摘要
船舶是能源消耗量巨大的运输工具，随着油价的上涨， 国际海事组织限制污染排放 法规的发布，如何有效降低船舶能耗，减少污染排放成为一个迫在眉睫的课题。 船舶柴 油机的排烟中含有大量的可回收热量， 如果能够利用这部分热量为船舶正常航行提供电 力或加热蒸汽，就能在一定程度上减少船舶的燃油消耗量，提升船舶节能性能， 节省大量运营成本。
本文设计了以动力涡轮、余热锅炉、汽轮发电机组、 外部预热器、凝汽器为主要组 成部分的船舶柴油机排烟余热回收通用系统，开发了对应的系统软件，用于评估各类船 型的节能潜力。在此基础上以 48000DWT 油船为例，纵向对比分析了同一船型不同工况 下该排烟余热利用系统的热力性能参数、余热发电功率、节油量等系统性能参数随主机 工况变化的规律。再以 48000DWT 油船、82000DWT 散货船、4250TEU 集装箱船为例，横向对比了不同应用条件下该排烟余热回收系统的工作性能、节能性能。
分析结果表明，随着主机功率的降低， 余热回收系统余热回收总量、余热发电功 率、系统节油量及节油率等均呈现随着主机工况的降低先减小后增大，40%工况后又 减小的变化趋势；100%工况下， 4250TEU 集装箱船系统余热回收总量为 7714kW ，发 电功率可达 1833kW ，完全能满足船舶正常航行用 电需求 ，此时节省燃油量为 367.7kg/h ，系统节油率最高能达到 3.56%；对比三型船的动力涡轮、汽轮机发电机节 能效果， 发现油船、散货船系统初始热力参数相似，汽轮机发电量、节油量相差不多， 但散货船发电比远高于油船。集装箱船由于本身排烟温度高、 流量大，采用汽轮机发 电机节能效果最为显著；三型船中只有 4250TEU 集装箱船有旁通废气， 但旁通流量仅占废气总流量的 3.9% ，此时动力涡轮节能减排效果不明显。
上述结论表明本文设计的船舶柴油机排烟余热回收系统及其对应的软件平台具有 较强的通用性，能够用于评估各类船型的节能潜力，为船舶采取具体的节能减排措施提供一些决策支持。
关键词：船舶柴油机； 余热回收；软件开发；节能减排
第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景
能源问题已经成为经济发展中一个头等重要问题。船舶是能源消耗量巨大的运输工 具， 高能耗一方面使船舶运行成本增加， 另一方面也带来了严重的环境问题。如何有效 降低船舶能耗是一个现实而又重大的课题[1]。国际海事组织 IMO 已将 EEDI(Energy Efficiency Design Index，新船能效设计指数)作为考核船舶运行能耗高低的一个指标， 倘 若船舶处于能量利用效率较低的状况，除了将面对高额的燃料费用外， 还将面对额外的罚金，以补偿对环境的破坏。 船舶节能就是以最小的能量消耗取得最大的运输效益。
船舶的能量来自于燃料， 燃料费用在运输成本中占有很大的比例， 大约占船舶总营 运费用的 33～60%，随着油价的上涨， 这比例也将愈来愈大[2]。船舶直接耗用燃料的设 备是柴油主机、辅机和辅助锅炉。其中， 主机所耗能量占总输入能量的 70～90%。燃料 在柴油机气缸中燃烧所发出的全部热量， 只有一部分转变为机械功， 其余部分则分别通 过排气、冷却介质和辐射而排入大气和海水。燃料燃烧放出的热量除了转变为有效功的部分外，其余都是废热，也即余热[3]。
