船用柴油機(jī)余熱回收透平發(fā)電系統(tǒng)研究.pdf

分類號(hào)： 密級(jí)： u d c ： 編號(hào)： 工學(xué)碩士學(xué)位論文 船用柴油機(jī)余熱回收透平發(fā)電系統(tǒng)研究 碩士研究生 ：劉慶鶴 指導(dǎo)教師 ：鄭 群 教授 學(xué)科、專業(yè) ：動(dòng)力機(jī)械及工程 學(xué) 位 論 文 主 審 人 ：岳國(guó)強(qiáng) 副教授 哈爾濱工程大學(xué) 2013 年 03 月 分類號(hào)： 密級(jí)： u d c ： 編號(hào)： 工學(xué)碩士學(xué)位論文 船用柴油機(jī)余熱回收透平發(fā)電系統(tǒng)研究 碩士研究生碩士研究生 ： 劉慶鶴 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 ： 鄭 群 教授 學(xué)位級(jí)別學(xué)位級(jí)別 ： 工學(xué)碩士 學(xué)科、專業(yè)學(xué)科、專業(yè) ： 動(dòng)力機(jī)械及工程 所在單位所在單位 ： 動(dòng)力與能源工程學(xué)院 論 文 提 交 日 期論 文 提 交 日 期 ： 2013 年 1 月 論 文 答 辯 日 期論 文 答 辯 日 期 ： 2013 年 3 月 學(xué) 位 授 予 單 位學(xué) 位 授 予 單 位 ： 哈爾濱工程大學(xué) classified index: u.d.c: a dissertation for the degree of m. eng the waste heat recovery and turbine generation system research from a diesel engine candidate: liu qinghe supervisor: prof. zheng qun academic degree applied for: master of engineering specialty: power machinery and engineering date of submission: january, 2013 date of oral examination: march, 2013 university: harbin engineering university 哈爾濱工程大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，由作者本人獨(dú)立完成的。 有關(guān)觀點(diǎn)、方法、數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)的引用已在文中指出，并與參考文獻(xiàn)相對(duì)應(yīng)。除文中已注 明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其它個(gè)人或集體已經(jīng)公開發(fā)表的作品成果。對(duì)本文 的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲 明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 作者（簽字）： 日期： 年 月 日 哈爾濱工程大學(xué) 學(xué)位論文授權(quán)使用聲明 本人完全了解學(xué)校保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的有關(guān)規(guī)定，即研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作 的知識(shí)產(chǎn)權(quán)屬于哈爾濱工程大學(xué)。哈爾濱工程大學(xué)有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送 交論文的復(fù)印件。本人允許哈爾濱工程大學(xué)將論文的部分或全部?jī)?nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn) 行檢索，可采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文，可以公布論文的 全部?jī)?nèi)容。同時(shí)本人保證畢業(yè)后結(jié)合學(xué)位論文研究課題再撰寫的論文一律注明作者第一 署名單位為哈爾濱工程大學(xué)。涉密學(xué)位論文待解密后適用本聲明。 本論文（在授予學(xué)位后即可 在授予學(xué)位 12 個(gè)月后 解密后）由哈爾濱工 程大學(xué)送交有關(guān)部門進(jìn)行保存、匯編等。 作者（簽字）： 導(dǎo)師（簽字）： 日期： 年 月 日 年 月 日 船用柴油機(jī)余熱回收透平發(fā)電系統(tǒng)研究 摘 要 能源是人類社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)和動(dòng)力，隨著人類對(duì)能源的需求量日益增加，能源問題 也日益突出。我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，已經(jīng)成為世界上最大的能源消耗國(guó)。我國(guó)資源人均 占有量少，能源利用率低，由此導(dǎo)致的環(huán)境問題日益嚴(yán)重。我國(guó)政府意識(shí)到加大產(chǎn)業(yè)結(jié) 構(gòu)調(diào)整，大力發(fā)展清潔能源。