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?船舶柴油機的余熱利用 目 錄 摘 要 I 1本文研究的背景目的和意義 1 1.1本文所要解決的問題 1 1.2本文研究的方法 1 2余熱回收的經(jīng)濟價值 2 2.1每年節(jié)約的燃油費用 2 2.2余熱的合理利用 2 2.3經(jīng)濟價值評估 3 3船舶柴油機余熱能量的構(gòu)成 4 3.1柴油機排氣熱 4 3.2排氣中可供利用的熱量 4 3.3卻水和活塞冷卻水帶走的總熱量 5 3.4柴油機其他散熱 6 4.余熱的合理利用 6 4.1排氣余熱發(fā)電系統(tǒng)的可行性 6 4.2典型的排氣余熱發(fā)電系統(tǒng) 7 4.3單段單壓式余熱發(fā)電系統(tǒng) 7 5.結(jié)論或體會 8 摘 要 船舶就像是漂浮在海洋上面的城市。隨著科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，為了節(jié)省能源和更有效的利用船舶廢氣，所以我們要進(jìn)行船舶廢氣利用的研究。對船舶廢氣利用研究的同時也促使了各種設(shè)備的推陳出新。超大型船舶主機功率龐大，廢氣排放熱量可觀。借助廢氣余熱利用系統(tǒng)，可將部分廢氣余熱利用，達(dá)到節(jié)能的目的。船舶安裝廢氣余熱利用系統(tǒng)可提高燃油利用率。對于不同的船舶，需從工作可靠性與經(jīng)濟性綜合考慮，選取合適的廢氣余熱利用系統(tǒng)。通過系統(tǒng)靜態(tài)特性的模擬分析，可合理預(yù)測和效驗系統(tǒng)的實際工作情況，為船舶廢氣余熱利用系統(tǒng)的設(shè)計提供正確的方法和必要的參考。由系統(tǒng)的熱力平衡，可求出系統(tǒng)的熱力學(xué)參數(shù)，由柴油機部件的熱力計算可得到各部件的結(jié)構(gòu)損失與效率損失。對船舶廢氣余熱利用系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析，不僅可以為廢氣余熱利用系統(tǒng)提供最優(yōu)的工作參數(shù)，同時也可以使柴油機達(dá)到最佳的工作狀態(tài)。 關(guān)鍵詞：廢氣余熱；冷卻水余熱；余熱利用 論船舶柴油機的余熱利用 1本文研究的背景目的和意義 自1973 年世界發(fā)生石油危機以來，加上環(huán)境污染的加劇，節(jié)能問題日益引起了人們的重視。如何提高能源的利用率，減少船舶柴油機廢氣的排放，保護人類賴以生存的環(huán)境是許多人致力研究的課題。就燃料大戶船舶而言，目前柴油機余熱的利用主要是利用廢氣渦輪增壓器將廢氣能量轉(zhuǎn)換成掃氣空氣的壓力來提高柴油機的功率和效率，同時利用廢氣鍋爐產(chǎn)生 0.5MPa 左右的飽和水蒸汽來滿足船員的日常生活用水及油艙的加熱保溫等，卻忽略了柴油機冷卻水帶走了大量熱量這一事實。這使得廢熱的利用不僅不充分，而且不合理。在船舶朝著大型化、高速化發(fā)展的今天，柴油機的額定功率最大的已超過37285KW，為減少耗油，柴油機冷卻水的出口溫度也從20世紀(jì)60 年代的60-65°C提高到現(xiàn)在的80-85°C，有些高速機高達(dá)90°C以上。船舶安裝廢氣余熱利用系統(tǒng)的設(shè)計提供正確的方法和必要的參考。有系統(tǒng)不見的熱力設(shè)計可得到系統(tǒng)各部件的結(jié)構(gòu)，所示與效率。對船舶廢氣余熱利用系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析。冷卻水出口溫度的增加使冷卻水熱能的品質(zhì)有了很大的提高，也為冷卻水余熱的利用創(chuàng)造了更好的條件。因此柴油機余熱的利用，無論從經(jīng)濟上或環(huán)保方面都具有重大價值。本文將著重探討如何優(yōu)化利用柴油機排氣余熱。 1.1本文所要解決的問題 如何更好的合理利用資源，提高船舶運行的經(jīng)濟性； 如何最大限度利用余熱，以提高船舶運行的經(jīng)濟性。 