世界油价的不断上升， 以及日益紧迫的要求船舶控制 CO2 排放的压力， 迫使船舶需 要进一步提高能量利用效率。作为占船舶油耗大部分的主机， 其能量利用效率是提高船 舶能效的关键因素。提高船舶主机热效率最本质的方法就是提高发动机燃烧温度， 但由 于燃烧温度和船舶 NOx 排放的密切关系，决定了单纯采用提高发动机燃烧温度来提高 热效率是不可行的。 为此必须另辟新径，解决提高热效率和降低 NOx 排放的矛盾。目 前， 最先进的船用二冲程柴油机主机有效热效率已接近 50%[4] ，拥有所有热机中最高的 效率， 但仍有一半以上的燃料能量没有被利用， 随废气和冷却水排入环境， 既造成了污染， 又浪费了大量的资源。
目前由于废气涡轮增压器效率的提高， 船用二冲程主柴油机废气中的能量除了供涡 轮增压器使用外，还有大量剩余。 图 1.1 为 MAN 12K98ME/MC 柴油机的能量利用图， 柴油机只将 49.3%的燃料能量转变为有用功，其余 50.7%的能量没有被主机利用，最终 以各种形式排入环境[5] 。船舶为了维持正常运行，需要配置辅助柴油机和辅助锅炉，燃 用燃料提供足够的电力和蒸汽。显然， 如果能够利用主机废气和冷却水的热量进行发电或作为辅助设备热源提供蒸汽， 则可以替代部分辅机和辅助锅炉， 同时达到节能和减排
的效果。因此充分回收船舶主机和冷却水的余热，意义重大[6]。
船舶二冲程柴油机燃用重油， 由于燃烧废气中主要含有硫氧化物等酸性气体， 使传 统的废气余热锅炉要求排烟温度必须在烟气酸露点以上， 一般设计排烟温度在 170℃以 上， 增大排烟热损失[7] 。如采用超低温排放船舶废气余热锅炉，选择新型防腐蚀材料来 提高其耐低温腐蚀能力， 使其排烟温度低于烟气酸露点温度， 大大降低了锅炉排气温度，扩大了废气利用的温度范围，增加了主机余热系统回收能量的范围和可行性[8]。
1.2 课题研究意义
随着世界造船业的日趋成熟与全世界发展趋势， 中国要成为造船强国， 在进一步提 高技术水平、劳动生产率力争在建造数量上名列前茅的同时， 必须在船舶节能减排的技 术研究中也有所突破， 顺应当今节能减排的发展趋势， 在满足节能、环保等要求的前提 下使船舶的技术标准、质量和经济性方面赶上和超过当代国际水平， 才能确保我国在世 界船舶市场上争取更大份额， 实现造船强国的目标， 使船舶业向着节能环保的良性方向发展[9]。
2009 年， IMO MEPC 第 59 次会议决定对船舶 CO2 排放进行控制， 以自愿执行的方 式，对新造船的能效设计指数 EEDI 和在用船的能效运行指标 EEOI(Energy Efficiency Operational Index)进行限制。按照目前的发展趋势， 对船舶 CO2 排放的限制将在 MEPC 62或 63 次会议上变为强制法规[10]。
按照国际海事组织的规定，将对没有达到对应能效的船舶刻以罚金。根据 EEDI 指 数的定义， EEDI 显然与船型设计和船舶动力系统的效率有关。如果能够回收船舶的余 热， 可以减少船舶的燃料消耗量， 降低新船的 EEDI 指数[11]。满足国际海事组织的要求。 2010 年， 我国造船量世界第一，约占全球份额的 40%。由于 EEDI 的实施，如果不充分 开展约占船舶损失能量一半的船舶排气能量回收技术的研究， 势必影响我国造船业在世界上的地位[12]。
近几年来，国际原油价格一直维持在较高的水平，并且其预期未来价格还将上涨。 原油价格的上涨， 促进了对船舶余热利用系统的需求， 因为余热利用系统可以减少船舶 的燃油消耗量。原油价格越高， 余热利用系统的收益越大， 回收期越短[13]。图 2 为三菱 公司发布的其船舶余热利用系统装船量年度统计，从中可以看到，在原油价格低迷的 2000 年前后， 余热利用系统装船量很少， 而近三年， 余热利用系统的年装船量一直维持在高位。船舶余热利用系统的研究有利于缓解原油价格日益高涨的局面[14]。
