毕业设计（论文）-柴油发电机组的余热利用.doc

山东大学学士毕业论文 学士学位论文学士学位论文 Shandong University Bachelors Thesis 论文题目论文题目：柴油发电机组的余热利用 学学 院院：能源与动力工程学院 专专 业业：热能工程 学学 号号：200800180097 姓姓 名名：刘 凯 指导老师指导老师： 公维平 山东大学教务处制 二一二年五月 山东大学学士毕业论文 ii 山东大学学士毕业论文 i 目目 录录 摘要.I ABSTRACT.II 第一章 绪 论.1 1.1 我国能源利用状况与大气污染及环保压力 .1 1.1.1 我国能源情况.1 1.1.2 大气污染与环保压力.2 1.2 能源回收利用 .3 1.3 柴油发电机组 .3 1.3.1 柴油发电机组简介.3 1.3.2 柴油发电机组的发展.4 1.3.3 柴油发电机组余热利用概述.5 1.4 本章小结 .7 第二章 柴油发电机组余热利用国内外的研究背景与现状.8 2.1 冷却循环水余热利用采暖系统 .8 2.2 排气余热加热供热系统 .9 2.3 余热驱动的吸附制冷系统 .11 2.3.1 利用柴油发电机组尾气余热的吸附式制冷系统的工作原理.11 2.3.2 吸附式制冷在余热利用中的优势.12 2.3.3 吸附式制冷在机车柴油发电机组上应用.12 2.4 温差发电系统 .13 2.4.1 温差发电的基本理论 .13 2.4.2 温差发电的典型系统与实例 .14 2.5 本章小结 .15 第三章 柴油发电机组烟气分析及余热回收计算.16 3.1 柴油燃烧的烟气计算 .16 3.1.1 柴油的成分 .16 3.1.2 柴油燃烧产物的计算 .17 3.2 柴油发电机组烟气余热计算 .19 3.2.1 换热器出口温度的选择与低温腐蚀 .19 3.2.2 柴油发电机组尾气比热的确定 .20 3.2.3 柴油发电机组烟气余热量的计算 .21 第四章换热器理论计算与分析.22 4.1 换热器概述 .22 4.2 翅片管式换热器的换热原理 .24 4.3 翅片管式换热器的性能要求 .24 4.4 换热器材料的选择 .25 4.4 换热器换热面积估算 .26 第五章 2000KW 柴油发电机组余热实际利用系统 .27 山东大学学士毕业论文 ii 5.1 2000KW柴油发电机组尾气余热热力系统 .27 5.2 系统数据分析 .27 第六章 结论.28 致 谢.32 山东大学学士毕业论文 I 摘要摘要 随着我国优化能源结构，推进节能减排政策，各种余热利用技术在城市生 活、生产供热中得到广泛应用。最近几年，柴油发电机组也得到了广泛的应用， 尽管其功率较低，但由于其体积小、灵活、轻便、配套齐全，便于操作和维护， 所以广泛应用于矿山、铁路、野外工地、道路交通维护、以及工厂、企业、医 院等部门，作为备用电源或临时电源。柴油发电机组运行过程中，尾气温度能 达到 500左右，冷却液也能达到 6070，据测算这两部分一般能占到柴 油机整个产热量的 50左右，所以提高柴油发电机组余热的利用水平也逐渐成 为能源环境工程领域的一个重要课题。 首先，通过查阅大量的资料，得到柴油发电机组余热利用在国内外的研究 背景与现状，利用方式大致分为冷却循环水余热利用采暖、排气余热加热供热 利用、余热驱动的吸附制冷和温差发电四个方面，应用也比较广泛和多样。 其次，对 0 号柴油燃烧后的烟气进行研究，得出柴油发电机组的燃烧产物 与燃烧产物中带的余热量，经过计算发现余热量还是十分巨大的。 第三，对燃料成分进行分析，为避免低温腐蚀选定换热器出口面积，同时 进行了换热器的简要选择与计算得出换热面积。 最后，选型 2000kw 柴油发电机组，对其实际应用进行设计分析。 关键词：关键词： 柴油发电机组、余热利用、经济性、翅片管式换热器 山东大学学士毕业论文 II ABSTRACT As China adjusts energy structure and promotes energy conservation and emission reduction policy, all kinds of waste heat utilization technology was widely used in the city life and central heating. In recent years, diesel generating sets obtained the wide spread application, despite its power is low, but because of its small volume, flexible, lightweight, necessary is complete, easy operation and maintenance, so they are widely used in mines, railways, field site, road maintenance, and