【正文】 ，這不僅提高了航運的成本，還對環(huán)境造成了很嚴重的影響。船舶是航運中的耗能大戶，現(xiàn)在主要是運用廢氣渦輪增壓器來講廢氣能量轉變成空氣壓力，這樣能夠使柴油機的功率和效率得到大幅度提高，同時還能將廢氣鍋爐產(chǎn)生的飽和水蒸氣用來作為滿足航運過程中的生活用水，還能夠對油艙進行保溫，但是卻忽略了柴油機缸套水水中也有大量的熱能未能被利用。這樣不合理地利用廢熱很大程度上造成了能源的浪費?，F(xiàn)在船舶發(fā)展的趨勢為大型化、高速化，柴油機的額定功率最大的已超過37285 kW，柴油機缸套水的出口溫度也從20世紀60年代的60~65℃升高到現(xiàn)在的80~85℃，有些高速機更是高達90℃以上。冷卻水出口溫度的升高大大提高冷卻水熱能的品質(zhì)，也為冷卻水余熱的利用創(chuàng)造了更好的條件。因此將柴油機余熱進行回收利用，無論在經(jīng)濟上還是環(huán)保上都具有重大價值[1]?，F(xiàn)在，所有熱機中效率最高的是最先進的船用二沖程柴油機主機，其熱效率已經(jīng)接近50%，但是還是浪費了大部分能源，這部分能源所產(chǎn)生的熱能，隨著廢氣和冷卻水排放到環(huán)境中去了，造成了很大的浪費。采取何種方式才能在發(fā)電和輔助設備熱源提供蒸汽過程中利用好船舶柴油機廢氣和冷卻水，在資源日益緊張、船運成本不斷提高的今天，是船舶制造商、運營商商和海事組織等都十分關心的問題。船舶柴油機有效熱效率低于50%，剩余熱量均通過缸套水、煙氣等帶走。如何回收利用這部分被帶走的熱量已成為研究的熱點。而船舶柴油機的工況非常復雜（含啟動、怠速、部分負荷和全負荷等工況），導致缸套水攜帶的熱量時大時小。如果回收缸套水廢熱的工質(zhì)參數(shù)不隨船舶柴油機工況變化而變化，缸套水溫度就會偏離最佳工作溫度范圍，對整機性能非常不利。因此，本項目旨在以缸套水廢熱回收裝置為研究對象，基于工程熱力學和傳熱學等原理深入研究船舶柴油機工況、缸套水熱力循環(huán)和工質(zhì)熱力循環(huán)，建立起工質(zhì)參數(shù)（流量、溫度等）與缸套水參數(shù)（流量、溫度等）之間的關系；而后，基于現(xiàn)代控制技術設計一控制系統(tǒng)，使得工質(zhì)參數(shù)能自主適應船舶主機工況的變化，在沒有影響主機性能的條件下獲得回收熱量最大。 項目的應用價值和現(xiàn)實意義根據(jù)卡諾循環(huán)可知，船舶柴油機有效熱效率低于50%，其余作為廢熱主要通過兩種方式散發(fā)到大氣中，一是高溫廢氣，溫度大約為500～600℃，由于廢氣密度小，要回收其熱量換熱設備空間大，在有限船體上難以實施；二是缸套冷卻水，溫度大約85～95℃和潤滑油的冷卻水，溫度大約為50～60℃，可直接用來進行熱交換，為船員和游客提供熱水。本項目開發(fā)的控制系統(tǒng)應用于缸套水的廢熱回收裝置中，使得廢熱回收裝置能自適應船舶柴油機的工況變化，在不影響其性能的情況下，提高熱效率15%以上。因此，本課題對促進船舶柴油機熱效率的提高具有應用價值和現(xiàn)實意義。世界各國把能源綜合利用擺到十分重要的位置，我國還頒布了新《節(jié)約能源法》和《節(jié)約能源管理暫行條例》，使節(jié)約資源成為我國的基本國策，節(jié)能減排工作大范圍展開。因此，柴油機作為國民經(jīng)濟生產(chǎn)活動中重要的動力裝備，節(jié)能極為重要，是關系到國民經(jīng)濟發(fā)展的問題，余熱回收利用技術的重要性倍受關注。