《船舶柴油机排气余热的利用研究》8600字（论文）

船舶柴油机排气余热的利用研究[摘要]航运业是燃料密集型行业。在能源危机和环保压力的影响下，航运业的发展正朝着低能耗、高效、环保的方向发展。利用船舶柴油发动机的废热旨在提高船舶运行效率并降低燃料消耗。随着国际原油价格的不断上涨，燃料成本与运输成本的比率也在不断上升。节能减排是航运业发展的必然趋势。本文通过对国内外余热回收系统的发展现状做一个阐述，表明未来余热回收利用技术和系统是船舶节能的有效举措。船舶柴油机余热回收系统可以获得巨大经济受益也能节约能源，减少排放，提高船舶的整体能源效率。然后进行余热系统分析，包括定义特点、系统构成、经济等方面，然后举出余热的应用方面，其具有广阔的应用前景。[关键词]船舶柴油机；排气余热；空调系统目录TOC\o"1-2"\h\u239300引言 176441排气余热利用技术在国内外发展现状 3273711.1国外发展现状 3209411.2国内发展现状 4213232排气余热系统的分析 5208182.1余热的定义和特点 584232.2余热系统的构成 5250032.3余热利用的经济分析 820643排气余热的合理利用 9162393.1排气余热利用途径 9175603.2典型排气余热回收利用案例 10104414改进建议 16283335结论与前景展望 17175875.1结论 17170245.2前景展望 179394致谢语 186593参考文献 190引言当前全球能源面临严重的危机，各国都在积极采取相关措施来应对能源问题，而船舶在运营中会消耗大量的石油能源，因此现代技术要求船舶向低油耗、高环保方向发展。船舶在运营中燃油费用在总运营费用中会占有很大的比例约为33～60%。加上油价的提升，这个费用比例将会进一步提高，而在船舶运营中出船舶主机的耗油量最多，其主机耗油量约为总耗油量约70～90%[1]，柴油机燃烧释放的热量一部分转化为机械功，一部分通过排气等一系列方式排放入大海，其中热量没有被利用的有效功外均为余热[2]。船舶研究也在向着提升其运行效率方面，其方法之一是提高船舶柴油机排气温度，但随着温度的提高，将会随之产生一系列的氮氧化物，可见单一方面提高其温度的措施存在弊端，必须解决这个问题。当前，最先进的船用柴油机热效率可达到50%[3]，很大一部分热量随着废气排放和冷却水流动排放入海而产生浪费，也污染了环境[4]，通过余热回收技术对船舶柴油机余热进行回收利用已成为船舶节能减排的必要的手段。图0-1为MAN12K98MEMC型柴油机的能量利用图，由图可知柴油机工作后可以被利用的能量占全部能量的49.3%，剩余50.7％是不能被船舶柴油机利用能量，最后以排气和冷却等形式排放到环境中[5]。如果将这部分能量回收利用，则可减少燃油的消耗，达到节能减排的目的。图0-1MAN12K98MEMC柴油机的能量利用图本文将对船舶柴油机排气余热的利用做以下研究，具体内容如下：（1）对排气余热进行定义和特点的解释，对船舶排柴油余热有一个基本了解；（2）对余热利用系统的构成，包括对余热利用的主要方式，余热产生的主要形式：排气余热、冷却水余热等进行主要分析；（3）对排气余热的合理利用展开分析，本文基于余热蒸汽喷射式制冷空调系统为例进行分析，并提出改进意见；（4）对排气余热利用系统前景做展望，随着科学技术的进步，排气余热利用系统必定会向着环境友好型、实用型、便捷性发展。