张少杰 ZHANG Shao-jie

摘要：船舶运输会对大量燃料进行消耗，而且出于使船舶在二氧化碳方面的排放有所减少的目的，国际海事组织对EEDI法案进行了颁布，如果船舶的能耗未能达标，则船东应该对定额罚金进行缴纳，以此弥补船舶运输对于环境的伤害。在排放法规越来越严格的背景下，船舶行业需研究余热回收技术。本文基于此，对船舶低速柴油机的余热综合回收系统进行了浅要地分析，以供业界参考。

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.

关键词：船舶;低速柴油机;余热综合回收系统

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

中图分类号：U664.21                    文献标识码：A                  文章编号：1674-957X（2021）22-0047-02

0  引言

近年来，我国加大了研究船舶节能技术的力度，研究表明，在船舶运营时，船舶的主机会消耗大量能源，不仅投资费用很高，还会产生很多的燃油成本。所以需对船舶主机的燃料在燃烧时产生的能量进行高效利用。柴油机运行时未被利用的热量是余热。因为将船舶主机当作出发点，对提升能量利用效率的方法进行研究比较困难，所以需采取回收余热的方式，以此实现使能量利用率得到提升的目标。

1  船舶柴油机的余热回收系统

在船舶柴油机的余热回收系统中，燃料燃烧的位置是柴油机的气缸内部，少数排气旁通到动力涡轮，而余下部分排气会经过涡轮增压器，待全部排气汇合之后会一同进至余热锅炉，最终排向大气。对余热锅炉给水而言，其在进至余热锅炉之前会依序流经缸套水换热器以及空冷器完成预热，水会在余热锅炉之中加热，待转化成蒸汽状态之后，再进到蒸汽轮机之中开始做功。船舶柴油机的余熱回收系统的主要组成除了有柴油机主机及动力涡轮之外，还有余热锅炉和双压蒸汽轮机等[1]。

1.1 柴油机

以MAN公司生产的低速二冲程的船用柴油机为例，其型号为6S50ME-C8.2，辅以涡轮增压器，涡轮增压器的型号是TCA66，对定压增压方式进行应用。于大型低速的二冲程船舶用柴油机而言，此类柴油机的热效率很高，排气的温度通常在230℃至250℃之间，在这个温度区间内，废气含有的能量比较低，假如选用直接进至余热锅炉的方式，则废气能量无法被很好地回收，应该使用柴油机来调制余热，对排气温度进行提升，使其超过290℃[2]。

人们要想使排气温度得到提升，废气旁通方法非常实用，也就是对少量进到涡轮增压器内部的废气进行旁通，如此一来，涡轮流通能力将会明显下降，对空气流量而言，其经过压气机的部分同样会有所减少，这样做会使得柴油机过量的空气系数明显下降，且缸内的燃烧不够充分，气缸的排气温度不断提升，进而使得涡轮排气温度不断提高。伴随过量空气系数的下降，柴油机功能将会受此影响，举例说明，柴油机的燃油消耗效率会不断增加，而且柴油机的热负荷同样会逐渐增大，所以应该使用有效举措来确保柴油机可以符合动力性要求及经济性要求。现阶段，针对柴油机使用的余热调制办法共有两类，其一为调制柴油机，该方法的实现需要对柴油机定时进行调整，还应对废气旁通加以利用，其二为废气旁通以及对涡轮增压器进行调制。文章对调制柴油机及涡轮增压器方式进行了结合，把少量废气调制到动力涡轮中，而且对涡轮增压器进行了再次匹配，不但使柴油机动力性及经济性得到保障，还实现了提升排气温度的目标。在余热回收系统中，WHR主机便是经过调制的主柴油机。

1.2 余热锅炉

在船舶专用的余热锅炉中，工作人员常会对小管径的受热面进行使用，这是因为受热面的管径能够直接影响传热的系数，对烟气和受热面的金属来说，其对流传热系数和受热管直径的比例为反比，肋片高度会随着管径的增大而提高，也会使换热效果逐渐变差，并且使金属材料消耗数量不断增加。如果余下条件未发生变化，此时对高肋片且小管径的受热管进行使用，则能够使受热面积有所增加，而且回收受热面的重量有所减小，尽管使用此种方式能够实现降低传热系数的目标，不过在受热面积得到增加的背景下，传热效果会受到更加明显的影响，其总体传热效果不断提高。除此之外，对小管径受热面进行选择，能够提高锅炉窄点温差的合理性，就工质侧压力而言，其损失较小，且烟风阻力同样很小，和常规的船舶专用锅炉相比，其水循环状况要更加优秀。因为它具有水容量很小特点及启动速度很快的特点，所以非常适合在联合循环的发电机组中使用，可以符合其调峰方面的标准。

2  余热回收系统的仿真研究

在船舶柴油机的余热回收系统中，动力涡轮和蒸汽轮机是其非常重要的组成部分，就动力涡轮来说，它在将有用功向外输出时会对主机旁通废气能量进行利用，而蒸汽轮机在向外做功的过程中不仅要对余热锅炉生成的饱和蒸汽进行利用，还应借助过热蒸汽能量。从整体上讲，动力涡轮的有效功率及蒸汽涡轮功率可以在余热回收系统中发挥至关重要的作用，对采油机而言，二者可以充分体现其余热的回收情况。在余热回收系统中，应对其动态仿真模型进行建设，对各种柴油机负荷情况下的余热回收系统功率进行观察，并且在负荷出现变化的基础上，分析输出功率的变动状况。

