船舶柴油机的余热利用技术研究.pdf

第 31 卷 第 6 期2023 年 6 月Vol.31 No.6Jun.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言柴油机是船舶的主要动力输出装置，其运行效率的高低将会直接影响船舶能耗，燃油在柴油机燃烧过程中产生的能量没有被完全利用，其他能量将会以热量的形式散失到大气中。所以，加强对余热的充分利用，有利于缓解能耗的不必要浪费，提高能源利用率。1 柴油机余热利用价值分析1.1 余热的定义及特点余热是指船舶在航行过程中，柴油机释放出来的可被循环利用的热能。主要有高温废气和低温冷却水等，根据不同的目的可通过多种形式加以利用。余热也有高低品质之分，余热的温度越高，可用价值越高，其品质越好。“按质用能，各用其所”的原则具体体现在：当需产生动力时，一般采用较高品质的余热。避免出现高品位余热用于加热的“大材小用”现象1。相反，把低品质余热用作产生动力，则会出现一种“乏力”现象，所以在能量的利用和转换过程中，要依据“按质供能，能质匹配”的原则，在数量和质量上尽量做到合理搭配2。1.2 余热的几种利用形式关于船舶柴油机中余热的几种利用形式，通常有以下几种：1）直接加热。提前对船上饮用水与生活用水预加热船舶柴油机的余热利用技术研究郭健东（中国海警局直属第四局，海南 文昌 571339）摘 要：随着大吨位船舶的投入使用，燃油消耗量也在逐年增加，这就导致节能减排成为现如今海上运输的紧迫任务。虽然我国新能源技术已经在世界前列，但大量船舶主要还是以柴油机作为动力机械。而柴油机用于功率输出的能量大约占燃料燃烧总能量的 1/3，与此同时燃料中完全燃烧所释放的能量有很大一部分以排气的形式直接耗散到了外界环境中。本文结合现今存在的涡轮增压、余热制冷、余热发电等方面展开技术研究。关键词：船舶；柴油机；余热利用中图分类号：U664.121 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.06.021引用格式郭健东.船舶柴油机的余热利用技术研究 J.船舶物资与市场,2023,31(6):65-67.处理，或者对燃油加热，发动机暖机余热，成功解决冷启动遇到的问题。2）余热制淡。现如今海上运输事业发展态势良好，船舶运行对于淡水的需求显著提升，海水淡化装置一般会使用蒸馏法获得淡水，而利用余热进行淡水制造能够提高经济效益。3）余热发电。柴油机在工作期间会向外排放大量高温废气余热，这部分资源的合理利用将会有效提高资源利用效率。余热回收系统主要是将热能转为热水或者水蒸气，以供船舶上设备的运转，满足船上日常生活所需。但是这样的热能利用会受到船上工作条件的限制，导致热能难以被充分利用。所以，采用余热发电技术，将热量转为电能，通过余热完成发电，节约船上能耗。4）余热制冷。将中低温余热用于船上生活加热，设备操作简单，但供暖有着明显的季节性特点，非供暖期时间段余热将无法被利用。如果将余热作为低温热源热泵，热泵可以用于提高温度，扩大余热的使用范围，从而提升余热在船舶中的应用价值。5）余热的动力应用。涡轮增压技术的应用已经十分普遍，大中型船用柴油机基本都是依靠这一技术，通过对废气涡轮增压器技术的应用，使其带动涡轮小型柴油机的发展。废气涡轮可以驱动柴油机空气系统压缩机进行工作，向气缸中注入高压气体，增压器凭借着柴油机排气能量驱动，期间不会对柴油机自身功率造成任何的消耗，提高柴油机运行的经济性，降低船舶对燃油的收稿日期：2023-03-09作者简介：郭健东（1994-），男，本科，助理工程师，研究方向为工程技术。船舶物资与市场第 31 卷 第 6 期 66 消耗。1.3 余热利用的经济性分析余热回收利用装置能够减少燃料消耗、降低航行成本、减少废气的排放、减少燃料的存储容量以增加船舶续航能力，但最直接目的是提高其经济效益。1）余热发电代替船舶柴油发电机。