船舶主机冷却水余热利用方法

船舶主机冷却水余热利用方法

史晓峰杨加

扬州中远海运重工有限公司江苏扬州225200

摘要：随着经济的不断发展，社会在不断的进步，随着船运业的发展，大量船只投入使用，柴油机作为船舶的主要动力输出装置，尾气排放不仅造成环境污染，而且还存在能源浪费现象。介绍船舶的余热构成，并从余热制淡、制冷、制热及发电四个方面介绍了船舶主机冷却水余热利用的方法。

关键词：冷却水余热；船舶；利用

引言

今天的航运业面临着应对能源和环境的双重严峻挑战。一方面，随着能源价格的上涨，船舶运营能耗成本不断上升；另一方面，经济发展中能源消耗带来的生态环境问题，受到了全人类的共同关注。节能技术作为控制船舶运输成本的最有效手段，其一直受到包括造船业和航运业在内的共同关注。船舶主机作为船舶运营中的耗能大户，要做好节能减排工作，必须从其入手，研究切实可行的节能减排措施。

1船舶主机余热利用技术研究

目前，船舶主机余热利用技术手段主要有动力涡轮、余热锅炉、蒸汽轮机及有机朗肯循环等余热回收技术。动力涡轮余热回收技术是利用涡轮从主机排气中直接旁通部分流量，推动涡轮转动产生轴功，带动发电机发电用以保证船舶电力供应或通过轴系传动装置与蒸汽轮机相连共同对外输出有用功。ABB公司在上世纪70年代末期就基于动力涡轮技术首先提出了大型船舶柴油机排气剩余能量回收技术，该技术可单独使用，也可以和汽轮机组成联合动力回收系统。据ABB公司介绍，单独使用动力涡轮最大可回收主机5%的功率，结合汽轮机使用，最大可回收近主机10%的功率，对于大型集装箱船舶，每年可节省5000t燃油。德国MAN公司作为最大的低速柴油机生产商，也开发出了蒸汽轮机-动力涡轮联合余热回收系统。余热锅炉回收技术是利用余热锅炉回收主机排气的热量，主机排气流经锅炉后将热水加热成过热蒸汽，一部分通入蒸汽轮机驱动发电机发电，一部分供给船舶其他装置蒸汽使用。Wartsila公司作为船舶动力装置的领军者，基于余热锅炉回收技术开发了一种带余热锅炉的热回收装置，该装置由余热锅炉、汽轮机、动力涡轮和给水预热系统等组成。2005年6月，Wartsila公司将该系统用于Sulzer12RT-flex96C柴油机上，可大约回收主机功率11%的能量，降低了NOX的排放，获得了良好的经济和社会效益。结合船舶主机的特点以及传统余热锅炉的设计方法，以哈尔滨工程大学船舶柴油机余热利用系统中应用的三压式超低温排烟余热锅炉为例，给出了一种新型船舶柴油机超低温排烟余热锅炉的设计方法，为相关行业提供了一定的参考价值。有机朗肯循环余热回收技术就是基于有机朗肯循环技术，利用余热系统中的蒸发器吸收柴油机运行时产生的烟气余热，将有机工质加热蒸发成饱和蒸汽或过热蒸汽进入透平膨胀做功带动发电机发电，透平排汽进入冷凝器冷却至液体，再次进入工质泵，如此往复完成整个循环，实现从热能到电能的转化，可为船舶提供用电需求。结合船舶柴油机排气余热特点，基于有机朗肯循环技术，设计了一种船舶柴油机余热回收系统，并对系统的关键部位进行了设计。