1排气余热利用技术在国内外发展现状船舶业正朝着节约资源、高效利用的方向发展，满足国际环保组织和国际海事组织船舶能效设计指数的要求，一直是世界船舶领域中研究的重要工作之一。反观中国国内情况，我国拥有众多的船舶数量，其航运能力大大提升，如果众多的船舶均配装有废热回收利用装置，将会节约很多资源。因此，船舶柴油机的排气余热回收技术是船舶行业节能减排以及降低船舶能效设计指数的有效手段。未来船舶能效设计指数法规的生效，将推动船舶柴油机排气余热利用技术的广泛应用，研制好的余热回收利用装置，不仅可以节能减排，而且可以抢占国际市场，带来巨大经济利益[6]。1.1国外发展现状十分重视节约资源的日本，其在资源利用、节约方面的技术非常先进，可以说走在世界前列。例如该国研究发明的小仓3号机，其利用的就是燃烧杂物产生的余热，而这些被利用的余热温度约为190℃，空气含量大约为43%，其中被回收利用的废气占总能比为20%～30%，最终排放到大气的废气减少了70%～80%，其废气中所含的粉尘量也大约减少60%。在此过程中，其废气温度从150℃降至100℃，因此废气量就减少了，燃料消耗也就降低了，其大约降低4.0%，所消耗的电能也减少了大约5%～10%，硫化物和氮化物的排放量也都均减少3%～10%。在这项技术过程中，烧结矿强度等质量指标没有十分明显的变化，从而生产率也没有什么影响[7]。船海界著名的Wartsila公司研发了总热能回收设备(Total

Heat

RecoveryPlan)，这个装置包括动力涡轮、给水预热系统等一系列部件，对此装置也进行了改良升级。在这个系统中，船舶柴油机产生的废气被利用于废气锅炉，废气锅炉产生了大量蒸汽，这些蒸汽用于船上人员日常需要，也可用于海水制淡、空调、发电等其他需要。此废热利用的系统运行效果，主要由船舶柴油机的工作条件而定，需调节进气温度，以此来获得更高动能。在这个系统中，船舶柴油机所需空气来自于外界环境，而不是从船舶柴油机胞室里吸入空气，采用这种方式，使其增加废热锅炉和动力涡轮中回收的能量，与此同时，采用这样的系统，船用柴油机的可靠性不会受到影响。1.2国内发展现状我国船舶配套装置的研发起步较晚，大多数船舶装置的设计专利被国外垄断，使得我国船舶厂商失去了和国外船舶厂商竞争的机会，同时在船舶柴油机排气余热回收利用技术方面我国也缺少有效的研发投入。随着我国国力的增强和经济的飞速发展，一些高校和个人也开始着手船舶排气余热回收的研究。哈尔滨工程大学在船舶排气余热的利用方面也进行了研究，开展了“燃气轮机双工质平行复合循环原理性研究”和“闭式燃气轮机双工质平行复合循环试验验证”项目，排气余热作为工质热源进入废气锅炉产生蒸汽，锅炉不用消耗其他能源产生的蒸汽可以被用于燃气轮机，实现废气循环利用。在这个项目进行时，为了使回注蒸汽产生封闭循环，在排气余热锅炉出口安装了BLGDw型玻璃管低温冷凝式换热器，它将排气余热锅炉和冷凝式换热器进行了有效结合。在进行装置排烟测试后，表明环境污染物的排放明显降低，凝结产物比气态更容易无害化处理[8]。大连海事大学经过研究，废气驱动涡轮转动而产生机械能，再将这机械能转化为液压能。该装置所原理是以液体为工作介质进行能量传递和控制的传动方式，来自船舶柴油机的排气余热使得涡轮转动，然后经过齿轮泵将机械能转化为压力能，通过管路输送来传送能量驱动发电机和舵机。该装置可以适应船舶各种运动的不同工况。该方法和装置可有效利用船舶航行中的柴油机废气余热，提高柴油机的工作效率，达到节能目的[9]。