相对于柴油发电机而言，若在船舶航行过程中，使用余热发电装置可节约的燃料消耗量用 R 表示，则每年节省的燃油消耗量为：R=24PNg10-6，（1）式中：P 为柴油发电机功率；N 为年航行的有效运行天数；g 为耗油率，g/（kWh）。若以某船舶余热驱动的汽轮发电机节油为假设。船用柴油为 0 号轻柴油，2 台发电机交替使用，柴油发电机有效功率为 150 kW，海上航行天数按 150 天计，柴油发电机的耗油率按 195 g/（kWh）计算，则每年可节油约为 105.3 吨，按柴油 8000 元/吨计，每年可节约燃油费用 84.24 万元。2）余热锅炉代替船舶锅炉。假设某船舶燃油锅炉燃油消耗量为20.36 L/h，国标0号轻柴油的密度为0.8410-3 kg/m3，价格为 8000 元/吨，则船舶在一天航行过程中，余热锅炉所节省的费用为：日节省费用=燃油价格 日燃油消耗率 24=800020.36240.8410-3 3283.66 元。2 柴油机余热利用的主要技术2.1 废气涡轮增压技术废气涡轮增压技术主要是以涡轮机带动压气机，利用废气中的能量来提高柴油机的进气压力，从而提高了柴油机的进气量和燃油的燃烧效率。废气涡轮增压技术目前在船舶上已经普及，但是废气能量的利用率不高，在废气涡轮排出的气体中仍然有大部分的能量没有被合理的利用起来3。使用废气涡轮增压器，利用排气惯性带来的冲力，带动涡轮室中的涡轮，涡轮带动叶轮，叶轮将空气进行压缩处理，让进入到气缸内部的空气压力显著提升，增加气缸中空气量，为燃料的燃烧提供更多支持。增加燃油喷射量，实现对转速的有效调节，加大柴油机输出功率，降低油耗。动力涡轮主要将燃气能量转为机械，使其用于驱动外部负载，即叶轮机械，船舶柴油机在高负荷运转工作状态下引导过量排气，驱动动力涡轮，带动发电机进行工作，实现余热发电。利用余热完成废气余热动力回收，通过对废气涡轮增压器与废气锅炉的使用，利用柴油机排除的废气驱动涡轮，以增压的方式创建废气涡轮增压系统，系统内增压器包含废气涡轮机与压气机两部分，按照废气热量方式选择增压方式，比如定压涡轮增压或者脉冲涡轮增压等。废气锅炉是船舶中的节能装置，利用主机废气热量作为热源，加热锅炉中的水，使其产生蒸汽，这些蒸汽可用于加热劣质高粘度燃油。2.2 余热制冷技术制冷装置一般应用在船舶的空调、冰箱和冷冻库等，是提高船舶人员生活水平的重要装置。目前，应用最广泛的余热制冷方式为吸收式和吸附式4。吸收式制冷循环系统一般采用水-嗅化锂、氨-水等工质。制冷工作中需要用到制冷剂，且易水蒸气的形态进入吸收器，设备内的溶液会吸收这部分水蒸气，期间的热量能够被制冷装置中的冷却水带走，在泵送作用下溶液进入发生器，接着再加热处理，使溶液内一部分制冷蒸汽成为冷剂蒸汽，而溶液成为稀溶液。冷剂蒸汽进入冷凝器中变成液体，在节流膨胀阀的作用下液体来到蒸发器，被其吸收冷却后，制冷剂蒸汽进入吸收器内完成循环。凭借着装置的吸附作用使制冷剂液体蒸发，从而产生制冷效应。与传统的压缩式制冷装置相比，除了压缩机被吸附床替代了以外，其余部件基本一致。目前研究一般吸附式制冷循环分为冷却吸附与蒸发吸附、加热解吸与冷凝排热 2 个部分5。船舶主机作为船舶动力与能源中心，只有 50%的热量可以被转为有用功，其余热量都会被带走，加强对这部分热量的综合利用，有利于提高能源利用率。当前船舶余热制冷方式包含吸收式与吸附式制冷，将柴油机排气余热、缸套冷却水余热、增压空气冷却水余热作为主要热源，吸收式制冷利用吸收器内稀溶液吸收到的气体，经过高温加热后，使蒸汽进入冷凝器，完成制冷；吸附式制冷主要是利用吸附剂在低温下吸附气体，发挥其在高温状态下的解吸特点，以热能作为动力创建制冷装置。这 2 种制冷方式都能充分利用余热制冷，且不会对船舶的主机动力产生影响，不会对环境造成污染，有着良好的应用优势。2.3 热电发电技术在 19 世纪初，热电发电现象最早由塞贝克发现，在之后几十年内，随着多种热电效应实验的展开，基础理论也逐渐得到完善，热电发电也开始被人们认可6。