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狀和發展趨勢。簡單介紹了余熱的定義和特點。進而分別從加熱、發電、制冷、動力四個方面詳細介紹了余熱在船舶上的應用，并對其利用價值及經濟性作進一步分析。

【關鍵詞】船舶柴油機；節能減排；余熱利用；發電；制冷

節能減排是中國經濟和社會發展的長期戰略方針，也是一個非常緊迫的任務。通過回收廢熱來減少能源消耗，對我國實現節能減排的發展戰略和環境保護具有重要的現實意義。同時，余熱的回收利用對改善工作環境、節約能源、降低生產成本等方面起著無可比擬的作用，已經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生蒸汽，推動熱能做機械功或發電，也可用來供暖或生產熱水[2]。

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

2 船舶柴油機余熱構成及分析

2.1 柴油機余熱構成

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——為排煙的質量Kg；

T2——為廢氣渦輪增壓器渦輪出口溫度；

T1——為環境溫度。

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。

2）排氣中可供利用的熱量

當廢氣溫度小于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備產生低溫酸性腐蝕[5]。為了減輕低溫腐蝕，廢氣溫度應該大于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。為了保證柴油機設備整體的強度以及使用壽命，對金屬構件需要進行冷卻。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。

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

在燃油燃燒產生的總能量中，大約有16%的其他散熱。這部分余熱大多數通過柴油機本身、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生化學反應所產生的化學反應余熱。若利用這部分余熱，經濟成本較高且操作困難，不實用[6]。

2.2 余熱利用的經濟性分析

由于高昂的燃油價格直接影響船舶的營運利潤，導致越來越多的企業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 每年節約的燃油費用

相對于柴油發電機，若使用余熱發電機節約燃料消耗可用G表示為：

3 余熱在船上的應用

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加熱，以及燃油加熱；

2）對發動機進行暖機預熱、解決冷啟動問題；

3）余熱還可以對船員生活區進行供暖。

3.1.2 余熱制淡

近年來，隨著經濟全球化的發展，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濟效益。

3.2 余熱發電

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是把這些熱能轉化為熱水或水蒸汽，供機器運轉或生活所需。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。可以通過余熱發電技術直接將余熱熱量轉化為使用和傳輸方便的電能，這樣就使船舶運輸的經濟效益顯著提高。

3.3 余熱制冷

雖然可以直接將中、低溫余熱用于生活加熱，并且設備簡單、經濟可行，但是供暖有季節性，在非供暖期這些余熱就只能排放掉。如果余熱作為低溫熱源的熱泵，熱泵增加溫度水平，可以擴大使用范圍，可以提高低溫余熱的利用價值[7]。

3.4 余熱的動力應用

渦輪增壓技術已經有百余年的歷史，大中型船用柴油機基本上都采用廢氣渦輪增壓器技術，帶有渦輪的小型高速柴油機也迅速發展。由廢氣渦輪驅動柴油機空氣系統的壓縮機，向氣缸內注入高壓氣體。由于渦輪增壓器利用柴油機的排氣能量驅動，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機，由于其排氣溫度高，導致燃氣輪機效率不比汽輪機效率高多少。現代的高溫燃氣輪機排氣溫度已達600℃左右，比汽輪機循環的初溫都高。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生蒸汽，通向汽輪機帶動電機發電。這就構成了燃氣-蒸汽聯合循環余熱再利用系統。

熱聲制冷技術的基礎是熱聲效應。吸收船舶柴油機余熱能量，把熱能轉化為聲能量，然后利用熱效應，消耗聲能，從而實現制冷。熱聲制冷系統無移動部件，可靠性高，且不會對環境造成的負面影響。

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，余熱利用技術的應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）余熱技術利用在發動機的余熱保溫上，可以解決高緯度地區及冬季柴油機冷啟動的問題，并且可以改善船舶燃油的經濟性。

【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].浙江海洋學院學報，2002.

[3]姚壽廣.船舶熱力系統分析[M].北京：科學出版社，2003.

[4]黃志杰.能源管理[M].北京：能源出版社，1984.

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

[7]陳武，蔡振雄.船舶吸附式空調制冷系統研究[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.

[責任編輯：楊玉潔]