船用柴油机及轮机系统的节能措施研究

伍赛特

上海汽车集团股份有限公司

关键字：船舶；柴油机；轮机系统；节能

0 引言

自1973年第一次石油危机以来，人们一直在追求提高发动机的效率。目前，船舶主机的效率已达到50%以上。然而，轮机是一个综合系统，对船东来说，首要的目标还是降低船舶总的燃油消耗，进而减少船舶CO2的排放[1]。能量的综合利用和系统节能就是在这一背景下发展起来的。从能量的综合利用的观点出发，人们不仅追求提高主机的效率，更重要的是提高全船效率，即提高柴油机动力装置能量系统的经济性，始终是船舶柴油机动力装置研究的一个重大课题[2][3]。

1 船用柴油机节能措施研究

近年来，受能源危机的影响，提高船舶柴油机的动力性和经济性始终是柴油机发展的一个重要方向。为提高柴油机的动力性和经济性，一方面需降低燃料费用，燃用劣质燃料。另一方面则采用各类节能措施努力提高柴油机自身的经济性。

1.1 采用长行程和超长行程技术

船舶柴油机采用长行程技术最突出的优点就是可以降低螺旋桨的转速，提高螺旋桨的推进效率，从而提高推进装置的总体效率。

此外，采用长行程技术能提高柴油机自身热效率，主要原因有以下四个方面。

（1）柴油机理论循环的热效率的提高。行程缸径比（S/D）值的增大，有利于提高压缩比，且可在较高的压力下实现近似等压燃烧[4]。

（2）可改善燃烧过程。压缩比的提高可提高柴油机的压缩终点温度和压力，从而提高工作循环的最高温度和压力，若不改变活塞行程而提高压缩比，则会造成燃烧室高度降低，不利于油气的混合和燃烧过程的进行。S/D值的增大使柴油机在提高压缩比的同时提高了燃烧室的高度，以有利于气流的组织和可燃混合气的形成，从而改善燃烧过程，进而提高柴油机的热效率。

（3）膨胀功增加。柴油机S/D值增大后，活塞行程加长，可使柴油机缸内气体的膨胀更加充分，减少了膨胀功损失。

（4）提高换气质量。由于柴油机S/D值的增大，柴油机转速降低，一方面对于相同换气持续角，时间相对延长；另一方面使膨胀更加充分，换气过程更加完善。

目前，低速柴油机的S/D值已由20世纪80年代初的2．0左右增长到4．0以上，例如MAN B&W公司的ME-B系列柴油机的S/D值已达4．4。30年来，在气缸直径不变的情况下，活塞行程增加了一倍以上。此外，加长活塞行程能提高柴油机的单缸功率，在船舶推进功率基本不变的情况下，可减少相应主机的气缸数，缩短机舱长度，增加货舱容积。

1.2 应用增压技术

增压技术在柴油机中的应用对于柴油机发展具有里程碑意义。由于在增压器中利用了柴油机排气中的能量，在提高柴油机功率的同时也提高了柴油机的效率。

柴油机增压技术的发展主要是提高增压器的效率，而增压器效率的提高与增压器的设计制造密切相关。在增压器中主要有压气机侧的工作叶轮和叶片扩压器、涡轮机侧的喷嘴环和工作叶轮两组叶片，气流在叶片中流动时，由于转子的转速、气流流速、流量、透平前压力的不同，所形成的气流流动情况不同，对叶片的冲击角也不相同，造成气流和叶片间的撞击、摩擦损失，致使增压器效率较低。

随着计算机技术的发展，可利用计算流体力学（CFD）的方法优化气流的流动，采用有限元方法（FEM）分析叶片的工作状况，并将此技术用于增压器叶片的设计，以大大降低气流和叶片间的摩擦撞击损失。同时，加宽透平叶片使燃气的膨胀更加充分，且可根据柴油机的不同工况改变喷嘴环的角度，形成为变喷嘴环的增压器，从而使增压器的效率大大提高。

据统计，如果增压器效率达到64%，基本上可以满足柴油机换气和燃烧的需要。目前，由于增压器效率的提高，它提供的能量不仅可满足柴油机换气和燃烧的需要，而且尚有剩余，可利用动力涡轮进行发电或将产生的机械能送至曲轴，提高柴油机的综合效率。

