呂 沁，李德堂，李達(dá)特，唐文濤，曹偉男

(浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山 316000)

海洋平臺(tái)柴油機(jī)節(jié)能新型設(shè)計(jì)

呂 沁，李德堂，李達(dá)特，唐文濤，曹偉男

(浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山 316000)

為了解決海洋平臺(tái)柴油機(jī)能量浪費(fèi)嚴(yán)重的問(wèn)題，達(dá)到節(jié)能減排的目的，開(kāi)發(fā)了一種海洋平臺(tái)柴油機(jī)缸套水余熱利用節(jié)能技術(shù)和一種新型的海洋平臺(tái)柴油機(jī)尾氣保溫?zé)岬夹g(shù)。通過(guò)這兩種新技術(shù)，可以最大化地利用海洋平臺(tái)柴油機(jī)的余熱，并且在一定程度上減少尾氣排放，在節(jié)能的同時(shí)也保護(hù)了環(huán)境。能源問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)今經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的一個(gè)頭等重要問(wèn)題，而21世紀(jì)也是海洋的時(shí)代，因此，海洋平臺(tái)柴油機(jī)節(jié)能技術(shù)的開(kāi)發(fā)具有一定的時(shí)代意義和現(xiàn)實(shí)意義。

海洋平臺(tái)； 柴油機(jī)； 余熱； 缸套水; 尾氣

0 引 言

能源問(wèn)題已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展中一個(gè)頭等重要問(wèn)題。隨著陸地能源的不斷消耗，人類(lèi)越來(lái)越迫切地將視線投向海洋，海洋各類(lèi)平臺(tái)成為了研究的新熱點(diǎn)。然而海洋平臺(tái)既是獲取能源的工具，同時(shí)也大量消耗能源，其中平臺(tái)柴油機(jī)是消耗能源的重要組成部分。目前，最先進(jìn)的二沖程柴油機(jī)主機(jī)熱效率已接近50%，是所有熱機(jī)中效率最高的，但仍有一半以上的燃料能量沒(méi)有被利用，隨廢氣和冷卻水排入環(huán)境，既造成了污染，又浪費(fèi)了大量的資源[1]。

海洋平臺(tái)柴油機(jī)的主要作用是發(fā)電。它是海洋平臺(tái)的心臟，能否正常工作直接影響到平臺(tái)的正常工作。海洋平臺(tái)柴油機(jī)在正常運(yùn)行中會(huì)消耗大量的能源，并且產(chǎn)生巨大的余熱。柴油機(jī)的余熱主要由下面的幾部分組成：第一部分為柴油機(jī)排氣中所帶有的熱量，大約占總的廢熱的一半，同時(shí)占燃油燃燒釋放總能量的25%；第二部分為柴油機(jī)缸套水的熱量，這部分的余熱也是非?？捎^的，它的熱量可以輕松將常溫淡水加熱到90～95 ℃；第三部分熱量為增壓空氣的熱量，現(xiàn)在增壓器壓比已達(dá)到3.5以上，壓氣機(jī)出口處的溫度可達(dá)180～220 ℃，而為了增加進(jìn)氣空氣的密度和降低柴油機(jī)工作循環(huán)的平均溫度，必須對(duì)增壓空氣進(jìn)行冷卻；第四部分熱量為其他的廢熱，主要包括潤(rùn)滑油帶走的熱量和一些輻射散熱[2]。

在柴油機(jī)系統(tǒng)的余熱中，各種余熱的溫度不同，可利用的價(jià)值也不同。柴油機(jī)的廢氣中帶有的熱量多，品質(zhì)好，是最有利用價(jià)值的能量?，F(xiàn)代海洋平臺(tái)柴油機(jī)的排氣溫度由于燃燒效率的提高而有所降低，已不再像以前那樣受到重視，但如何合理利用這部分余熱，并且使其利用率最大化，仍然具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。柴油機(jī)的余熱中另外一種具有較大利用價(jià)值的是柴油機(jī)缸套水余熱。缸套水余熱所含能量同樣巨大，并且比較容易利用，加熱淡水效果明顯，因此，合理利用這部分能量將獲得不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益，同樣具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。為此，開(kāi)發(fā)了海洋平臺(tái)柴油機(jī)缸套水余熱利用節(jié)能技術(shù)和尾氣保溫?zé)岬夹g(shù)，從設(shè)計(jì)上入手，達(dá)到節(jié)能、環(huán)保的目的。