综上所述，船舶柴油机余热利用技术已经成为船舶节能减排研究的重点方向。国外在此领域已深耕多年，国内发展相对缓慢。但随着我国经济实力增强，开发新的高效的余热回收系统必成为降低船舶运营成本的重要举措，余热回收系统定会有长足发展。2排气余热系统的分析2.1余热的定义和特点余热是指在工作生产条件下，其他能源利用设备中没有被利用的能源，也就是剩下来的、多余的能源。主要有高温废气等，余热的利用可以通过余热锅炉产生蒸汽，推动热能做机械功或发电，也可用来供暖或生产热水[9]。它是提高经济性、节约燃料的一条重要途径。余热质量有高有低。在利用余热时，一般按照“物有所用”的原则，高质量排气余热应该用于产生动力和发电。如果将高质量的余热用于供暖等低质量的场合，将会导致“产能过剩，利用不足”不合理现象出现，也要遵循“按质供能，能质匹配”的原则，在利用废热时，要做到量、质的匹配[10]。2.2余热系统的构成2.2.1余热系统的组成排气余热利用系统是指船舶柴油机排气余热利用的所有设备，包括使用流体介质对余热的转化为多种用途的全套设备。它通常由以下几种设备组成:(1)利用船舶柴油机排气余热产生蒸汽和热水的废气锅炉装置；(2)利用废气余热加热介质作功来执行各种操作的加热器、汽轮发电机组、海水淡化装置和空调设备等装置；(3)利用废气余热流体作功释放能量后回收的排汽冷凝水，给水等装置。这三种主要设备之间用管路连接，工作介质在其中进行循环流动，再加上使余热供应与消耗之间自动保持平衡的控制设备就组成完整的排气余热利用系统[11]。2.2.2余热产生形式（1）排气余热船舶运行和航行离不开船舶柴油机，其中会浪费很大一部分能源，而这些能源是可以被利用的。若这部分热量直接释放到大气中，不仅浪费能源而且不利于可持续和友好型社会的发展。1)船舶柴油机排气余热总量为:（1）式中，是船舶柴油机排气余热总量；分别为排气温度为、状态下的定压比热，为环境温度，为废气蜗轮增压器出口温度；M为排气质量。2）可利用的排气余热量当排出气体的温度小于125℃时，排出的废气会对柴油机等设备产生低温酸性腐蚀，其原因是空气中的氧气会与废气中的硫分形成的的硫氧化物，这种硫氧化物具有腐蚀性。为了减轻低温腐蚀，废气温度应该大于150℃，所以废气中实际可以利用的余热热量[12]：（2）式中=1.083KJ/Kg·K；为余热可回收利用的排气，分别为排气温度为、时的定压比热，为环境温度，为废气蜗轮增压器出口温度；M为排气质量。3）实际计算根据船舶实际测算参数：=370℃，=30℃，查阅资料，过量空气系数取1.26时，完全燃烧1㎏燃油约需18㎏空气，燃油低热值取41860KJ/㎏，可知=1.144KJ/㎏·K，=1.083KJ/㎏·K，=1.042KJ/㎏·K[13]。在此条件下，排气余热占产生的总发热量比为：％=17.8％真正可利用的排气余热占比为：％=11.8％（2）冷却水余热冷却在柴油机的正常运行中是极其重要的一环，但是冷却也有弊端会降低热效率，带走一些可利用热量，大大增加了冷却水的热能。为了提高船舶运行效率，被冷却水带走的热量应该进行再次回收利用。1)冷却水带走的热量为:(3)式中，、分别为活塞、气缸冷却水的定压比热容;、分别为气缸、活塞冷却水的质量流量;、分别为气缸、活塞冷却水的进出口的温度差。2）实际计算根据船舶实际测量数据，指示功率为6487kw，平均压力为1407.25kPa，气缸进口温度为63℃，出口温度为73℃，转速为78.2r/min，冷却水压力为0.21MPa，油耗为1.17t/h，冷却水流量为196m³/h。