目前，国外各主要船舶柴油机生产企业 MAN 、Wartsila、三菱、 Siemens 等公司纷 纷开展船舶排气余热利用技术研究， 已开始有商业化产品陆续投入市场， 对我国造船和 造机业形成了严重的压力[15]。据调查， 由于我国没有余热利用系统， 已使部分船舶主机 订单选择了韩国企业，虽然这些量目前很小，但随着国际海事组织 EEDI 指标的推进以 及国际原油价格的持续高涨， 必然会对我国的造船地位产生严重威胁。充分开展船舶主机余热利用系统的研制有利于提高我国船舶和船舶主机的市场竞争力[16]。
另外，我国造船和造机业， 拥有自主知识产权的并不多， 造成了虽然我国每年新造 船和主机产量不低，但国家收益并不多，大部分收益都用于支付专利和购买配套设备。 为了改变这个局面， 需要加大对船舶主机配套产品的研究投入， 形成具有自主知识产权的系列配套产品[17]。船舶余热利用系统作为船舶主机的配套高效节能系统， 对其进行深
入研究， 可以增加我国船舶和船舶动力设备的附加值， 提高产品的竞争力， 同时可以带 动一系列相关设备的研制(涡轮增压系统、动力涡轮、汽轮机、低温余热锅炉等)，提高
船舶配套产品的研制能力，形成自主的船舶配套产品[18]。
1.3 国内外发展现状
船舶余热利用系统拥有较长的历史及广泛的应用范围， 目前在许多类型的船舶上都 运行有废气锅炉系统，利用废气能量， 提供船用蒸汽。同时， 由于涡轮增压器效率的提 高，且大功率船舶柴油机排气能量较多， 因此在涡轮增压器前分流一定量的废热供给动力涡轮，动力涡轮再将废热的能量转化为机械能或电能， 技术上是可行的[19]。
船舶余热利用的方式必须按照其特点进行合理的规划。相对而言， 船舶主机排气温 度高、热量大； 冷却水的热量虽大， 但温度低， 与主机排气余热相比， 能量品位不相同， 利用方法和装置也不相同。目前， 国内外对船舶二冲程柴油机动力装置余热利用的方式主要有[20]：
1) 把主机排气引入到余热锅炉中产生蒸汽，以驱动蒸汽辅机，带动汽轮机发电机组发电，将其并入船舶电站；
2) 利用主机高负荷工况时多余排气，驱动动力涡轮发电，将其并入船舶电站；
3) 利用主机排气余热产生的蒸汽作船舶各种舱、柜、加热器的加热源(如燃油、滑油、货油的加热)和取暖、蒸饭等生活热源；
4) 把冷却水直接或间接作为燃油加热、制淡、制冷和生活杂用等的热源。
有效利用船舶主机排气余热， 可以解决航行所需的电力和蒸汽。通过余热利用能获得的电量和蒸汽量与船型、 主机型式、功率、运行方式及余热回收技术有关[21]。
显然， 船舶主机余热回收技术可以有效的降低船舶动力装置的能耗， 并能改善其排 放性能， 国内外学者对此进行了大量的研究， 开发出多种余热回收装置， 并实现了商用
化[22]。
船舶柴油排气中能量利用有两种基本方式，一种是利用排气直接驱动动力涡轮做 功， 另一种是通过余热锅炉回收排气中的热能， 用以产生蒸汽来发电或直接供船舶设备 使用。到目前为止， 所有有关船舶动力系统排气余热利用的方案都是这两种基本方式的组合和改进[23]。
上世纪 70 年代末， ABB 公司首先提出了大型船舶柴油机排气能量回收技术， 并于 1985 年到 1994 年间在发动机上安装了超过 130 台动力涡轮以回收船用二冲程和四冲程 柴油机排气中剩余的能量。然而，由于上世纪 90 年代油价持续走低，导致该方案没有被广泛接受[24]。