1 柴油機(jī)節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外海洋平臺(tái)柴油機(jī)結(jié)構(gòu)與船用、陸用電力柴油機(jī)結(jié)構(gòu)相似，用于這幾種結(jié)構(gòu)的余熱節(jié)能裝置可以相互推廣。柴油機(jī)余熱利用裝置在海洋平臺(tái)這一領(lǐng)域的使用尚屬空白，因此首先著重介紹各種先進(jìn)的船用、陸用電力柴油機(jī)節(jié)能技術(shù)研究現(xiàn)狀。

1.1 國(guó)外柴油機(jī)節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外研究柴油機(jī)節(jié)能最早的公司首推ABB公司。20世紀(jì)70年代末，ABB公司首先提出了大型船舶柴油機(jī)排氣能量回收技術(shù)，并于1985～1994年間在發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝了超過(guò)130臺(tái)動(dòng)力渦輪以回收船用二沖程和四沖程柴油機(jī)排氣中剩余的能量。 ABB公司2005年開(kāi)發(fā)出新一代PTL3200系列動(dòng)力渦輪，其帶動(dòng)發(fā)電機(jī)可以輸出1 500～3 200 kW電能。該動(dòng)力渦輪可以單獨(dú)使用，也可以和汽輪機(jī)組成聯(lián)合動(dòng)力回收系統(tǒng)。據(jù)ABB報(bào)道，單獨(dú)使用動(dòng)力渦輪，最大可回收主機(jī)功率5%，而結(jié)合汽輪機(jī)，采用聯(lián)合方式，最大可回收主機(jī)功率10%，對(duì)于大型集裝箱船，每年可以節(jié)省5 000 t燃油[3]。

另外，Wartsila公司也開(kāi)發(fā)出一種總熱回收裝置。該裝置包括一個(gè)雙壓力余熱鍋爐、一個(gè)多級(jí)雙壓力汽輪機(jī)、一個(gè)動(dòng)力渦輪 、一個(gè)給水預(yù)熱系統(tǒng)和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)，并進(jìn)行了優(yōu)化布置。在該系統(tǒng)中，船舶主機(jī)排氣流經(jīng)余熱鍋爐后產(chǎn)生蒸汽，一部分驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，從而達(dá)到回收能量的效果，另一部分供給船舶日用蒸汽[3]。

近期，日本三菱重工成功開(kāi)發(fā)了一種船用高效聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，即超級(jí)渦輪發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含一個(gè)動(dòng)力渦輪、一個(gè)余熱鍋爐、一個(gè)汽輪機(jī)、一個(gè)發(fā)電機(jī)、一個(gè)減速齒輪箱、一個(gè)同步自動(dòng)轉(zhuǎn)換離合器和控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用船舶主機(jī)排氣余熱產(chǎn)生電能。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以降低10%的船舶燃料費(fèi)用，有效地回收了主機(jī)廢氣能量。

