渔用柴油机缸套水余热回收实验研究

朱钱龙，范宇航，王丽娟，喜冠南

（1.南通大学机械工程学院，江苏 南通 226019；2.南通科技职业技术学院机电工程系，江苏 南通 226007）

1 引言

我国是世界上渔船保有量最大的国家，其中相当大一部分的渔船分布福建、浙江、江苏及以北的沿海省份。渔船的主要生产时间是集中在一年中较冷的时节，目前在中小型渔船使用热水和空调，往往通过柴油发电来实现，这又显著增加了渔船的生产成本。另一方面，渔船柴油机在工作过程中，有55%以上的热量以废热（尾气，缸套水）形式散逸［1］。

在这之中，缸套水散逸的热量占总热量的25%左右［2］，若将这部分热能有效回收，不仅能有效节约能源还可将这部分回收的热能为渔船提供暖气和热水，可以较大程度地改善渔民海上生活质量。

船舶柴油机余热利用一直国内外学者的研究热点。其中，文献［3-4］以大型船舶主机为研究对象，对余热利用技术系统的性能进行了理论分析计算，得出设置柴油机余热利用系统可以将余热利用效率提高6.03%。文献［5］基于朗肯循环对大型船用柴油机余热回收系统进行了研究，设计了两套独立的ORC系统回收废气和主机冷却水余热，用实验证明了系统余热回收的可行性。文献［6］利用有机朗肯循环技术对基于烷烃的柴油机复合系统进行了参数优化，讨论了底部ORC和柴油机结合后对柴油机废气能量分布和柴油经济性的影响。文献［7］研究了尾气再循环共轨重型柴油机实现清洁高效燃烧的排放控制策略。研究表明：与单级涡轮增压器相比，两级涡轮增压器显著提高了废气再循环的可回收性和气燃质量流量比。文献［8］采用不同多孔材料的同心管换热器对大型船用柴油机余热回收系统进行了性能分析，得出插入不同类型的多孔材料可提高换热的效率，如插入铸铁可提高76%，插入低碳钢可以提高77%的热效率。文献［9］对集装箱船中的高温余进行了温差发电研究，通过改变换热器翅片的形状和结构可将热能转换效率提高25%。但这些研究多集中于大型船舶废气余热回收，对中小型渔船缸套水余热回收的研究较少。且大型渔船上的余热回收装置体积大、成本高，不适宜应用在中小型渔船上。

针对以上船舶柴油机余热回收所面临的问题，这里提出了柴油机缸套水余热回收方案并搭建了相应的余热回收实验台架。并结合模糊PID 算法，监测及控制柴油机内循环水进口温度，实现了稳定的余热回收可为今后中小型渔船余热回收提供可行性参考。

2 缸套水余热回收可行性分析

2.1 实验对象及实验方案

实验对象为应用在近海、长江内河渔业捕捞的中小型渔船上的T6138ZLCZu 型柴油机，如图1 所示。其主要技术参数，如表1所示。

图1 T6138ZLCZu型船舶柴油机Fig.1 T6138ZLCZu Marine Diesel Engine

表1 柴油机主要技术参数Tab.1 Technical Parameters of Diesel Engine

柴油机回路由内外循环回路两部分组成。在内循环中，缸套水把机油冷却液器、机体、缸盖的热量带入热交换器冷却，与外循环水进行热量交换后，回到机油冷却器完成再次循环。在外循环中，水箱中的水由水泵抽出后首先经过流量计，经中冷器微弱加热后再流入热交换器来吸收缸套水所释放的热量，并且经套管式换热器中吸收尾气中的部分热量，最后吸收齿轮箱的部分热量，进入蓄水池。水箱与水塔相连以保证有一定温度的冷却水量。因此，外循环水不但吸收通过换热器吸收内循环水的热量，同时还吸收经过排气管尾气的热量。其回路图，如图2所示。根据回路图搭建实验台架，如图3所示。

图2 柴油机回路Fig.2 Diesel Engine Loop

图3 实验台架Fig.3 Test Bench

实验台架由T6138ZLCZu型船舶柴油机，NCK2000发动机测控机、PT-100 温度传感器，YC-1002 温度采集模块、流量泵、CKLWGYC-D40涡轮流量计及PC 机组成。由NCK2000发动机测控机测试柴油机比油耗、功率、机油压力、转速等参数。

