試析船舶低速柴油機余熱綜合回收系統 Analysis of the Comprehensive Residual Heat Recovery System of Ship Low-speed Diesel Engine

張少杰 ZHANG Shao-jie

摘要：船舶運輸會對大量燃料進行消耗，而且出于使船舶在二氧化碳方面的排放有所減少的目的，國際海事組織對EEDI法案進行了頒布，如果船舶的能耗未能達標，則船東應該對定額罰金進行繳納，以此彌補船舶運輸對于環境的傷害。在排放法規越來越嚴格的背景下，船舶行業需研究余熱回收技術。本文基于此，對船舶低速柴油機的余熱綜合回收系統進行了淺要地分析，以供業界參考。

Abstract： Ship transport will consume a large amount of fuel， and for the purpose of reducing carbon dioxide emissions， the International Maritime Organization issued the EEDI Act， if the ship energy consumption fails to meet the standard， the owner should pay the fixed fine to make up for the damage to the environment.In the context of the increasingly stringent emission regulations， the ship industry needs to study the residual heat recovery technology.Based on this， the residual heat recovery system of low speed diesel engine is analyzed for reference in the industry.

關鍵詞：船舶;低速柴油機;余熱綜合回收系統

Key words： ship;low-speed diesel engine;waste heat comprehensive recovery system

中圖分類號：U664.21? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）22-0047-02

0? 引言

近年來，我國加大了研究船舶節能技術的力度，研究表明，在船舶運營時，船舶的主機會消耗大量能源，不僅投資費用很高，還會產生很多的燃油成本。所以需對船舶主機的燃料在燃燒時產生的能量進行高效利用。柴油機運行時未被利用的熱量是余熱。因為將船舶主機當作出發點，對提升能量利用效率的方法進行研究比較困難，所以需采取回收余熱的方式，以此實現使能量利用率得到提升的目標。

1? 船舶柴油機的余熱回收系統

在船舶柴油機的余熱回收系統中，燃料燃燒的位置是柴油機的氣缸內部，少數排氣旁通到動力渦輪，而余下部分排氣會經過渦輪增壓器，待全部排氣匯合之后會一同進至余熱鍋爐，最終排向大氣。對余熱鍋爐給水而言，其在進至余熱鍋爐之前會依序流經缸套水換熱器以及空冷器完成預熱，水會在余熱鍋爐之中加熱，待轉化成蒸汽狀態之后，再進到蒸汽輪機之中開始做功。船舶柴油機的余熱回收系統的主要組成除了有柴油機主機及動力渦輪之外，還有余熱鍋爐和雙壓蒸汽輪機等[1]。

1.1 柴油機

以MAN公司生產的低速二沖程的船用柴油機為例，其型號為6S50ME-C8.2，輔以渦輪增壓器，渦輪增壓器的型號是TCA66，對定壓增壓方式進行應用。于大型低速的二沖程船舶用柴油機而言，此類柴油機的熱效率很高，排氣的溫度通常在230℃至250℃之間，在這個溫度區間內，廢氣含有的能量比較低，假如選用直接進至余熱鍋爐的方式，則廢氣能量無法被很好地回收，應該使用柴油機來調制余熱，對排氣溫度進行提升，使其超過290℃[2]。

人們要想使排氣溫度得到提升，廢氣旁通方法非常實用，也就是對少量進到渦輪增壓器內部的廢氣進行旁通，如此一來，渦輪流通能力將會明顯下降，對空氣流量而言，其經過壓氣機的部分同樣會有所減少，這樣做會使得柴油機過量的空氣系數明顯下降，且缸內的燃燒不夠充分，氣缸的排氣溫度不斷提升，進而使得渦輪排氣溫度不斷提高。伴隨過量空氣系數的下降，柴油機功能將會受此影響，舉例說明，柴油機的燃油消耗效率會不斷增加，而且柴油機的熱負荷同樣會逐漸增大，所以應該使用有效舉措來確保柴油機可以符合動力性要求及經濟性要求?，F階段，針對柴油機使用的余熱調制辦法共有兩類，其一為調制柴油機，該方法的實現需要對柴油機定時進行調整，還應對廢氣旁通加以利用，其二為廢氣旁通以及對渦輪增壓器進行調制。文章對調制柴油機及渦輪增壓器方式進行了結合，把少量廢氣調制到動力渦輪中，而且對渦輪增壓器進行了再次匹配，不但使柴油機動力性及經濟性得到保障，還實現了提升排氣溫度的目標。在余熱回收系統中，WHR主機便是經過調制的主柴油機。

