船舶柴油機余熱的分析及利用

陳志龍

【摘 要】本文綜述了船舶柴油機余熱回收利用的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。簡單介紹了余熱的定義和特點。進而分別從加熱、發(fā)電、制冷、動力四個方面詳細介紹了余熱在船舶上的應(yīng)用，并對其利用價值及經(jīng)濟性作進一步分析。

【關(guān)鍵詞】船舶柴油機；節(jié)能減排；余熱利用；發(fā)電；制冷

節(jié)能減排是中國經(jīng)濟和社會發(fā)展的長期戰(zhàn)略方針，也是一個非常緊迫的任務(wù)。通過回收廢熱來減少能源消耗，對我國實現(xiàn)節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略和環(huán)境保護具有重要的現(xiàn)實意義。同時，余熱的回收利用對改善工作環(huán)境、節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本等方面起著無可比擬的作用，已經(jīng)成為能源利用不可忽略的一部分。在船上，余熱的使用大致分為兩個方面：一方面是用于加熱，比如船員的生活熱水，冬天機艙、油箱的加熱和保溫，遠洋船舶的海水加熱蒸餾制淡水等[1]。

1 余熱的定義和特點

余熱是指生產(chǎn)過程中釋放出來的可被利用的熱能。主要有高溫廢氣等，余熱的利用可以通過余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，推動熱能做機械功或發(fā)電，也可用來供暖或生產(chǎn)熱水[2]。

余熱有品質(zhì)高低之分。根據(jù)“按質(zhì)用能，各用其所”的原則，如果需要產(chǎn)生動力，應(yīng)該使用較高品味的余熱。如果將高品位余熱用于加熱，則會導(dǎo)致“大材小用”不合理現(xiàn)象。反之，若將低品位余熱用于做功，則也是一種‘能質(zhì)不匹配的現(xiàn)象。同時在使用熱能的過程中，也要遵循“按質(zhì)供能，能質(zhì)匹配”的原則，在熱能供需過程中，不僅做到數(shù)量相等，更重要是在質(zhì)量上合理搭配[3-4]。

2 船舶柴油機余熱構(gòu)成及分析

2.1 柴油機余熱構(gòu)成

2.1.1 廢氣余熱

船舶柴油機是船舶在海上航行的動力源，它排放的廢氣余熱將近占總熱能的40%。其排出的廢氣余熱溫度在350℃-410℃之間，如果直接排放到大氣中，會大量浪費沒有經(jīng)過利用的熱能[5]。

1）柴油機排氣熱的總量為：

Q=C■■·M·T■-C■■·M·T■

式中：Q——柴油機排氣所含的熱量；

C■■，C■■——分別為煙氣在溫度為T1、T2時的定壓比熱KJ＼Kg·K；

M——為排煙的質(zhì)量Kg；

T2——為廢氣渦輪增壓器渦輪出口溫度；

T1——為環(huán)境溫度。

綜上所述，柴油機排氣量愈大，排氣溫度愈高，廢氣熱量就愈多。因此，若要減少排氣熱，可以通過減小排氣溫度，降低過量空氣系數(shù)。

2）排氣中可供利用的熱量

當(dāng)廢氣溫度小于125℃時，廢氣中的硫與空氣中的氧氣形成的的氧化物會對柴油機等設(shè)備產(chǎn)生低溫酸性腐蝕[5]。為了減輕低溫腐蝕，廢氣溫度應(yīng)該大于150℃，所以廢氣中實際可以利用的余熱熱量：

Q■=C■■·M·T■-C■■·M·150

式中：C■■=1.083KJ＼Kg·K；

C■■=1.042KJ＼Kg·K。

2.1.2 冷卻介質(zhì)余熱

船舶柴油機在工作過程中，許多零部件是處在高溫下工作的。為了保證柴油機設(shè)備整體的強度以及使用壽命，對金屬構(gòu)件需要進行冷卻。因此，在柴油機中往往需要消耗大量的冷卻水。此外也有用空氣、惰性氣體或礦物油作為冷卻介質(zhì)。

通常情況下，計算冷卻水帶走的總熱量為：

Q■=C■·m■·？駐T■+C■·m■·？駐T■=4.2×m■×10+4.2×m■×10

式中：C■、C■——分別為氣缸冷卻液、活塞冷卻液的定壓比熱；

m■、m■——分別為氣缸冷卻水和活塞冷卻液的質(zhì)量流量；

T■、T■——分別為氣缸冷卻水和活塞冷卻液的進出口溫差。

2.1.3 其余散熱

在燃油燃燒產(chǎn)生的總能量中，大約有16%的其他散熱。這部分余熱大多數(shù)通過柴油機本身、空氣冷卻裝置、增壓空氣、滑油冷卻裝置等多條途徑散失，另外還有一小部分由于燃油發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)余熱。若利用這部分余熱，經(jīng)濟成本較高且操作困難，不實用[6]。