能源綜合利用與智能控制是實踐國家節(jié)約能源政策的重要舉措，目前市場需求尚處于起步階段，相關產(chǎn)品和技術都主要以國外引進為主。余熱回收技術與智能控制技術的集成化正在日益發(fā)展，也是當前國內(nèi)外學者研究的熱點問題，因此對余熱回收技術的研究有很著重大意義。寧波大學的吳伯才通過分析船舶余熱的成分，闡述了船舶節(jié)能的重要性和經(jīng)濟價值，提出了合理利用余熱的途徑。他在分析的同時指出余熱的利用不僅要看余熱利用的多少，而且要根據(jù)余熱的品質(zhì)好壞，提升余熱利用的經(jīng)濟型。余熱的品質(zhì)在溫度升高的同時也會大大提高，其品質(zhì)越好，利用的價值也就越高。企業(yè)期待帶來的收益是否超過投資是刺激企業(yè)在船舶柴油機余熱方面進行投資的主要原因。上海滬東重機有限公司的吳安明和周偉中，研發(fā)了一套用于柴油機余熱利用的新型系統(tǒng)，在計算分析之后對系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟性進行了改進，%的余熱利用系統(tǒng)熱效率，%的電能，這些增加的成本可以在三年內(nèi)回收。第一臺帶廢熱回收系統(tǒng)的7RTA84TD柴油機于2008年12月8日在大連船用柴油機有限公司生產(chǎn)成功，這臺機器安裝在由渤船重工為新加坡環(huán)球航運公司建造的犯萬噸VLCC上，單機功率則高達29400kW。該系統(tǒng)包括低壓蒸發(fā)器、高壓蒸發(fā)器和高壓過熱器三部分，采用雙壓余熱鍋爐，在Wartsila余熱回收技術基礎上取消了Wartsila方案中的動力渦輪，利用廢氣余熱鍋爐蒸汽發(fā)電或供船舶使用[2]。到目前，二艘32萬噸VLCC已經(jīng)由該廠安裝上了余熱利用系統(tǒng)，該系統(tǒng)在負荷大于55%時，可以產(chǎn)生1 100 kW電量。20世紀90年代初，可以滿足辦公樓、餐廳、酒樓、超級市場等中央空調(diào)的需求的制冷機組的工程在廣東最早開展，該工程為陸用柴油機余熱發(fā)電綜合改造工程，該工程完成后，余熱發(fā)電功率約為柴油發(fā)電機組功率的4%左右，采用嗅化鏗吸收式制冷方式，可滿足實現(xiàn)了利用柴油機余熱進行發(fā)電、供熱、制冷的三聯(lián)供[3]。Siemens公司在推進裝置的基礎上開發(fā)了一種帶有余熱回收的裝置。這種裝置可以將船舶主機的余熱能量回收，并將回收的能量輸送到船舶能量網(wǎng)絡中去，該裝置可以大幅度提高能源利用率，提高船舶運輸?shù)哪芰?，有很高的?jīng)濟效益，并且可以大幅度提高船舶系統(tǒng)的推進和電力性能，有12%的主機功率可以通過該裝置得以回收，而且延長了船舶主機和發(fā)電機的維護周期，節(jié)約了人力資源。柴油機排氣余熱全套發(fā)電設備在20世紀80年代初在科隆研制成功，包括大型柴油機、廢氣鍋爐、蒸汽渦輪等，研發(fā)一開始的目標為通過發(fā)電的方式回收利用柴油機余熱，減少燃油的消耗，這套設備在柏林大學船舶這套設備由柏林大學船舶柴油機動力裝置研究所和西德KHD動力設備公司合作研發(fā)出來，這套裝置可回收利用柴油機余熱發(fā)電，減少燃油消耗，這是對柴油機動力裝置總能利用進行的嘗試[4]。ABBA公司和Wartsila公司在多年之間通過不同的方式來回收排氣中的熱能，如用過安裝大量的動力渦輪在發(fā)動機上來回收多沖程柴油機剩余的能量，可以回收百分之十的主機功率，每年可以節(jié)約8000t的燃油，對于大型的集裝箱船。