船舶柴油機余熱的構(gòu)成與回收

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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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)。

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