factories and enterprises, hospitals, and other departments, as backup power supply or temporary power supply. When diesel generating sets running processes, exhaust temperature can reach 500 , cooling fluid still can reach 60 70 , according to estimates the two parts of the general can to diesel engine in about 50% of quantity of heat, so improve the waste heat utilization level of diesel generating sets also has become an important issue in energy environment engineering field. First of all, access to a large number of material, get the remaining heat using in the domestic and international background and study situation of diesel generating sets, the use means roughly divided into recirculating cooling water waste heat using heating, exhaust waste heat heating heating utilization, waste heat driven solid adsorption refrigeration and temperature difference power four aspects, applications are more extensive and diversity. Second, to research the smoke of burning 0th diesel , draw the diesel generating sets of combustion products and combustion products with more than the heat, heat or more than a computation found significant. Third, to fuel composition analysis, and to avoid corrosion at low temperature heat exchanger selected export area. At the same time, the heat transfer area of the heat exchanger are calculated and rightly choosed . Finally, type 2000 Kw diesel generating sets, and rightly designed analysised. KEY WORD: Diesel generating sets、waste heat utilization、 economy、finned tube heat exchanger、flue gas 山东大学学士毕业论文 11 第一章第一章 绪绪 论论 1.11.1 我国能源利用状况与大气污染及环保压力我国能源利用状况与大气污染及环保压力 1.1.11.1.1 我国能源情况我国能源情况 我国能源资源并不十分丰富，供应十分紧张。在各种能源资源中，最具有 实际意义的是煤炭、石油与天然气、水能和核能资源。由于我国人口众多，能 源的人均资源占有量是世界人均资源占有量的1/2，仅及美国人均资源占有量的 l/10。在我国各种能源资源中，煤炭资源最为丰富，煤炭占我国各种化石燃料 资源总储量的95以上。我国是世界上煤炭最大的生产国与消费国，从1990年 起，我国煤炭生产及消费量一直位居世界第一。就煤炭消费而言，它不仅是我 国最重要的能源，而且也是重要的化工原料。我国煤炭占能源生产和消费总量 一直稳定在75左右，这一状况至少在20-30年内不会改变。 石油也是我国一种重要的能源，石油又称原油，是从地下深处开采的棕黑 色可燃粘稠液体。主要是各种烷烃、环烷烃、芳香烃的混合物。它是古代海洋 或湖泊中的生物经过漫长的演化形成的混合物，与煤一样属于化石燃料。石油 主要被用来作为燃油和汽油，燃料油和汽油组成目前世界上最重要的一次能源 之一。石油也是许多化学工业产品如溶液、化肥、杀虫剂和塑料等的原料。我 国石油储量不足，进口迅速增加。到 1998 年底，我国已经探明的石油储量仅 57.15 亿吨。