1.2 余熱鍋爐

在船舶專用的余熱鍋爐中，工作人員常會對小管徑的受熱面進行使用，這是因為受熱面的管徑能夠直接影響傳熱的系數，對煙氣和受熱面的金屬來說，其對流傳熱系數和受熱管直徑的比例為反比，肋片高度會隨著管徑的增大而提高，也會使換熱效果逐漸變差，并且使金屬材料消耗數量不斷增加。如果余下條件未發生變化，此時對高肋片且小管徑的受熱管進行使用，則能夠使受熱面積有所增加，而且回收受熱面的重量有所減小，盡管使用此種方式能夠實現降低傳熱系數的目標，不過在受熱面積得到增加的背景下，傳熱效果會受到更加明顯的影響，其總體傳熱效果不斷提高。除此之外，對小管徑受熱面進行選擇，能夠提高鍋爐窄點溫差的合理性，就工質側壓力而言，其損失較小，且煙風阻力同樣很小，和常規的船舶專用鍋爐相比，其水循環狀況要更加優秀。因為它具有水容量很小特點及啟動速度很快的特點，所以非常適合在聯合循環的發電機組中使用，可以符合其調峰方面的標準。

2? 余熱回收系統的仿真研究

在船舶柴油機的余熱回收系統中，動力渦輪和蒸汽輪機是其非常重要的組成部分，就動力渦輪來說，它在將有用功向外輸出時會對主機旁通廢氣能量進行利用，而蒸汽輪機在向外做功的過程中不僅要對余熱鍋爐生成的飽和蒸汽進行利用，還應借助過熱蒸汽能量。從整體上講，動力渦輪的有效功率及蒸汽渦輪功率可以在余熱回收系統中發揮至關重要的作用，對采油機而言，二者可以充分體現其余熱的回收情況。在余熱回收系統中，應對其動態仿真模型進行建設，對各種柴油機負荷情況下的余熱回收系統功率進行觀察，并且在負荷出現變化的基礎上，分析輸出功率的變動狀況。

2.1 余熱回收系統的仿真模型

首先，就蒸汽輪機而言，在余熱回收系統中，雙壓蒸汽輪機可以起到發電作用，蒸汽輪機結構設計是否合理，和工作效率之間關系匪淺，出于符合蒸汽系統的各項標準目的，依據蒸汽參數把它劃分成若干段，因為各級差異較小，僅需對通用基礎模塊進行建設。余熱回收系統的蒸汽輪機和電站的蒸汽輪機作比較，其特點如下：第一，出于對主機排氣余熱進行有效利用目的，通常不會由蒸汽輪機對蒸汽加熱的給水進行抽取。第二，蒸汽輪機需要符合主機在短時間起動方面的標準。第三，因為蒸汽參數會被主機排氣嚴重影響，主機排氣參數經常變化，所以蒸汽輪機在運行時應選擇滑壓方式。當余熱回收系統在正常狀態下運行時，因為蒸汽輪機不具備很大的熱慣性，所以能夠對穩態代數方程進行利用，以此表現蒸汽輪機發生變化的工況，也就是依據靜態平衡方式處理。

在蒸汽輪機工況出現變動的情況下，其蒸汽流量能夠選用Flugel公式進行計算。

就蒸汽輪機出口焓來說，能夠依據等熵過程對理想焓進行求解，之后利用各級效率完成修正操作，對蒸汽輪機入口熵而言，能夠利用入口蒸汽參數進行明確，飽和態依據單一參數明確，在確定過熱態時應該使用兩個參數。

其次，就動力渦輪而言，渦輪增壓技術在柴油機上的應用非常廣泛，此方法可使柴油機功率得到提升，能對其經濟性進行改善。如果發動機的負荷很高，則柴油機尾氣的剩余能量便能夠利用動力渦輪進行回收，使動力裝置在能量利用方面的效率得到提升。