1.2本文研究的方法 收集大量有用的資料是寫好論文的基礎(chǔ)。資料準(zhǔn)備越充分，研究的結(jié)果就越可靠。因此，本人在研究中對資料的收集采取了以下幾種方式: ① 利用本人在船工作實習(xí)期間積累的經(jīng)驗和曾收集到的資料，進(jìn)行分類整理； ② 從互聯(lián)網(wǎng)上搜索相關(guān)信息，進(jìn)行篩選； ③ 通過閱讀大量相關(guān)書籍、文獻(xiàn)資料，獲取有用信息； ④ 咨詢相關(guān)人士，請教老師等，根據(jù)搜集到的相關(guān)資料，進(jìn)行分析研究，找出經(jīng)濟的船舶運行和實現(xiàn)海洋環(huán)保的有效途徑。 2余熱回收的經(jīng)濟價值 刺激企業(yè)在船舶柴油機余熱方面進(jìn)行投資的原因是他們期待由此所帶來的收益是否超過投資。由于燃油價格的居高不下，燃油的消耗直接影響船舶的營運利潤，而通過余熱回收得到的收益主要有：節(jié)約燃油的費用，減少對大氣污染；減少燃油、淡水的儲存量，從而增加了船舶的載貨量。其中節(jié)約的燃油費用是相當(dāng)可觀的，現(xiàn)作以下分析 2.1每年節(jié)約的燃油費用 當(dāng)某船利用余熱汽輪發(fā)電機代替柴油發(fā)電機時，年節(jié)油量即為被替代發(fā)電機組每年的燃油消耗量，其耗油量G 可表示為: G=24PNg×10-6 t， 式中：P—— 為被汽輪機替代的柴油機功率； N——為每年海上航行有效運行天數(shù)； G——為耗油率（g/kWh）。 以某船的余熱驅(qū)動的汽輪發(fā)電機節(jié)油為例。設(shè)其功率為300kW，海上航行天數(shù)為220d，被替代柴油機的耗油率按 175 g/kWh計算，則每年可節(jié)油約為277.2t 按柴油 2800元 / t 計，可節(jié)約燃油費用77.61萬元。 2.2余熱的合理利用 余熱的利用不僅僅是利用余熱的多少，更重要的是根據(jù)余熱的品質(zhì)好壞提高其利用的經(jīng)濟性。余熱的溫度越高，其品質(zhì)越好，利用價值也越高。對余熱的利用一般可分兩個階段。 第一階段：合理、高效地把熱能轉(zhuǎn)換為機械能或電能。 第二階段：對在機械能轉(zhuǎn)化過程中放出的低溫?zé)崮茉偌右杂行У乩谩? 目前余熱的回收裝置種類很多，對余熱的利用效果也各不相同。按能量的種類分類，可分為： （1）通過熱交換轉(zhuǎn)換成溫度較低的熱能，如熱管鍋爐、熱交換器等，主要用來取暖、加熱、保溫等。 （2）通過冷媒透平或廢氣渦輪產(chǎn)生動力，如汽輪機、廢氣渦輪增壓器等，通常用于回收溫度較高的余熱。 （3）通過吸收式制冷系統(tǒng)進(jìn)行制冷，如吸收式制冷裝置制冷，用于船舶夏季空調(diào)。 （4）利用熱泵轉(zhuǎn)換成溫度較高的熱能再對熱能加以利用，擴寬余熱的適用場合，提高余熱利用的經(jīng)濟性。 ① 柴油機廢氣能量的利用 柴油機廢氣能量約占燃油總熱量18%左右，其可利用部分也達(dá)12%左右，約為柴油機有效功率的1/4。中速機廢氣渦輪增壓出口溫度高達(dá)370℃左右，以換熱器傳熱溫差100℃設(shè)計，廢氣的平均傳熱溫度達(dá)280℃左右，通過廢氣鍋爐、省煤器、過熱器受熱面的合理布置，可產(chǎn)生280℃，0.9MPa 的過熱蒸汽驅(qū)動汽輪機工作。在這樣的熱力參數(shù)條件下，汽輪機的熱效率可達(dá)25%左右，以某船在柴油機持續(xù)功率6752KW時，按每小時油耗1.17t估算，可產(chǎn)生機械功率為406.2KW，即使考慮到船舶需使用一定量的蒸汽，也足可滿足300KVA的發(fā)電機，保證正常航行時船舶的用電。汽輪機在陸地上已廣泛應(yīng)用，在船舶上的應(yīng)用技術(shù)也已相當(dāng)成熟，安裝管理應(yīng)無問題。 ② 柴油機冷卻水能量的利用 柴油機冷卻水出口溫度為80℃左右時，通過熱管鍋爐換熱，冷媒水的溫度仍可達(dá)70℃以上。