远洋渔船吸收式制冷应用可行性分析

王维伟，潘新祥，沈 波

(大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026)

0 引言

远洋渔船在外海捕鱼作业时，对捕获的鲜鱼进行冷冻保鲜是其中重要的工作环节。传统的冷冻方法是采用制冷压缩机制造低温，但随着渔业资源的逐渐减少，燃油价格的飙升，渔船盈利日趋微薄。众所周知，船舶的油耗成本占船舶运营成本的一半以上，同时，虽然船用柴油机效率较高，但仍有30%的热量以高温烟气的形式排放到大气中，造成了极大的浪费，并污染了环境。

吸收、吸附等余热回收制冷装置因其可利用低品位热源，正受到广泛重视。周洪峰[1]等对船舶固体吸附式制冷装置进行了可行性分析与模拟实验，但存在COP较低，吸附床寿命有限等缺点。而氨－水吸收式制冷装置具有COP较高，工质性质稳定，能够制取低温的优点[2]。若能将主机排烟废热用作氨水吸收式制冷装置的热源，不仅能制取低温，同时可以减少船上制冷压缩机的数量，节约电能、油耗[3]，对于降低渔船作业成本，减少枯渔期捕捞经济风险，保证船舶正常盈利具有重要的意义。

1 远洋渔船制冷系统分析

为了验证氨吸收制冷装置在大型渔船上应用的可行性，笔者专门对辽渔集团9814T远洋渔船“维多利亚”号进行了调查分析。

该船制冷压缩机配置如表1所示。由图1描绘了其捕捞冷冻的过程。速冻盘将鲜鱼迅速冷冻至－12℃左右，热负荷较大，需要3～5台90 kW的制冷压缩机工作制冷，冷库温度约为－20℃。同时，船上具备对捕获的鱼进行深加工的能力，为保证新鲜程度，同样需要1台60 kW的压缩机制冷，保证加工车间内维持在8℃。

表1 “维多利亚”号制冷压缩机配置Table.1 Refrigeration compressors on Victoria

图1 “维多利亚”号制冷电负荷分配Fig.1 Refrigerating electric distribution on Victoria

表2 不同作业情况下所需制冷压缩机数量(台)Table.2 The number of refrigeration compressor needed under different working condition

2 吸收式制冷可行性分析

结合表2中具体工况下压缩机工作数量，可知渔船在大量捕获鲜鱼后，速冻和库存耗电量极大，深加工会给船舶电网带来额外的负担。而在捕鱼过程中，轴带发电机又因为海况与船舶机动航行的原因不能使用。若能够利用吸收式制冷减少压缩式制冷机的热负荷，不仅回收了废气余热，同时也避免了大功率制冷压缩机对船舶电网的冲击，提高了生产作业的安全性，起到节能与安全的双效作用。

2.1 可利用余热量计算

船上配备主机功率4 963 kW，涡轮增压器后废气温度在260～280℃之间。同时，控制最低排气温度在165℃，使得烟囱免受酸性气体凝结液腐蚀[4]，结合主机燃油消耗率和废气质量流量的经验公式，计算可回收的余热量约为1 058.3 kW。

2.2 船用可行性分析

结合图1分析可知，即使将余热量全部用于吸收式制冷机，因其COP仅为0.6左右，也不足以驱动正常作业所需全部制冷量。因此，以吸收式制冷部分取代压缩式制冷将更具可行性。制冷压缩机一般在40% ～80%的额定负荷下工作，其COPref在2.9～3.4之间[5]，则每台60 kW 压缩式制冷机热负荷为

取COPref=3.0，求得Qref=180 kW

如用吸收式制冷替代1台压缩机，则

取COPabs=0.6，求得需要热量约300 kW。因此，柴油机废气的余热量足以驱动与一台压缩制冷机制冷量相当的吸收式制冷机。

2.3 经济性分析

渔获量正常时冷库需要2台60 kW制冷压缩机的制冷量。若1台冷库制冷压缩机由吸收式制冷机代替，取船用180CST燃油低发热值Hu=40 780 kJ/kg，发电机效率取ηg=85%，柴油原动机效率取ηe=50%，则为制冷压缩机提供60 kW电能需要消耗一次能源量Qf=508 235 kJ，消耗燃油量约为12.46 kg/h。按压缩机每年工作10个月，每天12 h工作计算，则每年节省的油耗量约44 866 kg;按照180CST燃油当前市场价5 220元/t，则通过使用吸收式制冷系统，仅燃油费每年就节省23万元。

