某VLCC船分析法和熱分析法比較

王 歡

(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輪機(jī)工程系，江蘇南通 226010)

王 歡

(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輪機(jī)工程系，江蘇南通 226010)

以某型VLCC船為例，對(duì)該船主機(jī)不同工況下進(jìn)行了熱量損失和火用損失計(jì)算。通過(guò)比較分析可以看出，該VLCC船從熱平衡分析法的觀點(diǎn)來(lái)看，能量利用的重點(diǎn)是冷卻水的利用，顯然不經(jīng)濟(jì)。而火用分析法通過(guò)計(jì)算火用效率，評(píng)價(jià)能量的質(zhì)量，提高用能過(guò)程能量的質(zhì)量。該VLCC船從火用平衡分析法的觀點(diǎn)來(lái)看就是要從減少輻射熱、機(jī)械功中不可逆損失著手，提高火用效率，為VLCC船主柴油機(jī)熱力系統(tǒng)能量的利用指出了方向。

熱分析法；火用分析法；VLCC船熱效率；火用效率

當(dāng)前，能源問(wèn)題已經(jīng)成為世界性的突出問(wèn)題之一，我國(guó)的原油對(duì)外依存度高達(dá)46%，中國(guó)已經(jīng)成為石油消費(fèi)大國(guó)。但是中國(guó)既不是歐佩克成員(OPEC)，也不是國(guó)際能源署(IEA)成員[1]。如何節(jié)能是當(dāng)前我國(guó)面臨的重要研究課題。節(jié)能有兩個(gè)途徑，一是提高能源轉(zhuǎn)換、傳遞、運(yùn)輸和利用過(guò)程中的技術(shù)水平，減少損失。[2]二是從節(jié)能基礎(chǔ)理論從發(fā)，著重以能量守恒定律和能量貶值觀點(diǎn)來(lái)評(píng)價(jià)能量的利用率。

著眼于船舶行業(yè)來(lái)說(shuō)，船東想方設(shè)法降低成本追求利潤(rùn)最大化，必須尋求一種新的方法從根本上提高能源的利用率。本文從熱力學(xué)基本定律著手，研究熱力學(xué)基本理論，計(jì)算某船主機(jī)不同工況下的熱量損失和火用損失，分析該VLCC船能量的利用效率，為VLCC船主柴油機(jī)熱力系統(tǒng)能量的利用指出了方向。

1 火用(平衡)分析法理論基礎(chǔ)

1.1 能量的基本概念

火用是指熱能中能夠轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的部分。[3]其余為火無(wú)。能量 = 火用 + 火無(wú)。能量中火用 值所占的比例定義為能級(jí)，即：能級(jí) = 火用/(火用+火無(wú))。能級(jí)反映了能量對(duì)外做功的能力，能級(jí)高能量對(duì)外做功能力高，能級(jí)低能量對(duì)外做功的能力低。為了能夠?qū)Ω黝?lèi)設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行準(zhǔn)確分析，提高能級(jí)品質(zhì)，定義火用效率=產(chǎn)出的火用/付出的火用。

1.2 熱分析法和火用分析法

熱效率ηt即反映的是能量的利用率，提高熱效率目的在于提高能量轉(zhuǎn)換、傳遞、運(yùn)輸和利用過(guò)程中的技術(shù)水平，這種評(píng)價(jià)方式即為熱平衡分析法。[5]而火用(平衡)分析法，就是以用能就是用火用、節(jié)能就是節(jié)火用這樣一種觀點(diǎn)為基礎(chǔ)展開(kāi)的過(guò)程熱力學(xué)分析。[6,7]可以說(shuō)，后者是前者的基礎(chǔ)，而前者又包括了后者。因而發(fā)展前者并不意味著否定后者，火用平衡分析法既可評(píng)價(jià)用能過(guò)程，特別是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換以獲得動(dòng)力的用能過(guò)程，還可以揭示出熱力系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，評(píng)價(jià)系統(tǒng)的熱力學(xué)完善性。[8]因而發(fā)展火用平衡分析法是有必要的?，F(xiàn)將上述兩種評(píng)價(jià)方法總結(jié)于表1中。

表1 用能過(guò)程的評(píng)價(jià)方法

分析熱力學(xué)過(guò)程時(shí)除了考慮火用效率、熱效率和能級(jí)匹配，還要節(jié)省投資，增加系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。因此只能是依據(jù)給定的具體條件求得一個(gè)最優(yōu)折衷。

