船舶主机高温淡水废热利用装置探究

王帅军，朱发新，李玉乐

(浙江海洋大学 港航与交通运输工程学院，浙江 舟山 316022)

随着航运业的发展，能源紧缺及燃油成本高涨、燃油需求量持续增长以及国际海事组织(IMO)对船舶节能减排的关注，使得节能减排成为各大航运公司重视的问题[1-2]。研究和应用节能技术以降低船舶能耗，加强船舶节能减排的基础性管理和设备维护保养，不仅可为航运企业节省大量的燃油费用，还可以减少船舶营运所造成的环境污染，从而实现经济与环保双重效益。因此，加强船舶废热的回收利用是实现船舶节能减排的重要、有效的途径。

船舶废热的回收主要包括船舶废气余热回收和高温冷却淡水中的余热回收。近些年来，专家学者在船舶废气能量回收方面倾注了大量心血，取得了可观的成绩。但只回收废气中的余热还不够，高温淡水的余热量也很大，存在利用空间，有效的回收利用对船舶节能具有重要意义。

在以柴油机为主推进装置的船舶中，燃料燃烧产生的巨大热量，大约只有40%～55%转化为机械能，大部分热量通过冷却水、排气等方式向外界耗散[3]。柴油机缸套内高温淡水的温度一般为70～85 ℃，这部分能量的总量非常大但没有被有效利用，却是随海水排出舷外，因此造成大量的能量损耗。根据柴油机热平衡的计算，总热量的25%～35%被缸套冷却水带走。在能源极度紧缺的今天，挖掘船舶余热的再利用，已是节能减排的必然趋势[4-6]。

1 船舶主机高温淡水冷却水系统简介

1.1 高温淡水冷却系统

船舶主机在工作时，汽缸内燃油燃烧产生大量的热量，使燃烧室部件表面温度升高，影响部件的正常工作。这些热量被一部分排烟带走，另一部分则需要由冷却介质处理，从而确保燃烧室部件温度维持在一个正常工作范围。

一般情况下，主机活塞由滑油冷却，缸套的上部、汽缸盖以及排气阀由高温淡水冷却系统冷却，之后高温淡水的热量由低温淡水带走。如图1所示，高温淡水经缸套冷却水总管K处进入缸套冷却水腔。冷却缸套后，通过两个冷却水接头进入汽缸盖冷却水套，冷却水冷却汽缸盖下部后，向上流动经过汽缸盖上部钻有的一圈冷却水孔，进入缸盖和排气阀阀座形成的冷却水密空间。冷却排气阀阀座后，一部分从缸盖内部通道出来，通过一个连接管去冷却排气阀上部；另一部分从缸盖其他的内部通道流出汽缸盖，汇集到高温淡水出口总管。冷却排气阀上部的冷却水最终也通过缸盖的出口管进入高温淡水出口总管。

1-膨胀水箱;2-主机缸套淡水冷却泵；3-除气箱;4-高温淡水冷却器;5-造水机。图1 高温淡水冷却系统

冷却水从出口总管L出来后，先经过第一个调温三通阀A，这个三通阀是造水机系统旁通阀，其温度一般设定为70 ℃左右，造水机通过该三通阀并联在系统上。造水机系统旁通管可以调节流过造水机的高温淡水量，可对进入缸套淡水冷却器的水温进行有效调节。造水机工作时，三通阀动作使一部分缸套高温淡水流过造水机；当造水机停止运行时，三通阀直接使高温淡水旁通。

通过造水机系统调温三通阀后，冷却水进入系统中的第二个调温三通阀，这个三通阀是高温淡水系统三通阀，其设定温度为80 ℃左右。从调温阀出来的冷却水分成两路，一路旁通不经过冷却器；另一路进入高温淡水冷却器，冷却后与不经过冷却器的缸套水汇集在一起进入除气水箱。高温淡水系统三通阀利用安装在缸套水出口总管上的传感器检测缸套水出机温度，然后通过调节器驱动三通阀，控制旁通水量与进入冷却器的水量使淡水出机温度维持在80～85 ℃。当进入主机缸套的淡水温度低于正常值时，调节三通阀旁通开度，减少流过缸套水冷却器的缸套水量；当温度高于正常值时，增大流过缸套水冷却器的缸套水量而加强冷却。高温淡水流过第二个三通阀以后进入除气箱，系统中如果进气，空气就通过除气箱上部管路进入膨胀水箱从排气管中释放。另外，从膨胀水箱中有一路水直接进入除气箱，可以起到向系统补水和增加缸套水泵压头的作用，冷却水通过除气箱后，进入到2台并联运行的缸套水泵。

