海洋平臺柴油機節(jié)能新型設計

呂 沁，李德堂，李達特，唐文濤，曹偉男

(浙江海洋學院船舶與海洋工程學院，浙江 舟山 316000)

海洋平臺柴油機節(jié)能新型設計

呂 沁，李德堂，李達特，唐文濤，曹偉男

(浙江海洋學院船舶與海洋工程學院，浙江 舟山 316000)

為了解決海洋平臺柴油機能量浪費嚴重的問題，達到節(jié)能減排的目的，開發(fā)了一種海洋平臺柴油機缸套水余熱利用節(jié)能技術和一種新型的海洋平臺柴油機尾氣保溫熱淡水技術。通過這兩種新技術，可以最大化地利用海洋平臺柴油機的余熱，并且在一定程度上減少尾氣排放，在節(jié)能的同時也保護了環(huán)境。能源問題已經(jīng)成為當今經(jīng)濟發(fā)展中的一個頭等重要問題，而21世紀也是海洋的時代，因此，海洋平臺柴油機節(jié)能技術的開發(fā)具有一定的時代意義和現(xiàn)實意義。

海洋平臺； 柴油機； 余熱； 缸套水; 尾氣

0 引 言

能源問題已經(jīng)成為經(jīng)濟發(fā)展中一個頭等重要問題。隨著陸地能源的不斷消耗，人類越來越迫切地將視線投向海洋，海洋各類平臺成為了研究的新熱點。然而海洋平臺既是獲取能源的工具，同時也大量消耗能源，其中平臺柴油機是消耗能源的重要組成部分。目前，最先進的二沖程柴油機主機熱效率已接近50%，是所有熱機中效率最高的，但仍有一半以上的燃料能量沒有被利用，隨廢氣和冷卻水排入環(huán)境，既造成了污染，又浪費了大量的資源[1]。

海洋平臺柴油機的主要作用是發(fā)電。它是海洋平臺的心臟，能否正常工作直接影響到平臺的正常工作。海洋平臺柴油機在正常運行中會消耗大量的能源，并且產生巨大的余熱。柴油機的余熱主要由下面的幾部分組成：第一部分為柴油機排氣中所帶有的熱量，大約占總的廢熱的一半，同時占燃油燃燒釋放總能量的25%；第二部分為柴油機缸套水的熱量，這部分的余熱也是非?？捎^的，它的熱量可以輕松將常溫淡水加熱到90～95 ℃；第三部分熱量為增壓空氣的熱量，現(xiàn)在增壓器壓比已達到3.5以上，壓氣機出口處的溫度可達180～220 ℃，而為了增加進氣空氣的密度和降低柴油機工作循環(huán)的平均溫度，必須對增壓空氣進行冷卻；第四部分熱量為其他的廢熱，主要包括潤滑油帶走的熱量和一些輻射散熱[2]。

在柴油機系統(tǒng)的余熱中，各種余熱的溫度不同，可利用的價值也不同。柴油機的廢氣中帶有的熱量多，品質好，是最有利用價值的能量。現(xiàn)代海洋平臺柴油機的排氣溫度由于燃燒效率的提高而有所降低，已不再像以前那樣受到重視，但如何合理利用這部分余熱，并且使其利用率最大化，仍然具有重要的現(xiàn)實意義。柴油機的余熱中另外一種具有較大利用價值的是柴油機缸套水余熱。缸套水余熱所含能量同樣巨大，并且比較容易利用，加熱淡水效果明顯，因此，合理利用這部分能量將獲得不錯的經(jīng)濟效益，同樣具有重要的現(xiàn)實意義。為此，開發(fā)了海洋平臺柴油機缸套水余熱利用節(jié)能技術和尾氣保溫熱淡水技術，從設計上入手，達到節(jié)能、環(huán)保的目的。

1 柴油機節(jié)能技術現(xiàn)狀

國內外海洋平臺柴油機結構與船用、陸用電力柴油機結構相似，用于這幾種結構的余熱節(jié)能裝置可以相互推廣。柴油機余熱利用裝置在海洋平臺這一領域的使用尚屬空白，因此首先著重介紹各種先進的船用、陸用電力柴油機節(jié)能技術研究現(xiàn)狀。