本世纪初， 由于船舶吨位的不断增加(油船和集装箱船)、船舶动力系统功率的增加， 特别是由于油价持续上升和排放法规实施所带来的压力， 船舶动力装置排气余热利用技
术又得到重视[25]。
1991 年 ABB 公司投放市场的 TPL73B~91B 系列高效增压器， 由于其高效， 柴油机 排气中剩余更多的能量。ABB 公司 2005 年开发出新一代 PTL3200 系列动力涡轮， 其带 动发电机， 可以输出 1500～3200kW 电能。该动力涡轮可以单独使用， 也可以和汽轮机 组成联合动力回收系统(见图 1.3) 。ABB 已在 11,000TEU 的 Emma Marsk 集装箱船上采 用了该系统，其主机为 Wartsila 公司标定功率为 80,000kW 的 14RT-flex96C 柴油机， 采 用 ABB TPL85-B 增压器， PTL3200 动力涡轮，联合汽轮机， 整个系统可以发出 8,500kW的电力， 回收了 10.6%的主机功率[26]。
1) ABB 公司带动力涡轮的余热利用系统
2) ABB 公司带动力涡轮和蒸汽透平的联合余热利用系统
图 1.3 ABB 公司两种余热利用系统
作为船舶行业的领军者， Wartsila 公司开发出一种总热回收装置(Total Heat Recovery Plant，见图 1.4) ，该装置包括一个双压力余热锅炉、一个多级双压力汽轮机、 一个动力 涡轮、 一个给水预热系统和两个驱动电机系统， 并进行了优化布置。在该系统中， 船舶 主机排气流经余热锅炉后产生蒸汽， 一部分驱动汽轮机发电，从而达到回收能量的效果， 另一部分供给船舶日用蒸汽使用。系统给水经缸套冷却水加热至 85℃ , 一部分直接进入 余热锅炉低压锅筒，产生蒸汽输入汽轮机低压段； 另一部分经空冷器进一步加热到 150~ 170℃, 进入余热锅炉高压锅筒，产生蒸汽供船舶日常使用和供汽轮机高压段。这套系 统运行依赖于船舶主机的工况， 需要通过调整进气温度， 来获得较高的排气温度， 以得 到较高的动力输出[27]。在此系统中， 主机将从环境中吸入空气， 而不是从主机舱室里吸 入空气。由此， 从余热锅炉和动力涡轮中回收的能量将得到提高， 而不影响环境的空气 流动。同时，该技术没有增加主机的热负荷，并且对主机的可靠性无不利影响。2005 年 6 月 Wartsila 公司开始将该系统运用于 Sulzer 12RT-flex96C 发动机上， 可回收 11%的
主柴油机功率，降低了 NOx 排放，获得了良好的经济效果和排放效果[28]。
为提高船舶推进装置的能量效率，并合理的利用船舶主机的余热， Siemens 公司开 发了一种带有余热利用系统的推进装置— SISHIPCIS BOOST(见图 1.5)。该装置可以回收 船舶主机的余热能量， 并将其输送到船舶能量供应网络中， 从而明显提高船舶系统的推 进性能和电力性能。该装置已经应用于货船中， 最大回收了约 12%的主机功率，并可以 减少船舶主机和辅助发电机的维护，节省货船空间， 提高船舶的货物运输能力， 获得较 高的经济效益。值得一提的是， 该系统可以降低船舶主机的排放水平， 并在较低负荷时， 仍能够安全运行，且该系统具有较高的兼容性，可以适用于 Wartsila 、MAN B&W 等公司生产的大型船用主机[29]。
