漁用柴油機缸套水余熱回收實驗研究

朱錢龍，范宇航，王麗娟，喜冠南

（1.南通大學機械工程學院，江蘇 南通 226019；2.南通科技職業(yè)技術(shù)學院機電工程系，江蘇 南通 226007）

1 引言

我國是世界上漁船保有量最大的國家，其中相當大一部分的漁船分布福建、浙江、江蘇及以北的沿海省份。漁船的主要生產(chǎn)時間是集中在一年中較冷的時節(jié)，目前在中小型漁船使用熱水和空調(diào)，往往通過柴油發(fā)電來實現(xiàn)，這又顯著增加了漁船的生產(chǎn)成本。另一方面，漁船柴油機在工作過程中，有55%以上的熱量以廢熱（尾氣，缸套水）形式散逸［1］。

在這之中，缸套水散逸的熱量占總熱量的25%左右［2］，若將這部分熱能有效回收，不僅能有效節(jié)約能源還可將這部分回收的熱能為漁船提供暖氣和熱水，可以較大程度地改善漁民海上生活質(zhì)量。

船舶柴油機余熱利用一直國內(nèi)外學者的研究熱點。其中，文獻［3-4］以大型船舶主機為研究對象，對余熱利用技術(shù)系統(tǒng)的性能進行了理論分析計算，得出設(shè)置柴油機余熱利用系統(tǒng)可以將余熱利用效率提高6.03%。文獻［5］基于朗肯循環(huán)對大型船用柴油機余熱回收系統(tǒng)進行了研究，設(shè)計了兩套獨立的ORC系統(tǒng)回收廢氣和主機冷卻水余熱，用實驗證明了系統(tǒng)余熱回收的可行性。文獻［6］利用有機朗肯循環(huán)技術(shù)對基于烷烴的柴油機復合系統(tǒng)進行了參數(shù)優(yōu)化，討論了底部ORC和柴油機結(jié)合后對柴油機廢氣能量分布和柴油經(jīng)濟性的影響。文獻［7］研究了尾氣再循環(huán)共軌重型柴油機實現(xiàn)清潔高效燃燒的排放控制策略。研究表明：與單級渦輪增壓器相比，兩級渦輪增壓器顯著提高了廢氣再循環(huán)的可回收性和氣燃質(zhì)量流量比。文獻［8］采用不同多孔材料的同心管換熱器對大型船用柴油機余熱回收系統(tǒng)進行了性能分析，得出插入不同類型的多孔材料可提高換熱的效率，如插入鑄鐵可提高76%，插入低碳鋼可以提高77%的熱效率。文獻［9］對集裝箱船中的高溫余進行了溫差發(fā)電研究，通過改變換熱器翅片的形狀和結(jié)構(gòu)可將熱能轉(zhuǎn)換效率提高25%。但這些研究多集中于大型船舶廢氣余熱回收，對中小型漁船缸套水余熱回收的研究較少。且大型漁船上的余熱回收裝置體積大、成本高，不適宜應(yīng)用在中小型漁船上。

針對以上船舶柴油機余熱回收所面臨的問題，這里提出了柴油機缸套水余熱回收方案并搭建了相應(yīng)的余熱回收實驗臺架。并結(jié)合模糊PID 算法，監(jiān)測及控制柴油機內(nèi)循環(huán)水進口溫度，實現(xiàn)了穩(wěn)定的余熱回收可為今后中小型漁船余熱回收提供可行性參考。

2 缸套水余熱回收可行性分析

2.1 實驗對象及實驗方案

實驗對象為應(yīng)用在近海、長江內(nèi)河漁業(yè)捕撈的中小型漁船上的T6138ZLCZu 型柴油機，如圖1 所示。其主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

圖1 T6138ZLCZu型船舶柴油機Fig.1 T6138ZLCZu Marine Diesel Engine

表1 柴油機主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical Parameters of Diesel Engine

