ/kg ；燃油價格P=USD960/t

表1 系統改進前后各泵的運行參數

表2 船舶正常航行狀況分布及日能耗

表3 年化系統改進前后燃油消耗量及節約能耗

4 結 語

通過系統改造后，一艘該型散貨船一年可節約燃油約81.4t，合計節約費用約USD78144。說明按3×50%海水泵容量布置的中央冷卻水系統可以達到一定的節能目的，也得到了船東的認可。

[1] 中國船舶工業總公司. 船舶設計實用手冊：輪機分冊[M]. 北京：國防工業出版社，1999.

[2] Engard Central Cooling Control System[J]. ALFA-LAVAL Marine & Power Engineering. 1985.