Wartsila公司則通過裝置優(yōu)化布置，可回收利用11%的柴油機功率，減少有害氣體的排放，主要優(yōu)化了渦輪和鍋爐的布置方案。MAN公司圍繞船舶主機開發(fā)出新型的余熱回收系統(tǒng)，能夠大大提高主機排溫溫度，該系統(tǒng)主要根據(jù)汽輪機和余熱鍋爐使用過程中的蒸汽壓力情況分為單壓TES系統(tǒng)和雙壓TES系統(tǒng)[5]。本章主要介紹了船舶柴油機在能源利用方面的不足，能源利用率低。在能源逐漸匱乏的今天，國內(nèi)外的目光也已經(jīng)投向了這一領域，表明缸套水余熱回收對提高船舶柴油機能源利用率的重要性。第2章 系統(tǒng)總體方案設計船舶柴油機缸套水余熱回收裝置設計目的為在船舶柴油機原有的缸套水循環(huán)系統(tǒng)基礎上，將空冷和水冷部分換為余熱回收裝置，實現(xiàn)余熱回收。船舶柴油機本身擁有一套缸套水循環(huán)系統(tǒng)，但是這套循環(huán)系統(tǒng)將缸套水引流到空冷池或水冷池，進行冷卻，這部分引流出來的冷卻水將會由冷卻達到適宜溫度的冷卻水進行補償。這套水循環(huán)系統(tǒng)不僅占用很大的空間，而且不能回收缸套水中的熱量，大量的熱量散發(fā)到空氣中，造成了非常嚴重的浪費。船舶柴油機缸套水余熱回收裝置取代空冷（水冷）池，將大大節(jié)約系統(tǒng)所使用的空間，而且可以將缸套水中的熱量進行回收利用，大大提高了船舶柴油機的能源利用效率。在實驗室中，我們用掛壁式燃氣爐加熱產(chǎn)生的熱水來模擬船舶柴油機中的缸套水，用水泵驅動熱水進行循環(huán)。水泵帶動掛壁式燃氣爐排出的熱水通過換熱器將熱水放出的熱量對自來水進行預加熱，換熱后的熱水又回到燃氣爐中，形成一個循環(huán)系統(tǒng)，以達到模擬雙燃料發(fā)動機缸套水余熱回收的目的。 系統(tǒng)結構設計船舶柴油機缸套水余熱回收裝置目的在于將船舶柴油機缸套水中的熱量進行回收，因此，在本裝置中，需要由換熱器將船舶柴油機缸套水與冷卻液體進行熱量的交換，這是整個裝置的核心。在設計本裝置時，我們使用掛壁式煤氣爐產(chǎn)生的熱水來模擬船舶柴油機產(chǎn)生的缸套水。船舶柴油機缸套水余熱回收裝置在實現(xiàn)余熱回收的同時，還能利用比例調(diào)節(jié)閥對換熱介質(zhì)的流量進行控制，將回流到船舶柴油機缸套中的冷卻水保持在船舶柴油機所需要的最佳冷卻溫度，保證船舶柴油機的最佳工作狀態(tài)。本系統(tǒng)可以分為三個子系統(tǒng)，分別為：模擬余熱源系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。 整體系統(tǒng)分別由以下部件組成：， ， ，，6. 溫度傳感器C4，，，，，。下面是整個系統(tǒng)的工作原理圖：圖21 系統(tǒng)工作原理圖 模擬余熱源系統(tǒng) 船舶柴油機在運行過程中會使船舶柴油機缸套水溫度升高，船舶柴油機本身的缸套水循環(huán)系統(tǒng)可以將缸套水引流至空冷池或水冷池進行冷卻，再將冷卻到適宜溫度的水循環(huán)進入船舶柴油機缸套中，達到控制船舶柴油機缸套水溫度的目的。本裝置中需要模擬柴油機缸套水的循環(huán)過程，因此需要有加熱熱水的裝置對水進行加熱來模擬船舶柴油機缸套水，在這里，我們選用掛壁式燃氣爐對水加熱來模擬高溫狀態(tài)下的缸套水。