到日前为止，已有 48.7 亿吨石油储量已投入开发。1998 年底已采 出 33.3 亿吨，可采储量采出程度达 58.3%。我国从 1993 年起，就已成为一个 纯粹的石油输入国。2000 年我国原油的纯进口量约为 5996 万吨，到 2010 年我 国进口原油已经达 1.6 亿 T。柴油是石油提炼后的一种油质的产物，同时柴油 也是柴油发电机组的燃料。 我国能源消费总量和人均消费量一直持续增长，按照国家发展计划，到本 世纪中叶要达到小康水平、中等发达国家水平，人均能源消费量将会大幅度提 高.到本世纪中叶我国水平，人均能源消费量将会大幅度提高。到本世纪中叶我 国人口将达到15-16亿，人均能达到中等发达国家水平，约为2吨标准煤，全国 山东大学学士毕业论文 2 将消费30-32亿吨标准煤，其中煤耗在60左右，耗煤量为18-20亿吨标准煤， 这必然会带来更大的环境压力。 我国能源平均利用率只有国外的30，主要工业产品能量单耗比国外高出 40左右。我国单位产值能耗是发达国家的3-4倍，低的热效率不仅意味着落后 的生产燃烧设备和技术，也意味着向自然界排放更多的污染物123。 当前人类面临着资源、环境与人口三大问题，随着工业的发展、资源的短 缺、人口的增长，这些问题在包括中国在内的发展中国家尤其突出。解决这些 问题的重要措施之一是，使人们充分地认识到资源的有限性、保护环境的迫切 性和控制人口增长的必要性。合理、有效地利用有限的资源是解决人类三大问 题的中心环节，其中化石燃料资源对国民经济的发展起着极其重要的作用。 1.1.21.1.2 大气污染与环保压力大气污染与环保压力 大气污染系指人类活动或自然过程引起某些物质介入大气中，呈现出足够 的浓度，达到了足够的时间，并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害 了环境。大气污染主要是人类活动造成的。大气污染物按其存在状态可概括为 两大类：气溶胶状态污染物、气体状态污染物。 我国的大气污染状况是世界上比较严重的。主要的大气污染物是漂尘和 SO2，是所谓的煤烟型污染。北方城市大气污染程度比南方城市严重，冬季比夏 季严重。随着国民经济的发展，国家财政状况的改善，环保意识飞速提高，国 家出台了一系列严格的环保法律法规，保护环境是我国两大基本国策之一，宪 法第十一条规定“国家保护环境和自然资源、防治污染和其它公害” ，依照宪法 又制定了中华人民共和国环境保护法 、 中华人民共和国大气污染防治法 。 与此同时，从中央到地方以至各工业企业，也逐步建立了相应的环境保护机构 及环境监测中心及站点。 世界经济的发展和人类赖以生存的环境是很不协调的，经济发展和人口增 长给环境带来的压力愈来愈大，而发展中国家的情况更为突出。各种环境问题 层出不穷，直接或间接地影响生态平衡、影响人类的健康和生存。人类社会要 持续发展就必须保护赖以生存的环境，这已成为国际社会的共识。人们的环保 意识日益增强，保护环境、保护地球的呼声日益高涨，人类从来没有像今天这 山东大学学士毕业论文 3 样意识和感受到生存环境的威胁，从来没有像现在这样期盼环境质量的改善。 解决发展与环境的矛盾，应该从节约能源、减少污染源和污染防治三大方 面着手。具体的方式方法必须根据各个国家不同的经济发展阶段、经济储备总 量、商业技术能力和环境现状而定，合理地协调与平衡，进行损益分析，走可 持续发展之路。 1.21.2 能源回收利用能源回收利用 社会的持续发展必须有充足的可持续能源作保障。自从发生世界性石油危 机以后，如何缓解以石油为标志的能源危机是当前人们开始深思的一个问题。 各个国家出台了一系列措施缓解这个问题。目前各国废热利用成为一个新的再 生能源利用热潮。废热主要是工农业生产中产生的，以及自然界中没有被利用 的热源都统称为废热。主要有地热、海洋热、船舶余热、工业废热。 废热主要的特征是：温度低、回收利用效率低、热源不稳定、对技术要求 高、投资小或无初投资。这些特点决定了废热长期以来没有很好的利用，直接 浪费掉了，如今科技日益发达，然而能源的匮乏，有的甚至造成环境污染，这 些逼迫人们考虑将这些废热的重新利用和回收。同时，如果这些能源如果能够 合理的重新利用起来将推进能源综合利用效率，缓解能源危机也具有重要作用。 此外，随着工业的高速发展，每天都有大量的工业余热和废热产生，这些 废热不仅严重污染我们周边的环境，造成温室效应，同时有些废热携带有害物 质连同废热排向大气，引起酸雨等自然灾害，这些现象强烈呼吁废热能够很好 的回收利用，因此充分利用工业废热不再仅仅是单纯经济性的需求。尽管目前 已经采取了一系列措施回收利用废热，但未被利用的废热资源仍然十分丰富， 特别是温度较低的余热和废热。例如柴油发电机组尾气温度达到五六百摄氏度， 具有极高的能量利用价值。 山东大学学士毕业论文 4 1.31.3 柴油发电机组柴油发电机组 1.3.11.3.1 柴油发电机组简介柴油发电机组简介 柴油发电机组4是一种小型发电设备，系指以柴油等为燃料，以柴油机为 原动机带动发电机发电的动力机械。