近期， 日本三菱重工(Mitsubishi Heavy Industries)成功开发了一种船用高效联合发电系统—超级涡轮发电系统(Super Turbo Generating System)(见图 1.6、图 1.7)。该系统包含 一个动力涡轮， 一个余热锅炉，一个汽轮机， 一个发电机， 一个减速齿轮箱， 一个同步 自动转换离合器和控制系统。该系统利用了船舶主机(7UEC60L ，MCR: 14,315kW)排气 余热， 产生电能， 进行使用。通过试验发现， 该系统可以降低 10%的船舶燃料费用，有 效的回收了主机废气能量[30]。该系统将安装于韩国大宇公司生产的集装箱船上，并于 2011 年交付使用。近期，三菱重工已经收到 38 个该系统的订单，并决定大力推广该系统[31]。
MAN B&W 公司的低速船用柴油机具有低燃油消耗、高热效率和高可靠性， 深受船 舶运营商的喜爱。为进一步提高船舶热效率， MAN 公司开发出一种新型的余热利用系 统—热效率系统(Thermo Efficiency Systems ，TES)。该系统以船舶主机为核心，包括余 热锅炉、动力涡轮和汽轮机等(系统结构图见图 1.8)，考虑到大型二冲程柴油机排气温度 较低， 该系统通过调整发动机，使排气从“大流量/低温”变为“小流量/高温”，以提高 排气温度(图 1.9)。在 85%工况主机排烟温度大约提高 55℃, 达到 280℃, 解决了船舶二 冲程柴油机排气温度过低的问题。根据汽轮机和余热锅炉使用蒸汽压力， TES 系统分为在主机正常工作负荷范围内， 单压 TES 系统最大可以回收 7%－10%的主机轴功率， 且主机功率越大，负荷越高，回收的主机功率越多，相当于节省的燃料越多；而双压 TES 系统最大可回收 9%－12%的主机轴功率； TES 系统整体热效率可达 55%以上。MAN 余热利用系统采用两级双压余热锅炉， 回收了主机排气中的热量。同时， 该系统还可以 与进气加湿系统、 EGR 系统组合使用，以应对 IMO 新的排放标准。该套余热利用系统 在 12K98MC/MC-C/ME 柴油机上进行应用， NOx 排放降低 8%，总效率约提高 5%，可 产生 7,000kW 电力。有报道 MAN 与 Opcon 公司正在合作开发船用主机有机工质低温排气余热回收技术，将开拓余热利用技术新方向[33]。
国内受限于船舶配套设备研发的落后现状, 大型船用柴油机主机还没有自己的产品, 国内主机、动力装置市场也完全被国外厂商垄断。国内对船舶柴油机动力系统余热利用
的研究很少， 缺少柴油机动力系统综合有效能分析技术、余热利用总体技术和排气动力涡轮设计技术研究， 研究单位分散； 部分主机余热回收研发产品正处于试验阶段， 还没 有实现商用产品化，且由于国产主机余热回收设备系统集成能力弱、配套不全、装船少， 使之设备生产企业萎缩， 投入不足， 缺少与国外大公司的竞争力。国内设计建造的船舶 还很少采用主机动力系统国产余热综合利用装置， 基本被国外几大公司瓜分[34]。如 2008 年 12 月 8 日，大连船用柴油机有限公司生产了国内第一台带废热回收系统的 7RTA84TD 柴油机，该机单机功率为 29400kW，安装在渤船重工为新加坡环球航运公司建造的 32 万吨 VLCC 上。该型发动机采用 Wartsila 余热回收技术， 在此基础上作了简化， 取消了 Wartsila 方案中的动力涡轮，只是利用废气余热锅炉蒸汽发电或供船舶使用，该系统采 用双压余热锅炉， 包括低压蒸发器、高压蒸发器和高压过热器三部分。考虑到二冲程柴 油机排气温度较低，该系统通过调整发动机， 结合增压器舱外直接进气， 提高废气温度， 大大增加了可供利用的废气能量，进而通过有效合理地利用废气能量， 降低船舶燃油消 耗量， 提高经济效益： 在负荷大于 55%时， 可以产生 1, 100 千瓦电量。到目前为止， 该厂已在为新加坡环球航运公司建造的 2 艘 32 万吨 VLCC 上安装了余热利用系统[35]。