柴油機回路由內(nèi)外循環(huán)回路兩部分組成。在內(nèi)循環(huán)中，缸套水把機油冷卻液器、機體、缸蓋的熱量帶入熱交換器冷卻，與外循環(huán)水進行熱量交換后，回到機油冷卻器完成再次循環(huán)。在外循環(huán)中，水箱中的水由水泵抽出后首先經(jīng)過流量計，經(jīng)中冷器微弱加熱后再流入熱交換器來吸收缸套水所釋放的熱量，并且經(jīng)套管式換熱器中吸收尾氣中的部分熱量，最后吸收齒輪箱的部分熱量，進入蓄水池。水箱與水塔相連以保證有一定溫度的冷卻水量。因此，外循環(huán)水不但吸收通過換熱器吸收內(nèi)循環(huán)水的熱量，同時還吸收經(jīng)過排氣管尾氣的熱量。其回路圖，如圖2所示。根據(jù)回路圖搭建實驗臺架，如圖3所示。

圖2 柴油機回路Fig.2 Diesel Engine Loop

圖3 實驗臺架Fig.3 Test Bench

實驗臺架由T6138ZLCZu型船舶柴油機，NCK2000發(fā)動機測控機、PT-100 溫度傳感器，YC-1002 溫度采集模塊、流量泵、CKLWGYC-D40渦輪流量計及PC 機組成。由NCK2000發(fā)動機測控機測試柴油機比油耗、功率、機油壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。

實驗方案為將PT-100 溫度傳感器分別布置在柴油機回路內(nèi)、外循環(huán)進熱交換器的前后兩側(cè)，以獲得外循環(huán)冷卻水進出口溫度差及內(nèi)循環(huán)進出口溫度。圖2中的a點測量內(nèi)循環(huán)水經(jīng)熱交換器前溫度，b點測量內(nèi)循環(huán)水經(jīng)換熱器后溫度，c點測量外循環(huán)水經(jīng)中冷器前溫度，d點測量外循環(huán)水經(jīng)尾氣熱交換器后的溫度。通過改變柴油機負荷，得出不同工況下原始實驗臺架缸套水可回收熱量、外循環(huán)水進出口溫度差以及比油耗。

2.2 實驗結(jié)果分析

為測試柴油機原始余熱回收性能，實驗中通過NCK發(fā)動機測控機改變柴油機的6種運行工況（25%，50%，75%，90%，100%，110%額定功率），原實驗臺架在海水泵流量為20m3/h時進行測試，測試結(jié)果，如圖4所示。

圖4 不同功率下缸套水進出口溫度差和比油耗Fig.4 Temperature Differences and Specific Fuel Consumption of Water Inlet and Outlet of Cylinder Liner Under Different Power

從圖4可以看出，隨著柴油機功率增加，其進出口溫度差不斷上升，當柴油機功率為額定功率的90%時溫差變化幅度最大。在柴油機功率為額定功率和額定功率的110%時，缸套水進出口溫度差同時達到最大值17℃，此時缸套水進出口溫差趨于平緩不再發(fā)生改變。在柴油機油耗方面，隨著柴油機功率增加，比油耗先下降后增加。在負荷為25%時，油耗率為194.8g/kW·h，在負荷為50%時，油耗率為190.3g/kW·h，在負荷為75%時，油耗率最低為188.1g/kW·h。然后隨著負荷增加，油耗率上升，在負荷為110%時，油耗率為193g/kW·h，超過50%負荷點。由以上實驗結(jié)果可知，在現(xiàn)回路實驗條件下，油耗率在一定范圍內(nèi)隨著負荷的提高而降低。同時可以回收一定量的熱量，但外循環(huán)水進出口溫度差過小，熱值較低屬于低品位熱源不能滿足暖氣和熱水的實際應(yīng)用要求。而文獻［10］提出將內(nèi)循環(huán)水進熱交換器前的溫度控制在（80～85）℃能夠達到實際應(yīng)用目標。因此，本實驗在柴油機運行安全經(jīng)濟的前提下，需要對管路進行改造以提高外循環(huán)回路冷卻水溫度差。