1.1 國外柴油機節(jié)能技術現(xiàn)狀

國外研究柴油機節(jié)能最早的公司首推ABB公司。20世紀70年代末，ABB公司首先提出了大型船舶柴油機排氣能量回收技術，并于1985～1994年間在發(fā)動機上安裝了超過130臺動力渦輪以回收船用二沖程和四沖程柴油機排氣中剩余的能量。 ABB公司2005年開發(fā)出新一代PTL3200系列動力渦輪，其帶動發(fā)電機可以輸出1 500～3 200 kW電能。該動力渦輪可以單獨使用，也可以和汽輪機組成聯(lián)合動力回收系統(tǒng)。據(jù)ABB報道，單獨使用動力渦輪，最大可回收主機功率5%，而結合汽輪機，采用聯(lián)合方式，最大可回收主機功率10%，對于大型集裝箱船，每年可以節(jié)省5 000 t燃油[3]。

另外，Wartsila公司也開發(fā)出一種總熱回收裝置。該裝置包括一個雙壓力余熱鍋爐、一個多級雙壓力汽輪機、一個動力渦輪 、一個給水預熱系統(tǒng)和兩個驅動電機系統(tǒng)，并進行了優(yōu)化布置。在該系統(tǒng)中，船舶主機排氣流經(jīng)余熱鍋爐后產生蒸汽，一部分驅動汽輪機發(fā)電，從而達到回收能量的效果，另一部分供給船舶日用蒸汽[3]。

近期，日本三菱重工成功開發(fā)了一種船用高效聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，即超級渦輪發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含一個動力渦輪、一個余熱鍋爐、一個汽輪機、一個發(fā)電機、一個減速齒輪箱、一個同步自動轉換離合器和控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用船舶主機排氣余熱產生電能。通過試驗發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以降低10%的船舶燃料費用，有效地回收了主機廢氣能量。

此外，MAN公司、Cummins公司、John Deere公司、BBTurbo公司等也開發(fā)了一些柴油機余熱利用裝置。

1.2 國內柴油機節(jié)能技術現(xiàn)狀

2008年12月8日，大連船用柴油機有限公司生產了國內第一臺帶廢熱回收系統(tǒng)的7RTA84TD柴油機。該機單機功率為29 400 kW，安裝在渤船重工為新加坡環(huán)球航運公司建造的32萬噸超大型油輪(VLCC)上。該型發(fā)動機采用Wartsila余熱回收技術，在此基礎上作了簡化，取消了Wartsila方案中的動力渦輪，只是利用廢氣余熱鍋爐蒸汽發(fā)電或供船舶使用。該系統(tǒng)采用雙壓余熱鍋爐，包括低壓蒸發(fā)器、高壓蒸發(fā)器和高壓過熱器三部分。在負荷大于55%時，可以產生1 100 kW電量。到目前為止，該廠已在為新加坡環(huán)球航運公司建造的二艘32萬噸VLCC上安裝了該余熱利用系統(tǒng)[3]。

20世紀90年代初，廣東較早開展了陸用柴油機余熱發(fā)電綜合改造。工程完工后，余熱發(fā)電功率為柴油發(fā)電機組功率的4%左右。此外，還利用柴油機余熱鍋爐產生的蒸汽，采用溴化鋰吸收式制冷機組實現(xiàn)集中空調工程，可滿足辦公樓、餐廳、酒樓、超級市場等集中空調的需求，實現(xiàn)了利用柴油機余熱進行發(fā)電、供熱、制冷的三聯(lián)供[4]。

2 海洋平臺柴油機節(jié)能新型設計方案

2.1 缸套水余熱利用節(jié)能技術設計方案

海洋平臺柴油機是海洋平臺的主要耗能裝置，并且普遍存在能耗大、節(jié)能效果不佳等缺點。柴油機的缸套水余熱巨大，因此，研究海洋平臺柴油機缸套水余熱利用節(jié)能技術將有巨大的現(xiàn)實意義[5]。

原有的柴油機節(jié)能技術大多利用尾氣中的熱量，而忽視缸套水的余熱。然而缸套水的余熱量也是相當可觀的，可以利用熱交換器輕松獲得，將常溫淡水加熱到90～95 ℃，成為生活熱淡水，并且還達到了柴油機冷卻的效果，可以說一舉兩得。

海洋平臺柴油機缸套水余熱利用節(jié)能技術，改變了傳統(tǒng)的柴油機缸套水余熱風冷方式，提供了一種利用淡水冷卻柴油機缸套水余熱，并將熱淡水提供給生活區(qū)利用的海洋平臺節(jié)能裝置。