船舶是一種能源消耗量巨大的運(yùn)輸工具，伴隨世界油價(jià)的 上漲，船舶余熱回收已經(jīng)成為造船界和海運(yùn)界的研究熱點(diǎn)。本文主要研究有機(jī)朗肯循環(huán) 在重型船用柴油機(jī)余熱回收方面的應(yīng)用，主要由四部分組成： 第一部分：闡述了國(guó)內(nèi)外有關(guān)有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀與應(yīng)用，對(duì)有機(jī)朗肯循 環(huán)的關(guān)鍵技術(shù)做具體的分析。最后篩選八種常用的有機(jī)流體作為本文備選工質(zhì)，介紹了 它們的熱物性特點(diǎn)并進(jìn)行比較分析。 第二部分： 結(jié)合 man 公司 6s50mc-c8.1-tii 型號(hào)重型船用柴油機(jī)尾氣余熱的特點(diǎn)， 設(shè)計(jì)了有機(jī)朗肯循環(huán)尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)。應(yīng)用 simulink 模塊對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。 第三部分：設(shè)計(jì)了柴油機(jī)缸套冷卻水余熱發(fā)電系統(tǒng)，結(jié)合物性軟件 refprop 編寫循 環(huán)的計(jì)算程序，通過合理性驗(yàn)證以及循環(huán)的優(yōu)化分析，確定了最佳的循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)。建 立尾氣與缸套冷卻水余熱的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)， 并對(duì)有機(jī)工質(zhì)透平和動(dòng)力渦輪進(jìn)行一維熱力 設(shè)計(jì)計(jì)算。 第四部分：對(duì)有機(jī)工質(zhì)透平進(jìn)行全三維的葉片造型，利用 numeca 軟件對(duì)透平進(jìn) 行定常及非定常的數(shù)值模擬，對(duì)導(dǎo)葉柵、動(dòng)葉以及尾跡運(yùn)動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)的流場(chǎng)分析。 關(guān)鍵詞：有機(jī)朗肯循環(huán)；柴油機(jī)尾氣；工質(zhì)選?。桓滋桌鋮s水；向心式透平；數(shù)值模擬 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 船用柴油機(jī)余熱回收透平發(fā)電系統(tǒng)研究 abstract energy is the basis and driving force of the development of human society. with the increasing of energy requirements, the energy issue has become more and more prominent. with the rapid development of economy, china has been the largest energy consuming countries in the world. low utilization ratio leads to the environment problem. our government realizes to revise industrial structure and develop the clean energy. the boats and ships is a kind of vehicle which consumes huge energy. the waste heat recovery has formed a hot topic between the shipbuilding industry and the maritime field with the rise of oil prices. this paper studies the applications of the organic rankine cycle（orc）on the waste heat recovery of heavy-duty marine diesel engine. it mainly consists of four parts: the first part elaborates the status and application and introduces the key techniques of orc.this paper picks out eight kinds of organic fluid as the alternative working fluid, and describes characteristics of the thermal and physical properties. the second part designs the waste heat recovery and generation system of orc combined with exhaust heat characteristics of man 6s50mc-c8.1-tii heavy-duty marine diesel engine. whats more, the parameter of the system is optimized by simulink. the