40 000噸級綠色靈便型散貨船海水冷卻系統節能設計

崔利梅，孫建慶

(天津新港船舶重工有限責任公司設計所，天津 300452)

40 000噸級綠色靈便型散貨船海水冷卻系統節能設計

崔利梅，孫建慶

(天津新港船舶重工有限責任公司設計所，天津 300452)

40 000噸級綠色靈便型散貨船采用中央冷卻系統設計，配備3臺冷卻海水泵，1臺為定速泵，2臺為變速泵，可根據船舶動力裝置的負荷、不同海域的海水溫度和溫控閥的開度，利用變頻控制技術自動調節海水泵的轉速、流量，從而達到有效降低船舶電能消耗及廢氣排放，在實現綠色環保的同時，也將改善海上運輸效能。

40 000噸級綠色靈便型散貨船;冷卻系統;海水泵;變速調節

2011年7月，國際海事組織 (IMO)在海上環境保護委員會 (MEPC)第62屆會議上通過了《國際防止船舶造成環境污染公約》 (MRAPOL)附則Ⅵ有關船舶能效規則的修正案，并確定船舶能效設計指數 (EEDI)于2013年1月1日生效實施。船舶設計建造向節能減排方向發展已成為大勢所趨，應對船舶能效設計指數 (EEDI)是一場沒有退路的“爭奪戰”，綠色環保、節能減排正成為船企新的競爭焦點。為了適應這一發展要求，船企的發展必須要融入綠色，通過開展造綠色船舶來實現轉型升級，以圖在低迷的市場中創造需求，贏得機會。天津新港船舶重工有限責任公司目前正在批量建造的40 000噸級綠色船舶就是小靈便型散貨船的升級版，它在船體線型、機槳匹配、能耗分布、節能技術利用、尾部渦流能量利用等方面都具有超前的競爭優勢，尤其是衡量油耗和碳排放的船舶能效設計指數 (EEDI)將低于基準線20%左右，與同類型標準散貨船相比設計日油耗可降低25%左右，因此該船型已受到不少船東的青睞。

1 能耗分析

綠色節能專項技術是該船型的主要研究課題。要尋找提高船舶能效的突破口，首先要對船舶的能耗進行分析。經對全船電力負荷分析發現，本船型最大的電能消耗用戶組包括:為推進服務的輔助設備 (電能消耗占總電能消耗的35%);貨艙、甲板機械設備 (電能消耗占總電能消耗的27%);空冷通和加熱設備 (電能消耗占總電能消耗的22%)。

對于燃燒重油的船舶，燃燒1 t重油就會釋放近3 t的二氧化碳，目前唯一能起作用的技術就是提高燃料使用效率。當主機或推進設備效率提高1%時，每年將節省約30 000美元的成本;當發電機效率提高1%或總電力負荷降低1%時，每年將節省約8 350美元的成本。

因此，通過分析船舶能效分布狀態，就可以找出提高船舶能效的可能途徑，本文研究的海水冷卻系統節能技術就是一種有效的解決方案。

2 海水冷卻系統節能技術的研究

2.1 方案的提出

從降低為推進服務的輔助設備電能入手，發現長期運行的海水冷卻系統也是一能耗大戶，對于該系統最重要的節能方式就是提高其能效。如果中央冷卻系統的冷卻海水泵的流量可以根據船舶動力裝置的負荷、海水溫度和溫控閥的開度來自動調節，不僅會大大降低冷卻海水泵的電能消耗，還可以大大延長水泵的使用壽命，節省維修成本。因此，采用變速泵控制技術可以作為最佳解決方案。

2.2 冷卻系統的構成

本船采用中央冷卻系統，由海水冷卻和淡水冷卻2個子系統組成。海水冷卻系統包括海底箱、冷卻海水泵和中央冷卻器構成的開式循環系統，利用海水冷卻循環淡水;淡水冷卻系統包括低溫淡水冷卻泵、負荷設備、自動溫控閥和中央冷卻器組成的閉式循環系統。如圖1所示。

圖1 冷卻系統控制原理圖

2.3 冷卻海水系統的溫度和流量控制設計

由于船用冷卻海水泵變頻控制系統目前在船舶行業尚沒有標準可借鑒，在船舶配套市場也沒有與之對應的成熟產品。因此，需要針對本船型的具體情況來自主開展冷卻系統的節能設計。