這一新技術將為海洋平臺提供一種柴油機缸套水余熱利用裝置[6]。它主要在主機熱交換器前接入一根通有淡水的管道，利用柴油機缸套水余熱達到加熱的效果，并且使這個管道產生的熱淡水接入海洋平臺生活區(qū)，提供足量的生活用水。

在采用以上設計后，這個新型的柴油機余熱利用裝置與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點：改變了傳統(tǒng)的海洋平臺柴油機風冷的方式；利用淡水資源對柴油機進行冷卻，并且產生了淡熱水資源，可以解決平臺生活區(qū)的熱淡水需求。這樣就充分有效地利用了柴油機的余熱，解決了熱淡水需求，既達到了平臺節(jié)能的效果，也符合環(huán)保的要求。

2.2 尾氣保溫熱淡水技術設計方案

海洋平臺上柴油發(fā)動機工作過程中只有1/3左右的功率在做有用功，另有約1/3的功率以溫度達350～500 ℃的尾氣形式排放到大氣中。這些廢氣熱能直接參與加速地球“變暖”，而且發(fā)動機尾氣還含有大量的一氧化碳、氮氧化物和碳氫化合物，產生具有強氧化性的氣體或離子，刺激人的眼睛、喉黏膜等，嚴重危害人類健康[7]。一方面，海洋平臺柴油機運行時浪費尾氣熱能、污染大氣，而另一方面在海洋平臺上又必須保溫生活熱淡水，耗用能源。因此，將平臺柴油機尾氣用來保溫生活熱淡水，達到節(jié)能減排的目的成為了眾多研究人員新的研究方向。現(xiàn)代海洋平臺柴油機的排氣溫度由于燃燒效率的提高而有所降低，尾氣余熱也因進行渦爐加熱而有所下降，已經(jīng)不再像以前那樣受到重視，但如何合理利用這部分余熱，并且使其利用率最大化，仍然具有重要的現(xiàn)實意義。

本設計利用柴油機尾氣余熱直接保溫熱淡水。海洋平臺傳統(tǒng)的熱淡水保溫技術需要利用燃燒煤炭等礦物燃料獲得能量，從而達到保溫的效果。如果使用柴油機尾氣保溫熱淡水，則可以有效減少化石能源的消耗，并且可以減少尾氣的排放。

這一新技術可以改變傳統(tǒng)的海洋平臺柴油機運行模式，提供一種利用海洋平臺柴油機尾氣來保溫生活熱淡水，實現(xiàn)節(jié)能減排的平臺節(jié)能裝置。

本技術提供一種具有以下結構的海洋平臺柴油機尾氣保溫生活熱淡水裝置[8]。它主要在生活熱淡水艙外增設一個艙室，并將柴油機尾氣通入外艙，從而利用尾氣的能量達到熱淡水保溫的效果，尤其是在冬天，效果特別明顯。

采用以上結構后，新型的漁船柴油機尾氣保溫生活熱淡水裝置與現(xiàn)有技術相比，將改變傳統(tǒng)的海洋平臺熱淡水保溫方式。平臺安裝柴油機尾氣保溫熱淡水裝置，原來排放的廢氣熱能被有效利用，形成了可觀的經(jīng)濟效益，直接的效果就是節(jié)省了平臺耗用的能源，達到平臺節(jié)能的效果。

3 海洋平臺柴油機節(jié)能新型設計具體實施方法

3.1 缸套水余熱利用節(jié)能技術具體實施方法

本海洋平臺柴油機缸套水余熱利用的創(chuàng)新技術，裝置如圖1所示。該裝置包括主機(柴油機)、熱交換器、直通式法蘭不銹鋼截止止回閥、不銹鋼快卸過濾器、淡水艙、生活區(qū)和淡水泵。所用柴油機為平臺柴油機，截止止回閥為單通道閥，沿白色箭頭方向通過；不銹鋼快卸過濾器可以過濾淡水中的雜質，使加熱后的淡水可以用做生活用水，既節(jié)約了淡水加熱所需要的能源，又達到了冷卻柴油機的目的。

圖1 海洋平臺柴油機缸套水余熱利用裝置Fig.1 Water waste heat utilization device for offshore platform jacket diesel engine

本裝置的基本工作原理是：用淡水泵將淡水從淡水艙抽出，先后通過直通式法蘭不銹鋼截止止回閥和不銹鋼快卸過濾器，進入熱交換器，通過柴油機缸套水的余熱，在熱交換器內部對淡水進行熱量交換，將淡水加熱。熱淡水從熱交換器出來，進入直通式法蘭不銹鋼截止止回閥，最后進入生活淡水艙，供平臺生活之用。