1.3 改进燃油喷射和燃烧及应用电子设备

为了改善燃烧，需重点提高燃油喷射压力，以此延迟喷射时间，改善燃油雾化质量，提高喷射和燃烧速度，实现近似等压燃烧，提高柴油机的热效率和改善环境经济性。

为了更好地控制柴油机的喷射和燃烧过程，目前已将电子设备及软件成功地应用于船舶柴油机，成为船舶柴油机的基本组成部分。

1.4 降低摩擦损失提高机械效率

柴油机的摩擦损失约占机械损失的40%，因而降低摩擦损失是提高效率的主要途径。降低摩擦损失的措施有以下几点：

（1）减少活塞环数量；

（2）改善活塞环的工作条件，如提高活塞的顶岸高度及低速柴油机增设活塞清洁环，中速柴油机应在气缸套上增设抗磨环，活塞环外表面喷镀陶瓷等；

（3）保证气缸润滑，如采用先进的电子控制注油系统，多层注油及对缸套进行深度研磨，保证气缸壁的油膜等。

2 以柴油机为核心的轮机系统节能措施研究

轮机总能系统包括船舶主动力装置（柴油机）、船舶发电机组、锅炉等各个系统，轮机系统节能即是综合分析系统内部动力、供热、供电、加热、冷却各方面的相互关联和作用，从充分利用燃料热量、获得最大效益的观点对系统进行全面优化。

船舶轮机系统中的主要设备是船舶主柴油机，其主要功能是为船舶提供推进动力。目前，船舶柴油机自身的热效率最高可达55%，已达到这类热机的极限，其余的45%无法转变成有用功，仅是以热能的形式存在。其他的很多设备和系统是为船舶主机服务的，如燃油加热和柴油机的冷却等。轮机系统节能需要综合考虑整个船舶的动力提供、供电、供热、冷却等问题。

2.1 合理选择柴油机工况点

目前，世界上几个主要的船舶柴油机生产厂家所提供的柴油机都有一个选型区域，对于确定的船舶，可选用不同的主机。

尽管主机选型需要考虑推进功率、螺旋桨效率、所需推进功率及船舶营运方式等因素，但从节能角度看，工况点的不同，主机的燃油消耗率也存在不同。为此需合理选择工况点，使柴油机尽量在低油耗的工况区内运作。

2.2 采用轴带发电机

采用轴带发电机是对船舶动力供给的优化措施。所谓轴带发电机，即是在主柴油机正常运转期间，通过专设的恒速传动装置驱动发电机发出满足船舶航行所需要的电力。采用主机轴带发电机有以下几方面技术优势[5]。

（1）降低主机燃油消耗，提高综合经济性；

（2）有利于能量综合利用；

（3）减少润滑油消耗及副机维护保养费用；

（4）减轻机舱噪声，改善工作条件。

2.3 柴油机废热利用

2.3.1柴油机动力系统可利用的能量

柴油机动力系统的废热主要由如下几部分组成：

（1）柴油机排气中所带有的热量；

（2）柴油机冷却水中所带走的热量；

（3）增压空气的热量；

（4）其他形式的废热，如润滑油带走的热量和一些辐射散热[6]。

柴油机动力系统的各种废热的温度不同，可利用的价值也不相同。在船舶上，有供暖、制淡、加热各方面的需要，为各种不同形式能量的利用提供了用武之地，轮机系统能量的综合利用即是要充分利用各种不同形式的能量，以达到提高能量综合利用效率的目的。

2.3.2废气热量的利用

柴油机的废气是最具有利用价值的能量。目前通常采用的方法是部分用于驱动动力涡轮，用于带动发电机或将这部分机械功回输到柴油机曲轴；并可用于加热废气锅炉，使之产生蒸汽用于各处加热。

为此，应对废气中的热量进行重新配置，使其从大量低温变成少量高温，以提高废气的利用效果，该系统被称为热效率系统（TES）[7]。

热效率系统的运作时间很大程度上取决于主机的尺寸和船舶运营方式。如在热带环境下运行的时候，热效率系统的发电量高于在冬季环境中的运行，则输出功率更高。且热效率系统装置越庞大，其单位装机输出功率需要的投资花费则相对越少。

2.3.3冷却水热量的利用

高温淡水系统释放的热能可以用于燃油的加热，而低温淡水则可以用于制取淡水和进行舱室供暖。由于系统设计和投资费用的影响，这部分能量的利用仍有待进一步开发研究。

2.3.4增压空气中热量的利用

增压空气中的热量也较高，已超过了废气的允许最低温度。目前，如何充分利用这部分能量仍在研究之中，其主要原因是这部分热源的热量不稳定。

（1）压气机的出口温度与进口温度直接相关，环境状态的变化会引起压气机出口温度较大的变化；（2）增压空气的出口温度和负荷有较大的关系。增压压力随负荷的平方而变化，柴油机在部分负荷工况工作时，增压空气的出口温度较低，而在低负荷工作时，甚至可能需要对增压空气进行加热。

此外，润滑油带走的热量和一些辐射散热的利用价值较低，但仍有一定的利用余地。

从柴油机为核心的轮机系统所采用的诸多设计层面上的节能措施是通过技术管理实现的。其中包括运转工况点和经济航速的选定、系统及设备的维护和保养、油料的净化和管理等方面。

3 结论及展望

就目前形势看，柴油机仍将会长期作为主流民用船舶动力装置并得以持续应用，其他类型的热力发动机尚无法取代其统治性地位。因此，在该背景下对以柴油机为核心的轮机系统开展节能研究必然有着深远意义。