船舶柴油机余热的构成与回收

张要泽 王钰 杨成春 闫奇恒 马艳 鞠良

摘要：为了生态环境的可持续性发展，船舶柴油机余热的回收和利用成为全世界都在研究的热门问题。超大型船舶的主机功率强大，废气中蕴含的热量较高。通过废气余热回收利用装置，可将废气中的部分余热再利用，做到节能减排。对船舶废气中热量的再利用系统进行最优化研究，不仅可以为废气余热回收利用装置寻找最理想工作状态，还可以使柴油机的运行达到最优的平衡状态。

关键词：废气余热，冷却水余热，余热利用，合理利用，最优

引言：在此全球日益紧张的能源供应形势下，世界各国都在积极寻求保证能源供应，践行绿色使命，我公司更是为实现“3060”双碳目标进行了很多方面的研究。在此背景下，本论文通过对船舶柴油机余热能量的构成、余热的合理利用、余热回收的经济价值及经济价值评估的研究，让更多的企业看到此项投资的回报率，从而让更多的船企业乐意在船舶柴油机余热方面有更多的投入。

1.船舶柴油机余热能量的构成

在柴油机的实际工作运行中，燃油的化学能转变为输出机械功的过程中存在着机械摩擦、散热、不完全燃烧等众多损耗。综合这些因素，船舶柴油机燃油燃烧产生的热能中大约35%左右成为有用功，其余50%左右通过排烟、各种冷却系统排放到大气中，造成很大的热量浪费，其中以排烟、冷却水系统的能量损失最大。

船舶柴油机在工作时，燃油燃烧所产生的热量主要去向是转变成有效功为船舶提供动力、被冷却系统冷却液吸收、排烟废气中所蕴含的热量和其它形式损失的热量。其中船舶柴油机燃油燃烧产生的热量中只有约35%左右转化为柴油机的有效输出功率，而其余50%左右则通过冷却系统、排烟等形式散发到外界，导致能源的极大浪费。

2、余热的合理利用

船舶柴油机余热的回收再利用，可以根据蕴含热量的多少采取不同的再利用方式，一般以“按质供能，各用其所”的原则。

2.1柴油机废气能量的利用

柴油机排烟废气中蕴含的热量约占燃油充分燃烧总热量的18%左右，其中可再次回收利用部分可占12%左右，达到了柴油机有效做功功率的25%。目前中速船舶柴油机的废气涡轮增压器的出口温度高达370℃，以换热器传热温差100℃设计，废气的平均传热温度仍可达到280℃左右，通过合理布局废气锅炉、省煤器、过热器受热面等设备，可产生280℃，0.9MPa 的过热蒸汽用来驱动并维持汽轮机的工作。在上述的热力参数條件下，汽轮机的热效率可达到25%，以某船柴油机持续功率6752KW为例，按油耗1.17t/H进行估算，可产生的机械功率可到达406.2KW，即使考虑到船舶本身所需蒸汽量的消耗，仍可满足300KVA的发电机的运行，足以维持船舶正常航行时的用电需求。

2.2柴油机冷却水能量的利用

当柴油机冷却水出口的温度为80℃左右时，通过热管锅炉换热后，其冷媒水的温度仍可高达70℃以上。冷却水带出的热量达到了燃油燃烧总热量的16%左右，这部分热量可用于如下热量需求场景：

（1）直接用于船员、旅客日常生活使用的热水系统的加热、保温。

（2）直接用于海水淡化装置、重油舱加热装置、沉淀油柜和日用油柜的加热装置等的加热系统或保温系统。

（3）将部分冷媒水加热到100℃以上，用于冬季空调的供暖系统或吸收式制冷装置的加热热源。

（4）其他要求加温和保温的情况。

3、余热回收的经济价值

3.1每年节约的燃油费用

当某船舶取消使用柴油发电机，使用余热汽轮发电机后，每年的燃油节约量即为被替代的发电机组每年的燃油消耗量，其年度耗油量G 可用如下公式计算：

G=24PNg×10-6 t

式中：P—— 为被汽轮机替代的柴油机功率;

N——为每年海上航行有效运行天数;

g——为耗油率（g/kWh）。

以某船使用余热驱动的汽轮发电机节油为例进行分析。设其功率为350kW，海上航行天数为280d，被替代柴油机的耗油率按180 g/kWh计算，则每年可节油约为423.4t 按柴油6000元/ t计，可节约燃油费用254.04万元。

3.2经济价值评估

对经济价值进行简单但又比较实用的评价方法是偿还期法，也就是用所获得的收益来补偿全部投入的投资所需要的年数，可用下式计算：

偿还期=初次投资费用/（全年收益-全年花费）

偿还期后产生的收益就可当做企业产生的利润，在设计的工作年限内产生的利润总额与营运年限的比值若大于企业投资的平均回报率，则改装是合理的。即（工作年限-偿还期）×（每年收益- 每年花费）/工作年限≧企业投资的平均回报率，则值得投资。据调查，余热利用的成本偿还期一般在3年左右，年回报率达35%以上，节能投资是合理的。

总结：

船舶柴油机余热的回收与合理利用的方法是多种多样的，每一种方法都有其利与弊，这就需要我们在选择时要根据船舶自身的特点与实际使用情况做出合理的选择。俗语曰：“适合自己的才是最好的”，船舶余热的利用回收方法的选择亦是如此。

企业在船舶柴油机余热方面进行投资的动力在于他们期望能够获得更多的经济效益。面对环境条件不断恶化、全球日益紧张的能源供应形势，企业根据自身拥有船舶的实际情况选择相应的余热回收手段不仅会为本企业节省大量的燃油费用同时也为保护地球环境做出极大的贡献。

参考文献

[1]吴恒，船舶动力装置技术管理[M]，大连：大连海事大学出版社，2005.8.

[2]孙培廷，船舶柴油机[M]，大连：大连海事大学出版社，2002.2.

[3]詹宗勉，工程热力学和传热学[M]，大连：大连海事大学出版社，1995.

[4]李国纲，管理系统工程[M]，北京：中国人民出版社，1992.