張要澤 王鈺 楊成春 閆奇恒 馬艷 鞠良

摘要：為了生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展，船舶柴油機余熱的回收和利用成為全世界都在研究的熱門問題。超大型船舶的主機功率強大，廢氣中蘊含的熱量較高。通過廢氣余熱回收利用裝置，可將廢氣中的部分余熱再利用，做到節(jié)能減排。對船舶廢氣中熱量的再利用系統(tǒng)進行最優(yōu)化研究，不僅可以為廢氣余熱回收利用裝置尋找最理想工作狀態(tài)，還可以使柴油機的運行達(dá)到最優(yōu)的平衡狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：廢氣余熱，冷卻水余熱，余熱利用，合理利用，最優(yōu)

引言：在此全球日益緊張的能源供應(yīng)形勢下，世界各國都在積極尋求保證能源供應(yīng)，踐行綠色使命，我公司更是為實現(xiàn)“3060”雙碳目標(biāo)進行了很多方面的研究。在此背景下，本論文通過對船舶柴油機余熱能量的構(gòu)成、余熱的合理利用、余熱回收的經(jīng)濟價值及經(jīng)濟價值評估的研究，讓更多的企業(yè)看到此項投資的回報率，從而讓更多的船企業(yè)樂意在船舶柴油機余熱方面有更多的投入。

1.船舶柴油機余熱能量的構(gòu)成

在柴油機的實際工作運行中，燃油的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鰴C械功的過程中存在著機械摩擦、散熱、不完全燃燒等眾多損耗。綜合這些因素，船舶柴油機燃油燃燒產(chǎn)生的熱能中大約35%左右成為有用功，其余50%左右通過排煙、各種冷卻系統(tǒng)排放到大氣中，造成很大的熱量浪費，其中以排煙、冷卻水系統(tǒng)的能量損失最大。

船舶柴油機在工作時，燃油燃燒所產(chǎn)生的熱量主要去向是轉(zhuǎn)變成有效功為船舶提供動力、被冷卻系統(tǒng)冷卻液吸收、排煙廢氣中所蘊含的熱量和其它形式損失的熱量。其中船舶柴油機燃油燃燒產(chǎn)生的熱量中只有約35%左右轉(zhuǎn)化為柴油機的有效輸出功率，而其余50%左右則通過冷卻系統(tǒng)、排煙等形式散發(fā)到外界，導(dǎo)致能源的極大浪費。

2、余熱的合理利用

船舶柴油機余熱的回收再利用，可以根據(jù)蘊含熱量的多少采取不同的再利用方式，一般以“按質(zhì)供能，各用其所”的原則。

2.1柴油機廢氣能量的利用

柴油機排煙廢氣中蘊含的熱量約占燃油充分燃燒總熱量的18%左右，其中可再次回收利用部分可占12%左右，達(dá)到了柴油機有效做功功率的25%。目前中速船舶柴油機的廢氣渦輪增壓器的出口溫度高達(dá)370℃，以換熱器傳熱溫差100℃設(shè)計，廢氣的平均傳熱溫度仍可達(dá)到280℃左右，通過合理布局廢氣鍋爐、省煤器、過熱器受熱面等設(shè)備，可產(chǎn)生280℃，0.9MPa 的過熱蒸汽用來驅(qū)動并維持汽輪機的工作。在上述的熱力參數(shù)條件下，汽輪機的熱效率可達(dá)到25%，以某船柴油機持續(xù)功率6752KW為例，按油耗1.17t/H進行估算，可產(chǎn)生的機械功率可到達(dá)406.2KW，即使考慮到船舶本身所需蒸汽量的消耗，仍可滿足300KVA的發(fā)電機的運行，足以維持船舶正常航行時的用電需求。

2.2柴油機冷卻水能量的利用

當(dāng)柴油機冷卻水出口的溫度為80℃左右時，通過熱管鍋爐換熱后，其冷媒水的溫度仍可高達(dá)70℃以上。冷卻水帶出的熱量達(dá)到了燃油燃燒總熱量的16%左右，這部分熱量可用于如下熱量需求場景：

（1）直接用于船員、旅客日常生活使用的熱水系統(tǒng)的加熱、保溫。

（2）直接用于海水淡化裝置、重油艙加熱裝置、沉淀油柜和日用油柜的加熱裝置等的加熱系統(tǒng)或保溫系統(tǒng)。

（3）將部分冷媒水加熱到100℃以上，用于冬季空調(diào)的供暖系統(tǒng)或吸收式制冷裝置的加熱熱源。

（4）其他要求加溫和保溫的情況。

3、余熱回收的經(jīng)濟價值

3.1每年節(jié)約的燃油費用

當(dāng)某船舶取消使用柴油發(fā)電機，使用余熱汽輪發(fā)電機后，每年的燃油節(jié)約量即為被替代的發(fā)電機組每年的燃油消耗量，其年度耗油量G 可用如下公式計算：

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）。

以某船使用余熱驅(qū)動的汽輪發(fā)電機節(jié)油為例進行分析。設(shè)其功率為350kW，海上航行天數(shù)為280d，被替代柴油機的耗油率按180 g/kWh計算，則每年可節(jié)油約為423.4t 按柴油6000元/ t計，可節(jié)約燃油費用254.04萬元。

3.2經(jīng)濟價值評估

對經(jīng)濟價值進行簡單但又比較實用的評價方法是償還期法，也就是用所獲得的收益來補償全部投入的投資所需要的年數(shù)，可用下式計算：

償還期=初次投資費用/（全年收益-全年花費）

償還期后產(chǎn)生的收益就可當(dāng)做企業(yè)產(chǎn)生的利潤，在設(shè)計的工作年限內(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年左右，年回報率達(dá)35%以上，節(jié)能投資是合理的。

總結(jié)：

船舶柴油機余熱的回收與合理利用的方法是多種多樣的，每一種方法都有其利與弊，這就需要我們在選擇時要根據(jù)船舶自身的特點與實際使用情況做出合理的選擇。俗語曰：“適合自己的才是最好的”，船舶余熱的利用回收方法的選擇亦是如此。

企業(yè)在船舶柴油機余熱方面進行投資的動力在于他們期望能夠獲得更多的經(jīng)濟效益。面對環(huán)境條件不斷惡化、全球日益緊張的能源供應(yīng)形勢，企業(yè)根據(jù)自身擁有船舶的實際情況選擇相應(yīng)的余熱回收手段不僅會為本企業(yè)節(jié)省大量的燃油費用同時也為保護地球環(huán)境做出極大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]吳恒，船舶動力裝置技術(shù)管理[M]，大連：大連海事大學(xué)出版社，2005.8.

[2]孫培廷，船舶柴油機[M]，大連：大連海事大學(xué)出版社，2002.2.

[3]詹宗勉，工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)[M]，大連：大連海事大學(xué)出版社，1995.

[4]李國綱，管理系統(tǒng)工程[M]，北京：中國人民出版社，1992.