实验方案为将PT-100 温度传感器分别布置在柴油机回路内、外循环进热交换器的前后两侧，以获得外循环冷却水进出口温度差及内循环进出口温度。图2中的a点测量内循环水经热交换器前温度，b点测量内循环水经换热器后温度，c点测量外循环水经中冷器前温度，d点测量外循环水经尾气热交换器后的温度。通过改变柴油机负荷，得出不同工况下原始实验台架缸套水可回收热量、外循环水进出口温度差以及比油耗。

2.2 实验结果分析

为测试柴油机原始余热回收性能，实验中通过NCK发动机测控机改变柴油机的6种运行工况（25%，50%，75%，90%，100%，110%额定功率），原实验台架在海水泵流量为20m3/h时进行测试，测试结果，如图4所示。

图4 不同功率下缸套水进出口温度差和比油耗Fig.4 Temperature Differences and Specific Fuel Consumption of Water Inlet and Outlet of Cylinder Liner Under Different Power

从图4可以看出，随着柴油机功率增加，其进出口温度差不断上升，当柴油机功率为额定功率的90%时温差变化幅度最大。在柴油机功率为额定功率和额定功率的110%时，缸套水进出口温度差同时达到最大值17℃，此时缸套水进出口温差趋于平缓不再发生改变。在柴油机油耗方面，随着柴油机功率增加，比油耗先下降后增加。在负荷为25%时，油耗率为194.8g/kW·h，在负荷为50%时，油耗率为190.3g/kW·h，在负荷为75%时，油耗率最低为188.1g/kW·h。然后随着负荷增加，油耗率上升，在负荷为110%时，油耗率为193g/kW·h，超过50%负荷点。由以上实验结果可知，在现回路实验条件下，油耗率在一定范围内随着负荷的提高而降低。同时可以回收一定量的热量，但外循环水进出口温度差过小，热值较低属于低品位热源不能满足暖气和热水的实际应用要求。而文献［10］提出将内循环水进热交换器前的温度控制在（80～85）℃能够达到实际应用目标。因此，本实验在柴油机运行安全经济的前提下，需要对管路进行改造以提高外循环回路冷却水温度差。

3 余热回收系统设计

3.1 原始实验台架改造

由于原始实验台架采用的是基于柴油机皮带轮驱动的普通海水流量泵，考虑到柴油机运行功率的不稳定，这会显著影响流量的准确调节。故而本研究采用恒压变频泵以改进原始实验台架，通过在外循环回路加上D971X-16型电动对夹蝶阀和恒压变频泵对外循环水流量进行调控，在柴油机安全运行的情况下，提高外循环水的进出口水温度差。改进实验回路图，如图5所示。

图5 改进实验回路Fig.5 Improved Experimental Circuit

为使实验台架将内循环水进口温度稳定在（80～85）℃范围内，这里基于Labview 软件设计了温度数据采集的上位机系统，以单片机为核心控制器设计了温度测控与蝶阀控制的下位机系统。下位机与上位机通过有线传输方式进行数据通信。其中，设计的上位机界面，如图6所示。下位机与上位机的布局方式，如图7所示。

图6 上位机界面Fig.6 Upper Computer Interface

图7 上下位机布局方式Fig.7 Layout of Upper and Lower Bitmaps

本研究基于PID 模糊控制方法，设计了缸套水温度调节策略。其控制原理式为：

其中，当|e(k) |≤ε时，β=1；当|e(k) |>ε时，β=0。其中，u（k）—控制器输出值；KP—比例系数；Ki—积分系数；Kd—积分系数；ε—设定阀值；T—采样周期；k—采样信号，k=1，2………，e（k-1）和e（k）分别为第k-1和第k时刻所得的偏差信号。该控制策略的实现流程图，如图8所示。

图8 内循环进口水温度控制流程图Fig.8 Flow Chart of Internal Circulation Inlet Water Temperature Control