依據相關公式，分別對動力渦輪在出口等熵方面的溫度、動力渦輪等熵出口焓以及動力渦輪出口焓進行計算。

再次，船舶柴油機余熱回收系統的仿真模型。對余熱回收系統來說，余熱鍋爐內部的煙氣屬于混合煙氣，排氣分別來自渦輪增壓器和動力渦輪，煙氣在匯合之后會生成熱量的傳遞，最后會維持于新溫度，煙氣溫度能夠依據相關公式進行計算。

在確定煙氣溫度之后，封裝各個設備仿真模型，之后對各系統進行連接，最終可對余熱回收系統仿真模型進行獲取。就余熱回收系統而言，其輸入信號是柴油機指定轉速，利用轉速的設定和工況的設定對轉速進行設置，從而對余熱回收系統在多個工況下的功能進行分析。

2.2 穩態仿真結果

首先，各種負荷條件的穩態仿真。依據動力渦輪入口煙的溫度及出口煙的溫度伴隨負荷進行改變的規律能夠發現，當負荷從55%提升到100%，此時對動力渦輪來說，其入口、出口煙氣的溫度逐漸升高，而就提升幅度來說，入口煙氣溫度要高于出口煙氣溫度，表明在負荷增大背景下，動力渦輪在做功方面的性能會隨之提高。按照余熱鍋爐的傳熱量伴隨負荷改變特征可以發現，在負荷從55%提升到100%的情況下，余熱鍋爐的傳熱量不斷升高，由于在負荷提升背景下，柴油機的廢氣流量及能量逐漸增加，對余熱鍋爐來說，供應此處的能量同樣會有所增加，余熱鍋爐的煙氣及放熱量會不斷增多。就余熱鍋爐的傳熱量來說，高壓蒸發器產生的傳熱量占據重要位置，它會對高壓汽包中沒有飽和的水進行加熱，使其處于飽和蒸汽形態，工質此時會出現相變，應盡快獲得許多熱量，過熱器工質則不必進行相變，所需能量很少，所以和蒸發器傳熱量作比較，過熱器傳熱量更小。此外，高壓蒸發器位置的煙氣溫度很高，和工質間具有很大的溫差，在傳熱方面能量很強，低壓蒸發器位置煙氣溫度很低，僅可對少量未飽和水進行加熱，蒸發量相對較小，且傳熱量很小。在余熱鍋爐中，其過熱及飽和蒸汽的產量會在負荷增大背景下逐漸增加，而蒸汽溫度也是如此，對余熱鍋爐來說，其過熱蒸汽在進至雙壓蒸汽輪機高壓段時，飽和蒸汽會進至其雙壓蒸汽輪機低壓段，意味著就雙壓蒸汽輪機而言，其做功能力與對外輸出功率會伴隨負荷增加而提升。

其次，各種環境溫度條件的穩態仿真。船舶在航行時會被地理位置因素影響，導致其航行環境溫度各不相同，出于研究各種環境溫度條件的余熱回收系統特征目的，需要對各種溫度進行輸入，仿真機組在規定負荷中的關鍵性能參數。仿真結果顯示：過熱蒸汽產量及過熱蒸汽溫度均會伴隨環境溫度的提升而升高，在環境溫度升高背景下，動力渦輪在輸出功率方面會越來越小，而雙壓蒸汽輪機在輸出功率方面會不斷增大，不過就功率而言，蒸汽輪機提升情況要多過動力渦輪下降情況，總體來說，余熱回收系統的功率有所增加。

3? 結束語

能源作為人們賴以生存的根基，可以助推社會發展以及經濟增長。伴隨社會經濟的不斷發展，消耗的能源越來越多，現階段國家使用的主要能源是不可再生的化石燃料，能源消耗將會使得化石燃料日漸短缺，而且燃料燃燒會引發多種環境問題。因此，研究船舶低速柴油機的余熱綜合回收系統不僅有利于提高船舶行業對已有能源的利用效率，還可以促進節能減排目標的實現。

參考文獻：

[1]蔣佳煒，胡以懷，李方玉，等.基于AAKR模型的船用低速柴油機狀態監測方法[J].艦船科學技術，2021，43（03）：158-162.

[2]張文平，曹貽鵬，張新玉，等.船用柴油機渦輪增壓器的進氣消聲器性能分析[J].內燃機學報，2019，37（04）：343-350.