本子系統(tǒng)的工作過程是：掛壁式燃氣爐對水進行加熱，通過水泵對加熱后的水進行運送，水經(jīng)換熱器換熱、然后經(jīng)過儲液罐，換熱后的水最后又回到燃氣爐里，形成一個熱水的循環(huán)系統(tǒng)。在這里掛壁式煤氣爐的作用是模擬雙燃料發(fā)動機，燃氣爐加熱的水即是模擬發(fā)動機的缸套水。我們選用林內(nèi)牌的掛壁式燃氣爐，相關參數(shù)可以通過燃氣爐的說明書獲取。在這里溫度傳感器3的溫度即為煤氣爐1出水口溫度，流量傳感器2測量的流量即為整個泵循環(huán)水系統(tǒng)的流量，溫度傳感器4測量的溫度是熱水經(jīng)過換熱器7換熱后的出口溫度（雙燃料發(fā)動機的出口溫度大致為95℃左右，最佳缸套水的進口溫度為75℃左右，由于本系統(tǒng)的最高溫度達不到上述要求的溫度，所以我們將對進出口的溫差進行模擬只要將換熱器進出口的溫度控制在20℃左右即可，即按比例模擬缸套水放出的熱量。）儲液罐12的作用是儲存從換熱器出來的熱水，并為掛壁式煤氣爐提供熱水，它的容量V要滿足模擬余熱源系統(tǒng)整個管路水的容量要求，手動閥13的作用是模擬雙燃料發(fā)動機的不同工況（怠速、減速、加速）。水泵14是帶動整個泵循環(huán)系統(tǒng)的原動件，它的選用要根據(jù)模擬余熱源系統(tǒng)的管路直徑D，以及管路中水的流速v來決定，D和v這兩個參數(shù)值都由我們根據(jù)經(jīng)驗自己選擇，我們可以根據(jù)D和v的值求出管路的流量Q，從而根據(jù)Q的值來選擇泵的揚程，最終選擇合適的泵的型號。壓力傳感器15是為了測量管路水壓。 余熱回收系統(tǒng)船舶柴油機缸套水余熱回收裝置最主要的目的就是將缸套水中的熱量進行回收，因此余熱回收系統(tǒng)是本裝置的核心系統(tǒng)，其承載著整個裝置的熱量交換，將船舶柴油機缸套水中的熱量與冷卻介質(zhì)進行能量的交換。本系統(tǒng)的工作過程是：自來水龍頭放出常溫的自來水，常溫自來水在換熱器中吸收熱水放出的熱量，使水溫升高，最后排放到環(huán)境中去。本系統(tǒng)是為了模擬液態(tài)天然氣的受熱氣化而設計的系統(tǒng)。在實際情況中，雙燃料發(fā)動機所使用的主要燃料是LNG，既常壓液態(tài)天然氣，其存儲溫度為162℃。由于液態(tài)天然氣儲罐價格昂貴，暫時只能以水來模擬液態(tài)天然的流動，此余熱回收系統(tǒng)存在可擴展性，今后可以將此系統(tǒng)進行改造，將水換成液態(tài)的天然氣，從而達到真實的模擬效果。換熱器的種類繁多，其中包括管式換熱器、板式換熱器、螺旋板式換熱器、空氣換熱器、容積式換熱器、管板式換熱器等。由于此系統(tǒng)占用空間小，選用水為熱介質(zhì)，且熱介質(zhì)的溫度相對來說較低，優(yōu)先選用板式換熱器作為此系統(tǒng)的換熱元件。板式換熱器的特點：（1）總傳熱系數(shù)高板式換熱器板與板之間的流通路徑是截面不斷變化的，且流通路徑曲折。這種流道可以使流通介質(zhì)更容易的變成湍流，因此這種流道減小了液膜的熱阻；，這樣可以使壁面的熱阻減小，不會產(chǎn)生像管殼式換熱器那樣的旁路流。因此，板式換熱器的傳熱系數(shù)很大，約為管殼式換熱器的35倍左右。（2）占地面積小在同一工作狀況下，管殼式換熱器的占地面大約是板式換熱器的使用面積的5倍，是因為板式換熱器換熱時的總傳熱系數(shù)高，板式換熱器不需額外的檢修場地。（3）在板式換熱器當中，如果放置了中間的隔板，就能夠同時完成多種換熱介質(zhì)的熱交換，