2 某型VLCC船動(dòng)力裝置的熱力分析

2.1 某型VLCC船動(dòng)力裝置簡(jiǎn)介

圖1所示為中遠(yuǎn)船務(wù)公司建造的超大型原油運(yùn)輸船(VLCC)，該船船東為“Frontfleet”公司，主尺度：256.5m×44m×21.3m，主機(jī): MAN B&W 6G60ME-C9.2 TierII，艙容：130000m3，油耗：39.5噸/天，航速：14.8 Kn，船級(jí)社：DNV。主要性能參數(shù)由MAN B&W中國(guó)公司提供，見(jiàn)表2。

圖1 某國(guó)產(chǎn)超大型原油船

主要性能參數(shù)/單位數(shù)值額定功率/kW29400額定轉(zhuǎn)速/rpm76.0缸徑/mm840沖程/mm13455平均活塞速度/(m/s)8.0平均有效壓力/bar19.0比燃油消耗率/(g/(kW.h))170.0比廢氣排放率/(kg/(Kw.h))7.66可燃用燃油重柴油(MDO)

該主柴油機(jī)采用中央冷卻系統(tǒng)，循環(huán)的淡水分別冷卻缸套水、潤(rùn)滑油和空冷器等高溫部件，然后在集中冷卻器中將熱量帶出舷外，見(jiàn)圖2。表3為冷卻系統(tǒng)熱交換數(shù)據(jù)。

該VLCC船帶走的熱量為：Qxl=17300kW，該主機(jī)正常工作額定功率為Ne=29,400kW，重油燃燒低位發(fā)熱值為hu=42,707kJ/kg，燃油消耗量mf=1.38833kg/s,百分比ηxl為：ηxl=29.18%。

表3 冷卻系統(tǒng)熱交換數(shù)據(jù)

該VLCC船設(shè)置了余熱回收裝置，以減少缸套冷卻水和空冷器的熱量損失，減少燃油消耗，降低經(jīng)濟(jì)成本，見(jiàn)圖3。

圖2 該船冷卻系統(tǒng)圖

圖3 該船余熱回收系統(tǒng)圖

2.2 熱分析法和火用分析法計(jì)算結(jié)果及比較分析

取燃油的低位發(fā)熱值hu=42707 kJ/kg，水的定壓比熱容Cex=4200 kJ/(m3.℃)，空氣的定壓比熱容Cexls=1.0383 kJ/(m3.℃)，潤(rùn)滑油的定壓比熱容Cexll=1764.935 kJ/(m3.℃)，分別取主柴油機(jī)不同負(fù)荷工況，計(jì)算能量損失，圖4和圖5為火用損失變化曲線。

圖4 火用損失變化曲線

圖5 火用損失百分比變化曲線

從圖4可以看出，隨著負(fù)荷增加，空冷器的火用損失的增加最多。從圖5可以看出，缸套水火用損失百分比和潤(rùn)滑油的火用損失百分比變化不大，而空冷器火用損失百分比逐漸增加最明顯。主要是因?yàn)椋鹩帽硎緹崮苤锌梢詫?duì)外做功，能夠轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的部分，所以溫度是影響火用 的重要因素。而空冷器進(jìn)氣溫度隨著負(fù)荷增加溫度越來(lái)越高，所以空冷器的火用損失增加最明顯。

圖6 排氣熱量損失和火用損失變化曲線

從圖6可以看出，低負(fù)荷時(shí)，排氣的熱量損失和火用損失小，高負(fù)荷時(shí)，排氣的熱量損失和火用損失大。

圖7 排氣能量和火用損失百分比變化曲線

從圖7可以看出，低負(fù)荷時(shí)，排氣能量損失百分比和排氣火用損失百分比高，當(dāng)負(fù)荷達(dá)到75%時(shí)，排氣能量損失百分比和排氣火用損失百分比最低，當(dāng)負(fù)荷達(dá)到100%時(shí)，排氣能量和火用損失百分比稍有上升。主要因?yàn)樨?fù)荷低時(shí)，燃料燃燒不充分，單位功率的燃油消耗量增加，排氣溫度高，故排氣能量損失和排氣火用損失大。75%負(fù)荷為經(jīng)濟(jì)負(fù)荷，此時(shí)燃料燃燒最充分，故排氣能量損失和排氣火用損失最小。當(dāng)負(fù)荷達(dá)到100%時(shí)，燃料燃燒熱量過(guò)高，排氣溫度高，故排氣能量損失和排氣火用損失稍有上升。

圖8為主柴油機(jī)100%負(fù)荷時(shí)熱分析和火用分析法柱狀圖比較，熱平衡分析只從數(shù)量上計(jì)算熱量的利用率，火用平衡分析既可評(píng)價(jià)用能過(guò)程，特別是能揭示出熱力系統(tǒng)用能的薄弱環(huán)節(jié)，評(píng)價(jià)能量利用質(zhì)量的高低。

