王 欢

(南通航运职业技术学院 轮机工程系，江苏南通 226010)

王 欢

(南通航运职业技术学院 轮机工程系，江苏南通 226010)

以某型VLCC船为例，对该船主机不同工况下进行了热量损失和火用损失计算。通过比较分析可以看出，该VLCC船从热平衡分析法的观点来看，能量利用的重点是冷却水的利用，显然不经济。而火用分析法通过计算火用效率，评价能量的质量，提高用能过程能量的质量。该VLCC船从火用平衡分析法的观点来看就是要从减少辐射热、机械功中不可逆损失着手，提高火用效率，为VLCC船主柴油机热力系统能量的利用指出了方向。

热分析法；火用分析法；VLCC船热效率；火用效率

当前，能源问题已经成为世界性的突出问题之一，我国的原油对外依存度高达46%，中国已经成为石油消费大国。但是中国既不是欧佩克成员(OPEC)，也不是国际能源署(IEA)成员[1]。如何节能是当前我国面临的重要研究课题。节能有两个途径，一是提高能源转换、传递、运输和利用过程中的技术水平，减少损失。[2]二是从节能基础理论从发，着重以能量守恒定律和能量贬值观点来评价能量的利用率。

着眼于船舶行业来说，船东想方设法降低成本追求利润最大化，必须寻求一种新的方法从根本上提高能源的利用率。本文从热力学基本定律着手，研究热力学基本理论，计算某船主机不同工况下的热量损失和火用损失，分析该VLCC船能量的利用效率，为VLCC船主柴油机热力系统能量的利用指出了方向。

1 火用(平衡)分析法理论基础

1.1 能量的基本概念

火用是指热能中能够转换为机械能的部分。[3]其余为火无。能量 = 火用 + 火无。能量中火用 值所占的比例定义为能级，即：能级 = 火用/(火用+火无)。能级反映了能量对外做功的能力，能级高能量对外做功能力高，能级低能量对外做功的能力低。为了能够对各类设备的薄弱环节进行准确分析，提高能级品质，定义火用效率=产出的火用/付出的火用。

1.2 热分析法和火用分析法

热效率ηt即反映的是能量的利用率，提高热效率目的在于提高能量转换、传递、运输和利用过程中的技术水平，这种评价方式即为热平衡分析法。[5]而火用(平衡)分析法，就是以用能就是用火用、节能就是节火用这样一种观点为基础展开的过程热力学分析。[6,7]可以说，后者是前者的基础，而前者又包括了后者。因而发展前者并不意味着否定后者，火用平衡分析法既可评价用能过程，特别是实现能量转换以获得动力的用能过程，还可以揭示出热力系统的薄弱环节，评价系统的热力学完善性。[8]因而发展火用平衡分析法是有必要的。现将上述两种评价方法总结于表1中。

表1 用能过程的评价方法

分析热力学过程时除了考虑火用效率、热效率和能级匹配，还要节省投资，增加系统的经济性。因此只能是依据给定的具体条件求得一个最优折衷。

2 某型VLCC船动力装置的热力分析

2.1 某型VLCC船动力装置简介

图1所示为中远船务公司建造的超大型原油运输船(VLCC)，该船船东为“Frontfleet”公司，主尺度：256.5m×44m×21.3m，主机: MAN B&W 6G60ME-C9.2 TierII，舱容：130000m3，油耗：39.5吨/天，航速：14.8 Kn，船级社：DNV。主要性能参数由MAN B&W中国公司提供，见表2。

图1 某国产超大型原油船

主要性能参数/单位数值额定功率/kW29400额定转速/rpm76.0缸径/mm840冲程/mm13455平均活塞速度/(m/s)8.0平均有效压力/bar19.0比燃油消耗率/(g/(kW.h))170.0比废气排放率/(kg/(Kw.h))7.66可燃用燃油重柴油(MDO)

该主柴油机采用中央冷却系统，循环的淡水分别冷却缸套水、润滑油和空冷器等高温部件，然后在集中冷却器中将热量带出舷外，见图2。表3为冷却系统热交换数据。

该VLCC船带走的热量为：Qxl=17300kW，该主机正常工作额定功率为Ne=29,400kW，重油燃烧低位发热值为hu=42,707kJ/kg，燃油消耗量mf=1.38833kg/s,百分比ηxl为：ηxl=29.18%。

表3 冷却系统热交换数据

该VLCC船设置了余热回收装置，以减少缸套冷却水和空冷器的热量损失，减少燃油消耗，降低经济成本，见图3。

图2 该船冷却系统图

图3 该船余热回收系统图

2.2 热分析法和火用分析法计算结果及比较分析

取燃油的低位发热值hu=42707 kJ/kg，水的定压比热容Cex=4200 kJ/(m3.℃)，空气的定压比热容Cexls=1.0383 kJ/(m3.℃)，润滑油的定压比热容Cexll=1764.935 kJ/(m3.℃)，分别取主柴油机不同负荷工况，计算能量损失，图4和图5为火用损失变化曲线。