此外，MAN公司、Cummins公司、John Deere公司、BBTurbo公司等也開(kāi)發(fā)了一些柴油機(jī)余熱利用裝置。

1.2 國(guó)內(nèi)柴油機(jī)節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀

2008年12月8日，大連船用柴油機(jī)有限公司生產(chǎn)了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)帶廢熱回收系統(tǒng)的7RTA84TD柴油機(jī)。該機(jī)單機(jī)功率為29 400 kW，安裝在渤船重工為新加坡環(huán)球航運(yùn)公司建造的32萬(wàn)噸超大型油輪(VLCC)上。該型發(fā)動(dòng)機(jī)采用Wartsila余熱回收技術(shù)，在此基礎(chǔ)上作了簡(jiǎn)化，取消了Wartsila方案中的動(dòng)力渦輪，只是利用廢氣余熱鍋爐蒸汽發(fā)電或供船舶使用。該系統(tǒng)采用雙壓余熱鍋爐，包括低壓蒸發(fā)器、高壓蒸發(fā)器和高壓過(guò)熱器三部分。在負(fù)荷大于55%時(shí)，可以產(chǎn)生1 100 kW電量。到目前為止，該廠已在為新加坡環(huán)球航運(yùn)公司建造的二艘32萬(wàn)噸VLCC上安裝了該余熱利用系統(tǒng)[3]。

20世紀(jì)90年代初，廣東較早開(kāi)展了陸用柴油機(jī)余熱發(fā)電綜合改造。工程完工后，余熱發(fā)電功率為柴油發(fā)電機(jī)組功率的4%左右。此外，還利用柴油機(jī)余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽，采用溴化鋰吸收式制冷機(jī)組實(shí)現(xiàn)集中空調(diào)工程，可滿(mǎn)足辦公樓、餐廳、酒樓、超級(jí)市場(chǎng)等集中空調(diào)的需求，實(shí)現(xiàn)了利用柴油機(jī)余熱進(jìn)行發(fā)電、供熱、制冷的三聯(lián)供[4]。

2 海洋平臺(tái)柴油機(jī)節(jié)能新型設(shè)計(jì)方案

2.1 缸套水余熱利用節(jié)能技術(shù)設(shè)計(jì)方案

海洋平臺(tái)柴油機(jī)是海洋平臺(tái)的主要耗能裝置，并且普遍存在能耗大、節(jié)能效果不佳等缺點(diǎn)。柴油機(jī)的缸套水余熱巨大，因此，研究海洋平臺(tái)柴油機(jī)缸套水余熱利用節(jié)能技術(shù)將有巨大的現(xiàn)實(shí)意義[5]。

原有的柴油機(jī)節(jié)能技術(shù)大多利用尾氣中的熱量，而忽視缸套水的余熱。然而缸套水的余熱量也是相當(dāng)可觀的，可以利用熱交換器輕松獲得，將常溫淡水加熱到90～95 ℃，成為生活熱淡水，并且還達(dá)到了柴油機(jī)冷卻的效果，可以說(shuō)一舉兩得。

海洋平臺(tái)柴油機(jī)缸套水余熱利用節(jié)能技術(shù)，改變了傳統(tǒng)的柴油機(jī)缸套水余熱風(fēng)冷方式，提供了一種利用淡水冷卻柴油機(jī)缸套水余熱，并將熱淡水提供給生活區(qū)利用的海洋平臺(tái)節(jié)能裝置。

這一新技術(shù)將為海洋平臺(tái)提供一種柴油機(jī)缸套水余熱利用裝置[6]。它主要在主機(jī)熱交換器前接入一根通有淡水的管道，利用柴油機(jī)缸套水余熱達(dá)到加熱的效果，并且使這個(gè)管道產(chǎn)生的熱淡水接入海洋平臺(tái)生活區(qū)，提供足量的生活用水。

在采用以上設(shè)計(jì)后，這個(gè)新型的柴油機(jī)余熱利用裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：改變了傳統(tǒng)的海洋平臺(tái)柴油機(jī)風(fēng)冷的方式；利用淡水資源對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行冷卻，并且產(chǎn)生了淡熱水資源，可以解決平臺(tái)生活區(qū)的熱淡水需求。這樣就充分有效地利用了柴油機(jī)的余熱，解決了熱淡水需求，既達(dá)到了平臺(tái)節(jié)能的效果，也符合環(huán)保的要求。