气缸冷却水和活塞冷却水供水时使用同一淡水泵。在这些条件下，一个小时冷却水带走的热量为：KJ占总发热量比例为：×100％=×100％=16.8％柴油机的热效率为：×100％=×100％=49.6％（3）其余散热在船舶柴油机运行时产生能量的过程中，船舶柴油机本身、滑油冷却器、空冷器等不可抗因素产生损失，另外还有一部分由于燃油未燃烧时与空气接触发生反应所产生的余热也会损失一部分的热量。这部分散热量占燃油发热量比例为100％-49.6％-17.7％-16.8％=15.9％这部分热量不容易收集，难以发现，所占总热量比较少，一般不作考虑。2.3余热利用的经济分析“亿辉”轮的船舶柴油机功率为6487kw，船舶运行时会产生大量的烟气，而大量烟气的直接对外排放又会带走许多未利用的热能，这也造成了不能完全利用船舶柴油机正常工作时能量。如果能重新获得那部分失去的能量，这将会是一种增加能量利用和减少环境影响的多赢方式。一方面船舶柴油机余热利用能够有效回收船舶柴油机的废气和冷却水的热量，同时可以减少船舶的燃油消耗量，减少运营成本，达到船舶节能减排的目的。另一方面由于燃油价格上涨影响到船舶的营业利润，迫使船舶航运业越来越多的企业开始意识到船舶柴油机余热利用技术的重要性。而排气余热利用的长期的好处是：减少燃油消耗，减少了有害气体的排放，为建设绿色友好型环境做出贡献，同时减少了需要储存大量燃油的麻烦，可以使船舶拥有更大的载货量。长此以往，船舶就会产生额外的经济效益。3排气余热的合理利用3.1排气余热利用途径利用废热不仅仅是利用排气余热的量，更重要的是能根据废热的质量来获得更多的运营利润。排气余热的温度越高，可利用能量越多，质量也就比较好。对余热的利用通常可分两个阶段。第一阶段：将热能尽可能高效地转换为机械能或电能。第二阶段：在机械能转化过程中释放出的热能进行合理有效地利用[14]。根据常见余热利用途径做成如下结构图：图2-1余热利用系统途径方式由于建造船舶时对其空间、成本有限制，可以将多种排气余热利用装置进行行之有效地结合。例如，对于中小型船舶，不适宜大型发电系统，因为可供回收利用的烟气余热比较小，用于排气余热利用系统的安装空间比较狭小，该系统可以使用高效的热管换热器回收热量再进行发电。而热管换热器回收的热量不仅可以为发电系统回收热量，而且可以供船上的空调供暖、用于水加热来满足船上生活需要等多种设备需要。对于大型船舶，可利用有机朗肯循环发电技术将热能转化为电能，实现对废热的回收利用，以此供给船舶电力系统用于日常使用。要注意对不同工作用途的进行热源补充，来提高系统的可靠性，延长使用寿命，制定合理的能源利用方式的技术路线。3.2典型排气余热回收利用案例本文以船舶余热在空调系统方面的利用进行介绍。图2-2为船舶余热蒸汽喷射式制冷空调系统。该系统由11个部件组成，包括：压力调节阀1，蒸汽喷射器组2，冷凝器3，集液器4，膨胀阀5，蒸发器6，锅炉水供给泵7，止回阀8，余热锅炉9，冷媒水泵10，冷风机11。图2-2船舶排气余热蒸汽喷射式制冷空调系统图3.2.1排气余热蒸汽喷射式制冷空调系统特点（1）相比传统船舶空调，装设了压力调节阀，能够调节喷射器的工作蒸汽压力并维持稳定。（2）采用了4组完全一样的蒸汽喷射器，可以提高制冷量，也可以调节制冷量的多少，重要的是提升了可靠性。