2.2 余熱利用的經(jīng)濟性分析

由于高昂的燃油價格直接影響船舶的營運利潤，導(dǎo)致越來越多的企業(yè)開始在船舶柴油機余熱利用方面進行投資。通過余熱回收的廣義的收益是：減少燃料消耗，從而降低成本；減少廢氣的排放，以保護環(huán)境；減少燃料的存儲容量，從而增加船的載貨能力。

2.2.1 每年節(jié)約的燃油費用

相對于柴油發(fā)電機，若使用余熱發(fā)電機節(jié)約燃料消耗可用G表示為：

3 余熱在船上的應(yīng)用

3.1 余熱加熱

3.1.1 直接加熱

1）機組人員和乘客的飲食用水和生活用水預(yù)加熱，以及燃油加熱；

2）對發(fā)動機進行暖機預(yù)熱、解決冷啟動問題；

3）余熱還可以對船員生活區(qū)進行供暖。

3.1.2 余熱制淡

近年來，隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，海上運輸愈來愈多，船舶航行也愈來愈遠，此時船舶對淡水的需求量也日益增大。其中，海水淡化裝置通常采用蒸餾法獲取新鮮淡水。利用廢氣余熱制淡具有可觀的經(jīng)濟效益。

3.2 余熱發(fā)電

船舶柴油機工作過程中，向外排放了大量的高溫廢氣余熱資源。一般的余熱回收系統(tǒng)是把這些熱能轉(zhuǎn)化為熱水或水蒸汽，供機器運轉(zhuǎn)或生活所需。但是這種熱能利用方式，往往受制于船舶的工作條件，很多情況下并不能將這些熱能充分利用。可以通過余熱發(fā)電技術(shù)直接將余熱熱量轉(zhuǎn)化為使用和傳輸方便的電能，這樣就使船舶運輸?shù)慕?jīng)濟效益顯著提高。

3.3 余熱制冷

雖然可以直接將中、低溫余熱用于生活加熱，并且設(shè)備簡單、經(jīng)濟可行，但是供暖有季節(jié)性，在非供暖期這些余熱就只能排放掉。如果余熱作為低溫?zé)嵩吹臒岜茫瑹岜迷黾訙囟人剑梢詳U大使用范圍，可以提高低溫余熱的利用價值[7]。

3.4 余熱的動力應(yīng)用

渦輪增壓技術(shù)已經(jīng)有百余年的歷史，大中型船用柴油機基本上都采用廢氣渦輪增壓器技術(shù)，帶有渦輪的小型高速柴油機也迅速發(fā)展。由廢氣渦輪驅(qū)動柴油機空氣系統(tǒng)的壓縮機，向氣缸內(nèi)注入高壓氣體。由于渦輪增壓器利用柴油機的排氣能量驅(qū)動，而不消耗柴油機本身的功率，從而有助于提高船舶柴油機的經(jīng)濟性，一般可降低燃油消耗3%～10%[8]。

4 余熱新型利用及展望

4.1 余熱新型利用

燃氣輪機是理想的卡諾循環(huán)機，由于其排氣溫度高，導(dǎo)致燃氣輪機效率不比汽輪機效率高多少。現(xiàn)代的高溫燃氣輪機排氣溫度已達600℃左右，比汽輪機循環(huán)的初溫都高。這樣的高溫廢氣排向大氣中，造成能源的巨大浪費，因此用高溫廢氣來加熱水產(chǎn)生蒸汽，通向汽輪機帶動電機發(fā)電。這就構(gòu)成了燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)余熱再利用系統(tǒng)。

熱聲制冷技術(shù)的基礎(chǔ)是熱聲效應(yīng)。吸收船舶柴油機余熱能量，把熱能轉(zhuǎn)化為聲能量，然后利用熱效應(yīng)，消耗聲能，從而實現(xiàn)制冷。熱聲制冷系統(tǒng)無移動部件，可靠性高，且不會對環(huán)境造成的負面影響。

4.2 余熱利用展望

1）隨著船員對船舶機艙舒適性要求的提高，余熱利用技術(shù)的應(yīng)用將會在各種船舶中得到普及，如船舶機艙加熱和船載冰箱的制冷等。

2）余熱技術(shù)利用在發(fā)動機的余熱保溫上，可以解決高緯度地區(qū)及冬季柴油機冷啟動的問題，并且可以改善船舶燃油的經(jīng)濟性。

【參考文獻】

[1]船舶主機熱平衡分析及其余熱利用[J].船海工程，2008，37（2）：66-69.

[2][6]吳伯才.船舶柴油機余熱的利用[J].浙江海洋學(xué)院學(xué)報，2002.

[3]姚壽廣.船舶熱力系統(tǒng)分析[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[4]黃志杰.能源管理[M].北京：能源出版社，1984.

[5]董桂田.汽車發(fā)動機排氣廢熱的溫差發(fā)電[J].北京節(jié)能，1997（4）：7-9.

[7]陳武，蔡振雄.船舶吸附式空調(diào)制冷系統(tǒng)研究[J].水運科技信息，1999.

[8]MAN B&W Diesel A/S. Main Engine Room Data for 12 K 98 ME-C[M].Internal data.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]