船機余熱在空調(diào)系統(tǒng)中的探索與利用

范昌明

(江南造船(集團)有限責任公司， 上海201913)

0 引 言

2011年7月，MEPC通過決議[1]將能效管理作為海事行業(yè)的強制要求，所有新造船舶須滿足船舶能效設(shè)計指數(shù)(EEDI)，所有船舶必須滿足船舶能效管理計劃(SEEMP)。該法規(guī)適用于所有400 t以上的船舶，已于2013年7月1日起實施，并要求EEDI自2015年起每5年降低10%，到2025年，EEDI共計比現(xiàn)階段基準降低30%。

隨著“綠色船舶”風潮漸起，船舶所有人也將越來越關(guān)注船舶的節(jié)能減排指標。

1 現(xiàn)有技術(shù)

當今，各類船舶和海洋裝備作業(yè)于不同海域，為了給船上人員營造一個舒適的生活、工作環(huán)境，都需要運用到空調(diào)系統(tǒng)。目前，船舶空調(diào)系統(tǒng)主要運用集中式空調(diào)(即中央空調(diào))和冷水機組空調(diào)。文中主要論述的冷水機組空調(diào)，根據(jù)換熱型式的不同，又分為常規(guī)型冷水機組空調(diào)和熱泵型冷水機組空調(diào)。常規(guī)型冷水機組空調(diào)系統(tǒng)主要通過鍋爐熱水或蒸汽實現(xiàn)換熱；熱泵型冷水機組空調(diào)系統(tǒng)主要通過電輔助加熱器實現(xiàn)換熱。

1.1 常規(guī)型冷水機組空調(diào)系統(tǒng)

以常規(guī)型冷水機組空調(diào)系統(tǒng)為例，包含：冷機機組、循環(huán)泵、換熱器、風機盤管及其他附件[2]。船舶需配備蒸汽鍋爐或熱水鍋爐，以便在環(huán)境溫度較低時通過換熱器加熱冷媒水，進而通過風機盤管與室內(nèi)空氣實現(xiàn)換熱。

傳統(tǒng)燃油鍋爐加熱冷媒水系統(tǒng)(見圖1)包括：燃油鍋爐1、循環(huán)水泵2、膨脹水箱3、燃油和排氣附件等。圖1中的換熱器4，通過外部來自鍋爐1的熱水(或蒸汽)加熱后，在循環(huán)泵5的作用下，將加熱后的冷媒水供給艙室內(nèi)風機盤管6實現(xiàn)換熱。

圖1 冷媒水系統(tǒng)(鍋爐加熱)

1.2 熱泵型冷水機組空調(diào)系統(tǒng)

熱泵型冷水機組空調(diào)系統(tǒng)需配置1臺電輔助加熱器，以便在環(huán)境溫度過低(如船舷外水溫<3 ℃)時，開啟電加熱器加熱冷媒水供艙室制熱用。

該系統(tǒng)能利用船舷外水溫與空氣溫度間的溫差，通過熱泵提取水中的熱量來加熱冷媒水。當舷外水溫≥3 ℃時，冷水機組通過壓縮機工作僅能達到額定熱量的70%；當水溫<3 ℃時，熱泵制熱效率急劇下降，遠不能滿足艙室制熱所需，必須進入輔熱運轉(zhuǎn)模式。目前，在輔熱運轉(zhuǎn)模式下?lián)Q熱器4大多采用電加熱，其功率將使電站容量明顯增大，增加建造和運營成本。

以上兩種現(xiàn)有的冷水機組空調(diào)冷媒水系統(tǒng)制熱方式不僅需配置鍋爐提供熱水或蒸汽，進而消耗燃油，增加船舶質(zhì)量和運營成本，還需增大電站容量。

