船舶柴油機余熱的構成與回收

張要澤 王鈺 楊成春 閆奇恒 馬艷 鞠良

摘要：為了生態環境的可持續性發展，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，做到節能減排。對船舶廢氣中熱量的再利用系統進行最優化研究，不僅可以為廢氣余熱回收利用裝置尋找最理想工作狀態，還可以使柴油機的運行達到最優的平衡狀態。

關鍵詞：廢氣余熱，冷卻水余熱，余熱利用，合理利用，最優

引言：在此全球日益緊張的能源供應形勢下，世界各國都在積極尋求保證能源供應，踐行綠色使命，我公司更是為實現“3060”雙碳目標進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成、余熱的合理利用、余熱回收的經濟價值及經濟價值評估的研究，讓更多的企業看到此項投資的回報率，從而讓更多的船企業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成

在柴油機的實際工作運行中，燃油的化學能轉變為輸出機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、冷卻水系統的能量損失最大。

船舶柴油機在工作時，燃油燃燒所產生的熱量主要去向是轉變成有效功為船舶提供動力、被冷卻系統冷卻液吸收、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生的熱量中只有約35%左右轉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、排煙等形式散發到外界，導致能源的極大浪費。

2、余熱的合理利用

船舶柴油機余熱的回收再利用，可以根據蘊含熱量的多少采取不同的再利用方式，一般以“按質供能，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370℃，以換熱器傳熱溫差100℃設計，廢氣的平均傳熱溫度仍可達到280℃左右，通過合理布局廢氣鍋爐、省煤器、過熱器受熱面等設備，可產生280℃，0.9MPa 的過熱蒸汽用來驅動并維持汽輪機的工作。在上述的熱力參數條件下，汽輪機的熱效率可達到25%，以某船柴油機持續功率6752KW為例，按油耗1.17t/H進行估算，可產生的機械功率可到達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70℃以上。冷卻水帶出的熱量達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或保溫系統。

（3）將部分冷媒水加熱到100℃以上，用于冬季空調的供暖系統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、余熱回收的經濟價值

3.1每年節約的燃油費用

當某船舶取消使用柴油發電機，使用余熱汽輪發電機后，每年的燃油節約量即為被替代的發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;

g——為耗油率（g/kWh）。

以某船使用余熱驅動的汽輪發電機節油為例進行分析。設其功率為350kW，海上航行天數為280d，被替代柴油機的耗油率按180 g/kWh計算，則每年可節油約為423.4t 按柴油6000元/ t計，可節約燃油費用254.04萬元。

3.2經濟價值評估

對經濟價值進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，可用下式計算：

償還期=初次投資費用/（全年收益-全年花費）

償還期后產生的收益就可當做企業產生的利潤，在設計的工作年限內產生的利潤總額與營運年限的比值若大于企業投資的平均回報率，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≧企業投資的平均回報率，則值得投資。據調查，余熱利用的成本償還期一般在3年左右，年回報率達35%以上，節能投資是合理的。

總結：

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。

企業在船舶柴油機余熱方面進行投資的動力在于他們期望能夠獲得更多的經濟效益。面對環境條件不斷惡化、全球日益緊張的能源供應形勢，企業根據自身擁有船舶的實際情況選擇相應的余熱回收手段不僅會為本企業節省大量的燃油費用同時也為保護地球環境做出極大的貢獻。

參考文獻

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