圖8 100%負(fù)荷時(shí)熱平衡分析和火用平衡分析柱狀圖

從圖8可以看出，熱平衡分析法中，排氣熱量損失、空冷器冷卻損失、缸套冷卻水損失、潤(rùn)滑油冷卻損失占的比重比較大，其他熱量損失占的比重非常小。而火用平衡分析法可以看出，其他火用損失占的比重超過(guò)30%，在柴油機(jī)中主要包括輻射熱、機(jī)械功中不可逆損失。所以我們就要從輻射熱、機(jī)械功中不可逆損失著手提高火用效率。

3 結(jié) 語(yǔ)

首先介紹了熱平衡分析法和火用平衡分析法基本概念，以某VLCC船為例，對(duì)該船主機(jī)不同工況進(jìn)行了熱量損失和火用損失計(jì)算。通過(guò)比較分析可以看出，熱平衡分析法主要計(jì)算系統(tǒng)的熱效率，反映的是能量的利用率，只是從數(shù)量上考察用能和節(jié)能。該VLCC船從熱平衡分析法的觀點(diǎn)來(lái)看，能量利用的重點(diǎn)是冷卻水的利用，顯然不經(jīng)濟(jì)。而火用平衡分析法就是用能就是用火用、節(jié)能就是節(jié)火用，既可評(píng)價(jià)用能過(guò)程，特別是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換以獲得動(dòng)力的用能過(guò)程，評(píng)價(jià)能量的質(zhì)量。該VLCC船從火用平衡分析法的觀點(diǎn)來(lái)看就是要從提高火用效率著手，減少輻射熱、機(jī)械功中不可逆損失，為VLCC船主柴油機(jī)熱力系統(tǒng)能量的利用指出了方向。

因此，熱平衡分析法，單純考慮熱能系統(tǒng)的熱效率，而忽略了火用效率，是非常不科學(xué)的。合理定義火用效率的意義在于：能夠?qū)Ω黝?lèi)設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行準(zhǔn)確分析，改善火用效率，提高能級(jí)品質(zhì)，顯然比傳統(tǒng)熱效率分析更合理。所以熱力系統(tǒng)不僅需要計(jì)算熱效率，還要提高火用效率，同時(shí)考慮能級(jí)匹配。

1 王治宇. 基于矩陣模式的船舶余熱利用系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析[D]. 哈爾濱工程大學(xué)，2014：52-60.

2 陸松.熱力學(xué)分析在鍋爐系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技，2013(04):14-17.

3 陳偉智，張維競(jìng). 船舶中央冷卻系統(tǒng)串級(jí)控制的建模與仿真研究[J]. 中國(guó)造船, 2013(01):17-23.

4 任全水.船舶動(dòng)力裝置的熱力學(xué)分析[D]. 哈爾濱工程大學(xué),2012年:5-58.

5 梁前超 , 林文友. 火用 分析法在動(dòng)力裝置循環(huán)中的應(yīng)用及其優(yōu)點(diǎn)[J]. 中國(guó)修船,2006(08):46-49.

6 沈維道, 鄭佩芝, 蔣淡安.工程熱力學(xué)[M].高等教育出版社, 1983.

7 朱明善, 陳宏芳.熱力學(xué)分析[M].高等教育出版社, 1992.

8 趙冠春.火用 分析及其應(yīng)用[M].高等教育出版社,1984.

(責(zé)任編輯：譚銀元)

Comparison between Exergy Analysis and Thermal Analysis of VLCC Ship

WANG Huan

(Nantong Shipping College, Nantong 226010,China)

Taking a VLCC ship as an example, this essay carried out heat loss and exergy loss calculation on ship main engine. In thermal analysis, it was considered that the key of energy utilization is the use of cooling water, which is obviously not economical.While exergy analysis can be used to calculate exergy efficiency, evaluate and improve energy quality. In exergy analysis, it was suggested to reduce the radiation heat and irreversible loss in mechanical work to improve exergy efficiency, which pointed out the direction for use of thermodynamic system energy on VLCC ship engine.

Thermal analysis; Exergy Analysis; VLCC; Thermal efficiency; Exergy efficiency

南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技研究課題：大型船用柴油機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究，項(xiàng)目編號(hào)：HYKJ/2016QN07。

2016-10-06

王 歡，女，講師，主要研究方向：船舶動(dòng)力裝置噪聲與測(cè)試技術(shù)。

U66

A

1671-8100(2017)01-0021-04