1.2 现有系统的缺陷及影响

在系统的诸多缺陷中，船舶发动机热量损失是船舶柴油机在运行中极为重要一个方面。在船舶中央冷却系统中，当海水与低温淡水进行热交换之后，海水温度逐渐升高。但大部分海水被排出舷外，其余热并没得到回收利用，降低了船舶柴油机的热效率。

在船舶中央冷却系统中，应注意海水泵的脏堵，一旦海水滤器脏堵就会造成海水泵的吸入真空增大而吸不上水，达不到冷却的效果。另外，由于海水具有腐蚀性，可能导致系统中央冷却器及管路等因腐蚀而穿孔泄漏，造成淡水污染，增加了船舶柴油机中央冷却系统维护保养的成本，缩短了设备及管路的使用寿命[7]。

2 主机高温淡水废热利用装置

2.1 工作原理

在主机中央冷却水系统中，热量伴随各级冷却消耗，造成大量的能源浪费。为有效解决这一问题，利用温度自发的从高温物体向低温物体传递的原理，运用高温淡水的温度高于燃油舱、滑油舱和沉淀柜等待加热终端的特点，对主机冷却水系统进行改造，设计一套高温淡水废热的回收利用装置，取代常规的低温淡水冷却系统和海水冷却系统，对高温淡水系统的淡水进行冷却以维持燃烧室部件正常运行温度，同时回收高温淡水中的废热用于加燃油舱、滑油舱和沉淀柜等待加热终端，使各个终端达到所需的加热温度以维持正常运行。

图2为主机高温淡水冷却水系统组成框图，该系统由高温淡水系统、换热水箱、余热利用终端冷却器和换热管4个主要换热器件构成。高温淡水冷却主机部件带走多余热量而使自身的温度升高，当高温淡水流至三通阀时，将出口端水引至换热水箱进行换热，达到高温淡水冷却且水箱中的水被加热的双重效果。三通温控阀能自动调节开度大小，使水箱中的温度维持在60～70 ℃。水箱中被加热后的水从下部的出水总管流出，经出水总阀、热水分配器和单向阀等流至待加热终端的加热管，即对燃油舱、滑油舱和沉淀柜等待加热的终端进行加热，使这些终端系统维持正常运行。然后经单向阀、回流分管等装置流回至回流总管，并最终被送回至水箱，再次与高温淡水换热后进行往复循环。

1-补水阀；2-补水管；3-出水阀；4-出水管(主机高温淡水进水管)；5-三通温控阀；6-进水管(主机高温淡水出水管)；7-换热管；8-水箱；9-溢流管；10-回水总管；11-回水总阀；12-出水总管；13-出水总阀；14-回水汇流箱；15-热水分配器；16-单向阀；17-观察镜；18-离心泵；19-回水分管；20-出水分管。图2 主机高温淡水冷却水系统组成框图

2.2 组成部件功能

主机高温淡水废热利用装置是一个有序工作的整体，该装置有众多元器件有序组合而成，这些器件各自发挥的作用确保系统有效的运行。各种相关联器件的功用叙述如下。

1)水箱。水箱采用敞口设计，用于存贮待加热的水，水箱顶部开口有利于热水的膨胀，也便于工作人员观察水箱内的水位。水箱下部装设有用于导出加热后的热水的出水总管，出水总管上装有出水总阀，用于控制加热后的热水的流量；水箱上部装设补水管，补水管上装有补水阀，当水箱中的水不足时，安装在最低工作水位的感应器发出缺水信号，自动开启补水阀进行补水；补水阀上方的适当位置装设溢流管，当水位超过最高工作水位，水经溢流管流至溢流箱；水箱中部有回水总管和回水总阀，让回水管中的水回流至水箱。

2)换热管。换热管是用来输送主机缸套内的淡水进入水箱并与水箱内的水进行热交换的构件。其入口的进水管上设有三通温控阀并连接主机缸套的高温淡水出口，换热管的出口通过出水管连接高温淡水泵的入口；进水口上的三通温控阀根据水箱内温度的变化情况，调节换热管进口和出口端的流量。三通温控阀第一端连接主机缸套，第二端连接换热水箱，第三端连接主机缸套的高温淡水冷却器。换热管路的出水端与高温淡水泵的入口端设有出水阀。

3)热水分配器。其主要作用是用来分配从水箱中流出的热水至各出水分管。其入口连接水箱的出水总管，出口连接各出水分管。各出水分管上均装有离心泵，离心泵的两端均装设了单向阀，各出水分管的出口连接待加热终端的加热管，对终端进行加热。

