船舶主機高溫淡水廢熱利用裝置探究

王帥軍，朱發新，李玉樂

(浙江海洋大學 港航與交通運輸工程學院，浙江 舟山 316022)

隨著航運業的發展，能源緊缺及燃油成本高漲、燃油需求量持續增長以及國際海事組織(IMO)對船舶節能減排的關注，使得節能減排成為各大航運公司重視的問題[1-2]。研究和應用節能技術以降低船舶能耗，加強船舶節能減排的基礎性管理和設備維護保養，不僅可為航運企業節省大量的燃油費用，還可以減少船舶營運所造成的環境污染，從而實現經濟與環保雙重效益。因此，加強船舶廢熱的回收利用是實現船舶節能減排的重要、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，專家學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。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，有效的回收利用對船舶節能具有重要意義。

在以柴油機為主推進裝置的船舶中，燃料燃燒產生的巨大熱量，大約只有40%～55%轉化為機械能，大部分熱量通過冷卻水、排氣等方式向外界耗散[3]。柴油機缸套內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。根據柴油機熱平衡的計算，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，已是節能減排的必然趨勢[4-6]。

1 船舶主機高溫淡水冷卻水系統簡介

1.1 高溫淡水冷卻系統

船舶主機在工作時，汽缸內燃油燃燒產生大量的熱量，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處理，從而確保燃燒室部件溫度維持在一個正常工作范圍。

一般情況下，主機活塞由滑油冷卻，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，高溫淡水經缸套冷卻水總管K處進入缸套冷卻水腔。冷卻缸套后，通過兩個冷卻水接頭進入汽缸蓋冷卻水套，冷卻水冷卻汽缸蓋下部后，向上流動經過汽缸蓋上部鉆有的一圈冷卻水孔，進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，一部分從缸蓋內部通道出來，通過一個連接管去冷卻排氣閥上部；另一部分從缸蓋其他的內部通道流出汽缸蓋，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缸蓋的出口管進入高溫淡水出口總管。

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

冷卻水從出口總管L出來后，先經過第一個調溫三通閥A，這個三通閥是造水機系統旁通閥，其溫度一般設定為70 ℃左右，造水機通過該三通閥并聯在系統上。造水機系統旁通管可以調節流過造水機的高溫淡水量，可對進入缸套淡水冷卻器的水溫進行有效調節。造水機工作時，三通閥動作使一部分缸套高溫淡水流過造水機；當造水機停止運行時，三通閥直接使高溫淡水旁通。

通過造水機系統調溫三通閥后，冷卻水進入系統中的第二個調溫三通閥，這個三通閥是高溫淡水系統三通閥，其設定溫度為80 ℃左右。從調溫閥出來的冷卻水分成兩路，一路旁通不經過冷卻器；另一路進入高溫淡水冷卻器，冷卻后與不經過冷卻器的缸套水匯集在一起進入除氣水箱。高溫淡水系統三通閥利用安裝在缸套水出口總管上的傳感器檢測缸套水出機溫度，然后通過調節器驅動三通閥，控制旁通水量與進入冷卻器的水量使淡水出機溫度維持在80～85 ℃。當進入主機缸套的淡水溫度低于正常值時，調節三通閥旁通開度，減少流過缸套水冷卻器的缸套水量；當溫度高于正常值時，增大流過缸套水冷卻器的缸套水量而加強冷卻。高溫淡水流過第二個三通閥以后進入除氣箱，系統中如果進氣，空氣就通過除氣箱上部管路進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入除氣箱，可以起到向系統補水和增加缸套水泵壓頭的作用，冷卻水通過除氣箱后，進入到2臺并聯運行的缸套水泵。

1.2 現有系統的缺陷及影響

在系統的諸多缺陷中，船舶發動機熱量損失是船舶柴油機在運行中極為重要一個方面。在船舶中央冷卻系統中，當海水與低溫淡水進行熱交換之后，海水溫度逐漸升高。但大部分海水被排出舷外，其余熱并沒得到回收利用，降低了船舶柴油機的熱效率。

在船舶中央冷卻系統中，應注意海水泵的臟堵，一旦海水濾器臟堵就會造成海水泵的吸入真空增大而吸不上水，達不到冷卻的效果。另外，由于海水具有腐蝕性，可能導致系統中央冷卻器及管路等因腐蝕而穿孔泄漏，造成淡水污染，增加了船舶柴油機中央冷卻系統維護保養的成本，縮短了設備及管路的使用壽命[7]。

2 主機高溫淡水廢熱利用裝置

2.1 工作原理

在主機中央冷卻水系統中，熱量伴隨各級冷卻消耗，造成大量的能源浪費。為有效解決這一問題，利用溫度自發的從高溫物體向低溫物體傳遞的原理，運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，對主機冷卻水系統進行改造，設計一套高溫淡水廢熱的回收利用裝置，取代常規的低溫淡水冷卻系統和海水冷卻系統，對高溫淡水系統的淡水進行冷卻以維持燃燒室部件正常運行溫度，同時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，使各個終端達到所需的加熱溫度以維持正常運行。

圖2為主機高溫淡水冷卻水系統組成框圖，該系統由高溫淡水系統、換熱水箱、余熱利用終端冷卻器和換熱管4個主要換熱器件構成。高溫淡水冷卻主機部件帶走多余熱量而使自身的溫度升高，當高溫淡水流至三通閥時，將出口端水引至換熱水箱進行換熱，達到高溫淡水冷卻且水箱中的水被加熱的雙重效果。三通溫控閥能自動調節開度大小，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，即對燃油艙、滑油艙和沉淀柜等待加熱的終端進行加熱，使這些終端系統維持正常運行。然后經單向閥、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行往復循環。

