考慮LNG冷能利用的船用海水淡化裝置設(shè)計(jì)

，，

(1.青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院 機(jī)電系，山東 青島 266071；2.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

在LNG動(dòng)力船上，LNG以液態(tài)形式儲(chǔ)存，主推進(jìn)動(dòng)力裝置(主機(jī))燃用LNG前，必須用主機(jī)缸套冷卻水等廢熱使LNG氣化，這不僅會(huì)浪費(fèi)巨大的冷能(830～860 kJ/kg)，而且會(huì)浪費(fèi)大量的船舶余熱。此前國(guó)內(nèi)外針對(duì)LNG冷能展開(kāi)的相關(guān)研究局限于陸地發(fā)電、冷庫(kù)、空調(diào)和海水淡化等冷能利用形式，較少涉及船舶類(lèi)LNG冷能利用[1-4]。因此考慮以30萬(wàn)t LNG動(dòng)力船(VLCC)為對(duì)象，同時(shí)選用ME-GI作為主推進(jìn)動(dòng)力裝置，依據(jù)該船的運(yùn)行工況和能耗特點(diǎn)，有效利用LNG冷能，設(shè)計(jì)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(duì)三種海水淡化方法進(jìn)行比較后認(rèn)為，冷凍法在能耗、成本和技術(shù)方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)[7]，具有較大的開(kāi)發(fā)價(jià)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(fā)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(huán)境污染，而且該方法的技術(shù)不成熟。真空蒸發(fā)式必須保證壓力和溫度參數(shù)在海水三相點(diǎn)附近，操作困難，且技術(shù)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(jié)晶器中進(jìn)行換熱，海水冰晶經(jīng)過(guò)分離、洗滌和融化過(guò)程而得到淡水[9]。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輔助設(shè)備少，且設(shè)備腐蝕輕，不易結(jié)垢，能耗較低，技術(shù)成熟。

經(jīng)比較，選擇間接冷凍法作為L(zhǎng)NG動(dòng)力船的海水淡化方法。

2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)間接冷凍法的工作原理[10]，設(shè)計(jì)LNG冷能利用的海水淡化系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。

該系統(tǒng)由結(jié)晶器、轉(zhuǎn)筒、收集筒、換熱器和預(yù)冷換熱器等組成，轉(zhuǎn)筒的分離區(qū)Z1、洗滌區(qū)Z2和融化區(qū)Z3分別與收集筒的濃海水收集區(qū)S1、洗滌水收集區(qū)S2和淡水收集區(qū)S3一一對(duì)應(yīng)。二次冷媒經(jīng)換熱器與低溫LNG換熱后，進(jìn)入結(jié)晶器，再與預(yù)冷后的海水在結(jié)晶筒內(nèi)進(jìn)行換熱，使海水溫度進(jìn)一步降低而結(jié)冰。由轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)結(jié)晶管內(nèi)的螺旋刮刀旋轉(zhuǎn)，將結(jié)晶管內(nèi)壁上的冰晶刮除，冰晶和未結(jié)冰的濃海水一起從結(jié)晶器下部流入轉(zhuǎn)筒Z1中，分離出的冰晶進(jìn)入轉(zhuǎn)筒Z2中進(jìn)行洗滌，去除表面濃海水后，進(jìn)入轉(zhuǎn)筒Z3中，熱風(fēng)機(jī)供給的熱風(fēng)通入轉(zhuǎn)筒Z3將冰晶融化變成淡水后，流入收集筒S3，再經(jīng)預(yù)冷換熱器進(jìn)入淡水艙。轉(zhuǎn)筒Z2中用過(guò)的洗滌水進(jìn)入收集筒S2，從收集筒S2的出口分為兩路，一路繼續(xù)進(jìn)入轉(zhuǎn)筒Z2中作為洗滌水，另一路洗滌水與預(yù)冷器預(yù)冷后的海水一起進(jìn)入結(jié)晶器。分離出的濃海水進(jìn)入收集筒S1中，經(jīng)過(guò)預(yù)冷換熱器流出舷外。產(chǎn)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(yù)冷進(jìn)入結(jié)晶器的海水，這樣能夠降低結(jié)晶器的冷負(fù)荷。

