张达，朱剑鹏

（1.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 2 0 0 0 3 0；2.江南造船（集团）有限责任公司，上海 2 0 1 9 1 3）

船舶冷却水系统节能设计研究

张达1，朱剑鹏2

（1.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 2 0 0 0 3 0；2.江南造船（集团）有限责任公司，上海 2 0 1 9 1 3）

船舶的冷却水系统是一个十分重要的系统，合理的系统设计及配置可以降低造船成本，达到节能的效果。本文通过减少中央冷却器的投资费用和减少泵送能耗费用两方面来对冷却水系统进行节能研究，应用海水泵变频节能系统，通过优化海水流量来达到节能的目的。

冷却水系统；中央冷却器；能耗；变频节能系统

1 中央冷却水系统节能研究思路

绿色造船的理念风靡全球,船东最为关注成本问题。构建系统时控制总成本是优化系统成本的有效方法。船舶冷却水系统的总成本包括：（1）初始投资费用，系统管路以及管路阀件、附件成本以及安装费用；（2） 泵送能耗费用，如各种冷却水泵在工作时消耗的能源费用；（3） 维修费用，包括修理费用、工时以及备件。研究显示船舶的中央冷却系统年总成本大致为：初始投资费用为2 0%～2 5%；泵送能耗费用为6 5%～7 0%；维修费用约为1 0%。因此降低系统成本最为关键在于如何减少中央冷却水系统的泵送能耗费用。

1.1 减少泵送能耗费用

冷却水系统中的工作泵包括海水冷却泵、低温淡水泵和高温淡水泵。降低这三种泵的功耗即可减少泵送能耗费用。海水泵的泵送能源费用优化空间相对较大，由于在设计时选取的海水温度为 3 2℃，但船舶实际航行时，海水温度随季节及航区的改变而变化，实际海水温度通常低于 3 2℃。船舶一般保持在经济航速航行，功率也远小于标定功率，实际换热量也远大于理论设计，所需要的冷却的海水量也大大减少，此时，海水冷却泵一直在设计工况下工作，这将造成极大的能量浪费。

当海水温度低于设计选取的温度时，冷却系统中需要的海水量会相应降低。 海水冷却泵一般选用离心泵，离心泵服从“比例定律”，即流量与转速为一次方关系，静压头与转速为平方关系，泵耗功率与转速为三次方关系，于是流量的降低会大大降低泵耗功率。

从表1看出，如果用变频调速的方法来减少水泵流量进行节能改造，经济效益将是十分显著的。因此，根据不同的海水温度，选择不同的运行频率以及相应的水泵转速，就能选择不同的海水流量，由此能够大大降低海水泵的泵送能源费用。

表1 离心泵转速与频率、扬程、轴功率关系表

2 冷却水系统额定负荷海水温度与流量的关系

船舶冷却系统在额定换热量下,所需海水量随海水进口温度的变化,可以定量地揭示出系统的节能潜力。这里以江南造船厂设计的2 2 0 0 0立方液化气船冷却水系统为研究对象，根据说明书可知：该船设有3台主海水冷却泵（1台备用），3台低温淡水冷却泵（1台备用），两台高温淡水冷却泵，2台高温淡水冷却器和2台低温淡水冷却器。

初始条件设定：海水进口温度：3 2℃；海水出口温度：4 4℃；淡水进口温度：4 8.6℃；淡水出口温度：3 6℃；系统热交换量：7 4 0 0 k W。

把海水出口温度、淡水进口温度、淡水出口温度作为常量，通过改变海水进口温度，根据热平衡计算的方法，可得不同海水进口温度下系统所需要的海水排量，从而估算主海水冷却泵的排量。

由热平衡计算可得：当海水温度设定在3 2℃时，所需要的冷却的海水量为3 2 0 m3/h；当海水温度设定在2 4℃时，所需要的冷却的海水量为1 6 8 m3/h。海水温度从3 2℃逐渐降低至2 4℃，所需要的海水冷却量也逐步减少，这说明如果能够根据海水温度的变化来控制海水泵的排量，将节省泵送能耗。