2.2 尾氣保溫?zé)岬夹g(shù)設(shè)計(jì)方案

海洋平臺(tái)上柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中只有1/3左右的功率在做有用功，另有約1/3的功率以溫度達(dá)350～500 ℃的尾氣形式排放到大氣中。這些廢氣熱能直接參與加速地球“變暖”，而且發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣還含有大量的一氧化碳、氮氧化物和碳?xì)浠衔?，產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的氣體或離子，刺激人的眼睛、喉黏膜等，嚴(yán)重危害人類(lèi)健康[7]。一方面，海洋平臺(tái)柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)浪費(fèi)尾氣熱能、污染大氣，而另一方面在海洋平臺(tái)上又必須保溫生活熱淡水，耗用能源。因此，將平臺(tái)柴油機(jī)尾氣用來(lái)保溫生活熱淡水，達(dá)到節(jié)能減排的目的成為了眾多研究人員新的研究方向。現(xiàn)代海洋平臺(tái)柴油機(jī)的排氣溫度由于燃燒效率的提高而有所降低，尾氣余熱也因進(jìn)行渦爐加熱而有所下降，已經(jīng)不再像以前那樣受到重視，但如何合理利用這部分余熱，并且使其利用率最大化，仍然具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本設(shè)計(jì)利用柴油機(jī)尾氣余熱直接保溫?zé)岬?。海洋平臺(tái)傳統(tǒng)的熱淡水保溫技術(shù)需要利用燃燒煤炭等礦物燃料獲得能量，從而達(dá)到保溫的效果。如果使用柴油機(jī)尾氣保溫?zé)岬?，則可以有效減少化石能源的消耗，并且可以減少尾氣的排放。

這一新技術(shù)可以改變傳統(tǒng)的海洋平臺(tái)柴油機(jī)運(yùn)行模式，提供一種利用海洋平臺(tái)柴油機(jī)尾氣來(lái)保溫生活熱淡水，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的平臺(tái)節(jié)能裝置。

本技術(shù)提供一種具有以下結(jié)構(gòu)的海洋平臺(tái)柴油機(jī)尾氣保溫生活熱淡水裝置[8]。它主要在生活熱淡水艙外增設(shè)一個(gè)艙室，并將柴油機(jī)尾氣通入外艙，從而利用尾氣的能量達(dá)到熱淡水保溫的效果，尤其是在冬天，效果特別明顯。

采用以上結(jié)構(gòu)后，新型的漁船柴油機(jī)尾氣保溫生活熱淡水裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比，將改變傳統(tǒng)的海洋平臺(tái)熱淡水保溫方式。平臺(tái)安裝柴油機(jī)尾氣保溫?zé)岬b置，原來(lái)排放的廢氣熱能被有效利用，形成了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，直接的效果就是節(jié)省了平臺(tái)耗用的能源，達(dá)到平臺(tái)節(jié)能的效果。

3 海洋平臺(tái)柴油機(jī)節(jié)能新型設(shè)計(jì)具體實(shí)施方法

3.1 缸套水余熱利用節(jié)能技術(shù)具體實(shí)施方法

本海洋平臺(tái)柴油機(jī)缸套水余熱利用的創(chuàng)新技術(shù)，裝置如圖1所示。該裝置包括主機(jī)(柴油機(jī))、熱交換器、直通式法蘭不銹鋼截止止回閥、不銹鋼快卸過(guò)濾器、淡水艙、生活區(qū)和淡水泵。所用柴油機(jī)為平臺(tái)柴油機(jī)，截止止回閥為單通道閥，沿白色箭頭方向通過(guò)；不銹鋼快卸過(guò)濾器可以過(guò)濾淡水中的雜質(zhì)，使加熱后的淡水可以用做生活用水，既節(jié)約了淡水加熱所需要的能源，又達(dá)到了冷卻柴油機(jī)的目的。

圖1 海洋平臺(tái)柴油機(jī)缸套水余熱利用裝置Fig.1 Water waste heat utilization device for offshore platform jacket diesel engine

