40 000吨级绿色灵便型散货船海水冷却系统节能设计

崔利梅，孙建庆

(天津新港船舶重工有限责任公司设计所，天津 300452)

40 000吨级绿色灵便型散货船海水冷却系统节能设计

崔利梅，孙建庆

(天津新港船舶重工有限责任公司设计所，天津 300452)

40 000吨级绿色灵便型散货船采用中央冷却系统设计，配备3台冷却海水泵，1台为定速泵，2台为变速泵，可根据船舶动力装置的负荷、不同海域的海水温度和温控阀的开度，利用变频控制技术自动调节海水泵的转速、流量，从而达到有效降低船舶电能消耗及废气排放，在实现绿色环保的同时，也将改善海上运输效能。

40 000吨级绿色灵便型散货船;冷却系统;海水泵;变速调节

2011年7月，国际海事组织 (IMO)在海上环境保护委员会 (MEPC)第62届会议上通过了《国际防止船舶造成环境污染公约》 (MRAPOL)附则Ⅵ有关船舶能效规则的修正案，并确定船舶能效设计指数 (EEDI)于2013年1月1日生效实施。船舶设计建造向节能减排方向发展已成为大势所趋，应对船舶能效设计指数 (EEDI)是一场没有退路的“争夺战”，绿色环保、节能减排正成为船企新的竞争焦点。为了适应这一发展要求，船企的发展必须要融入绿色，通过开展造绿色船舶来实现转型升级，以图在低迷的市场中创造需求，赢得机会。天津新港船舶重工有限责任公司目前正在批量建造的40 000吨级绿色船舶就是小灵便型散货船的升级版，它在船体线型、机桨匹配、能耗分布、节能技术利用、尾部涡流能量利用等方面都具有超前的竞争优势，尤其是衡量油耗和碳排放的船舶能效设计指数 (EEDI)将低于基准线20%左右，与同类型标准散货船相比设计日油耗可降低25%左右，因此该船型已受到不少船东的青睐。

1 能耗分析

绿色节能专项技术是该船型的主要研究课题。要寻找提高船舶能效的突破口，首先要对船舶的能耗进行分析。经对全船电力负荷分析发现，本船型最大的电能消耗用户组包括:为推进服务的辅助设备 (电能消耗占总电能消耗的35%);货舱、甲板机械设备 (电能消耗占总电能消耗的27%);空冷通和加热设备 (电能消耗占总电能消耗的22%)。

对于燃烧重油的船舶，燃烧1 t重油就会释放近3 t的二氧化碳，目前唯一能起作用的技术就是提高燃料使用效率。当主机或推进设备效率提高1%时，每年将节省约30 000美元的成本;当发电机效率提高1%或总电力负荷降低1%时，每年将节省约8 350美元的成本。

因此，通过分析船舶能效分布状态，就可以找出提高船舶能效的可能途径，本文研究的海水冷却系统节能技术就是一种有效的解决方案。

2 海水冷却系统节能技术的研究

2.1 方案的提出

从降低为推进服务的辅助设备电能入手，发现长期运行的海水冷却系统也是一能耗大户，对于该系统最重要的节能方式就是提高其能效。如果中央冷却系统的冷却海水泵的流量可以根据船舶动力装置的负荷、海水温度和温控阀的开度来自动调节，不仅会大大降低冷却海水泵的电能消耗，还可以大大延长水泵的使用寿命，节省维修成本。因此，采用变速泵控制技术可以作为最佳解决方案。

2.2 冷却系统的构成

本船采用中央冷却系统，由海水冷却和淡水冷却2个子系统组成。海水冷却系统包括海底箱、冷却海水泵和中央冷却器构成的开式循环系统，利用海水冷却循环淡水;淡水冷却系统包括低温淡水冷却泵、负荷设备、自动温控阀和中央冷却器组成的闭式循环系统。如图1所示。

图1 冷却系统控制原理图

2.3 冷却海水系统的温度和流量控制设计

由于船用冷却海水泵变频控制系统目前在船舶行业尚没有标准可借鉴，在船舶配套市场也没有与之对应的成熟产品。因此，需要针对本船型的具体情况来自主开展冷却系统的节能设计。

本船型冷却海水系统的节能设计是集成了温度、流量、温控阀和变速泵等要素而确定的一体化设计方案。

本船型采用的是3台34.5 kW冷却海水泵，按3×50%的冷却工况设计，2台为变速泵，1台定速泵作为备用。变速泵可以单泵或双泵并联变速调节［1］，利用变频调速技术，流经冷却系统的冷却海水的流量可通过改变电机的转速来调节。由于电机的转速和功率是随着系统负荷对冷却量需求的大小而动态调节，这样可以有效地降低电能的消耗、减少二氧化碳的排放。

温度设定，将自动温控阀的出口温度T3设定在36℃，将中央冷却器淡水出口温度T1设定在37℃。冷却器出口淡水温度T1的变化取决于主机等设备负荷的高低，它将导致冷却器淡水进口处T2(热端)自动温控阀开度的变化或海水泵转速的变化。

将1号变速泵或2号变速泵投入使用，启动时先处于怠速状态，通过智能变频器提前将电机的最低转速限定在最高转速的60%，频率限定在36 Hz(电站频率为60 Hz)。如果此时主机负荷较低，只有少量的淡水回到冷却器，大部分淡水则经温控阀旁通。当温控阀T3出口温度＜36℃时，此时的淡水温度始终接受自动温控阀的开度调节。所以，海水泵一直处于怠速节能状态，流经冷却器的海水流量较小。

当主机的负荷增加，T2端温度随之增加，当温控阀的开度接近100%状态 (旁通全部关闭)，来自负荷端的冷却淡水将全部经过中央冷却器，当中央冷却器淡水的出口温度T1增加到达37℃时，PT100温度传感器将温度信号反馈给PLC，处于怠速运行的海水泵将根据温度信号的变化接受智能变频器的控制而升速，以增加冷却海水的流量，使温控阀出口温度T3维持在36℃的平衡点。如图2所示。

如果单台变速泵的频率达到60 Hz后T1≥37℃，说明1台变速泵的最大排量已不能满足冷却要求，将自动启动另1台处于备车状态下的变速泵，2台海水泵将由PLC控制自动调整转速并联运行，然后受温度控制进行调速，自动调节冷却海水的流量，达到新的平衡状态。

图2 温控阀和变频器控制状态图

本船型的No.3冷却海水泵设计为定速泵作为备用泵使用。在应急情况下，可将变速泵的控制模式设为非变频控制，那么定速泵可与变速泵并联运行，确保冷却系统的冗余性。

3 结束语

本船型通过采用自动温控阀和变速泵组合控制的海水冷却系统将使节能效果更为显著。以PLC和变频器为核心的智能控制系统，实现了负荷测量和按需调节海水流量的动态管理，使冷却系统在接近最佳效率的状态下运行。随着变频技术的逐渐发展及节能减排问题的日益严峻，变频设备的投资费用可随其显著的节能效果而快速回收于所节省的能耗费用中。该技术必将在未来的节能环保型船舶中被广泛采用。

［1］王宇，龙秉文，黄海，等.离心泵的流量调节与节能控制 ［J］.北京化工大学学报，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，工程师，中等专科，从事船舶电气设计工作。

2013－03－27