third part not only designs the marine diesel engine jacket cooling water heat recovery and power generation system, but also compiles cycle calculation program with the refprop software. then the paper determines the best parameters of circulatory system by reasonable verifications and optimizations of the loop analysis. finally, the co-generation system of exhaust and jacket cooling water waste heat has been built. the part designs and calculates the organic working fluid turbine and power turbine. the forth part models the 3d blades of organic working fluid turbine and calculates the flow field with the numeca including steady and unsteady numerical simulation. finally, the flow field has been analyzed in the last part. key words: orc; heavy-duty marine diesel engine exhaust; selection of working fluid; jacket cooling water waste heat ; radial inflow turbine；numerical simulation 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 船用柴油機(jī)余熱回收透平發(fā)電系統(tǒng)研究 目 錄 第 1 章 緒 論 . 1 1.1 世界及我國(guó)能源現(xiàn)狀 . 1 1.1.1 世界能源現(xiàn)狀 . 1 1.1.2 我國(guó)能源現(xiàn)狀 . 2 1.2 余熱資源的定義和分類 . 3 1.3 船舶余熱利用的意義和目的 . 4 1.3.1 船舶余熱利用的背景和意義 . 4 1.3.2 研究目的 . 5 1.4 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 . 5 1.5 對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的影響 . 6 1.6 必要性分析 . 7 1.6.1 應(yīng)對(duì)國(guó)際海事組織減排法規(guī)的需求 . 7 1.6.2 應(yīng)對(duì)高昂原油價(jià)格的需求 . 7 1.6.3 應(yīng)對(duì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需求 . 8 1.6.4 提高船舶配套產(chǎn)品的需求 . 8 1.6.5 應(yīng)對(duì)工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能的需求 . 8 1.7 本文的主要研究?jī)?nèi)容 . 9 第 2 章 有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù) . 10 2.1 有機(jī)朗肯循環(huán) . 10 2.2 orc 的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn) . 10 2.3 orc 系統(tǒng)應(yīng)用 . 10 2.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 11 2.4.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 . 11 2.4.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 . 12 2.5 orc 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) . 13 2.5.1 工質(zhì)的選擇 . 13 2.5.2 換熱器的設(shè)計(jì) . 16 2.5.3 有機(jī)透平的設(shè)計(jì) . 16 2.6 常用候選工質(zhì) . 16 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 2.7 本章小結(jié) . 18 第 3 章 船用柴油機(jī)尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化 . 19 3.1 柴油機(jī)尾氣余熱 . 19 3.1.1 船用柴油機(jī) . 19 3.1.2 柴油機(jī)能量分布 . 20 3.2 尾氣余熱回收系統(tǒng) . 21 3.2.1 孤立系統(tǒng)的熱力學(xué)分析 . 22 3.2.2 工質(zhì)泵增壓過程 . 23 3.2.3 工質(zhì)定壓吸熱蒸發(fā)過程 . 23 3.2.4 工質(zhì)透平中膨脹做功過程 . 