3 海水泵变频节能系统的应用

随着E E D I生效，如何采取措施达到节能减排的效果已经成为船舶设计师重点关注的问题。减排规则要求越来越严苛，设计人员不得不寻求有效的节能减排技术，变频技术应运而生。 对于冷却水系统中的大排量的海水冷却泵应用变频技术，根据不同的海水温度选择相应的频率和转速，优化海水流量，节能效果将是十分显著的。

3.1 海水泵变频节能原理

这里仍以江南造船厂设计的2 2 0 0 0立方液化气船冷却水系统为研究对象，该冷却水系统配置有3台海水冷却泵，每台泵的额定功率为3 7 k W，海水泵由变频器控制，连续检测中央冷却器出口的淡水温度，由温度传感器把温度信号传递给频率自动调整系统，频率系统根据设定的温度调整成相应的频率，驱动海水冷却泵改变马达的转速，海水流量根据转速改变而改变，以实现节能控制，随着海水温度的降低，所需的海水流量也逐渐减少，此时海水冷却泵的马达功率也会降低。

图1 变频控制海水冷却泵系统图

图1 为典型的变频海水冷却泵系统。变频控制系统通过检测冷却器出口不同的淡水温度，从来改变水泵马达频率，输出所需要的海水流量，达到节能的目的。当温度传感器检测到淡水出口温度超过设定温度时，则表明冷却水量太少，变频系统就通过加大马达的频率、提高泵的转速来增大海水泵的流量；当检测温度小于 3 6℃时，则冷却水量太多，需要降低转速来减少冷却水量。值得注意的是，冷却水量减少了，海水温度就会增加，当海水温度超过4 8℃时会发生盐析现象，因此当海水出口温度达到设定值时不能再降低海水泵的转速，此时我们可以通过自动三通温控阀调节淡水温度；当淡水出口处的温度等于 3 6℃时，若此时旁通管路关闭，则系统处于节能模式运行。

该系统通过频繁检测淡水的温度，随着温度的改变而改变海水泵的转速，从而改变海水泵的流量，实现节能的目的。随着运行时间的加长，管路内壁会生成污垢，污垢的形成会降低传热效率，此时系统会自动加大海水冷却泵马达转速，提高海水流量，以增加能耗的代价确保系统正常运行。目前中央冷却器布置时，设计增加反冲洗功能，采用系统定时使海水泵满负荷运行一段时间，通过反冲洗管路来冲走冷却器内的污垢，保证系统在低能耗状态中运行。

3.2 海水节能系统功能

正常工作时，两台泵在运行，一台泵备用。

压力低泵切换功能：当检测到压力低信号时，海水节能系统会发出起动备用泵命令，当备用泵起动成功并且压力建立以后，海水节能系统会发出命令停止出口压力低的泵并发出报警。

异常停机切换功能：当海水泵运行时出现过载、短路等故障导致异常停机，海水节能系统会根据泵的备机顺序，起动第一备用泵，同时发出备用泵自动起动报警。

顺序起动功能：当电网失电且恢复供电后，之前运行的泵会自起动。

3.3 海水节能系统工作模式

手动工作模式：模式旋钮选择在手动工作模式下时，通过拨动升速/降速旋钮可人工调节海水泵运行频率，频率调节范围为3 0～6 0 Hz。

自动工作模式：模式旋钮选择在自动工作模式下时，海水泵管理系统会根据淡水出口温度值自动调节海水泵频率，如淡水出口温度值高时，调高海水泵频率。温度恢复正常时，自动降低海水泵频率。

4 结语

海水泵变频节能系统在江南造船2 2 0 0 0 L P G液化气船上已成功安装使用，经过试航监测出来的结果，安装该系统后的能耗是未安装该系统前的4 0%左右，充分体现了变频控制冷却海水泵技术的节能效果。如今提倡绿色造船，国际海事组织对船舶的能效以及二氧化碳的排放提出了更高的要求。船舶设计人员应该提高节能环保意识，集思广益，从各个方面入手研究节约能源的方法，以提高能源的利用率。冷却水系统海水冷泵的变频控制是一项非常值得推广的技术，投资回报率极高，它能够降低对船舶电站的负荷，从而节约了能源，降低船舶营运成本。

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