20 世纪 90 年代初, 广东较早开展了陆用柴油机余热发电综合改造, 余热锅炉产生 的蒸汽除供重油加热和生活蒸汽需求外, 其余蒸汽用于发电。工程完工后, 余热发电功 率约为柴油发电机组功率的 4%左右。此外, 还利用柴油机余热锅炉产生的蒸汽，采用 溴化锂吸收式制冷机组进行集中空调工程, 可满足办公楼、餐厅、酒楼、超级市场等集
中空调的需求，实现了利用柴油机余热进行发电、供热、制冷的三联供[36]。
哈尔滨工程大学， 结合国防舰船动力与民用船舶动力系统科研， 一直对大型船舶动 力系统的节能技术和新能源替代技术进行探索， 包括船舶柴油机、燃气轮机和船用锅炉 及有关设备， 开展相关基础技术研究。在船舶柴油机动力系统余热利用方面， 正在形成多专业融合的技术优势。
在余热锅炉节能技术方面，上世纪九十年代初，哈尔滨船舶工程学院(现哈尔滨工 程大学)对船舶余热利用系统余热锅炉提出了一套设计模型和计算方法，并建立了以热 经济性和锅炉最小传热面积为目标函数的优化方法， 就多种船舶余热利用系统， 针对不
同管形和管子排列形式的锅炉结构进行热力学参数和锅炉结构参数优化[37]。
上世纪九十年代末， 哈尔滨工程大学为突破锅炉排烟露点限制， 提高换热器的耐腐 蚀能力， 增大换热器的工作稳定范围， 提高锅炉烟气余热利用率， 研制了高效节能玻璃 管低温冷凝式换热器，申请并获得了发明专利和实用新型专利(专利号为 ZL95208314)，
并在工业锅炉、窑炉上得到了应用。 开发的 BLGDW 型玻璃管低温冷凝式换热器，先后安装在哈尔滨卷烟厂燃油锅炉、哈尔滨电池厂锅炉和山海关桥梁厂的锅炉烟道上回收
烟气显热与潜热。充分利用 200℃以下的烟气能量，获得了良好的节能效果[38]。
在工业锅炉设计技术方面，为华北油田京茂公司无压热水锅炉厂(现华北油田霸州 市常压热水锅炉有限公司)等设计了卧式内燃火管燃油(气)常压锅炉系列， 为大庆油田锅 炉厂等设计了卧式内燃火管燃油(气)有压热水锅炉系列， 为黑龙江省海伦市利民节能锅 炉制造有限公司等设计了卧式内燃固定炉排燃煤常压锅炉系列，现正在为该公司设计
0.5MW 机械炉排燃煤常压和有压两型热水锅炉[39]。
在燃气轮机余热利用技术方面， 哈尔滨工程大学在“九五”和“十五”期间， 相继 开展了船用燃气轮机余热利用的“燃气轮机双工质平行复合循环原理性研究”和“闭式 燃气轮机双工质平行复合循环试验验证”项目， 采用余热锅炉产生蒸汽用于燃气轮机蒸 汽回注， 使燃气轮机余热得到再回收和利用， 燃气轮机的效率显著提高。该项技术已经 在燃气轮机电厂得到实际应用。项目研究过程中， 为了使回注蒸汽产生闭式循环， 在余 热锅炉出口安装了由哈尔滨工程大学研制 BLGDW 型玻璃管低温冷凝式换热器， 实现了 余热锅炉和冷凝式换热器的有效结合。试验结果表明， 排烟中大量的汽化潜热得到回收， 余热锅炉蒸汽产量得到提高。而且， 装置排烟检测结果表明， 污染物排放明显降低， 凝结产物比气态更容易无害化处理[40]。
哈尔滨工程大学教师参加了中船重工703 所牵头的多项国内外燃气轮机自然循环和 强制循环锅炉余热利用工程的研制工作。如参加安徽省合肥市燃气轮机余热锅炉岛的研 制和新疆泽普石化厂从大庆油田搬迁的从英国罗尔斯—罗依斯公司引进的燃气轮机强 制循环余热锅炉岛的改造工程的研制工作。对燃气轮机余热锅炉总体设计、饱和蒸汽降
