基于船舶动力装置的节能措施研究与应用

基于船舶动力装置的节能措施研究与应用

孙汉洲

南通中远海运船务工程有限公司 江苏南通 226006

摘要：船舶的动力装置，对于整个船来说非常重要，在动力装置系统中，柴油机可以提供动力，但柴油机的热利用率比较低，会产生一些对环境不利的废弃物，对环境的可持续发展有很大的影响，所以要提高柴油机的燃烧利用率，提高船舶动力装置系统的效率，进行节能减排，提高整体的效率，促进环境的可持续发展。

关键词：柴油机；内燃机；汽轮机；燃气轮机；节能

船舶的节能技术涉及领域较广，除了提高船舶推进性能外，提高船舶动力装置的效能是一项重要课题。船舶航行所有消耗的能量是由船舶动力装置提供的，船舶动力装置主要由推进装置、辅助装置及船舶设备与系统组成。要减少船舶动力装置的能量消耗，主要是减少船舶阻力、提高推进装置的效率、利用动力装置的余热和减少辅助装置的能量消耗。

1用于电力推进船舶的动力装置特性

民用船舶通常优先使用内燃机，这是因为在使用廉价燃料时，内燃机的效率高于其他类型的热力发动机。柴油机的功率和转速是通过调节燃料供给量来改变的，且随着进气量的增加而增加，发动机的燃料供给量可通过调节器自动或手动进行调节。柴油机的扭矩在整个转速变化范围内几乎是常数，因此很小的阻力矩变化就会引起显著的转速变化。柴油机的工作状态确定了其额定功率和转速。因此，在寒冷的环境条件下，柴油机有着较大的功率储备，其比赤道附近的储备量大得多。在赤道附近工作时，柴油机的冷却条件相对较差，这时不允许柴油机在最大功率下工作，因为这样会缩短其使用寿命并导致燃料消耗增加。因此，在此条件下不允许提高柴油机的转速。推动船舶运动的动力装置是由船上的能源系统把机械功转变为船舶动能的水动力推进器及连接主机和推进器的传动装置组成。海船和河船上的动力源主要为热力发动机———柴油机、汽轮机或燃气轮机，用这些机械把燃料的化学能转换为机械能。在核能动力船上，则是把核能反应堆中的热能转变为机械能，这是借助于主机来进行转换的。能量由主机到船舶推进器的传递过程，可以通过机械传动方式、液气传动方式或电气传动方式进行。用电气传动方式把能量传递给推进螺旋桨的装置被称为电力推进装置。从推进装置的可靠性和经济性方面考虑，在大多数已投入营运的船舶和正在建造的船舶上，使用的是中低速柴油机。柴油机和螺旋桨推进轴之间并非直接连接，而是通过推力轴承将推力传递给船体。在大功率动力装置的船舶上，甚至在高速游艇上，汽轮机通过齿轮箱实现推进轴的旋转，这种系统被称为汽轮机齿轮系统。这类动力装置的功率相对较高，足以满足船舶的动力需求。对于船舶而言，在功率相近的情况下，采用汽轮机动力装置的重量通常要比采用柴油机的更轻。目前，世界上多个国家正在建造核动力船舶。核动力装置远比其他类型的船舶动力装置更为复杂，其具有高度自动化的特征，同时对维护和保养的要求更高，并且其效率和汽轮机装置相差不大。由于核动力装置所需配备的燃料体积较小，因而可以大幅增加船舶的有效舱容，同时缩短燃料的补给时间。因此，核动力装置在大吨位破冰船和长期在冰区航行的运输船上得以应用。

2基于船舶动力装置的节能措施

2.1基于节能目标的船用主机选用方案研究

如何从节能角度出发选择船用主机，也是十分重要的问题。在以减少动力装置本身的燃料消耗率的前提下，可依靠降低螺旋桨转速来提高推进效率，对于中速柴油机，大多采用齿轮传动作为节能措施。设法提高低速柴油机直接传动的螺旋桨的效率，可得到较广的收益范围。如果着眼于螺旋桨效率，则首先应了解到船型吃水会限制螺旋桨的最大直径，为此必须选择最佳的螺旋桨直径以及相应的转速。因此，对同样的主机在设计上进行详细地探讨，有时可以使燃料消耗降低约3%～4%。就动力装置本身的燃料消耗而言，一般中速柴油机比低速柴油机高、中速柴油机的润滑油消耗也相对较多。就动力装置的可靠性和维修保养所需的劳力而言，选低速柴油机作为主机较为有利。当然，如何选定中速或低速柴油机，仅就动力装置燃油消耗和润滑油消耗是很难确定其优劣的，而必须结合螺旋桨直径和转速是否能提高推进效率来考虑减少燃料消耗。此外，从造价方面看，中速柴油机更为有利。