3.2 实验结果分析

改进实验台架通过电动对夹蝶阀改变外循环水流量，同样选取了6种不同运行工况（25%，50%，75%，90%，100%，110%额定功率），和4种不同外循环水流量（5m3/h、6m3/h、8m3/h、10m3/h），监测并记录了不同冷却水量下外循环水进出口温度差，比油耗，以及外循环水回收的热量。内循环水进口温度监测图及不同外循环冷却水流量下缸套水进出口温度差图，比油耗图及缸套水所回收热量图，如图9～图12所示。

图9 内循环水进口温度监测图Fig.9 Temperature Monitoring Diagram of Inlet Circulating Water

由图9可知，内循环水温度从初始值77℃经过6min之后上升到设定值80℃，此时进入模糊PID控制器调节环节。当温度上升至82℃时达到峰值，之后在PID温度控制器调节后，温度降低，在9min时内循环水进口温度基本稳定在80℃左右。实验结果表明，基于该控制策略设计的温控系统响应快，跟踪效果好，系统从开始调节到预期值（80℃）稳定仅用了3min左右，且超调量较小为2.5%，达到了设计的预期要求。从而验证了余热回收系统的稳定性及安全性。由图10可知，缸套水进出口温度差与柴油机功率及外循环水流量近似呈线性关系。从图中可以看出，随着柴油机功率的提高缸套水进出口温度差不断提高。但当柴油机功率达到额定功率的75%之后缸套水温差变化减缓，可见在中高功率下进行余热回收并不经济。从冷却水流量上看，随着冷却水量的减少，外循环回路冷却水进出口温度差不断提高，在流量5m3/h时，进出口温度差可以达到最高，最高可达43℃左右。由图11可知，冷却水流量和比油耗之间存在非线性关系。冷却水在不同流量下，比油耗存在先增大后减小的趋势。在柴油机功率为75%时，柴油机在不同冷却水流量下的比油耗达到最低。但此时并非所有工况下比油耗的最低值。在柴油机功率为50%，冷却水流量在6m3/h时，比油耗最低，大约为186g/kW·h。由图12可知，缸套水回收热量与其流量和柴油机功率也近似呈线性关系。当柴油机功率为中低功率时，缸套水所回收功率增长较快。当柴油机功率提升至75%之后缸套水回收热量增加幅度变缓，由此可知在中低功率下回收缸套水热量。能够得到较好效果。随着外循环冷却水流量的减少，从冷却水中回收的热量也相应减少。在柴油机功率为110%，冷却水流量为10m3/h时，回收的热量最高为325kW。而在柴油机输入功率为50%时，流量为6m3/h，可回收热量为160kW左右。此时比油耗最低但缸套水进出口温度差较小实际应用性较差。由上述分析可知，基于运行经济性考虑，柴油机缸套水回收热量和比油耗之间存在一个最佳匹配关系。

图10 不同流量下缸套水进出口温度差Fig.10 Temperature Differences Between Inlet and Outlet of Different Cylinder Water

图11 不同流量下冷却水比油耗Fig.11 Specific Ratio Oil Consumption Under Different Cooling Water

图12 不同流量冷却水所回收热量Fig.12 Heat Recovered By Different Cooling Water

总的来看，当柴油机功率为75%，泵流量为5m3/h时，此时不仅柴油机的燃油经济性较好，而且外循环水进出口温度差最高可达到43℃，可回收缸套水热量也可达到205kW，远高于中小型渔船高品位热源余热回收热量的要求。

4 结论

针对中小型渔船，提出了一种新型余热回收方式，并设计了一套电动蝶阀恒温控制系统，解决了冷却水温度控制过程中时滞性问题。实验以T6138ZLCZu型船舶柴油机为研究对象搭建实验回路，选取了柴油机六种不同运行功率，采用基于模糊PID算法的控制器控制外循环水流量，用实验验证了改进系统的稳定性。从余热利用实际可行性和余热回收稳定性对改进实验台架进行了分析，并得出了以下结论：

（1）当柴油机功率为75%时，将外循环水流量控制在5m3/h，温度差最高可以达到43℃，缸套水可回收的热量为205kW，达到了实际应用价值。

（2）随着柴油机功率增大，比油耗先减小后增大，在柴油机功率为50%，外循环水流量为6m3/h时，柴油机的燃油经济性最好。

（3）该系统没有对非线性因素进行算法补偿，需进一步研究以实现更快更精确的控制。