温时过热器热力计算和基于环境温度变化的燃气轮机联合循环热力性能进行了研究[41]。
“十一五”期间， 哈尔滨工程大学利用燃气轮机排气作为热源， 采用化学回热循环 对其余热进行回收， 以降低燃气轮机的燃油消耗量， 提高燃气轮机的效率。以- 10#柴油
为原料，考察了各种工况下的运行性能，得出了化学回热循环的规律[42]。
在涡轮技术方面， 哈尔滨工程大学进行了多年的燃气轮机涡轮技术研究。在理论方 面， 掌握高效率涡轮气动设计的粘性可控涡设计方法、汽轮机通流优化设计技术、变几 何动力涡轮技术等。完成了大功率中冷船用燃气轮机动力涡轮气动技术设计， 863 重型 燃气轮机高压涡轮和动力涡轮气动与传热技术研究。在排气余热利用动力涡轮方面， 与
中船重工 467 厂共同开发了燃料电池余热排气的动力涡轮[43]。
在汽轮机设计技术方面， 哈尔滨工程大学在汽轮机技术领域与哈尔滨汽轮机厂共同开发了国内独有的径流式汽轮机技术，其功率范围从 15kW 到 3000kW，与同等功率的 轴流式汽轮机相比，具有较高的热效率，且重量轻、体积小。在工业驱动汽轮机方面，在美国考比斯公司技术的基础上，连续开发了系列小功率轴流式汽轮机产品[44]。
在船舶柴油机方面， 哈尔滨工程大学对船用柴油机相继增压、增压器匹配、排气消 声、电控系统进行了深入研究，正在开展船舶低速柴油机余热利用技术研究。哈尔滨工 程大学研制开发的船用柴油机相继增压控制系统、ECS 系统和排气消声器， 其功能达到 了国外同类产品的先进水平， 实现了进口系统替代， 打破了此类产品一直依赖进口的局 面，已经批量装备在推进及发电机组用船舶柴油机上。柴油机 ECS 系统在 2009 年和 2010年分别获得国防科技进步一等奖和国家技术发明二等奖[45]。
自工信部 EEDI 专家组成立以来，学校派出两位教授参加到 EEDI 专家组中，积极 发挥船舶与动力专业作用。同时联合船舶设计总体所、低速机生产企业、增压器生产企 业及船级社等单位、开展余热利用技术调研， 对以低速柴油机为主的大型船舶动力系统 的节能技术进行探讨和分析。以主机动力系统排气、缸套水预热和中冷器预热余热综合 利用为技术发展趋势，采用低温冷凝式换热器技术，突破主机排气温度利用到 170℃的 限制， 提出大功率低速柴油机动力系统余热利用总体方案、梳理专项关键技术， 启动前 期研究工作。通过项目牵引， 利用国内主机、锅炉、船舶的研究、设计、制造能力， 正在形成产学研用多专业融合的技术优势。
深圳市中科力函热声技术工程研究中心开发出一种内燃机尾气余热驱动的热声制 冷系统。热声制冷系统包括： 热声发动机、热声制冷机， 通过谐振管与所述热声发动机 连接； 水冷散热器， 分别与所述热声发动机和热声制冷机连接， 用于通过空气向环境散 热；尾气余热回收器，与所述热声发动机连接，用于回收尾气余热；内燃机尾气流道， 与所述尾气余热回收器连接； 载冷器， 与所述热声制冷机连接， 用于获得冷量并传递给 被冷却空间进行温度调节。内燃机尾气余热驱动的热声制冷系统采用热声发动机和热声 制冷机结合尾气余热回收器对内燃机尾气进行回收利用， 进行制冷， 大大减少汽车、轮船等的制冷系统能源消耗[46]。
上海徕普太阳能科技有限责任公司陈绍勇开发出一种内燃机/汽车发动机排气系统 余热温差发电装置。内燃机/汽车发动机排气系统余热温差发电装置由内燃机/汽车发动 机排气管、排气管集热器、热电偶组、电源输出插座、梳状散热器、热电偶热源集热器、 热电偶冷源集热器、热管集冷器、热管、梅花集冷器组成； 利用热电偶片两面的温度相