2 研發(fā)理念

本文研究了一種用于空調(diào)冷媒水的新型船舶主機或發(fā)電機(簡稱：船機)余熱利用系統(tǒng)。該系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)鍋爐或電加熱冷媒水的方式，充分利用船機余熱，解決冷媒水加熱問題，取消了燃油熱水鍋爐及相關(guān)配置，減少了燃油消耗和電站容量，降低了建造和運營成本，有效地解決傳統(tǒng)鍋爐或電加熱冷媒水所存在的不足。

無論船機采用高、低溫水冷卻系統(tǒng)，中央冷卻方式或是混合水方式，系統(tǒng)均能有效適用。

3 技術(shù)實施

3.1 設(shè)備與系統(tǒng)

傳統(tǒng)的船舶空調(diào)冷媒水系統(tǒng)與船機冷卻系統(tǒng)相互之間獨立運行，互不關(guān)聯(lián)。冷媒水系統(tǒng)換熱需通過配置燃油鍋爐或輔助電加熱器實現(xiàn)[3]。冷卻船機缸套等部件的高溫淡水余熱主要通過海水冷卻系統(tǒng)帶出舷外，不做利用。如圖2和圖3所示。

圖2 冷媒水系統(tǒng)(輔助加熱)

圖3 船機冷卻系統(tǒng)

常規(guī)的空調(diào)冷媒水系統(tǒng)和船機淡水、海水冷卻系統(tǒng)介紹如下：

(1) 冷媒水系統(tǒng)，包括換熱器4、循環(huán)泵5和風機盤管6。換熱器4分別與空調(diào)冷水機組和風機盤管6連接，循環(huán)泵5分別連接空調(diào)冷水機組、換熱器4和風機盤管6，換熱器4設(shè)置鍋爐(蒸汽或熱水)加熱或電加熱，通過循環(huán)泵5與風機盤管6連通形成循環(huán)系統(tǒng)。

(2) 淡水冷卻系統(tǒng)，對主機8進行冷卻，包括缸套水泵9、冷卻器7、溫控閥10和膨脹水箱11。缸套水泵9分別連接冷卻器7、溫控閥10、膨脹水箱11和主機8；溫控閥10分別連接冷卻器7、缸套水泵9、膨脹水箱11和主機8。

其中：缸套水泵9可使膨脹水箱11內(nèi)存儲的熱交換介質(zhì)——淡水，在主機8與冷卻器7之間循環(huán)流動；經(jīng)冷卻器7熱交換后的淡水流經(jīng)主機8，在主機8內(nèi)進行熱交換，吸收主機8產(chǎn)生的熱量對其進行冷卻，吸收熱量后的淡水可通過缸套水泵9再次進入冷卻器7，進行熱交換。如此循環(huán)，實現(xiàn)對主機8的冷卻。

另外，溫控閥10根據(jù)溫度傳感器實時檢測出的主機8冷卻水出口溫度，通過與設(shè)定值進行比對，可對淡水冷卻系統(tǒng)的熱交換溫度進行調(diào)節(jié)控制。

(3) 海水冷卻系統(tǒng)，對主機8高溫淡水進行冷卻，包括海水箱12和海水泵13。海水泵13分別連接海水箱12和冷卻器7，主機8高溫淡水(通常在80～85 ℃)可通過冷卻器7與海水進行熱交換，海水泵13可從海水箱12吸入海水，并將海水輸入冷卻器7內(nèi)，進入冷卻器7內(nèi)的低溫海水與冷卻器7中的高溫淡水進行熱交換，從而可將主機8中的熱量帶走(排舷外)。

3.2 方案與實施

新型船機余熱利用系統(tǒng)在冷媒水系統(tǒng)與船機冷卻系統(tǒng)之間有兩種配合方式：

(1) 將空調(diào)換熱器4與淡水冷卻系統(tǒng)中的冷卻器7并聯(lián)，然后在換熱器4的冷媒水出口設(shè)溫度傳感器14，在冷卻器7的高溫淡水進口設(shè)三通調(diào)節(jié)閥15，溫度傳感器14與三通調(diào)節(jié)閥15配合連接，如圖4所示。