2.1 余热回收系统的仿真模型

首先，就蒸汽轮机而言，在余热回收系统中，双压蒸汽轮机可以起到发电作用，蒸汽轮机结构设计是否合理，和工作效率之间关系匪浅，出于符合蒸汽系统的各项标准目的，依据蒸汽参数把它划分成若干段，因为各级差异较小，仅需对通用基础模块进行建设。余热回收系统的蒸汽轮机和电站的蒸汽轮机作比较，其特点如下：第一，出于对主机排气余热进行有效利用目的，通常不会由蒸汽轮机对蒸汽加热的给水进行抽取。第二，蒸汽輪机需要符合主机在短时间起动方面的标准。第三，因为蒸汽参数会被主机排气严重影响，主机排气参数经常变化，所以蒸汽轮机在运行时应选择滑压方式。当余热回收系统在正常状态下运行时，因为蒸汽轮机不具备很大的热惯性，所以能够对稳态代数方程进行利用，以此表现蒸汽轮机发生变化的工况，也就是依据静态平衡方式处理。

在蒸汽轮机工况出现变动的情况下，其蒸汽流量能够选用Flugel公式进行计算。

就蒸汽轮机出口焓来说，能够依据等熵过程对理想焓进行求解，之后利用各级效率完成修正操作，对蒸汽轮机入口熵而言，能够利用入口蒸汽参数进行明确，饱和态依据单一参数明确，在确定过热态时应该使用两个参数。

其次，就动力涡轮而言，涡轮增压技术在柴油机上的应用非常广泛，此方法可使柴油机功率得到提升，能对其经济性进行改善。如果发动机的负荷很高，则柴油机尾气的剩余能量便能够利用动力涡轮进行回收，使动力装置在能量利用方面的效率得到提升。

依据相关公式，分别对动力涡轮在出口等熵方面的温度、动力涡轮等熵出口焓以及动力涡轮出口焓进行计算。

再次，船舶柴油机余热回收系统的仿真模型。对余热回收系统来说，余热锅炉内部的烟气属于混合烟气，排气分别来自涡轮增压器和动力涡轮，烟气在汇合之后会生成热量的传递，最后会维持于新温度，烟气温度能够依据相关公式进行计算。

在确定烟气温度之后，封装各个设备仿真模型，之后对各系统进行连接，最终可对余热回收系统仿真模型进行获取。就余热回收系统而言，其输入信号是柴油机指定转速，利用转速的设定和工况的设定对转速进行设置，从而对余热回收系统在多个工况下的功能进行分析。

2.2 稳态仿真结果

首先，各种负荷条件的稳态仿真。依据动力涡轮入口烟的温度及出口烟的温度伴随负荷进行改变的规律能够发现，当负荷从55%提升到100%，此时对动力涡轮来说，其入口、出口烟气的温度逐渐升高，而就提升幅度来说，入口烟气温度要高于出口烟气温度，表明在负荷增大背景下，动力涡轮在做功方面的性能会随之提高。按照余热锅炉的传热量伴随负荷改变特征可以发现，在负荷从55%提升到100%的情况下，余热锅炉的传热量不断升高，由于在负荷提升背景下，柴油机的废气流量及能量逐渐增加，对余热锅炉来说，供应此处的能量同样会有所增加，余热锅炉的烟气及放热量会不断增多。就余热锅炉的传热量来说，高压蒸发器产生的传热量占据重要位置，它会对高压汽包中没有饱和的水进行加热，使其处于饱和蒸汽形态，工质此时会出现相变，应尽快获得许多热量，过热器工质则不必进行相变，所需能量很少，所以和蒸发器传热量作比较，过热器传热量更小。此外，高压蒸发器位置的烟气温度很高，和工质间具有很大的温差，在传热方面能量很强，低压蒸发器位置烟气温度很低，仅可对少量未饱和水进行加热，蒸发量相对较小，且传热量很小。在余热锅炉中，其过热及饱和蒸汽的产量会在负荷增大背景下逐渐增加，而蒸汽温度也是如此，对余热锅炉来说，其过热蒸汽在进至双压蒸汽轮机高压段时，饱和蒸汽会进至其双压蒸汽轮机低压段，意味着就双压蒸汽轮机而言，其做功能力与对外输出功率会伴随负荷增加而提升。

其次，各种环境温度条件的稳态仿真。船舶在航行时会被地理位置因素影响，导致其航行环境温度各不相同，出于研究各种环境温度条件的余热回收系统特征目的，需要对各种温度进行输入，仿真机组在规定负荷中的关键性能参数。仿真结果显示：过热蒸汽产量及过热蒸汽温度均会伴随环境温度的提升而升高，在环境温度升高背景下，动力涡轮在输出功率方面会越来越小，而双压蒸汽轮机在输出功率方面会不断增大，不过就功率而言，蒸汽轮机提升情况要多过动力涡轮下降情况，总体来说，余热回收系统的功率有所增加。

3  结束语

能源作为人们赖以生存的根基，可以助推社会发展以及经济增长。伴随社会经济的不断发展，消耗的能源越来越多，现阶段国家使用的主要能源是不可再生的化石燃料，能源消耗将会使得化石燃料日渐短缺，而且燃料燃烧会引发多种环境问题。因此，研究船舶低速柴油机的余热综合回收系统不仅有利于提高船舶行业对已有能源的利用效率，还可以促进节能减排目标的实现。

参考文献：

[1]蒋佳炜，胡以怀，李方玉，等.基于AAKR模型的船用低速柴油机状态监测方法[J].舰船科学技术，2021，43（03）：158-162.

[2]张文平，曹贻鹏，张新玉，等.船用柴油机涡轮增压器的进气消声器性能分析[J].内燃机学报，2019，37（04）：343-350.