3 余熱回收系統(tǒng)設(shè)計

3.1 原始實驗臺架改造

由于原始實驗臺架采用的是基于柴油機皮帶輪驅(qū)動的普通海水流量泵，考慮到柴油機運行功率的不穩(wěn)定，這會顯著影響流量的準確調(diào)節(jié)。故而本研究采用恒壓變頻泵以改進原始實驗臺架，通過在外循環(huán)回路加上D971X-16型電動對夾蝶閥和恒壓變頻泵對外循環(huán)水流量進行調(diào)控，在柴油機安全運行的情況下，提高外循環(huán)水的進出口水溫度差。改進實驗回路圖，如圖5所示。

圖5 改進實驗回路Fig.5 Improved Experimental Circuit

為使實驗臺架將內(nèi)循環(huán)水進口溫度穩(wěn)定在（80～85）℃范圍內(nèi)，這里基于Labview 軟件設(shè)計了溫度數(shù)據(jù)采集的上位機系統(tǒng)，以單片機為核心控制器設(shè)計了溫度測控與蝶閥控制的下位機系統(tǒng)。下位機與上位機通過有線傳輸方式進行數(shù)據(jù)通信。其中，設(shè)計的上位機界面，如圖6所示。下位機與上位機的布局方式，如圖7所示。

圖6 上位機界面Fig.6 Upper Computer Interface

圖7 上下位機布局方式Fig.7 Layout of Upper and Lower Bitmaps

本研究基于PID 模糊控制方法，設(shè)計了缸套水溫度調(diào)節(jié)策略。其控制原理式為：

其中，當|e(k) |≤ε時，β=1；當|e(k) |>ε時，β=0。其中，u（k）—控制器輸出值；KP—比例系數(shù)；Ki—積分系數(shù)；Kd—積分系數(shù)；ε—設(shè)定閥值；T—采樣周期；k—采樣信號，k=1，2………，e（k-1）和e（k）分別為第k-1和第k時刻所得的偏差信號。該控制策略的實現(xiàn)流程圖，如圖8所示。

圖8 內(nèi)循環(huán)進口水溫度控制流程圖Fig.8 Flow Chart of Internal Circulation Inlet Water Temperature Control

3.2 實驗結(jié)果分析

改進實驗臺架通過電動對夾蝶閥改變外循環(huán)水流量，同樣選取了6種不同運行工況（25%，50%，75%，90%，100%，110%額定功率），和4種不同外循環(huán)水流量（5m3/h、6m3/h、8m3/h、10m3/h），監(jiān)測并記錄了不同冷卻水量下外循環(huán)水進出口溫度差，比油耗，以及外循環(huán)水回收的熱量。內(nèi)循環(huán)水進口溫度監(jiān)測圖及不同外循環(huán)冷卻水流量下缸套水進出口溫度差圖，比油耗圖及缸套水所回收熱量圖，如圖9～圖12所示。

圖9 內(nèi)循環(huán)水進口溫度監(jiān)測圖Fig.9 Temperature Monitoring Diagram of Inlet Circulating Water