因冷卻水帶出的熱量占燃油燃燒總熱量的16%左右，總熱量是非常大的，其熱能可滿足如下供熱情況： （1）直接用于船員和旅客日常生活用的熱水及重油艙的加熱和保溫。 （2）直接用于海水淡化裝置的加熱源。 （3）將冷煤水的一部分加熱到100℃以上，用作冬季空調(diào)的熱源或用于夏季吸收式制冷裝置的加熱源。 （4）用蒸汽將部分冷煤水加熱到100℃以上或利用高溫?zé)岜脤?0℃的水加熱到100℃，用于沉淀油柜和日用油柜的加熱和保溫。 （5）其他要求加溫和保溫的情況： 由計算可知，冷卻水中可利用的熱量總量比排氣中可利用的總能量還要多。用氣缸、活塞冷卻水的余熱代替原蒸汽的用途完全可以滿足。但由于水的焓值相比蒸汽的焓值要小且傳熱溫差也較小，相同換熱量時，換熱器的體積略有增大，結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，有時會給設(shè)備和管理帶來不便。給冷媒水加熱的蒸汽可利用汽輪機的排氣，需較高溫度時，可在汽輪機級間抽氣，以保證加熱蒸汽的溫度和壓力，也可在汽輪機級間抽氣直接加熱，滿足日用油柜到高壓油泵的燃油等需較高溫度加熱源的加熱要求。汽輪機中間抽氣會使余熱轉(zhuǎn)換成機械能有所減少，但中間抽氣位置的蒸汽溫度、壓力已較低，所以機械能損失并不大。 2.3經(jīng)濟價值評估 簡單而實用的評價方法是償還期法，即用所獲收益來補償全部投資所需的年數(shù)， 可用下式計算: 償還期=初次費用/(全年收益 -全年花費) 償還期后即可為企業(yè)產(chǎn)生利潤，在設(shè)計工作年限內(nèi)產(chǎn)生的利潤總額與營運年限的比值若大于企業(yè)投資的平均回報率，則改裝是合理的。即（ 工作年限-償還期）×（ 每年收益 - 每年花費）/工作年限≧企業(yè)投資的平均回報率，則值得投資。據(jù)調(diào)查，余熱利用的成本償還期一般在3年以內(nèi)，年回報率達(dá)30%左右，節(jié)能投資是合理的。 將柴油機冷卻水余熱作為替代能源用來替代原本由低壓蒸汽完成的燃油加熱，船員生活用的熱源。即充分合理地利用柴油機的廢熱，提高了船舶運行的經(jīng)濟性， 同時也減少了對大氣和海洋環(huán)境污染。既節(jié)約了有限的石油資源，又保護了地球的環(huán)境。 3船舶柴油機余熱能量的構(gòu)成 船舶柴油機燃料產(chǎn)生的熱能中大約35%左右轉(zhuǎn)化為柴油機的輸出功， 其余50%左右通過排氣、 冷卻水等排放到船外， 造成很大的能源浪費， 其中以排氣和氣缸冷卻水、 活塞冷卻水的排熱占主要部分。 3.1柴油機排氣熱 柴油機排氣熱的總量為：Q=C·M·T-C·M·T 式中：Q ——表示柴油機排氣帶走的熱量； C, C——分別表示溫度為T1度、T2度時煙氣的定壓比熱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。 由上式可見，柴油機排氣溫度越高，排氣量越大，廢氣熱量就越多。因此降低排氣溫度，減少過量空氣系數(shù)可使排氣熱減少。 3.2排氣中可供利用的熱量 由于排氣溫度低于125度,時，廢氣中硫的氧化物會造成柴油機等的低溫腐蝕。為防止低溫腐蝕，排入大氣中的廢氣溫度最好不低于150度，廢氣中實際可利用的廢熱熱量： Q= C·M·T-C·M·150 式中：C=1.083KJ＼Kg·K C=1.042KJ＼Kg·K 此情況下，排氣廢熱占燃料產(chǎn)生熱量的百分比為： = =17.7% 實際可利用的排氣熱的百分比 = 式中：Q2——可回收利用的排氣熱 Cp——150度時廢氣的定壓比熱，根據(jù)某船柴油機的實測參數(shù) T=370度 T=30度 過量空氣系數(shù)為1.26時，1kg 燃油完全燃燒約需18kg 空氣； 燃油低熱值取41860kj/kg； 查得煙氣的定壓比熱Cp=1.144kJ/kg。 3.3卻水和活塞冷卻水帶走的總熱量 氣缸冷卻水、活塞冷卻水帶走的熱量是另一項柴油機排熱。