24 3.2.5 工質(zhì)回?zé)崞髦袚Q熱過程 . 24 3.2.6 海水冷卻過程 . 25 3.2.7 冷卻水泵做功過程 . 25 3.2.8 總體循環(huán)系統(tǒng)的熱效率 . 26 3.3 柴油機(jī)尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng)性能分析及優(yōu)化 . 27 3.3.1 仿真軟件簡(jiǎn)介 . 27 3.3.2 仿真程序 . 29 3.3.3 仿真結(jié)果及分析 . 29 3.3.3 系統(tǒng)最優(yōu)參數(shù)選取 . 33 3.4 本章小結(jié) . 36 第 4 章 船舶主機(jī)冷卻水余熱回收利用 . 37 4.1 主機(jī)冷卻水散熱 . 37 4.2 余熱系統(tǒng)建模 . 38 4.3 總體循環(huán)計(jì)算 . 38 4.3.1 變化參數(shù)固定 . 39 4.3.2 計(jì)算結(jié)果分析 . 39 4.4 有機(jī)工質(zhì)透平的設(shè)計(jì)方案 . 43 4.4.1 向心式透平的特點(diǎn) . 43 4.4.2 導(dǎo)葉柵方案的選擇 . 44 4.4.3 葉輪方案的選擇 . 45 4.4.4 有機(jī)工質(zhì)透平熱力計(jì)算 . 47 船用柴油機(jī)余熱回收透平發(fā)電系統(tǒng)研究 4.5 船舶主機(jī)余熱利用的組合與改進(jìn) . 47 4.6 本章小結(jié) . 49 第 5 章 有機(jī)工質(zhì)透平三維設(shè)計(jì)與 cfd 模擬 . 51 5.1 有機(jī)工質(zhì)透平設(shè)計(jì) . 51 5.1.1 設(shè)計(jì)方法 . 51 5.1.2 總體設(shè)計(jì)參數(shù) . 52 5.1.3 熱力計(jì)算 . 52 5.1.4 導(dǎo)葉柵三維設(shè)計(jì) . 53 5.1.5 葉輪設(shè)計(jì)方案 . 54 5.2 數(shù)值模擬方法 . 55 5.2.1 算法 . 55 5.2.2 計(jì)算網(wǎng)格 . 55 5.2.3 邊界條件 . 56 5.2.4 初始條件 . 56 5.3 計(jì)算結(jié)果分析 . 56 5.3.1 導(dǎo)葉柵三維流動(dòng)分析 . 56 5.3.2 動(dòng)葉三維流動(dòng)分析 . 60 5.3.3 尾跡運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬 . 63 5.4 本章小結(jié) . 66 結(jié) 論 . 67 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文和取得的科研成果 . 68 參考文獻(xiàn) . 69 致 謝 . 73 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 1 章 緒 論 1 第 1 章 緒 論 1.1 世界及我國(guó)能源現(xiàn)狀 1.1.1 世界能源現(xiàn)狀 能源在人們的日常生產(chǎn)生活中提供各種所需的能量，是人類社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)和動(dòng) 力，縱觀人類的社會(huì)發(fā)展史，就是一部能源的改進(jìn)和更替的過程。工業(yè)革命之后，近現(xiàn) 代社會(huì)的進(jìn)步和繁榮基本上是建立在以煤、石油等不可再生的傳統(tǒng)能源耗費(fèi)的基礎(chǔ)上。 由于在能源利用過程中付出低效率、環(huán)境污染等高昂代價(jià)，長(zhǎng)期以來制約著社會(huì)和經(jīng)濟(jì) 的發(fā)展。據(jù) 2012 年 6 月 bp 世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒報(bào)告統(tǒng)計(jì)，2011 年全球能源的消費(fèi)量增 長(zhǎng)大概 2.5%，與歷史平均數(shù)值相當(dāng)。能源消費(fèi)主要偏重于化石燃料，其在能源消費(fèi)中 占有 87%的份額?？稍偕茉茨壳罢既蚰茉聪M(fèi)量的 2%，其所占份額較以往有所提 高，同時(shí)化石燃料結(jié)構(gòu)也正在發(fā)生著變化，盡管石油仍然是主導(dǎo)燃料，但其所占份額已 連續(xù) 12 年出現(xiàn)下降情形， 煤炭再次取代石油成為增長(zhǎng)最快的化石燃料1。 如圖 1.1 所示， 明顯看出最近五十年間世界標(biāo)準(zhǔn)煤的消耗量在一直上升。 圖 1.1 世界煤炭消費(fèi)統(tǒng)計(jì) 國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒表明，世界的消費(fèi)結(jié)構(gòu)石油比重占 35%，天然氣比重占 24%，標(biāo)準(zhǔn)煤比重占 29.3%，核電能清潔能源利用比重占 11.7%2，如圖 1.2 所示。 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 圖 1.2 世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)能源的日益減少，能源危機(jī)越來越顯現(xiàn)在人類的面前，因此人們將視角重點(diǎn)放 在了可持續(xù)的清潔能源的利用上來，如地?zé)崮堋⒑四?、太?yáng)能、風(fēng)能等在新世紀(jì)有很大 的利用前景，各國(guó)都在積極開展新能源方面的技術(shù)研發(fā)。 