1-補水閥；2-補水管；3-出水閥；4-出水管(主機高溫淡水進水管)；5-三通溫控閥；6-進水管(主機高溫淡水出水管)；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 主機高溫淡水冷卻水系統組成框圖

2.2 組成部件功能

主機高溫淡水廢熱利用裝置是一個有序工作的整體，該裝置有眾多元器件有序組合而成，這些器件各自發揮的作用確保系統有效的運行。各種相關聯器件的功用敘述如下。

1)水箱。水箱采用敞口設計，用于存貯待加熱的水，水箱頂部開口有利于熱水的膨脹，也便于工作人員觀察水箱內的水位。水箱下部裝設有用于導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；水箱上部裝設補水管，補水管上裝有補水閥，當水箱中的水不足時，安裝在最低工作水位的感應器發出缺水信號，自動開啟補水閥進行補水；補水閥上方的適當位置裝設溢流管，當水位超過最高工作水位，水經溢流管流至溢流箱；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。換熱管是用來輸送主機缸套內的淡水進入水箱并與水箱內的水進行熱交換的構件。其入口的進水管上設有三通溫控閥并連接主機缸套的高溫淡水出口，換熱管的出口通過出水管連接高溫淡水泵的入口；進水口上的三通溫控閥根據水箱內溫度的變化情況，調節換熱管進口和出口端的流量。三通溫控閥第一端連接主機缸套，第二端連接換熱水箱，第三端連接主機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有出水閥。

3)熱水分配器。其主要作用是用來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了單向閥，各出水分管的出口連接待加熱終端的加熱管，對終端進行加熱。

4)待加熱終端。即為需要適當進行燃油艙、滑油艙和沉淀柜。燃油艙底部裝設加熱盤管以加熱重油，保持其具有良好的流動性，便于駁運。調節加熱管的流量，將燃油加熱至適當的溫度以加速燃油的沉淀分離；滑油經主、輔機滑油分油機供給泵從主、輔機滑油循環艙及澄清艙中泵出，經加熱后的滑油流入各自的滑油分油機，經過處理后的油渣流入油渣艙，凈化后的滑油重新回到主、輔機滑油循環艙及澄清艙。

沉淀柜的作用是儲存從燃油艙駁來的燃油，通過加熱使其溫度由30 ℃左右升至70～80 ℃，對燃油進行沉淀和物理分離之后，使油渣、油泥沉淀，并經放殘去除大部分水分，經分油機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保養

1)淡水溫度的調整。 在高溫淡水廢熱利用裝置的日常維護保養中，應嚴格按照使用說明書的規定調整相應的參數值，避免淡水出口溫度過低或過高。對于中高速柴油機，一般其出口溫度可控制在70～80 ℃，而對于低速機可控制在60～70 ℃；進出口溫差控制在12 ℃以內[8]。在日常的管理與維護中，當發現個別汽缸水溫出現異常情況時，輪機人員應結合該缸的排溫判明熱負荷是否正常，若判定噴油器和供油量正常，則可通過調整該缸的出水調節閥，改變其循環冷卻水量使水溫恢復正常。當柴油機出現過熱時，則應先卸掉部分負荷，使冷卻水溫度逐漸降低，但絕不能立即使其停止運轉，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炸缸事故。

2)各缸冷卻水流動情況的檢查。主機正常工作時，高溫淡水產生的熱量必須由冷卻系統進行冷卻，保證高溫淡水的溫度維持在正常范圍內。因此在高溫淡水循環出口設置溫度自動調節裝置，當高溫淡水的溫度達到某一上限值時，自動啟動海水冷卻系統對高溫淡水進行冷卻，防止高溫淡水冷卻系統溫度過高。待加熱端越多，換熱效率越高，但同時必須滿足待加熱端60～70 ℃的要求，所以應安排合適的燃油艙、滑油艙和沉淀柜數量以達到廢熱的最大程度利用，同時也達到防止高溫淡水冷卻系統損壞的目的。

3)高溫淡水廢熱回收利用裝置各部件及參數檢查。需檢查的各部件包括：三通閥、水箱、換熱管、補水裝置、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關位置等；檢查水箱水位、熱水分配器液位和回流匯聚箱液位的設定參數是否符合要求。在運轉中應定期檢查水箱水位、溫度和管路流通情況等；觀察各裝置是否正常運轉。根據所水質情況定期進行水箱水更換作業并進行人工清洗。

4 結束語

利用換熱裝置換熱性能和水傳熱性能，對船舶柴油機冷卻水系統的低溫淡水和海水系統用高溫淡水廢熱利用裝置替換并對其進行探究，得出如下3點結論。

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

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

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的法蘭、閥件極易損壞，維護管理麻煩的困難，同時提高了能源的利用率。

[1]曾慶東.國際排放法對船舶動力系統技術提升的要求與對策[J]. 武漢理工大學學報，2015，39(2):350-353.

[2]王強.船舶主機降功率節能減排技術的優化研究[D].大連：大連海事大學，2013.

[3]黃步松.EEDI的實施對船用柴油機的影響[J].交通節能與環保，2013(5):50-53.

[4]李康康.主機冷卻水系統優化設計及其溫度智能控制的研究[D].武漢：武漢理工大學，2012.

[5]馮明志.船用柴油機自主創新與節能減排技術發展[R].上海：第七屆長三角地區船舶工業發展論壇，2011.

[6]梅磊.船舶柴油機新型余熱回收利用系統研究[D].武漢：武漢理工大學，2011.

[7]涂環.ENGARD型船舶中央冷卻水系統建模與仿真[D].武漢：武漢理工大學，2013.

[8]李斌.船舶柴油機[M].大連：大連海事大學出版社，2014.