目前使用的柴油機由于冷卻水溫度提高，總的散熱量有所減少，但冷卻水熱能的品質(zhì)有了較大的提高，經(jīng)過適當(dāng)加熱處理或直接進(jìn)行加熱是完全可以滿足船員日常生活和燃油艙加熱的需要的，該部分熱量Q 可以由下式計算 Q=C·m·T+C·T=4.2m10+4.2m10 式中：Cp、Cp ——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(jìn)出口溫差。 以某船為例，海上定速航行時，測得相關(guān)參數(shù)如下，平均指示壓力140.725N/cm，轉(zhuǎn)速160r/min，指示功率6752kW，氣缸和活塞都用水冷卻，6 缸平均進(jìn)口溫度為63度，出口溫度為73度，冷卻水壓力為0.21Mpa，冷卻水流量為196m/h，（根據(jù)離心泵定速特性曲線查得）油耗1.17t/h。活塞冷卻水與氣缸冷卻水用同一主淡水泵供水。此時，每小時淡水帶走的熱量為： Q=C·m·T+C·m·T =4.2m10+4.2m10 =8.232 10 KJ 占燃油總發(fā)熱量的比例為 =100%=100%=16.8% 該柴油機的熱效率為 =100%=100%=49.6% 3.4柴油機其他散熱 柴油機其他散熱占燃油發(fā)熱量的比例為100%-49.6%-17.7%-16.8%=15.9%。這部分熱量主要通過柴油機機體、空氣冷卻器、滑油冷卻器、油頭冷卻器等多條途徑散失，這部分余熱利用較困難，經(jīng)濟價值不高。 4.余熱的合理利用 利用換熱器來回收煙氣余熱，以預(yù)熱助燃用空氣，是最常用最可靠最有效的方法。它的好處是： ① 與工藝密切配合：與工藝是完全同步的，自己回收和自己利用； ② 回收率高：一般可回收40%~60%，如采用蓄熱式換熱器，幾乎可以將90%以上的余熱回收，經(jīng)濟效益顯著； ③ 對本身工藝的作用大：如燃重油時，空氣余熱溫度每提高100℃，即可提高燃燒溫度50℃左右，提高產(chǎn)量2%左右，介于重油5%以上； ④ 減少對環(huán)境的污染：節(jié)約了多少燃料就相當(dāng)于減少了多少燃料，就相當(dāng)于減少了多少排煙量，也就相當(dāng)于減少了多少二氧化碳，一氧化碳和氮氧化物的排放，并且是根本性的而不需要任何治理費用。 一般認(rèn)為一個好的換熱器就是它的預(yù)熱溫度高，其實并非如此，以為任何一種換熱器，只要有足夠大的傳熱面積，總可以將預(yù)熱溫度提高，甚至提高到接近煙氣的溫度。因而評價的主要指標(biāo)應(yīng)該是： （1）綜合傳熱系數(shù)大：也就是單位面積，單位溫差下傳遞的熱量多，對氣—氣換熱器，一般為30~50W/K； （2）廢氣流過時的壓力損失為1000~3000Pa，煙氣側(cè)的壓力損失為30~100Pa； （3）緊湊度高，也就是單位體積的傳熱面大，便于安裝和降低成本。 4.1排氣余熱發(fā)電系統(tǒng)的可行性 在大功率的柴油機商船上，利用廢氣鍋爐代替燃油鍋爐產(chǎn)生生活雜用及油類加熱等蒸汽，還不能充分利用主機的余熱，因為隨著發(fā)動機功率的增大，排氣余熱也隨著增加，但船在航行中所需要的電力和加熱蒸汽的需要并不是隨船的噸位成比例地增加，也不隨主機的功率按比例同步增加。因此如果廢氣鍋爐只產(chǎn)生雜用及加熱蒸汽，余熱能量會有多余，排煙溫度就不能降低到合理的溫度。 由排氣余熱回收的蒸汽熱能，其最佳轉(zhuǎn)換方式是使用汽輪發(fā)電機產(chǎn)生電能。船舶正常航行時主機負(fù)荷較高（大于75%額定功率），排氣流量較穩(wěn)定，排氣熱能又具有相當(dāng)品位（特別是中速機），于是對廢氣鍋爐開始重新構(gòu)思設(shè)計，包括采用降低出口氣溫，提高蒸發(fā)量和加裝過熱器，經(jīng)濟器等措施。所產(chǎn)生蒸汽除供加熱和生活雜用外，有能力通過汽輪發(fā)電機組在正常航行時取代柴油機發(fā)電，滿足全船電力負(fù)荷。這種余熱發(fā)電方式特別適用于推進(jìn)功率較大的中速柴油機和低速二沖程柴油機船舶。在這種大型船舶中，利用排氣余熱和冷卻水余熱可滿足船上電能和熱能的需要。