柴油机船舶余热动力回收总能系统分析

李章德　蒋祖星　孙自力

摘要：文章从能量品质概念的阐述入手，详细地进行了柴油机船舶动力装置余热动力回收系统分析，对提高余热动力回收具有一定的现实意义。

关键词：柴油机船舶 余热 分析

1 能量品质的概念

能是物质动力的一种量度。物质运动有各种不同形式，与此相对应，能也有各种形态，如机械能、电能、化学能、热能等。物质的各种运动形态可以相互转换，能量的转换反映了运动由一种形式转变为另一种形式的能力。热力学第一定律确立了能量转换量的数量关系，热力学第二定律则说明了能量转换过程具有方向性或不可逆性，即并非任意形式的能量都能无条件地转换成任意一种其他形式能量，亦即数量相同而形式不同的能量之间的转换能力可能是不同的，而且它们在技术上的有用程度也是不同的。

各种不同形式的能量转换为机械功的能力不同。从能量转换角度，能量可分为三大类：

第一类是不受限制可以互相转换的能量。即可以完全转变为机械功的能量，如电能、水能、风能等。这类高品位的能量全部是可用能（即）。从本质上说，这类能量是完全有序运动的能量，即有序能，所以可无限制地相互转换。

第二类是受限制转换的能量。即只可部分转换为机械功，其余的不能转变，如热能、化学能、物质的热力学能等。由于这类能量从本质上说只有部分能量是有序的，因而只有能够转换为机械功的那部分才是可用能，（即），其余不能转变为功的部分，虽然有一定的“量”，但其“质”却为零，称这部分能量为“”或无效能，能量中包含能量能够转换为有用功的那部分越多，则此能量的品质越高，反之，则能量品质越低。

第三类是受自然环境所限不能转变为有用机械功的能量。如周围自然大气、江河海水等的热力学能。尽管大气和海水中的热量具有相当数量，但技术上无法将它们变成有用机械功，所以它们是有数量而无质量的能量。

是表征能量转变为机械功的能力和技术上的有用程度的参数，因而可用来评价能量的质量或级位。数量相同而形式不同的能量，大的能量称之为品位高或能质高，少的能量称之为能量的品位低或能质低。因此，机械能、电能的品位和能质较热能高，称为高品位能量或高质能量。温度高的热量比温度低的热量具有较高的品质或能质。根据热力学第二定律，高品位能是能够自发转变为低品位能量的，而低品位能量不可能自发地转变为高品位能量。能质降低意味着的减少。当孤立系统内实施的过程为不可逆过程时，一定产生功的耗散，也就是系统的值中有一部分退化为，所以引用概念可以从能质或品位上来评价某一能量系统的转换过程。

2 柴油机船舶动力装置余热动力回收系统分析

图2-1为柴油机动力装置余热动力回收热力系统简图。下面对图中热力系统组成部分中的余热锅炉、汽轮机、冷凝器、给水泵及蒸汽管道分别进行平衡计算，并求出它们各部分的损失和效率。

通常，余热锅炉即产生过热蒸汽，又产生饱和蒸汽。饱和蒸汽量msat可根据全船供热与杂用耗汽设备所需蒸汽量算出。这时，进入余热锅炉的给水量等于过热蒸汽msu/及饱和蒸汽量msat之和。过热蒸汽量可根据锅炉热平衡关系按下式（2-2）求得。

余热锅炉系统损失的计算可有两种方法。一是分别取锅炉系统中的过热器、蒸发器、经济器、汽水分离筒及预热器等部件作为单独的热力系统单元，利用平衡求出这些部件的损失，相加后即得整个余热锅炉系统的损失。另一是取整个余热锅炉系统作为一个热力系统，利用平衡议程求得余热锅炉系统的损失。两种方法的余热锅炉系统损失是相同的，不过第一种方法可以知道各部件的损失，这样有利于了解余热锅炉系统中哪个部件损失最大。

根据以上计算出的各部分损失，以柴油机排气实现部分回收放循环所能做出的最大有用功为100%而绘制出分布图（或称流图）。

图2-5示出的为对某型号柴油机余热回收发电系统用1kg/s废气流量算出的流图。图上是以废气的最大有用功作为100%，其他部分的损失是相对的百分率，没有包括余热锅炉的排烟损失。如果将锅炉排烟损失作为锅炉损失的一部分，即作为余热锅炉的外部损失，则应以锅炉入口作为100%来绘制流图。图2-5所用的计算参数为：余热锅炉进口烟气温度为t1=340℃，出口温度t2=187℃，环境温度t0=20℃，过热蒸汽压力（绝对压力）；过热蒸汽温度，冷凝压力（绝对）；汽轮机相对内部效率为0.7，锅炉只产生供汽轮机工作的过热蒸汽，不考虑管路损失、散热损失及给水泵不可逆压缩损失，并忽略给水在给水泵中的增。计算结果如表2-1所示。

3 结束语

通过上述柴油机船舶动力装置余热回收系统分析可见，余热锅炉的损失最大（尚未包括锅炉排烟损失），汽轮机次之，冷凝器的损失最小。因此，为使余热更多地转换为机械功，必须首先设法减少余热锅炉和汽轮机的损失。冷凝器虽然热量损失很可观，但冷却水温度低，带走的值不大，利用价值小。另外，降低余热锅炉排烟温度，即降低锅炉出口烟气温度，会导致废气最大回收功的增加，减少锅炉外部损失，但在决定锅炉排烟温度时必须全面考虑经济上和技术上的可行性。

参考文献（略）