3.2 尾氣保溫熱淡水技術具體實施方法

本海洋平臺柴油機尾氣保溫熱淡水技術，裝置如圖2所示。該裝置包括主機(柴油機)、熱淡水艙、生活區(qū)、尾氣排放裝置和尾氣艙。所用柴油機為海洋平臺柴油機；熱淡水艙可以存放海洋平臺鍋爐加熱生產的熱淡水，可將熱淡水通向生活區(qū)；采用簡單的尾氣排放裝置；尾氣艙為存放尾氣的艙室，它包圍在熱淡水艙外面，使熱淡水達到保溫的效果。

圖2 海洋平臺柴油機尾氣保溫熱淡水技術裝置Fig.2 Heat-preservation heat water technology device for offshore platform diesel exhaust

本裝置的基本工作原理是：主機(柴油機)工作后產生的尾氣，通過管道進入尾氣艙，依靠尾氣中蘊藏的大量柴油機余熱，持續(xù)保溫熱淡水艙內的水溫，為海洋平臺所合理利用。海洋平臺鍋爐加熱，甚至一些其他途徑加熱得到的熱淡水資源，很容易在儲存過程中喪失熱量，尤其在冬天，容易結冰。用尾氣進行保溫，可以有效地解決這個問題。此裝置在利用完尾氣余熱后，將尾氣通過尾氣排放裝置排入大氣。

4 結 論

合理利用柴油機余熱是海洋平臺節(jié)能的一項有效措施。通過本文設計的柴油機缸套水余熱利用裝置和柴油機尾氣保溫熱淡水裝置可以提升柴油機能源的利用率，達到節(jié)能的目的。在21世紀，能源問題已經(jīng)成為經(jīng)濟發(fā)展中的一個頭等重要問題，而21世紀也是海洋的時代，因此，海洋平臺柴油機節(jié)能技術的開發(fā)具有十分重要的時代意義和現(xiàn)實意義。

[1] 崔榮健, 高志芳. 柴油機節(jié)能減排技術發(fā)展及展望[J]. 工程師, 2009(10)： 15.

[2] 李斌. 現(xiàn)代船舶柴油機動力系統(tǒng)的余熱利用新方法[J]. 世界海運, 2011(3)： 18.

[3] 吳安民, 周偉中. 船舶柴油機余熱利用技術研究[J]. 柴油機, 2012, 34(5)： 46.

[4] 劉林, 宋勇亮，譚興倫，等. 工程支持船余熱分析及利用[J]. 建造工藝, 2010(1)： 42.

[5] 李斌, 孫培廷. 利用柴油機余熱加熱壓載水的新方法[C]. 中國航海協(xié)會2001年度學術交流會論文集, 2001： 87.

[6] 呂沁，李德堂，朱海芬，等. 漁船主機缸套余熱利用裝置：中國，ZL201320328481.X[P]. 2013-11-06.

[7] 李國瑞. 船用柴油機節(jié)能減排技術發(fā)展思路[J]. 船舶動力裝置, 2008(3)： 15.

[8] 呂沁，李德堂，朱海芬，等. 漁船柴油機尾氣供熱裝置：中國, ZL201320328452.3[P]. 2014-01-01.

DieselEnergy-SavingModelDesignofOffshorePlatform

Lü Qin, LI De-tang, LI Da-te, TANG Wen-tao, CAO Wei-nan

(ShipandMarineEngineeringCollege,ZhejiangOceanUniversity,Zhoushan,Zhejiang316000,China)

In order to resolve the problem of serious energy waste of marine diesel engine platform and achieve energy conservation and emission reduction, we develop the jacket water waste heat utilization energy-saving technology for diesel engine cylinder liner and a new type of marine diesel exhaust heat insulation technology of fresh water. By these new technologies, we can maximize the utilization rate of diesel engine waste heat of offshore platform and reduce emission, achieving energy saving and environment protection. In the 21st century, the age of ocean, energy has become an important issue in the development of economy, so the proposed energy-saving technologies for the development of offshore platform are significant.

offshore platform; diesel engine; waste heat; jacket water; tail gas

TE52;TK422

A

2095-7297(2014)02-0180-04

2014-03-10

呂沁(1990-)，男，碩士研究生，主要從事船舶與海洋工程方面的研究。