图4 火用损失变化曲线

图5 火用损失百分比变化曲线

从图4可以看出，随着负荷增加，空冷器的火用损失的增加最多。从图5可以看出，缸套水火用损失百分比和润滑油的火用损失百分比变化不大，而空冷器火用损失百分比逐渐增加最明显。主要是因为，火用表示热能中可以对外做功，能够转换为机械能的部分，所以温度是影响火用 的重要因素。而空冷器进气温度随着负荷增加温度越来越高，所以空冷器的火用损失增加最明显。

图6 排气热量损失和火用损失变化曲线

从图6可以看出，低负荷时，排气的热量损失和火用损失小，高负荷时，排气的热量损失和火用损失大。

图7 排气能量和火用损失百分比变化曲线

从图7可以看出，低负荷时，排气能量损失百分比和排气火用损失百分比高，当负荷达到75%时，排气能量损失百分比和排气火用损失百分比最低，当负荷达到100%时，排气能量和火用损失百分比稍有上升。主要因为负荷低时，燃料燃烧不充分，单位功率的燃油消耗量增加，排气温度高，故排气能量损失和排气火用损失大。75%负荷为经济负荷，此时燃料燃烧最充分，故排气能量损失和排气火用损失最小。当负荷达到100%时，燃料燃烧热量过高，排气温度高，故排气能量损失和排气火用损失稍有上升。

图8为主柴油机100%负荷时热分析和火用分析法柱状图比较，热平衡分析只从数量上计算热量的利用率，火用平衡分析既可评价用能过程，特别是能揭示出热力系统用能的薄弱环节，评价能量利用质量的高低。

图8 100%负荷时热平衡分析和火用平衡分析柱状图

从图8可以看出，热平衡分析法中，排气热量损失、空冷器冷却损失、缸套冷却水损失、润滑油冷却损失占的比重比较大，其他热量损失占的比重非常小。而火用平衡分析法可以看出，其他火用损失占的比重超过30%，在柴油机中主要包括辐射热、机械功中不可逆损失。所以我们就要从辐射热、机械功中不可逆损失着手提高火用效率。

3 结 语

首先介绍了热平衡分析法和火用平衡分析法基本概念，以某VLCC船为例，对该船主机不同工况进行了热量损失和火用损失计算。通过比较分析可以看出，热平衡分析法主要计算系统的热效率，反映的是能量的利用率，只是从数量上考察用能和节能。该VLCC船从热平衡分析法的观点来看，能量利用的重点是冷却水的利用，显然不经济。而火用平衡分析法就是用能就是用火用、节能就是节火用，既可评价用能过程，特别是实现能量转换以获得动力的用能过程，评价能量的质量。该VLCC船从火用平衡分析法的观点来看就是要从提高火用效率着手，减少辐射热、机械功中不可逆损失，为VLCC船主柴油机热力系统能量的利用指出了方向。

因此，热平衡分析法，单纯考虑热能系统的热效率，而忽略了火用效率，是非常不科学的。合理定义火用效率的意义在于：能够对各类设备的薄弱环节进行准确分析，改善火用效率，提高能级品质，显然比传统热效率分析更合理。所以热力系统不仅需要计算热效率，还要提高火用效率，同时考虑能级匹配。

1 王治宇. 基于矩阵模式的船舶余热利用系统热经济学分析[D]. 哈尔滨工程大学，2014：52-60.

2 陆松.热力学分析在锅炉系统中的应用[J].中小企业管理与科技，2013(04):14-17.

3 陈伟智，张维竞. 船舶中央冷却系统串级控制的建模与仿真研究[J]. 中国造船, 2013(01):17-23.

4 任全水.船舶动力装置的热力学分析[D]. 哈尔滨工程大学,2012年:5-58.

5 梁前超 , 林文友. 火用 分析法在动力装置循环中的应用及其优点[J]. 中国修船,2006(08):46-49.

6 沈维道, 郑佩芝, 蒋淡安.工程热力学[M].高等教育出版社, 1983.

7 朱明善, 陈宏芳.热力学分析[M].高等教育出版社, 1992.

8 赵冠春.火用 分析及其应用[M].高等教育出版社,1984.

(责任编辑：谭银元)

Comparison between Exergy Analysis and Thermal Analysis of VLCC Ship

WANG Huan

(Nantong Shipping College, Nantong 226010,China)

Taking a VLCC ship as an example, this essay carried out heat loss and exergy loss calculation on ship main engine. In thermal analysis, it was considered that the key of energy utilization is the use of cooling water, which is obviously not economical.While exergy analysis can be used to calculate exergy efficiency, evaluate and improve energy quality. In exergy analysis, it was suggested to reduce the radiation heat and irreversible loss in mechanical work to improve exergy efficiency, which pointed out the direction for use of thermodynamic system energy on VLCC ship engine.

Thermal analysis; Exergy Analysis; VLCC; Thermal efficiency; Exergy efficiency

南通航运职业技术学院科技研究课题：大型船用柴油机关键技术研究，项目编号：HYKJ/2016QN07。

2016-10-06

王 欢，女，讲师，主要研究方向：船舶动力装置噪声与测试技术。

U66

A

1671-8100(2017)01-0021-04