1.1.2 我國(guó)能源現(xiàn)狀 我國(guó)化石能源資源儲(chǔ)量豐富，煤炭?jī)?chǔ)量約占世界的 13%，僅次于美國(guó)和俄羅斯，位 居世界第三位。能源的總消費(fèi)量占世界的第二位，但是龐大的人口基數(shù)使得我國(guó)人均資 源占有量處于世界較低水平。我國(guó)能源分布不均衡、開發(fā)難度大，由于受技術(shù)的限制， 我國(guó)能源利用效率很低，只有 30%。西方發(fā)達(dá)國(guó)家能源利用率則達(dá)到了 50%，甚至個(gè)別 國(guó)家達(dá)到了 60%左右3。在高耗能產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中，我國(guó)產(chǎn)品的單位能耗比國(guó)際領(lǐng)先水平高 出 25%90%。據(jù)世界能源統(tǒng)計(jì) 2011統(tǒng)計(jì)，截止 2010 年為止，我國(guó)已經(jīng)超過美國(guó)成 為世界上最大的能源消費(fèi)國(guó)。 我國(guó)是全球最大的煤炭消費(fèi)國(guó)， 占世界總消費(fèi)量的 48.2%， 2010 年我國(guó)煤炭消費(fèi)增長(zhǎng)了 10.1%，占全球總增長(zhǎng)量的 2/3。2010 年我國(guó)石油消耗量占 全球石油消耗量的 45，產(chǎn)量為 20301 萬噸，對(duì)外依存度為 55，也就是說 2010 年我 國(guó)新增石油產(chǎn)量不足當(dāng)年消耗量的 504。 我國(guó)的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值和西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距不大， 但是能源的消耗卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于他 們，側(cè)面反映了我國(guó)的能源利用率低，在未來的幾十年甚至更長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)傳統(tǒng)能源仍然 占據(jù)著主導(dǎo)的地位。 圖 1.3 顯示了我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，煤炭達(dá)到 69%，石油比重占 18.5%，天然氣比重 占 4.1%，相比較核電能清潔能源利用比重只有區(qū)區(qū)的 8.4%。 第 1 章 緒 論 3 圖 1.3 我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu) 我國(guó)政府意識(shí)到必須加速對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，大力發(fā)展清潔能源，把節(jié)能減排列為重 大發(fā)展戰(zhàn)略。余熱開發(fā)和回收利用，是解決目前能源壓力的重要途徑和有效方式5。 1.2 余熱資源的定義和分類 余熱資源通常是指在現(xiàn)有的技術(shù)水平基礎(chǔ)上， 再生產(chǎn)過程中可以被回收利用或者反 復(fù)使用但是還沒有有效地使用的資源。余熱資源利用一方面取決于自身的熱量品位，另 一方面還受限于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力的發(fā)展水平， 因此隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高 和生產(chǎn)力的發(fā)展，余熱資源利用也在不斷地發(fā)生著變化。我國(guó)余熱資源豐富，廣泛存在 于如鋼鐵、石油、化工、建材等各種高耗能行業(yè)，在每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中都可能存在工業(yè)余 熱，這些余熱可通過技術(shù)手段轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、電能、冷能等供人們利用。余熱的利用不 是一朝一夕就能完成的，同時(shí)要考慮諸如工藝需要、經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)的可行性和環(huán)保特性 等綜合因素， 因此如何合理的開發(fā)和利用余熱資源是在高耗能產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要 內(nèi)容和手段6,7。 余熱的存在形式需要一定的載體表現(xiàn)出來，余熱資源大體上可以分為三類，分別是 按載體的存在形態(tài)、按余熱的溫度和按余熱來源。從載體的形態(tài)角度出發(fā)，余熱資源又 分為氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)余熱；從余熱本身的溫度出發(fā)，同樣也分為三種，即高溫余 熱 （500以上） 、中 溫余熱（200500 ）和低溫 余熱（200以下） ；從余熱的來源角度 出發(fā)，分為煙氣余熱、冷卻介質(zhì)余熱、爐渣余熱和化學(xué)反應(yīng)余熱等不同的途徑來源8。 應(yīng)該清醒的認(rèn)識(shí)到，余熱回收利用固然重要，但是問題的核心還是在于如何減少余 熱排放。