新半导体热电材料的发现与研究，导致热电材料热电转换率逐步增加，使热电发电技术应用更加广泛。热电发电装置的结构包含集热、发电以及冷却几个模块，PN 结两端温度不一致时，热电材料将会将余热转为电能，当PN结两端的温度越大，换热和冷却速率越大，第 6 期 67 热电发电功率也就随之提升。采用余热温差发电技术，使热能向电能的转化成为现实，半导体一段连接并加热，使半导体能够始终处于高温运行状态，而另一端为低温状态，低温段产生开路电压，这就是塞贝克效应7。安装之后无需对设备维护处理，余热温差发电组件当中以温差发电片作为主要功能单元，在排气管的外壁位置布置发电片，使其产生电能，完成对能量的有效回收。2.4 余热制淡技术在利用船舶柴油机废气余热进行海水淡化方面，国内近几年有了很大的突破。如赵恕等设计了一种以柴油机尾气余热为热源的蒸馏式海水淡化装置；蔡庆安通过对发动机尾气的热力学计算，利用仿真模拟方法研究了低压闪蒸的海水淡化方案，该方案经济性高、所用面积小，能够解决船员饮用水问题；倪锦等研究了一套利用发动机排气余热的船舶闪蒸-蒸发海水淡化系统，通过稳态数学模型和数据分析，得出了淡水产量与工作压力、海水流量的关系；刘乙成等研究了一种利用回收排气余热的有机朗肯循环与苦咸水联合淡化系统；许攀等通过热平衡计算，设计了一种柴油机废气太阳能蒸馏的海水淡化装置8。目前，应用于船舶海水淡化的装置主要有蒸馏装置、反渗透装置和电渗析装置。其中，反渗透海水装置在船舶中应用较为广泛，余热制淡技术在船舶中还没有很好的利用起来。2.5 余热加热压载水船舶运行期间，压载属于正常状态，但压载水运输容易引发外来生物入侵的问题，IMO 规定新建船舶需对压载水统一处理，合格后才能排放压载水。压载水的处理有很多种方法，比如化学方法、物理方法以及机械方法等，加热法就是对压载水加热，杀死水中的有害生物，要求将温度加热到 45左右，经过 6 h 的保温后起到微生物杀灭效果。将柴油机缸套、活塞等装置中的高温冷却水引入压载舱，再对压载水加热处理，以此起到良好的节能降耗效果。2.6 余热回收技术的对比分析近年来对柴油机余热回收利用的研究主要有 2 个方面：一是结合热力学的第一定律和第二定律，以“量”与“质”的角度出发，分别分析了余热能量的多少和能量的最大利用值。二是基于计算机软件的模拟仿真计算，通过实验数据对余热回收系统的综合性能进行验证9，10。余能回收技术主要有 4 种：1）涡轮增压技术，结构简单，运行成本较低，应用广泛，但无法充分利用好排气中的热量。2）余热制冷技术，结构紧凑，制冷效率高，技术较为成熟，但对燃油消耗率的改善不明显。3）热电发电技术，热电转换过程较稳定，无传动装置，结构简单，但热电转换效率低，材料成本高。4）余热制淡技术，吸附式制冷装置结构简单，无运动部件。但是吸收式制冷装置结构复杂、体积大、造价高，而且“四器”都要有自由水平面，不利于船舶在大风浪航行中使用。3 结语本文以船舶高速柴油机作为研究对象，通过对柴油机余热的定义、用途以及经济性的研究，综合判断柴油机余热利用价值，科学进行余热品质的划分，旨在将热能转换成机械能或者电能，同时在机械能转换期间高效利用其释放的低温热能。从能量方面入手，利用换热器将温度偏高的热源转为余热锅炉、热交换器等温度较低的热能，以此用于供暖、加热、保温。发挥热泵的作用，完成热能转换，提高柴油机余热利用水平。与此同时，通过对柴油机废气涡轮增压技术、余热制冷技术、热电发电技术、余热制淡技术以及余热加热压载水等技术的应用，经过技术对比与分析，依据“能”、“质”需求，最大程度地结合多种技术，从而实现资源利用的最大化。参考文献：1 吴伯才.船舶柴油机余热的利用 J.浙江海洋学院学报,2002(2):187-190.2 甘念重.船舶主机热平衡分析及其余热利用 J.航海工程,2008(2)66-69.3 吴安民,周伟中.船舶柴油机余热利用技术研究 J.柴油机,2012,34(5):46-49.4 李斌.现代船舶柴油机动力系统的余热利用新方法 J.世界海运