2.2中小型柴油机降低耗油率的措施研究

2.2.1降低中小型柴油机耗油率的主要方案

1）改善燃烧，将燃料以较小的空气过量系数，在较短时间内进行较完全的燃烧（改善燃料喷射系统和燃烧室的形状）。2）改善工作过程，力求增大有效行程，提高充气系数，提高压缩压力及最高压力，以提高工作过程的效率。3）提高机械效率，减少泵气损失（提高增压器效率，改善进、排气系统）及摩擦损失（掌握润滑油的适当粘度，减少活塞环的数量和改善活塞环的形状）。4）减少常用工况耗油率，使气缸内的常用负荷的最大压力接近最大负荷时的压力。

2.2.2改善性能的具体措施

2.2.2.1定压增压

柴油机的增压方式主要有脉冲增压和定压增压，脉冲增压与定压增压方式的根本区别，在于导入废气涡轮机的排气能量的状态。现在，四行程柴油机几乎都采用了脉冲增压方式，其为一种利用从气缸排至排气管的脉冲动能，以有效驱动涡轮机的方式。为此，要缩小排气管的容积，并在短时间内将气体导入涡轮机，以减少排气脉冲损失。但是，本方法在利用脉冲动能时，由于受到排气管内脉冲压力及其它气缸进、排气行程的影响，因此对于多气缸增压器的排气管，必须将各缸分开并连接于涡轮机。在该类情况下，对于气缸数量为3的倍数的柴油机而言，当压力波进入涡轮机时，应使其间隔相等。然而对于气缸数不为3的倍数的柴油机而言，如将第5、7气缸间隔不等地将气体导入涡轮机，使得涡轮机的效率降低。总之，脉冲增压导入涡轮机的气体处于脉冲状态，更重要的是存在着气体能量利用率的问题。定压增压方式就将从气缸排出的气缸导入排气管，使之膨胀转换为热能，使管内压力和温度以不变的状态进入涡轮机。这样，涡轮机通常以一定压力的气体驱动，从而减少废气涡轮装置的能量损失，增加暖气能量的利用率，使涡轮机的效率提高。特别是随着增压器增压压力的提高，定压增压系统中膨胀比的增加，脉冲能量回收增多，采用定压增压的优点更为明显。从低消耗的观点来比较这两种增压方式可知：定压增压的排气阀打开以后，气体的排气比脉冲增压顺利，具有迅速降低气缸内压力，减少进排气行程泵气损失的优点。采用脉冲增压时，打开排气阀，由于排气管的容积较小，排气管内压力绞高且排气受阻，气缸内气体压力下降缓慢，活塞作负功。而定压增压由于排气管的容积较大，排气管的压力几乎不变，气缸内的气压迅速降低。这时由于泵气损耗较少，产生动力有所增多。定压增压方式由于没有利用脉冲动能，就要考虑在低负荷时空气量不足的情况下，是否会出现加速性能不好的问题，特别是对船用柴油机是否适用。实践证明，低负荷性能和加速性能并不存在问题。

2.2.2.2改善燃料喷射系统

要降低耗油率，必须改善燃料喷射系统，使燃料在恰当的时间内供入并得到良好的雾化和与空气混合均匀。为此，必须考虑合适的燃料喷射压力、喷油器的孔径、个数、角度、燃烧室形状及气缸内空气混合均匀，扰动强弱等综合因素。要得到满意的喷油规律，就得选配恰当的喷油泵柱塞，改善喷油泵凸轮的形状。要限制气缸内的最高燃烧压力，就必须在喷油规律和燃烧过程上进行优化。如要提高中速柴油机的可靠性，维持两行程低速柴油机耗油率的最佳状况，仍需要开展相关研究。如果要大幅度地降低耗油率，还要采取措施提高增压器性能，提高低空气过量系数的燃烧技术，改善燃烧室壁的冷却方法。