主要手段就是降低煙氣溫度，增加熱能的梯度利用，降低散熱部分損失和提高 設(shè)備的熱效率等，在制定余熱回收方案之前要仔細(xì)考慮以下幾個(gè)方面： 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 1、設(shè)備本身的熱效率是否還能有效的提高。如果裝置本身的效率能有效提高，余 熱資源能量損耗小，相比于余熱回收能夠取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。 2、考慮余熱有沒有被設(shè)備本身再利用的價(jià)值，例如燃油的預(yù)熱，渦輪增壓器做功 等，這樣的利用方式可以節(jié)約高品位能源，降低能耗，它比其它利用途徑（如加熱鍋爐 產(chǎn)生蒸汽做功）產(chǎn)生的效果要好。 3、余熱利用具體方案的確定。根據(jù)現(xiàn)有的余熱資源和用戶的實(shí)際要求，盡力做到 能級(jí)匹配，設(shè)計(jì)或選擇合適的系統(tǒng)設(shè)備，同時(shí)要滿足經(jīng)濟(jì)性的要求，將余熱回收發(fā)揮到 最大的作用。對(duì)于高耗能行業(yè)來說，設(shè)計(jì)回收方案的順序，難易程度和余熱回收的價(jià)值 大小都需要慎重考慮，它們都與熱源的溫度和攜帶的能量相關(guān)。最好依照結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效 益最大的原則來定方案。 1.3 船舶余熱利用的意義和目的 1.3.1 船舶余熱利用的背景和意義 能源問題在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要的作用， 船舶作為一種交通工具在工作過程中 消耗了大量的能源，如此高耗能注定要增加運(yùn)輸行業(yè)的成本。另外，船舶大量的廢熱排 放到周圍環(huán)境中去也造成了污染，降低船舶能耗是我們亟需研究的一個(gè)重大課題9,10。 國(guó)際海事組織(imo)把 eedi(energy efficiency design index，新船能效設(shè)計(jì)指數(shù))定為船 舶耗能多少的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定如果船舶的耗能達(dá)不到指標(biāo)，船東需要交納相應(yīng)份額的罰款作 為代價(jià)來補(bǔ)償對(duì)環(huán)境的污染。遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船考慮一個(gè)很重要角度就是經(jīng)濟(jì)性，船舶節(jié)能就 是消耗最小的能量得到最大的收益11。眾所周知，石油燃料是船舶主要的能量來源，船 舶上消耗燃料的裝置主要是 是柴油機(jī)主機(jī)、 輔機(jī)和 輔助鍋爐。主機(jī)的消耗能量最大，大 約占 70%90%。柴油機(jī)氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)壓縮燃油燃燒產(chǎn)生巨大的能量，這部分能量只 有一部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)力輸出功，其余的部分則通過尾氣排出、缸套冷卻水、燃油預(yù)熱以及 輻射的形式散失掉，這部分熱量就是通常所說的廢熱，要回收利用的就是這部分損失的 能量12,13。 上世紀(jì) 80 年代的石油危機(jī)使各國(guó)認(rèn)識(shí)到能源對(duì)國(guó)家發(fā)展的戰(zhàn)略地位，世界油價(jià)的 不斷攀升，以及來自對(duì)船舶 co2 排放量控制的壓力，加快了船舶主機(jī)技術(shù)的研發(fā)步伐。 目前大功率的二沖程船用柴油機(jī)的熱效率不超過 50%，在船舶動(dòng)力設(shè)備中是最高的。雖 然現(xiàn)在廢氣渦輪增壓技術(shù)的成熟提高了船舶主機(jī)的熱效率，但是大量的熱量仍有剩余。 提高主機(jī)熱效率最根本的辦法就是提高燃料的燃燒溫度，但是在提高燃燒溫度的同時(shí)， 船舶氮氧化物的排放量又無法控制， 所以不能單純的依靠提高柴油機(jī)主機(jī)的燃燒溫度來 第 1 章 緒 論 5 提高效率，必須另辟蹊徑，從不同的角度來思考燃燒效率和低排放的矛盾關(guān)系14。 船舶上還需要配置柴油機(jī)輔機(jī)和輔助鍋爐為船舶提供必需的電力和蒸汽， 這部分的 燃油消耗就占有一定的運(yùn)輸成本， 如果主機(jī)排放的尾氣熱量和冷卻水帶走的熱量能夠加 以回收利用，代替部分輔機(jī)和輔助鍋爐來進(jìn)行發(fā)電或者提供蒸汽，既能達(dá)到節(jié)能減排和 增加經(jīng)濟(jì)性的作用，又能夠簡(jiǎn)化設(shè)備，余出更多的空間來運(yùn)輸貨物。因此充 分的回收利 用 船舶主機(jī)余熱意義重大15。 伴隨著世界造船行業(yè)技術(shù)的日趨成熟和船舶行業(yè)良好的發(fā)展趨勢(shì)， 中國(guó)已經(jīng)躋身于 世界造船大國(guó)的行列，但是要成為造船強(qiáng)國(guó)必須提升高科技水平，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，在 造船數(shù)量領(lǐng)先的基礎(chǔ)上增加船舶高科技的含金量。為了順應(yīng)當(dāng)前國(guó)際節(jié)能減排的大潮 流，我國(guó)取得船舶節(jié)能減排方面的技術(shù)突破勢(shì)在必行。