每个蒸汽喷射器按船舶空调所需功率的1/4来设计因此，在系统中可以实现一组或多组喷射器组合使用的制冷量工况点上工作。（3）集液器的作用是防止冷凝器积液影响换热面积和提高锅炉供给水泵的吸入性能，使系统工作正常。（4）冷却水供给泵的流量根据制冷量大小进行调节。低负荷小流量高负荷大流量。按需调节使系统得到充分的利用。3.2.2排气余热蒸汽喷射式制冷空调系统的分析本文通过在“亿辉”轮的实习经历，结合文献资料，分析蒸汽喷射式制冷空调系统的性能，建立如图2-3所示的制冷循环系统。该系统主要由发生器、冷凝器、喷射器、蒸发器、节流阀以及循环泵等装置组成。蒸发器和发生器分别产生低温低压蒸汽与高温高压蒸汽。壳管式冷凝器用恒温水做冷却水，易于调节冷却水温度，进而冷凝压力的调节。蒸汽喷射器采用可调喉嘴距型[15]。此系统的工作热源为排气余热，这些热量进入发生器中产生高温高压蒸汽制冷剂，将此蒸汽作为工作流体。当其经过喷嘴时，速度达到超音速，此时为超音速流体，同时在喷嘴出口处产生低压，从而进入混合室，这样蒸发器的压力将降低，从而制冷剂蒸发而实现制冷。在喷射制冷系统中，喷射器的与传统制冷系统中的压缩机是类似的，所适用的制冷剂种类也较多，用于传统系统中的制冷剂也能用于喷射系统中。图2-3蒸汽喷射式制冷循环系统图系统的冷凝压力随COP关系的变化如图2-4。根据研究可知该系统临界冷凝压力为4.15kPa[16]。由实验结果可知，在给定蒸汽喷射器的条件下，工作时的每一个蒸发温度和蒸气温度都有相应的临界冷凝压力。而且只有在冷凝压力小于临界冷凝压力时系统才能正常工作。否则，系统失去制冷能力进入不稳定工作区域。由此可知，对蒸汽喷射式制冷系统来说，临界冷凝压力对其影响很大。所有情况下，系统的临界冷凝压力都要高于相同工况下的冷凝压力，否则会导致系统工作不稳定，甚至失效[17]。在一定临界冷凝压力条件下，要有稳定的工作系统来产生制冷，必须对系统的工作条件做一些规定。在工作蒸汽温度和蒸发温度取若干温度值后，系统临界冷凝压力与系统的COP关系如图2-5。如果临界冷凝压力是一个固定值，工作蒸汽温度和蒸发温度对应的工作点必须在给定的等临界冷凝压力线的左侧，这样系统才能得到系统在运行条件下的稳定性。同时发现，当系统冷凝压力小于临界冷凝压力且工作蒸汽温度保持不变时，需要提高蒸发温度才能获得较高的系统COP。冷凝压力（kPa）图2-4冷凝压力随COP的变化关系图临界冷凝压力（kPa）图2-5临界冷凝压力与系统COP关系图在工作蒸汽温度和蒸发温度分别取若干温度值后，得到了系统制冷量与临界冷凝压力之间的关系如图2-6。由图可以得到，当工作蒸汽温度恒定，临界冷凝压力超过系统冷凝压力时，随着蒸发温度的升高，系统的制冷量也增加；但在蒸发温度为定值时，工作蒸汽温度的变化影响系统的冷却，功率效应小。从一般情况看，系统的冷却能力基本上不随工作蒸汽温度的变化而变化。图2-6临界冷凝压力与系统制冷量关系图通过实验还发现，提高系统的临界冷凝压力的方法是提高工作蒸汽温度和蒸发温度，如图2-7所示。从结果中发现工作蒸汽温度的变化对系统临界冷凝压力影响较大，而对系统的临界冷凝压力影响较弱的是蒸发温度。图2-7工作蒸汽温度与临界冷凝压力的关系图对以上实验结果的分析表明，蒸汽喷射制冷空调系统正常运行的重要影响因素是临界冷凝压力。如果系统运行时冷凝压力高于临界冷凝压力，系统将无法正常工作，冷凝压力过高时会失去制冷功能；如果冷凝压力低于临界冷凝压力，则系统COP有改进空间，冷凝压力越低，COP提升空间越大；要想提高系统的临界冷凝压力可以通过工作蒸气温度和蒸发温度的提升来改变，但由于临界冷凝压力的自身影响，工作蒸气温度对临界冷凝压力有更大影响力。