考慮LNG冷能利用的船用海水淡化裝置設計

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(1.青島遠洋船員職業學院 機電系，山東 青島 266071；2.大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

在LNG動力船上，LNG以液態形式儲存，主推進動力裝置(主機)燃用LNG前，必須用主機缸套冷卻水等廢熱使LNG氣化，這不僅會浪費巨大的冷能(830～860 kJ/kg)，而且會浪費大量的船舶余熱。此前國內外針對LNG冷能展開的相關研究局限于陸地發電、冷庫、空調和海水淡化等冷能利用形式，較少涉及船舶類LNG冷能利用[1-4]。因此考慮以30萬t LNG動力船(VLCC)為對象，同時選用ME-GI作為主推進動力裝置，依據該船的運行工況和能耗特點，有效利用LNG冷能，設計LNG冷能利用的海水淡化裝置。

1 海水淡化法比選

目前，船舶海水淡化方法主要有蒸餾法、膜法和冷凍法三種方法[5-6]。Madani對三種海水淡化方法進行比較后認為，冷凍法在能耗、成本和技術方面均具有明顯優勢[7]，具有較大的開發價值和研究意義。

1.1 直接冷凍法

直接冷凍法分為冷媒直接接觸冷凍法和真空蒸發式直接冷凍法[8]。冷媒直接接觸容易使二次冷媒漏泄造成環境污染，而且該方法的技術不成熟。真空蒸發式必須保證壓力和溫度參數在海水三相點附近，操作困難，且技術成熟度低。

1.2 間接冷凍法

間接冷凍法利用二次冷媒與LNG換熱后，再與海水在結晶器中進行換熱，海水冰晶經過分離、洗滌和融化過程而得到淡水[9]。該方法結構簡單，輔助設備少，且設備腐蝕輕，不易結垢，能耗較低，技術成熟。

經比較，選擇間接冷凍法作為LNG動力船的海水淡化方法。

2 裝置結構設計

2.1 系統設計

依據間接冷凍法的工作原理[10]，設計LNG冷能利用的海水淡化系統，見圖1。

該系統由結晶器、轉筒、收集筒、換熱器和預冷換熱器等組成，轉筒的分離區Z1、洗滌區Z2和融化區Z3分別與收集筒的濃海水收集區S1、洗滌水收集區S2和淡水收集區S3一一對應。二次冷媒經換熱器與低溫LNG換熱后，進入結晶器，再與預冷后的海水在結晶筒內進行換熱，使海水溫度進一步降低而結冰。由轉軸驅動結晶管內的螺旋刮刀旋轉，將結晶管內壁上的冰晶刮除，冰晶和未結冰的濃海水一起從結晶器下部流入轉筒Z1中，分離出的冰晶進入轉筒Z2中進行洗滌，去除表面濃海水后，進入轉筒Z3中，熱風機供給的熱風通入轉筒Z3將冰晶融化變成淡水后，流入收集筒S3，再經預冷換熱器進入淡水艙。轉筒Z2中用過的洗滌水進入收集筒S2，從收集筒S2的出口分為兩路，一路繼續進入轉筒Z2中作為洗滌水，另一路洗滌水與預冷器預冷后的海水一起進入結晶器。分離出的濃海水進入收集筒S1中，經過預冷換熱器流出舷外。產生的淡水和分離出的濃海水溫度都較低，因此，可以利用這部分冷能預冷進入結晶器的海水，這樣能夠降低結晶器的冷負荷。

海水淡化裝置相關設計參數見表1。

表1 海水淡化裝置設計參數

2.2 結晶器設計

結晶器主要是制造海水冰晶的裝置，是該海水淡化裝置的核心設備，其主要部件包括結晶管、筒體、刮刀和轉軸等，結構組成見圖2。

圖2 結晶器結構組成

由于冷媒有強揮發性，海水有強腐蝕性，一旦設備發生漏泄就會造成海洋環境污染，經過比較，選用具有耐腐蝕性和耐低溫性能的奧氏體S31603不銹鋼。結晶器屬于低壓容器，根據國家相關設計標準，進行結晶管和筒體等結構設計。結晶管主要起到傳遞冷量的作用，將二次冷媒攜帶冷量傳給海水，使海水結冰。由于該過程是相變過程，所以傳熱形式是沸騰傳熱，而根據結晶器的設計特點，結晶管的換熱方式確定為池沸騰換熱，由此可以根據海水側給熱系數和結晶管傳熱系數等理論公式計算出結晶管相關參數。結晶器筒體和管板要焊接為一體，而且筒體采用螺栓連接的強制式密封形式，這樣可以保證冷媒不會漏泄，滿足安全要求的同時，更加經濟。

2.2.1 結晶管設計計算

結晶管利用海水噴淋器周邊的通孔均勻噴灑海水至結晶管的內壁面，由于重力作用，海水沿著結晶管內壁自上而下滑落，海水逐漸結冰。結晶管及海水噴淋器結構見圖2和圖3(a、d)。

圖3 海水淡化裝置結構

(1)

(2)

(3)

q=Κ×ΔΤ

(4)