除节省燃油消耗外，吸收式制冷系统还可减少温室气体和硫化物的排放。燃料油的“碳强度系数”(产生单位功率所排放CO2量)为C=0.27 kg/kWh，根据上述效率因数计算，每年减少CO2排放量约为69 859 m3，按照燃油平均含S量2.5%计算，则每年减少SO2排放量1 121.5 kg。由此可见，吸收式制冷的使用将在船舶节能、减排领域起到明显效果。

3 吸收制冷系统发生器设计

吸收式制冷装置船用化的设计重点在于发生器。制冷装置的热量来自主机和发电机的废气，若直接用主机废气加热，发生器换热处如发生氨漏泄，对船舶的安全运营将会产生重大影响，氨和空气混合物达到16%～25%浓度范围遇明火会燃烧和爆炸。而采用蒸汽作为热源会给锅炉造成额外的负担。Jose Ferna ndez － Seara[6]将合成机油利用于发生器传热介质，如图2所示。这样的设计避免了氨水直接接触高温废气的风险，减少了改造投资、维护成本，使得系统运行更加安全可靠[7－8]。在余热不足时，还可使用锅炉蒸汽辅助加热，保证系统正常运行。

图2 余热回收系统简图Fig.2 Schematic figure of heat recovery system

在系统布局上，如果制冷机和废气锅炉在烟道上串列安装，必将使后者易受到低温腐蚀的危害。为此，采取双烟道的布局，如图3所示，将通向吸收式制冷余热回收装置和废气锅炉的烟道分开，能够有效避免两者的相互影响。

图3 并列式烟道Fig.3 Parallel gas duct

4 系统的运行控制

4.1 吸收－压缩制冷机的手动切换

渔船离港驶向渔场期间，鱼舱中未存储鱼货，温度处于10℃左右[9]，如果此时系统切换到吸收制冷模式，能使冷库在渔船到达渔场之前保持在－20℃，省去冷库预冷功耗。

4.2 自动开机和停机

在存储鱼货后，冷库控制模式选择压缩－吸收并联制冷。吸收和压缩制冷机的起停各由一个装在冷库的温度继电器控制，其接通和切断值都相差一定值。这样的温度控制可保证以吸收制冷为主，以压缩制冷为辅，最大限度地减少压缩制冷机的运转，又可避免冷库热负荷突然增大时吸收式制冷机起动慢、制冷量不足的缺点。

4.3 冷却水温度和加热量的控制

对于航行在热带海域的渔船，冷却水的温度将高达30℃，冷凝效率无疑会降低。对吸收器来说，如图4所示，当冷却水温度由tw升高到t'w时，吸收终了的浓溶液状态将由点4移动到点4'，氨水浓度由 ξr降低为 ξ'r，Δξ变小，使性能恶化。

图4 冷却水温度对系统浓度差的影响Fig.4 The influence of cooling water temperature on deflation ratio

当冷却水温度较高时，单靠控制冷却水流量的方法不能完全解决制冷系数下降的问题。如图5所示，此时加热温度由t'h增加到th，使Δξ增加，才能保持较高制冷系数[10]。因此，同时控制冷却水流量和加热温度，能更好地满足对系统性能的要求。

图5 加热温度对系统浓度差的影响Fig.5 The influence of heating temperature on deflation ratio

5 结论

(1)将吸收式制冷应用于大型渔船，并在不同工况下充分发挥吸收式制冷和压缩式制冷各自的优势，能达到节能与减排的双重目的。

(2)用吸收式制冷机部分取代压缩制冷，而非完全取代，更具可行性。

(3)吸收式制冷与压缩式制冷系统的联合控制有待于进一步研究。

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