4)待加热终端。即为需要适当进行燃油舱、滑油舱和沉淀柜。燃油舱底部装设加热盘管以加热重油，保持其具有良好的流动性，便于驳运。调节加热管的流量，将燃油加热至适当的温度以加速燃油的沉淀分离；滑油经主、辅机滑油分油机供给泵从主、辅机滑油循环舱及澄清舱中泵出，经加热后的滑油流入各自的滑油分油机，经过处理后的油渣流入油渣舱，净化后的滑油重新回到主、辅机滑油循环舱及澄清舱。

沉淀柜的作用是储存从燃油舱驳来的燃油，通过加热使其温度由30 ℃左右升至70～80 ℃，对燃油进行沉淀和物理分离之后，使油渣、油泥沉淀，并经放残去除大部分水分，经分油机净化处理后的燃油输送到日用柜。

3 高温淡水废热利用装置的维护保养

1)淡水温度的调整。 在高温淡水废热利用装置的日常维护保养中，应严格按照使用说明书的规定调整相应的参数值，避免淡水出口温度过低或过高。对于中高速柴油机，一般其出口温度可控制在70～80 ℃，而对于低速机可控制在60～70 ℃；进出口温差控制在12 ℃以内[8]。在日常的管理与维护中，当发现个别汽缸水温出现异常情况时，轮机人员应结合该缸的排温判明热负荷是否正常，若判定喷油器和供油量正常，则可通过调整该缸的出水调节阀，改变其循环冷却水量使水温恢复正常。当柴油机出现过热时，则应先卸掉部分负荷，使冷却水温度逐渐降低，但绝不能立即使其停止运转，更不允许直接放掉热水置换成冷水，避免受热部件骤冷收缩而将活塞咬死引发炸缸事故。

2)各缸冷却水流动情况的检查。主机正常工作时，高温淡水产生的热量必须由冷却系统进行冷却，保证高温淡水的温度维持在正常范围内。因此在高温淡水循环出口设置温度自动调节装置，当高温淡水的温度达到某一上限值时，自动启动海水冷却系统对高温淡水进行冷却，防止高温淡水冷却系统温度过高。待加热端越多，换热效率越高，但同时必须满足待加热端60～70 ℃的要求，所以应安排合适的燃油舱、滑油舱和沉淀柜数量以达到废热的最大程度利用，同时也达到防止高温淡水冷却系统损坏的目的。

3)高温淡水废热回收利用装置各部件及参数检查。需检查的各部件包括：三通阀、水箱、换热管、补水装置、溢流装置、出水管、热水分配器、离心泵、回流总管、观察镜以及各种阀件的开关位置等；检查水箱水位、热水分配器液位和回流汇聚箱液位的设定参数是否符合要求。在运转中应定期检查水箱水位、温度和管路流通情况等；观察各装置是否正常运转。根据所水质情况定期进行水箱水更换作业并进行人工清洗。

4 结束语

利用换热装置换热性能和水传热性能，对船舶柴油机冷却水系统的低温淡水和海水系统用高温淡水废热利用装置替换并对其进行探究，得出如下3点结论。

1)该装置使船舶主机的燃烧室部件得到有效的冷却，从而保证了船舶主机的正常运转。

2)该装置有效回收利用船舶柴油机的废热，提高了柴油机的效率和船舶动力装置的总效率。

3)高温淡水的废热用于加热燃油舱、滑油舱和沉淀柜，解决了以往用蒸汽加热带来的法兰、阀件极易损坏，维护管理麻烦的困难，同时提高了能源的利用率。

[1]曾庆东.国际排放法对船舶动力系统技术提升的要求与对策[J]. 武汉理工大学学报，2015，39(2):350-353.

[2]王强.船舶主机降功率节能减排技术的优化研究[D].大连：大连海事大学，2013.

[3]黄步松.EEDI的实施对船用柴油机的影响[J].交通节能与环保，2013(5):50-53.

[4]李康康.主机冷却水系统优化设计及其温度智能控制的研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[5]冯明志.船用柴油机自主创新与节能减排技术发展[R].上海：第七届长三角地区船舶工业发展论坛，2011.

[6]梅磊.船舶柴油机新型余热回收利用系统研究[D].武汉：武汉理工大学，2011.

[7]涂环.ENGARD型船舶中央冷却水系统建模与仿真[D].武汉：武汉理工大学，2013.

[8]李斌.船舶柴油机[M].大连：大连海事大学出版社，2014.