船舶中央冷却系统节能优化设计研究

周 振 星

（上海睿纬海事咨询有限公司，上海 200442）

0 引 言

船舶中央冷却系统为目前较常用的一种闭式冷却系统形式。系统中各用户是通过淡水循环冷却，淡水再集中通过中央冷却器（一般为板式换热器）由舷外海水冷却带走热量的。主要设备有海水泵和中央换热器。中央冷却系统具有维修简单，费用低；可靠性高，运行更安全；气缸冷却水温度易于保持稳定，便于冷态预热启动；海水管路短，减少腐蚀；有利于机舱布置和实现自动控制等优点。

随着燃料价格的不断上涨，船舶的营运成本也水涨船高。因此在船舶设计阶段，在满足航行安全可靠的基础上对节能措施的考虑就越来越重要了。本文从中央冷却系统的工况入手，通过优化中央冷却系统布置，同样可以达到节能的目的。

1 船舶中央冷却系统布置形式

中央冷却系统可分为2种[1]，即混流式中央冷却水系统和独立式中央冷却水系统。图1是一种混流式中央冷却水系统，该系统采用柴油机的高温水和低温水混合来调节参数。图2是独立式中央冷却水系统，该系统采用柴油机的高温水和低温水各自独立来调节参数。

2 中央冷却系统的营运成本组成

一般船舶的中央冷却系统年营运成本[2]见图3：

图1 混流式中央冷却系统

图2 独立式中央冷却系统

从图 3可看出，泵的能耗占了整个年成本的绝大部分，约在70%以上。要提高船舶的经济性，必须减少泵的能耗。泵能耗主要来自高温水泵、低温水泵和海水泵，其所占比例大致依次为20%～25%，30%～45%，35%～45%。

3 中央冷却系统的节能分析

对于淡水回路，可以通过安装制淡设备来回收主机缸套水的废热，从而达到节能目的。

图3 中央冷却系统成本组成

对于海水回路，海水泵排量是按照船舶在设计工况（即主机在额定功率下运行、海水温度为32℃、机舱温度为45℃）下运行时所需要的海水量来设计的。实际上，船舶一般在75%的主机额定功率（CSR）下运行，海水温度一般低于32℃，这时海水具有更大的冷却能力，机舱温度也低于45℃。因此实际所需的海水量大大低于设计值。图4和图5为船舶年航行区域和所需海水量随温度的变化曲线，从中可说明，海水泵可通过变工况运行来实现节能。

图4 所需海水量随温度变化曲线

图5 船舶航行区域随温度分布

从图4和图5可看出，海水温度在24℃时所需海水量只是设计点的50%，且船舶只有5%的航行区域海水温度在30～32℃。这说明大部分航行时间海水泵可以运行在设计点以下，可以改变海水泵的运行工况来优化海水流量，减少海水泵的功耗。

图6是一型系列散货船后续船的中央冷却水系统，相对于首制船的设计作了几处修改：

图6 53K散货船中央冷却系统

1) 缸套水冷却器取消，系统改为混合式中央冷却系统；

2) 海水泵由2×100%主泵+1×系泊海水泵改为3×50%主泵布置；

3) 根据实船运行情况，适当降低淡水泵的压头。

改进后的系统，可以在主机部分工况和低温海水域时，使用一台流量为50%的设计工况点的海水流量泵即可带走全部系统的热量。需说明，设计点所需海水流量，一般是以主辅机都以100%的设计功率即主机MCR工况下运行，海水温度为32℃时计算出来的。因此在大部分时间里可以减少50%的海水泵功耗。

通过功能关系式计算表列出改进后系统节能量：

取：发动机效率1η=0.46；发电机效率2η=0.95；电缆效率3η=0.95

重燃油热值K=40200kJ/kg ；燃油价格P=USD960/t

表1 系统改进前后各泵的运行参数

表2 船舶正常航行状况分布及日能耗

表3 年化系统改进前后燃油消耗量及节约能耗

4 结 语

通过系统改造后，一艘该型散货船一年可节约燃油约81.4t，合计节约费用约USD78144。说明按3×50%海水泵容量布置的中央冷却水系统可以达到一定的节能目的，也得到了船东的认可。

[1] 中国船舶工业总公司. 船舶设计实用手册：轮机分册[M]. 北京：国防工业出版社，1999.

[2] Engard Central Cooling Control System[J]. ALFA-LAVAL Marine & Power Engineering. 1985.