圖4 新型船機余熱利用系統(tǒng)

(2) 將換熱器4串接在海水冷卻系統(tǒng)上，然后在換熱器7的冷媒水出口設(shè)溫度傳感器14，在冷卻器7的海水出口設(shè)三通調(diào)節(jié)閥15，溫度傳感器14與三通調(diào)節(jié)閥15配合連接。

在冷媒水系統(tǒng)與主機冷卻系統(tǒng)配合使用時，可將冷媒水系統(tǒng)中沒有接入加熱介質(zhì)的換熱器7并聯(lián)在主機高溫淡水冷卻系統(tǒng)中，通過在換熱器7的冷媒水出口設(shè)置溫度傳感器14，在冷卻器7淡水進口設(shè)置三通調(diào)節(jié)閥15，可自動調(diào)節(jié)進入換熱器7的高溫淡水流量。由此，主機冷卻系統(tǒng)的淡水與主機8進行熱交換吸熱后，在進入冷卻器7之前，通過三通調(diào)節(jié)閥15自動分流高溫淡水進換熱器4進行熱交換，對流經(jīng)換熱器4的冷媒水進行加熱。加熱后的冷媒水在冷媒水循環(huán)泵5的作用下，供給艙室內(nèi)的風機盤管6換熱使用。與此同時，與換熱器4進行熱交換后的淡水與流經(jīng)冷卻器7進行熱交換后的淡水匯合，可進行后續(xù)的循環(huán)冷卻工作。

將換熱器4與冷卻器7并聯(lián)，在一定程度上做到了相互備用，使空調(diào)冷媒水系統(tǒng)和主機冷卻系統(tǒng)運行更加安全可靠。

同樣，也可將換熱器4布置于冷卻器7的海水出口處，亦可間接利用主機余熱(原理同上，此處不再贅述)。

上述方案的實施，無論主機8采用高、低溫水冷卻系統(tǒng)或混合水方式，新型船機余熱利用系統(tǒng)均能有效適用。需注意的是：換熱器4在不同環(huán)境溫度、不同艙室制熱負荷下，所需的置換熱量也不同，需根據(jù)設(shè)備具體情況進行調(diào)節(jié)。

4 對比分析

以配置了2臺2 525 kW主機的53 m某巡邏艇為例，其傳統(tǒng)熱水鍋爐加熱系統(tǒng)如圖5所示。

該艇采用燃油熱水鍋爐加熱冷媒水，制熱功率約230 kW，需配置1臺燃油熱水鍋爐(油耗：23 kg/h)+2臺熱水循環(huán)泵+1個膨脹水箱+1個消音器+燃油/排氣等附件。采用新型余熱利用系統(tǒng)的技術(shù)方案無需配置以上設(shè)備，既減輕了船舶質(zhì)量，又較大地降低建造和運營成本，具有較好的環(huán)保和經(jīng)濟效益。

即使采用較新型的熱泵型冷水機組空調(diào)系統(tǒng)+輔助電加熱的形式，也需額外增加電功率約125 kW，加上其他設(shè)備所需電力負荷約300 kW，共需設(shè)置3臺單機功率約150 kW的發(fā)電機組。采用本新型余熱利用系統(tǒng)的技術(shù)方案，則2臺150 kW的發(fā)電機組即可滿足全船電力負荷，可節(jié)省1臺單機功率為150 kW的發(fā)電機及相關(guān)配置。

圖5 傳統(tǒng)熱水鍋爐加熱系統(tǒng)

5 結(jié) 語

在船舶行業(yè)IMO法規(guī)實施和船運市場不景氣的雙重壓力下，節(jié)能減排必將日益受到船舶所有人的持續(xù)關(guān)注。因此，在主機和發(fā)電機等船機余熱利用方面的探索，對優(yōu)化船舶能效設(shè)計指標具有重要意義。