本船型冷卻海水系統的節能設計是集成了溫度、流量、溫控閥和變速泵等要素而確定的一體化設計方案。

本船型采用的是3臺34.5 kW冷卻海水泵，按3×50%的冷卻工況設計，2臺為變速泵，1臺定速泵作為備用。變速泵可以單泵或雙泵并聯變速調節［1］，利用變頻調速技術，流經冷卻系統的冷卻海水的流量可通過改變電機的轉速來調節。由于電機的轉速和功率是隨著系統負荷對冷卻量需求的大小而動態調節，這樣可以有效地降低電能的消耗、減少二氧化碳的排放。

溫度設定，將自動溫控閥的出口溫度T3設定在36℃，將中央冷卻器淡水出口溫度T1設定在37℃。冷卻器出口淡水溫度T1的變化取決于主機等設備負荷的高低，它將導致冷卻器淡水進口處T2(熱端)自動溫控閥開度的變化或海水泵轉速的變化。

將1號變速泵或2號變速泵投入使用，啟動時先處于怠速狀態，通過智能變頻器提前將電機的最低轉速限定在最高轉速的60%，頻率限定在36 Hz(電站頻率為60 Hz)。如果此時主機負荷較低，只有少量的淡水回到冷卻器，大部分淡水則經溫控閥旁通。當溫控閥T3出口溫度＜36℃時，此時的淡水溫度始終接受自動溫控閥的開度調節。所以，海水泵一直處于怠速節能狀態，流經冷卻器的海水流量較小。

當主機的負荷增加，T2端溫度隨之增加，當溫控閥的開度接近100%狀態 (旁通全部關閉)，來自負荷端的冷卻淡水將全部經過中央冷卻器，當中央冷卻器淡水的出口溫度T1增加到達37℃時，PT100溫度傳感器將溫度信號反饋給PLC，處于怠速運行的海水泵將根據溫度信號的變化接受智能變頻器的控制而升速，以增加冷卻海水的流量，使溫控閥出口溫度T3維持在36℃的平衡點。如圖2所示。

如果單臺變速泵的頻率達到60 Hz后T1≥37℃，說明1臺變速泵的最大排量已不能滿足冷卻要求，將自動啟動另1臺處于備車狀態下的變速泵，2臺海水泵將由PLC控制自動調整轉速并聯運行，然后受溫度控制進行調速，自動調節冷卻海水的流量，達到新的平衡狀態。

圖2 溫控閥和變頻器控制狀態圖

本船型的No.3冷卻海水泵設計為定速泵作為備用泵使用。在應急情況下，可將變速泵的控制模式設為非變頻控制，那么定速泵可與變速泵并聯運行，確保冷卻系統的冗余性。

3 結束語

本船型通過采用自動溫控閥和變速泵組合控制的海水冷卻系統將使節能效果更為顯著。以PLC和變頻器為核心的智能控制系統，實現了負荷測量和按需調節海水流量的動態管理，使冷卻系統在接近最佳效率的狀態下運行。隨著變頻技術的逐漸發展及節能減排問題的日益嚴峻，變頻設備的投資費用可隨其顯著的節能效果而快速回收于所節省的能耗費用中。該技術必將在未來的節能環保型船舶中被廣泛采用。

［1］王宇，龍秉文，黃海，等.離心泵的流量調節與節能控制 ［J］.北京化工大學學報，2007，34(3):235－236.

Central cooling system is adopted with 3 seawater cooling pumps fit out，among which 1 for constant speed and 2 for change speed，the 40 000 dwt environment-protective and flexible bulk-cargo ship can regulate the rotating flow rate of sea-water pumps by auto-control on frequency conversion according to the load of marine power，different temperature at different sea area and open degree on temperature-control valve，so the power consumption can be reduced and the waste-gas can be exhausted effectively.Meanwhile the transport efficiency will be improved.

40 000 dwt environment-protective and flexible bulk-cargo ship;cooling system;sea-water pump;change speed regulation

U673

C

1001－8328(2013)05－0046－02

崔利梅 (1968-)，女，河北唐山人，工程師，中等專科，從事船舶電氣設計工作。

2013－03－27