因此，系统临界冷凝压力的参数应由工作蒸汽温度决定比较合适。3.2.3排气余热蒸汽喷射式制冷空调系统能源可利用率根据排气余热蒸汽喷射式制冷空调系统测算参数：=180℃，由上文资料可知=1.092KJ/㎏·K，=1.083KJ/㎏·K，=1.042KJ/㎏·K。在此条件下，排气余热蒸汽喷射式制冷空调利用占燃油产生热量百分比为：％=7.5％排气余热蒸汽喷射式制冷空调实际可利用排气余热百分比为：％=1.6％式中分别为排气温度为、时的定压比热，为环境温度，为余热蒸汽喷射式制冷空调蒸汽温度；M为排气质量。由此可见，排气余热蒸汽喷射式制冷空调余热利用率为1.6％，其利用率并不高，但有效的节约了船舶能源，减少了船舶运营的代价，但仍有继续优化的空间。4改进建议随着人类对环保意识的日益加强，在航运业以节能减排为技术发展要求的当今备受嘱目。船舶排气余热蒸汽喷射式制冷系统的优点是使用低质量热能为工作热源，以环境友好型工质水为制冷剂，但因其性能相对较低等缺陷而限制了船舶排气余热蒸汽喷射式制冷系统的广泛应用。结合“亿辉”轮排气余热蒸汽喷射式制冷空调系统改进需要注意以下方面：（1）喷射器结构对于系统性能的影响并非简单的线性关系，对于本设备来说其喷射器应接近于等压混合喷射是最理想的，可以将喷射器内部优化改良成等压环境。（2）可以设置一个温度监测控制机构，及时监测工作蒸汽温度，避免温度过高影响冷凝压力，使其超过临界冷凝压力影响设备有效运转。5结论与前景展望5.1结论船舶机舱是一个大型分布式能源系统，作为船舶动力核心的船舶柴油机，是整个能源系统合理分配和有效利用的关键。船舶柴油机排气余热的能量占大部分，而且这部分余热的温度，很高利用起来方便，是余热利用技术不可缺少的部分。本文结合“亿辉”轮实习对排气余热的利用进行了有效分析，得出以下结论：（1）船舶排气余热可利用能源占比较高，船舶回收利用能源初见成效，这一措施减少了燃油消耗，减少了废气排放。（2）余热的回收利用主要集中在排气余热和冷却水余热两个方面，这两部分占回收可利用能源大部分。（3）该船舶排气余热利用在空调系统方面，在给定蒸发温度值的情况下，工作蒸汽温度的变化会影响临界冷凝压力，而临界冷凝压力会影响系统COP，但是工作蒸汽温度对系统的制冷量影响不大，所以系统临界冷凝压力的参数应由工作蒸汽温度决定比较合适。5.2前景展望随着人民生活水平的日益提高，船员们对机舱生活条件也会提升，排气余热利用技术的应用涉及船上生活方方面面，未来这些将会在各种船舶中得到普及，本文虽然以船舶排气余热空调系统为例，但排气余热利用不局限于船舶空调系统，其他方面的利用，如船舶排气余热发电，船舶排气余热制淡装置，船舶排气余热动力等也会长足发展[16]。未来研究的深入，技术的日益成熟，船舶柴油机的要求肯定向着环境友好型、实用型、便捷性、高效率等方面发展，排气余热利用技术和系统将会不断更新优化，这将助力船舶技术发展上一个新的台阶，对于船舶重器船舶柴油机，排气余热利用技术对提高其效率有着很好的效果，这必然会有广阔的发展前景。参考文献[1]孙长江，张金钊.船舶主机余热利用技术探究[J].机电设备，2015，32(05):19-22+48.[2]赵钦新，周屈兰等.余热锅炉研究与设计[M].北京:中国标准出版社，2010.[3]刘纪福.翅片管換热器的原