2.3基于柴油机增压技术的改进与优化

2.3.1四行程中速柴油机

当四行程中速柴油机的压比过高，压气机绝热效率下降，压气机为不出现喘振而能稳定工作的空气流量变化范围变窄，此时为了不发生喘振，并要求压气机具有较高的效率，在匹配上就有一定的困难。在脉冲涡轮增压系统中，使用非常成功的低反动度单级轴流涡轮，当膨胀比过高时，效率开始下降。同样，当所要求的压比过高时，总效率也会下降。当平均有效压力较高时，应用中冷器和后冷器可在热负荷略有增加的情况下降低比油耗。但是两级涡轮增压的这些优点被涡轮增压系统成本增高、体积庞大和安装复杂所抵消。随着柴油机平均有效压力的增加和涡轮增压器效率的提高，采用增压的方式就有所选择。脉冲系统着眼于利用排气门开启时刻气缸内存在的高温和高压能量，然而由于它的脉冲流动，且涡轮处于部分进气状态，涡轮内排气能量的转换效率较低。定压系统则着重于使排气能量在涡轮内最有效地转换，因此当增压度较高时，定压系统将变得比脉冲系统更有吸引力。脉冲转换器使高增压四行程中速柴油机性能得以改善，实际上与3缸分组已无显著差别。脉冲转换器可以被视作是一个特殊设计的排气管接头，其目的是把许多气缸接到同一个涡轮进口处，而避免涡轮在部分进气状态下工作，同时又使排气过程中一缸对另一缸的影响降低至最低。多脉冲转换器是将一个气缸或两个气缸作为一组接到公用的转换器接管，而进入同一涡轮进口。其成功地应用于部分多缸柴油机，且全负荷性能良好，可与定压系统媲美。然而，与传统的脉冲系统相比，在部分负荷性能以及增压器对负荷变化的响应方面相差一些。不过就目前的增压度而言，对大多数用途是较为合适的。

2.3.2两行程中，低速柴油机

与四行程中速柴油机所要求的高增压比形成对照，两行程柴油机的重点是要求具备更有效的增压系统。两级增压可以进一步改善涡轮增压器的总效率，因此也有利于扫气和降低比油耗。两级增压已用于大型船用两行程柴油机。用定压增压还是脉冲增压，这也是与大型船用两行程柴油机相关的一项课题。直接扫气式柴油机可用提前开启排气门或排气口来控制供给涡轮的能量，单纯用脉冲系统和涡轮增压器就可以成功地运转。可是，随着柴油机平均有效压力的增高，由于提前开启排气门而损失的活塞能会超过涡轮增压器所能提供的能量，而且在当前涡轮增压器效率达到60%以上的情况下，定压系统变得更加有效。横流和回流扫气船用两行程柴油机单纯用脉冲系统和涡轮增压器，在部分负荷时的排气可用能量不足以保持稳定运转，因此，柴油机在起动和部分负荷运转时要求具有辅助扫气措施。随着柴油机平均有效压力的提高和涡轮增压器效率的不断改善，带有用于起动和部分负荷运转的辅助电动扫气泵的定压系统，已在部分柴油机上得到推广。

2.3.3两级涡轮增压器

实现两级增压的最简捷的方法是将两台现成的单级涡轮增压器前后串联。但其仍有不少缺点，为此研制了一种结构紧凑的两级涡轮增压器。柴油机两级增压的研究结果指出，两级涡轮增压器必须采用双轴结构，把高压级转子和低压级转子分开。试验证明，高压级的压气机蜗壳和涡轮进气壳体对高压气体具有足够的刚度。迷宫式气封工作也正常。试验结果，说明两级增压的优越性在于柴油机的空气消耗率比较大，燃油消耗率比较小，因而排气温度比较低。

3结语

水路运输在国民经济建设领域起着重要作用，船舶作为水路运输的重要载运设备，其重要性自然不言而喻。动力装置为船舶航行提供能量来源，基于其而开展的技术研发、试验验证与工程应用依然有着重要而深远的意义。

参考文献

[1]伍赛特.船舶推进节能装置技术研究及展望[J].上海节能，2019（11）：909-912.

[2]伍赛特.船用柴油机节能减排技术研究及未来发展趋势展望[J].内燃机，2019（5）：5-9.