如果余熱量不足夠大，余熱發(fā)電量不能滿足全船耗電的需要時，可以采取與柴油發(fā)電機并聯(lián)運行或與輔鍋爐補汽、軸帶發(fā)電機等辦法來補充不足部分，但這樣就要增加裝置的復(fù)雜性，因此在考慮方案時必須從技術(shù)、經(jīng)濟上來論證這些方法是否可行。 4.2典型的排氣余熱發(fā)電系統(tǒng) 現(xiàn)代國內(nèi)外柴油機船舶所采用的余熱發(fā)電系統(tǒng)主要區(qū)別如下兩個特征： （1）爐汽水系統(tǒng)中的壓力級數(shù)。 （2）輪機所采用的壓力段數(shù)（指普通單段壓力式汽輪機和多段式汽輪機）。 4.3單段單壓式余熱發(fā)電系統(tǒng) 上圖是單段單壓余熱發(fā)電系統(tǒng)原理圖，該鍋爐通常是燃油輔鍋爐的氣筒，鍋桶內(nèi)的水用強制循環(huán)水泵先經(jīng)給水預(yù)熱器加熱蒸發(fā)而變成飽和蒸汽與水的混合物（即未飽和蒸汽），然后進(jìn)鍋爐氣筒進(jìn)行汽水分離。分離后的飽和蒸汽從鍋筒引出，其中一部分供全船加熱和生活雜用，其余大部分進(jìn)入過熱器加熱成過熱蒸汽后送入汽輪機中做功發(fā)電。 在典型的單壓系統(tǒng)中還有一種裝有低壓蒸汽發(fā)生器的余熱利用系統(tǒng)，它是在常規(guī)單壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上為提高發(fā)電量而采用余熱回收措施，從余熱回收觀點來看，加熱用的蒸汽壓力應(yīng)比發(fā)電用的蒸汽壓力低一點更有用，因此設(shè)置了以鍋爐循環(huán)水作為熱源的低壓蒸汽發(fā)生器，這樣就增加了鍋爐尾部經(jīng)濟器的吸熱量，有利于提高鍋筒蒸汽壓力，從而使發(fā)電量增加。低壓蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的低壓蒸汽供加熱和生活雜用。 5.結(jié)論或體會 船舶機艙是一個大的分布式能源系統(tǒng),作為船舶動力核心的主機,是整個能源系統(tǒng)合理分布與有效利用的關(guān)鍵。主機排氣余熱所占比例極大,而且這部分余熱的品質(zhì)較高,是船上余熱利用的主要來源。文中緊接著對該船排氣余熱的利用進(jìn)行了分析,得出了排氣余熱的熱平衡圖,并通過對余熱使用條件的分析,說明了低品質(zhì)余熱的大量利用還存在許多困難,未來能使用這部分余熱的新型設(shè)備將會極大地提高船舶柴油機的熱經(jīng)濟性。 由于本人的學(xué)識和所學(xué)專業(yè)的限制，研究的還不夠深刻全面，主要探討了與日常管理直接相關(guān)的一些方面，目的是起到拋磚引玉的作用，希望人們能對船舶的經(jīng)濟運營和海洋環(huán)保予以充分關(guān)注，共同探討，為我們輪機管理工作奉獻(xiàn)力量，為海運事業(yè)的發(fā)展與繁榮而努力。 畢業(yè)論文是本科學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實際相結(jié)合的機會，通過這次比較完整的給排水系統(tǒng)設(shè)計，我擺脫了單純的理論知識學(xué)習(xí)狀態(tài)，和實際設(shè)計的結(jié)合鍛煉了我的綜合運用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，解決實際工程問題的能力，同時也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計手冊、設(shè)計規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細(xì)節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到了豐富，并且意志品質(zhì)力，抗壓能力及耐力也都得到了不同程度的提升。這是我們都希望看到的也正是我們進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計的目的