本裝置的基本工作原理是：用淡水泵將淡水從淡水艙抽出，先后通過(guò)直通式法蘭不銹鋼截止止回閥和不銹鋼快卸過(guò)濾器，進(jìn)入熱交換器，通過(guò)柴油機(jī)缸套水的余熱，在熱交換器內(nèi)部對(duì)淡水進(jìn)行熱量交換，將淡水加熱。熱淡水從熱交換器出來(lái)，進(jìn)入直通式法蘭不銹鋼截止止回閥，最后進(jìn)入生活淡水艙，供平臺(tái)生活之用。

3.2 尾氣保溫?zé)岬夹g(shù)具體實(shí)施方法

本海洋平臺(tái)柴油機(jī)尾氣保溫?zé)岬夹g(shù)，裝置如圖2所示。該裝置包括主機(jī)(柴油機(jī))、熱淡水艙、生活區(qū)、尾氣排放裝置和尾氣艙。所用柴油機(jī)為海洋平臺(tái)柴油機(jī)；熱淡水艙可以存放海洋平臺(tái)鍋爐加熱生產(chǎn)的熱淡水，可將熱淡水通向生活區(qū)；采用簡(jiǎn)單的尾氣排放裝置；尾氣艙為存放尾氣的艙室，它包圍在熱淡水艙外面，使熱淡水達(dá)到保溫的效果。

圖2 海洋平臺(tái)柴油機(jī)尾氣保溫?zé)岬夹g(shù)裝置Fig.2 Heat-preservation heat water technology device for offshore platform diesel exhaust

本裝置的基本工作原理是：主機(jī)(柴油機(jī))工作后產(chǎn)生的尾氣，通過(guò)管道進(jìn)入尾氣艙，依靠尾氣中蘊(yùn)藏的大量柴油機(jī)余熱，持續(xù)保溫?zé)岬搩?nèi)的水溫，為海洋平臺(tái)所合理利用。海洋平臺(tái)鍋爐加熱，甚至一些其他途徑加熱得到的熱淡水資源，很容易在儲(chǔ)存過(guò)程中喪失熱量，尤其在冬天，容易結(jié)冰。用尾氣進(jìn)行保溫，可以有效地解決這個(gè)問(wèn)題。此裝置在利用完尾氣余熱后，將尾氣通過(guò)尾氣排放裝置排入大氣。

4 結(jié) 論

合理利用柴油機(jī)余熱是海洋平臺(tái)節(jié)能的一項(xiàng)有效措施。通過(guò)本文設(shè)計(jì)的柴油機(jī)缸套水余熱利用裝置和柴油機(jī)尾氣保溫?zé)岬b置可以提升柴油機(jī)能源的利用率，達(dá)到節(jié)能的目的。在21世紀(jì)，能源問(wèn)題已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的一個(gè)頭等重要問(wèn)題，而21世紀(jì)也是海洋的時(shí)代，因此，海洋平臺(tái)柴油機(jī)節(jié)能技術(shù)的開(kāi)發(fā)具有十分重要的時(shí)代意義和現(xiàn)實(shí)意義。

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DieselEnergy-SavingModelDesignofOffshorePlatform

Lü Qin, LI De-tang, LI Da-te, TANG Wen-tao, CAO Wei-nan

(ShipandMarineEngineeringCollege,ZhejiangOceanUniversity,Zhoushan,Zhejiang316000,China)

In order to resolve the problem of serious energy waste of marine diesel engine platform and achieve energy conservation and emission reduction, we develop the jacket water waste heat utilization energy-saving technology for diesel engine cylinder liner and a new type of marine diesel exhaust heat insulation technology of fresh water. By these new technologies, we can maximize the utilization rate of diesel engine waste heat of offshore platform and reduce emission, achieving energy saving and environment protection. In the 21st century, the age of ocean, energy has become an important issue in the development of economy, so the proposed energy-saving technologies for the development of offshore platform are significant.

offshore platform; diesel engine; waste heat; jacket water; tail gas

TE52;TK422

A

2095-7297(2014)02-0180-04

2014-03-10

呂沁(1990-)，男，碩士研究生，主要從事船舶與海洋工程方面的研究。