在滿足節(jié)能、環(huán)保等指標(biāo)的基礎(chǔ) 上努力在船舶的技術(shù)水平， 質(zhì)量保證和運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)性等方面趕上甚至超過當(dāng)今國(guó)際先進(jìn) 水平，只有這樣我國(guó)的船舶行業(yè)才能在世界船舶市場(chǎng)占有一席之地，爭(zhēng)取更大的市場(chǎng)份 額，朝著造船強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)邁進(jìn)，使船舶行業(yè)在節(jié)能環(huán)保的道路上越走越遠(yuǎn)。 努力加強(qiáng)柴油機(jī)主機(jī)的余熱利用系統(tǒng)的自主研發(fā)水平， 提高國(guó)產(chǎn)船舶的節(jié)能減排系 統(tǒng)技術(shù)的層次，形成定型船用柴油機(jī)節(jié)能的配套產(chǎn)品、構(gòu)建技術(shù)、市場(chǎng)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等方 面的競(jìng)爭(zhēng)力，更廣泛的拓寬世界制造市場(chǎng)的業(yè)務(wù)。 1.3.2 研究目的 選擇最優(yōu)的柴油機(jī)主機(jī)余熱利用設(shè)計(jì)方案，充分利用當(dāng)前國(guó)內(nèi)的柴油機(jī)主機(jī)、余熱 鍋爐的設(shè)計(jì)、制造能力，研發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的船舶主機(jī)余熱利用系統(tǒng)及其相關(guān)的子 系統(tǒng)，提高船舶發(fā)動(dòng)機(jī)燃油的有效利用率，掌握柴油機(jī)余熱利用設(shè)備 的開發(fā)設(shè) 計(jì)技術(shù)， 設(shè)計(jì)出能滿 足新船能效 設(shè)計(jì)指 數(shù)要求的船只。 盡量縮小我們與國(guó)外在余熱利用技術(shù)開發(fā) 上的差距，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)在此項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域的空白。 1.4 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 余熱回收系統(tǒng)應(yīng)用在船舶行業(yè)可以追溯較長(zhǎng)的歷史和擁有廣泛的應(yīng)用范圍， 在眾多 各種用途的船舶上都備有廢氣鍋爐系統(tǒng)， 利用廢氣的能量轉(zhuǎn)換獲得船用蒸汽。 與此同時(shí)， 大功率低轉(zhuǎn)速的船用柴油機(jī)尾氣的排放量較大，隨著廢氣渦輪增壓器研究技術(shù)的改進(jìn)， 在尾氣出口進(jìn)入廢氣渦輪增壓器前進(jìn)行分流，一定流量的尾氣提供給動(dòng)力渦輪，尾氣在 動(dòng)力渦輪中膨脹再將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能和電能，這在技術(shù)上是可行的。 船舶余熱利用系統(tǒng)必須根據(jù)它自身的特點(diǎn)進(jìn)行合理的規(guī)劃。船舶主機(jī)排氣溫度高、 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 熱量大，雖然冷卻水的溫度低，但是能夠提供足夠多的能量，不同的能量品位的利用方 法和設(shè)備也不盡相同。 目前， 各國(guó)對(duì)船舶二沖程柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)余熱利用的途徑主要有： 1) 將主機(jī)排出的廢氣導(dǎo)入到余熱鍋爐中換熱產(chǎn)生水蒸汽，水蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽輔助機(jī) 帶動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電，將電能并入到船舶電站。 2) 將主機(jī)高負(fù)荷工況下的廢氣直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)力渦輪帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電，將該發(fā)電機(jī)組并 入船舶電站。 3) 充分利用主機(jī)排出的廢氣熱量在余熱鍋爐中產(chǎn)生的蒸汽，將其作為船舶各種艙、 柜、加熱器的加熱源（如燃油、潤(rùn)滑油和貨油系統(tǒng)的預(yù)熱）以及工作人員的取暖、蒸飯 等生活熱源。 4) 將冷卻水直接或間接用作制作淡水、制冷和生活雜用等的熱源16。 從上述可以看出，如果能有效地利用船舶動(dòng)力系統(tǒng)的廢氣余熱和冷卻水的熱量，足 以解決船舶航行過程中的電力和蒸汽需求。船舶的類型和用途千差萬別，不同的船舶型 號(hào)、主機(jī)型式、功率大小、運(yùn)行的方式以及采用的余熱回收技術(shù)形式都關(guān)系到船舶余熱 所獲得的電量和蒸汽量的多少。 船舶主機(jī)的余熱回收技術(shù)能夠有效的節(jié)省動(dòng)力系統(tǒng)能耗， 同時(shí)其排放性能也得到改 善。世界各國(guó)科研人員通過大量的研究和實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過不懈的努力開發(fā)出不同種類余熱回 收裝置，并且實(shí)現(xiàn)了商業(yè)