海水淡化裝置相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 海水淡化裝置設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 結(jié)晶器設(shè)計(jì)

結(jié)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(shè)備，其主要部件包括結(jié)晶管、筒體、刮刀和轉(zhuǎn)軸等，結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖2。

圖2 結(jié)晶器結(jié)構(gòu)組成

由于冷媒有強(qiáng)揮發(fā)性，海水有強(qiáng)腐蝕性，一旦設(shè)備發(fā)生漏泄就會(huì)造成海洋環(huán)境污染，經(jīng)過(guò)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(jié)晶器屬于低壓容器，根據(jù)國(guó)家相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行結(jié)晶管和筒體等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)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(jié)冰。由于該過(guò)程是相變過(guò)程，所以傳熱形式是沸騰傳熱，而根據(jù)結(jié)晶器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，結(jié)晶管的換熱方式確定為池沸騰換熱，由此可以根據(jù)海水側(cè)給熱系數(shù)和結(jié)晶管傳熱系數(shù)等理論公式計(jì)算出結(jié)晶管相關(guān)參數(shù)。結(jié)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(qiáng)制式密封形式，這樣可以保證冷媒不會(huì)漏泄，滿足安全要求的同時(shí)，更加經(jīng)濟(jì)。

2.2.1 結(jié)晶管設(shè)計(jì)計(jì)算

結(jié)晶管利用海水噴淋器周邊的通孔均勻噴灑海水至結(jié)晶管的內(nèi)壁面，由于重力作用，海水沿著結(jié)晶管內(nèi)壁自上而下滑落，海水逐漸結(jié)冰。結(jié)晶管及海水噴淋器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2和圖3(a、d)。

圖3 海水淡化裝置結(jié)構(gòu)

(1)

(2)

(3)

q=Κ×ΔΤ

(4)

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

當(dāng)結(jié)晶管數(shù)取3，由式(1)～(4)計(jì)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(jù)沸騰傳熱理論，對(duì)比分析表明，計(jì)算結(jié)果符合要求。由此得出結(jié)晶管的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 結(jié)晶管的設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2.2 筒體設(shè)計(jì)計(jì)算

結(jié)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(fù)荷。結(jié)晶管內(nèi)壁上海水由于重力作用下滑，因此筒體中的冷媒流動(dòng)方向設(shè)計(jì)為自下而上，這樣冷媒與海水的流動(dòng)方向相反，換熱效果就會(huì)增強(qiáng)，見(jiàn)圖2和圖3a)。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，設(shè)計(jì)的筒體參數(shù)見(jiàn)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(nèi)徑；[σ]t為材料許用應(yīng)力；φ為焊縫系數(shù)；δd為設(shè)計(jì)厚度；C1為材料厚度負(fù)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(yīng)力；pc為計(jì)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(qiáng)度校核條件。

2.2.3 刮刀設(shè)計(jì)

由于結(jié)晶管內(nèi)徑較小，且內(nèi)壁結(jié)晶層一般為1～3 mm，因此刮刀設(shè)計(jì)采用螺旋葉片焊接的推進(jìn)式螺旋刮刀。刮刀在結(jié)晶器中的安裝位置見(jiàn)圖2)，螺旋刮刀結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3c)。當(dāng)冰晶層較厚時(shí)，螺旋刮刀不僅可以帶動(dòng)冰晶下移，防止阻塞結(jié)晶管，而且可以刮除冰層。刮刀的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表4。