由圖9可知，內(nèi)循環(huán)水溫度從初始值77℃經(jīng)過6min之后上升到設(shè)定值80℃，此時進入模糊PID控制器調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。當溫度上升至82℃時達到峰值，之后在PID溫度控制器調(diào)節(jié)后，溫度降低，在9min時內(nèi)循環(huán)水進口溫度基本穩(wěn)定在80℃左右。實驗結(jié)果表明，基于該控制策略設(shè)計的溫控系統(tǒng)響應(yīng)快，跟蹤效果好，系統(tǒng)從開始調(diào)節(jié)到預期值（80℃）穩(wěn)定僅用了3min左右，且超調(diào)量較小為2.5%，達到了設(shè)計的預期要求。從而驗證了余熱回收系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性。由圖10可知，缸套水進出口溫度差與柴油機功率及外循環(huán)水流量近似呈線性關(guān)系。從圖中可以看出，隨著柴油機功率的提高缸套水進出口溫度差不斷提高。但當柴油機功率達到額定功率的75%之后缸套水溫差變化減緩，可見在中高功率下進行余熱回收并不經(jīng)濟。從冷卻水流量上看，隨著冷卻水量的減少，外循環(huán)回路冷卻水進出口溫度差不斷提高，在流量5m3/h時，進出口溫度差可以達到最高，最高可達43℃左右。由圖11可知，冷卻水流量和比油耗之間存在非線性關(guān)系。冷卻水在不同流量下，比油耗存在先增大后減小的趨勢。在柴油機功率為75%時，柴油機在不同冷卻水流量下的比油耗達到最低。但此時并非所有工況下比油耗的最低值。在柴油機功率為50%，冷卻水流量在6m3/h時，比油耗最低，大約為186g/kW·h。由圖12可知，缸套水回收熱量與其流量和柴油機功率也近似呈線性關(guān)系。當柴油機功率為中低功率時，缸套水所回收功率增長較快。當柴油機功率提升至75%之后缸套水回收熱量增加幅度變緩，由此可知在中低功率下回收缸套水熱量。能夠得到較好效果。隨著外循環(huán)冷卻水流量的減少，從冷卻水中回收的熱量也相應(yīng)減少。在柴油機功率為110%，冷卻水流量為10m3/h時，回收的熱量最高為325kW。而在柴油機輸入功率為50%時，流量為6m3/h，可回收熱量為160kW左右。此時比油耗最低但缸套水進出口溫度差較小實際應(yīng)用性較差。由上述分析可知，基于運行經(jīng)濟性考慮，柴油機缸套水回收熱量和比油耗之間存在一個最佳匹配關(guān)系。

圖10 不同流量下缸套水進出口溫度差Fig.10 Temperature Differences Between Inlet and Outlet of Different Cylinder Water

圖11 不同流量下冷卻水比油耗Fig.11 Specific Ratio Oil Consumption Under Different Cooling Water

圖12 不同流量冷卻水所回收熱量Fig.12 Heat Recovered By Different Cooling Water

總的來看，當柴油機功率為75%，泵流量為5m3/h時，此時不僅柴油機的燃油經(jīng)濟性較好，而且外循環(huán)水進出口溫度差最高可達到43℃，可回收缸套水熱量也可達到205kW，遠高于中小型漁船高品位熱源余熱回收熱量的要求。

4 結(jié)論

針對中小型漁船，提出了一種新型余熱回收方式，并設(shè)計了一套電動蝶閥恒溫控制系統(tǒng)，解決了冷卻水溫度控制過程中時滯性問題。實驗以T6138ZLCZu型船舶柴油機為研究對象搭建實驗回路，選取了柴油機六種不同運行功率，采用基于模糊PID算法的控制器控制外循環(huán)水流量，用實驗驗證了改進系統(tǒng)的穩(wěn)定性。從余熱利用實際可行性和余熱回收穩(wěn)定性對改進實驗臺架進行了分析，并得出了以下結(jié)論：

（1）當柴油機功率為75%時，將外循環(huán)水流量控制在5m3/h，溫度差最高可以達到43℃，缸套水可回收的熱量為205kW，達到了實際應(yīng)用價值。

（2）隨著柴油機功率增大，比油耗先減小后增大，在柴油機功率為50%，外循環(huán)水流量為6m3/h時，柴油機的燃油經(jīng)濟性最好。

（3）該系統(tǒng)沒有對非線性因素進行算法補償，需進一步研究以實現(xiàn)更快更精確的控制。