式中：α海水為海水側給熱系數；λs為傳熱系數；us為流速；Vs為運動粘度；H為結晶管高度；K為結晶管傳熱系數；α冷媒為冷媒給熱系數；δ為結晶管壁厚；λw為結晶管材料導熱系數；δice為冰厚度；λice為冰導熱系數；Q為海水淡化所需冷量；A為面積；ΔT為溫度。

當結晶管數取3，由式(1)～(4)計算得出K=515 W/(m2·K)，α冷媒= 2.3×104W/(m2·K)，Q=31.26 kW，A=2.12 m2，根據沸騰傳熱理論，對比分析表明，計算結果符合要求。由此得出結晶管的設計參數見表2。

表2 結晶管的設計參數

2.2.2 筒體設計計算

結晶器筒體主要是承載冷媒的低壓容器，筒體除了承受冷媒的一定壓力外，還必須承受冷負荷。結晶管內壁上海水由于重力作用下滑，因此筒體中的冷媒流動方向設計為自下而上，這樣冷媒與海水的流動方向相反，換熱效果就會增強，見圖2和圖3a)。根據相關規定，設計的筒體參數見表3。

(5)

δd=δ+C2

(6)

δe=δn-C1-C2

(7)

(8)

式(5)～(8)中：δ為筒體厚度；p為壓力；Di為筒體內徑；[σ]t為材料許用應力；φ為焊縫系數；δd為設計厚度；C1為材料厚度負偏差；C2為腐蝕裕量；δe為有效厚度；δn為名義厚度；σt為筒體應力；pc為計算壓力。

由式(5)～(7)得，δ=2.5 mm，δ=2.65 mm，由式(8)得σt=115.22 MPa，已知[σ]t為120 MPa，φ值取1.0，因此，滿足[σ]tφ≥σt的強度校核條件。

2.2.3 刮刀設計

由于結晶管內徑較小，且內壁結晶層一般為1～3 mm，因此刮刀設計采用螺旋葉片焊接的推進式螺旋刮刀。刮刀在結晶器中的安裝位置見圖2)，螺旋刮刀結構見圖3c)。當冰晶層較厚時，螺旋刮刀不僅可以帶動冰晶下移，防止阻塞結晶管，而且可以刮除冰層。刮刀的設計參數見表4。

2.2.4 轉軸設計計算

轉軸主要是驅動結晶管內的刮刀來刮除冰晶，轉軸的裝配順序和方向取決于結晶器結構。由于轉軸的轉速較慢(1 r/min)，可以不考慮振動穩定性，只計算轉軸強度，而轉軸是帶動刮刀旋轉，因此轉軸主要承受轉矩。

S=l×h

(9)

F=S×[σ]ice

(10)

(11)

(12)

(13)

式中：S為結晶面積；l為結晶管長度；h為冰層最大厚度；F為軸向力；T為轉矩；Wt為軸直徑最小處的抗扭截面系數；τ為剪切應力。

2.3 轉筒設計

根據轉筒功能不同，均勻分為3個工作區，底部采用多層復合過濾網，為了保證濾網能夠承受最大冰晶量，在3個分區邊界處各加固一根橫梁，見圖1和圖3b)。設計的海水淡化裝置產水量為900 kg以上，制冰量為15 kg/min以上，而轉筒的間歇驅動裝置轉動時間為120 (°)/2 min(1/3圈)，結合洗滌和融化工作時間，設計參數見表5。

2.4 收集筒設計

收集筒用于收集轉筒送出的濃海水、洗滌水和淡水。根據功能不同，對應轉筒的分區均勻分為3個工作區，見圖1和圖3(b)。由于收集筒是固定的，轉軸必須貫穿收集筒才能驅動轉筒，因此設計一根套管套在轉軸上，這樣不影響傳動和設備結構。設計參數見表6。

表5 轉筒設計參數

表6 收集筒設計參數

2.5 整體裝置設計

結合上述海水淡化裝置的相關設備結構和設計參數，船用海水淡化裝置整體裝配見圖4。

圖4 船用海水淡化裝置結構組成

該裝置自上而下由外接電機、結晶器、轉筒、收集筒和支架等5個部分組成。由外接電機驅動轉軸帶動結晶器內的刮刀旋轉，刮除結晶管內壁的冰晶，使其進入轉筒經分離、洗滌和融化后，進入收集筒產生淡水。該裝置相對比較簡單，淡水產量高且穩定，占用船舶空間小，適應性較強。

3 結論

設計的船用海水淡化裝置筒體的承載壓力一定時，當筒體厚度大于或等于2.5 mm時，能夠滿足強度校核條件。減小筒體厚度，不但筒體的承載能力不能得到有效的改善，而且不能滿足其強度校核條件。通過結晶管設計計算，發現結晶管數量越多，制造淡水量就會增多，而結晶管數量不是越多越好，只有結晶管數量為3時，才能符合沸騰傳熱理論要求。

對利用LNG冷能的船用海水淡化裝置的核心部件進行了詳細設計，對于海水淡化過程中海水的冰晶分離、洗滌和融化等輔助部件還有待進一步研究和完善，以提高裝置的工作效率。