2.2.4 轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)計(jì)算

轉(zhuǎn)軸主要是驅(qū)動(dòng)結(jié)晶管內(nèi)的刮刀來(lái)刮除冰晶，轉(zhuǎn)軸的裝配順序和方向取決于結(jié)晶器結(jié)構(gòu)。由于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速較慢(1 r/min)，可以不考慮振動(dòng)穩(wěn)定性，只計(jì)算轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度，而轉(zhuǎn)軸是帶動(dòng)刮刀旋轉(zhuǎn)，因此轉(zhuǎn)軸主要承受轉(zhuǎn)矩。

S=l×h

(9)

F=S×[σ]ice

(10)

(11)

(12)

(13)

式中：S為結(jié)晶面積；l為結(jié)晶管長(zhǎng)度；h為冰層最大厚度；F為軸向力；T為轉(zhuǎn)矩；Wt為軸直徑最小處的抗扭截面系數(shù)；τ為剪切應(yīng)力。

2.3 轉(zhuǎn)筒設(shè)計(jì)

根據(jù)轉(zhuǎn)筒功能不同，均勻分為3個(gè)工作區(qū)，底部采用多層復(fù)合過(guò)濾網(wǎng)，為了保證濾網(wǎng)能夠承受最大冰晶量，在3個(gè)分區(qū)邊界處各加固一根橫梁，見(jiàn)圖1和圖3b)。設(shè)計(jì)的海水淡化裝置產(chǎn)水量為900 kg以上，制冰量為15 kg/min以上，而轉(zhuǎn)筒的間歇驅(qū)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為120 (°)/2 min(1/3圈)，結(jié)合洗滌和融化工作時(shí)間，設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表5。

2.4 收集筒設(shè)計(jì)

收集筒用于收集轉(zhuǎn)筒送出的濃海水、洗滌水和淡水。根據(jù)功能不同，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)筒的分區(qū)均勻分為3個(gè)工作區(qū)，見(jiàn)圖1和圖3(b)。由于收集筒是固定的，轉(zhuǎn)軸必須貫穿收集筒才能驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)筒，因此設(shè)計(jì)一根套管套在轉(zhuǎn)軸上，這樣不影響傳動(dòng)和設(shè)備結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表6。

表5 轉(zhuǎn)筒設(shè)計(jì)參數(shù)

表6 收集筒設(shè)計(jì)參數(shù)

2.5 整體裝置設(shè)計(jì)

結(jié)合上述海水淡化裝置的相關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)，船用海水淡化裝置整體裝配見(jiàn)圖4。

圖4 船用海水淡化裝置結(jié)構(gòu)組成

該裝置自上而下由外接電機(jī)、結(jié)晶器、轉(zhuǎn)筒、收集筒和支架等5個(gè)部分組成。由外接電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)結(jié)晶器內(nèi)的刮刀旋轉(zhuǎn)，刮除結(jié)晶管內(nèi)壁的冰晶，使其進(jìn)入轉(zhuǎn)筒經(jīng)分離、洗滌和融化后，進(jìn)入收集筒產(chǎn)生淡水。該裝置相對(duì)比較簡(jiǎn)單，淡水產(chǎn)量高且穩(wěn)定，占用船舶空間小，適應(yīng)性較強(qiáng)。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)的船用海水淡化裝置筒體的承載壓力一定時(shí)，當(dāng)筒體厚度大于或等于2.5 mm時(shí)，能夠滿足強(qiáng)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(qiáng)度校核條件。通過(guò)結(jié)晶管設(shè)計(jì)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)結(jié)晶管數(shù)量越多，制造淡水量就會(huì)增多，而結(jié)晶管數(shù)量不是越多越好，只有結(jié)晶管數(shù)量為3時(shí)，才能符合沸騰傳熱理論要求。

對(duì)利用LNG冷能的船用海水淡化裝置的核心部件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，對(duì)于海水淡化過(guò)程中海水的冰晶分離、洗滌和融化等輔助部件還有待進(jìn)一步研究和完善，以提高裝置的工作效率。