差 60℃就能发电的特性， 利用内燃机/汽车发动机排气管排出高达 200℃的余热高温和空气的低温进行温差发电。可使原蓄电池延长使用寿命 8 倍以上， 同时可大大降低环境污 染， 可取消原车内空调系统的压缩泵和发电机充电系统， 可节油 25％～40％左右， 在各 种内燃机领域将具有巨大的潜力， 安装和维护很容易， 推广应用快， 适用于汽车、船舶、飞机等[47]。
大连海事大学高洪涛开发出一种采用小型渔业船舶柴油机余热为驱动热源的吸收 式制冰机。该系统主要由柴油机排烟转换器、烟气式再生器、吸收器、附制冰器的蒸发 器、冷凝器组成。烟气式再生器分别与吸收器和冷凝器相连接， 吸收器和附制冰器的蒸 发器相连接， 柴油机排烟转换器与船舶柴油机烟囱或排烟管相连接。通过附制冰器的蒸 发器利用冷剂蒸发所提供的冷量， 将泵入的海水制成二元冰。该系统的吸收器的尺寸更小，传热传质效率更高，节省能源，使用海水作为制冰原料，降低了制冰成本[48]。
大连海事大学陈磊等开发出一种将船舶柴油机产生的废气余热推动涡轮旋转产生 的机械能转变为液压能的方法和装置， 涉及液压传动技术领域， 适用于船舶柴油机产生 的废气余热的利用。 该装置基于液压传动的原理， 利用船舶柴油机废气余热， 经旁通阀 引出，推动涡轮转动，液压泵将涡轮机械能转变为液压油的压力能，经功率分配回路， 分别辅助驱动发电机、舵机。该装置包括液压系统驱动回路、系统补油回路和系统压力 过载安全保护回路， 以适应船舶的各种运动工况。该方法和装置可有效利用船舶航行中的柴油机废气余热，提高柴油机的工作效率，达到节能目的[49]。
我国目前可以大规模生产常规余热锅炉的企业有张家港市沙洲船用锅炉经营有限 公司、无锡威力特船用锅炉有限公司、大连船用锅炉工程公司等， 尚无冷凝式余热锅炉 的生产厂家。到目前为止冷凝式余热锅炉在我国船舶上还没有应用， 只有部分研究的报道，对冷凝式余热锅炉的研制与应用应给予足够的重视[50]。
综上所述， 船舶余热回收技术已经成为船舶节能减排的关键技术之一。国外船舶余 热利用系统已经进入商用阶段， 而国内相应技术发展较慢。随着世界航运市场竞争日趋 激烈， 进一步搞好船舶节能工作， 开发船舶节能的新途径是降低船舶营运成本的必经之
路，而船舶主机余热回收技术也将进一步得到发展。
1.4 课题研究内容
本课题将对船舶柴油机余热利用相关的理论问题进行研究，其具体内容如下：
1. 由于目前船舶在余热利用方面还有很大的提升潜力，本文设计了一套由动力涡
轮、排烟余热锅炉、汽轮机发电机等几大部分组成的船舶柴油机排烟余热回收系统，在
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万方数据
此基础上建立了该系统的数学模型。
2. 本文对该余热回收系统中的一些热力参数进行数值范围限定或使用迭代法求解 了某些关键热力参数，预先对系统节能方案进行了规划，在此基础上开发了船舶柴油机
排烟余热回收系统通用软件。
3. 以 48000DWT 油船为研究对象，对该船舶柴油机排烟余热回收系统进行了工作 性能分析， 纵向对比了同一船型不同工况下利用该排烟余热利用系统时的节能效果， 分
析了系统各关键设备热力性能参数、 节能性能参数随主机工况等参数变化的规律。
4. 以 48000DWT 油船、82000DWT 散货船、4250TEU 集装箱船为研究对象， 横向 对比分析了处于不同应用条件下， 不同船型采用该排烟余热利用系统时的工作性能和节
能性能。
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