2船舶主机冷却水余热利用方法

2.1冷却水余热制淡

海水中的盐类主要有NaCl、MgCl2等，海水淡化就是除去这部分盐或杂质以满足人员饮用及生活用水的需要，目前采用最多的是蒸馏法制取淡水。蒸馏法制取淡水是将海水加热使其气化，利用盐不溶于低压蒸汽的原理，将海水中的盐分离，再将蒸汽冷凝成水，得到符合生活及饮用标准的淡水，由于海水中的盐含量很多，若蒸发温度很高，海水中的盐类会在蒸发表面结垢，导致传热热阻增大，降低换热效率，同时结垢后会腐蚀金属表面，因此在实际应用中多采用真空蒸馏法以降低海水的蒸发温度，此时便可应用船舶主机的冷却水作为海水制淡的热源。根据船舶水量需求情况，可选用单级蒸发和多级蒸发，研究表明，余热水温的升高会提高蒸发设备的效率及产水量，余热温度越高海水蒸发越容易，在海水量需求不大的情况下，可采用单级蒸发。为了实现更好的节能效益，研究人员设计了热梯级利用海水淡化系统方案，其原理是将海水先通过冷凝器，冷凝蒸发室内的水蒸气，再将海水通入预热器中，利用柴油机冷却水对其加热，再进入蒸发室内被喷洒在热管上形成水蒸气，水蒸气再进入冷凝器中冷凝成水，如此循环便制得了淡水，该方法可充分利用船舶余热。还有一种梯级利用发动机冷却水余热的海水制淡方案，该方案采用逆流式四效真空蒸发系统，采用发动机冷却水余热制得热水，该热水用于第一效蒸发器的热源，降温后的热水再次预热经由冷凝器预热后的海水，降温后再通过换热器吸收发动机冷却水的余热，形成热水循环。

2.2冷却水余热制冷

吸收式制冷是利用具有特殊性质的工质对，通过一种物质对另一种物质的吸收和释放，产生物态变化，物态变化的过程伴随着吸热和放热过程，以完成制冷循环。吸收式制冷的工质对常采用由两种不同沸点的物质组成的二元溶液，目前较为常用的工质对为氨-水和溴化锂-水溶液，其工作原理是利用热源加热发生器中的溶液，使溶液中低沸点的制冷剂蒸发，这部分制冷剂蒸汽进入冷凝器，被冷却介质冷凝成制冷剂液体，经节流作用进入到蒸发器中，制冷剂在蒸发器中吸收外部环境的热量变成制冷剂气体，以达到制冷的目的。通过对不同热源温度对吸收式制冷的性能影响分析可知，NH3•H2O吸收式制冷系统可很好地利用船舶冷却水的余热，在满足船舶制冷要求的情况下，有效减低油耗，降低运营成本。研究人员针对一货轮进行经济性分析，发现通过使用吸收式制冷循环系统可减少大量油耗，燃油费用每年可减少约7.8×104元，同时每年可减少约23286m3CO2排放，可见吸收式制冷循环系统的节能及经济效益非常可观。

2.3冷却水余热发电

有机朗肯循环系统是利用有机工质在透平中做功发电的闭式循环系统，该系统由工质泵、预热器、蒸发器、冷凝器及透平组成，液体有机工质在工质泵的作用下进入预热器，再经过蒸发器被加热蒸发形成饱和蒸汽或过热蒸汽，工质蒸汽再驱动透平机旋转做功，最后进入冷凝器中冷凝为液体有机工质完成整个热力循环。相比于蒸汽循环，由于有机物与水的差别，利用有机朗肯循环系统可以吸收多余的热量。由于有机朗肯循环在吸收低品位热源时的效率较低，若使用两套有机朗肯循环系统回收主机冷却水余热和废气余热会导致系统复杂，因此可采用用冷却水余热预热有机工质，用主机废气对有机工质加热蒸发的优化方案，优化后的系统最大输出功率仅比之前的系统减少了1.4%，但是优化后的系统装置简单，成本降低，维修更加方便。另外，值得注意的是，在发动机低功耗运转时，发动机冷却水作为预热热源，与发动机尾气相比，其提供了更多的热能。

结语

本文主要从船舶主机入手，探讨了船舶在设计和运营方面的相关节能措施，在主机设计选型阶段，虽然更多的应用新技术会提高初期投资成本，但是在船舶后续运行中，这将带来持续的运营成本节约。对于运营中的船舶，主机降功率运行是有效的节能措施，尤其针对此时低迷的航运市场，有效的降低成本才能整体的提高船舶运营的经济性。在船舶余热利用方面，现在余热回收系统的研究和设计还有很大的空间，随着全球环境和能源进一步受到人们的重视，今后的船舶节能技术也必将持续的受到关注。相信随着船舶各类节能技术的综合应用，未来的船舶运营也将更节能、更环保。

参考文献：

[1]李伟楠，郑卫刚.浅谈船舶柴油机节能减排技术［J］.变频器世界，2016(7)：53-54.

[2]张李伟，钱疆伟，陆明秋，等.船舶节能途径及发展趋势综述［J］.船舶，2015，26(5)：30-39.