整套机组一般由柴油机、发电机、控制箱、 燃油箱、起动和控制用蓄电瓶、保护装置、应急柜等部件组成。整体可以固定 在基础上，定位使用，亦可装在拖车上，供移动使用。 与大型电厂的发电机相比,柴油发电机组体积小,自成一体,装上汽车可方便 地移动、操作容易,可随时起动,其发出的电能与市电一样,可以直接带动用电设 备。由于这些特点,使柴油发电机组在国民经济和社会生活的很多方面有着广泛 的用途;凡是市电电力网还未到达或供电保障不太可靠的地区,基本上都用柴油 发电机组发电,来解决用电设备或生活的需求。网络、通信、传媒等这些信息化 社会核心领域的关键设施都离不开不间断电源。UPS（不间断电源）和柴油发电 机组的联合供电系统,是现代信息领域对电源的最佳选择。由此,柴油发电机组 也从早已形成的应用范畴拓展了新的用武之地。 由于一般柴油发电机组排烟温度在500-600左右，冷却水也能达到60- 70，余热利用潜力较大。如果把这两部分热量加以合理利用，夏天可以利用 余热进行制冷，冬天可以用来采暖，日常可以提供生活热水，不仅能够节约能 源，提高能源综合利用率，提高生活舒适性，同时也能够保护环境，减少温室 气体排放。 1.3.21.3.2 柴油发电机组的发展柴油发电机组的发展 20世纪初外国殖民者把油机发电机组带入我国。抗战前期,上海已有了用国 外的内燃机和发电机进行组装油机发电机组的工厂,其产品主要用于军事和舰船 的修造。解放后,作为国民经济基础产业的内燃机制造业和发电机制造业蓬勃发 展。上世纪五、六十年代,我国已形成了制造汽油发电机组和柴油发电机组的产 业集群,并且制定了国家和企业的相关技术标准。所生产的柴油发电机组在工业、 农业及国防、交通、通信等建设中起到重要作用。 柴油发电机组是技术密集型的产品，包括柴油机、发电机和自动控制、检 山东大学学士毕业论文 5 测、保护装置三部分,涉及到内燃机、电机、自动控制三专业的技术。在柴油机 技术发展上，首先当前国际上电站用柴油机正不断提高产品可靠性，并向着大 修期前无故障方向发展，其次是提高经济性，要求燃油消耗率达到 210g/（kW.h）一下，此外对环境指标不断提出新的要求，如柴油机整体噪声声 压级要达到96db（A） ，排放标准普遍达到“欧”限制标准等5。 在发电机技术的发展上，国内生产的发电机,绝大部分是相复励系统,其稳 态、动态电压调整特性较差。为了提高这种性能，国内外都发展无刷励磁系统。 同时这种无刷励磁系统都向着体积小，重量轻高效率进行发展。为了尽量缩短 停电时间，减少停电损失，不仅柴油机要向冷机快速启动方向发展，发电机更 应该那样。 在自动控制技术的发展上，为了使柴油发电机组各个部件处于最佳点上且 应急功能和保护功能更趋合理和完善必须发展柴油发电机组的自动控制技术。 原来柴油发电机组的基本机电参数如润滑油压力、冷却水温、转速、润滑油温 度、电压、电流、频率、功率远不能反映其工作状态的最佳性能,也不能适应自 动起动、自动并车、自动监控、自动解列的要求,必须有更多参数,如起动设备 的监控量、冷却水压力、排气温度、柴油发电机三次起动失败和电压调节器的 监控等。如此多的物理量在老的继电器或数字电路控制已远不能胜任,随着计算 机技术的发展,给柴油发电机组技术的发展提供了新的思路和手段,它极大地提 高了柴油发电机组自动化运行的最佳性、保护功能的完善性和应急功能的快速 性。也可在组成柴油机发电机电站的并联化和模块化时更简便,更可靠。 柴油发电机组肩负着为国民经济以及人民生活用电提供发电成套设备的重 任，所以它在很长一段时间内还会占据着很重要的位置。而伴随着时代的进步 社会的发展，原有的那种发电机组笨重、耗油高、噪音大、尾气污染严重，显 然已经不适合社会的需要。所以未来发电机组的发展方向应该是节能、环保、 轻型化、小型化、美观大方。这样才能发挥出发电机组的潜在优势。 1.3.31.3.3 柴油发电机组余热利用概述柴油发电机组余热利用概述 查阅资料得，发动机在不同的工况下，燃料燃烧有很大一部分能量随尾气 与冷却水散发了，按照热能表现为有效功和各种损失的数量分配来研究燃料中 山东大学学士毕业论文 6 总热量的利用情况，称为发动机的热平衡。燃料的总热量大体可以分成四部分， 转化为有效功的热量QE，传给冷却介质的热量QS，废弃带走的热量QT和其他热量 QL。其热平衡方程如下： (1-1) bESTL QQQQQ 为燃料在缸内完全燃烧每小时所放出的热量。 b Q 为转化为有效功的热量。 E Q 为传给冷却介质的热量。它包括工质向缸壁及燃烧室散出的热量、废气 S Q 在排气管道内散失的热量、摩擦发热所散失的热量、从润滑油散失的热量 等。一般：QS/Qb的值：汽油机为12-27，柴油机为15-35。柴油 机因其压缩比高。燃气膨胀较为充分，所以该比值下降。 为废气带走的热量，废气排出时，由于温度很高，将带走相当一部分未 T Q 曾利用的热量，是属于发动机的主要损失。一般QT/Qb的值：汽油机为 30-50，柴油机为25-45。柴油机中的燃气膨胀比汽油机充分，排 气温度低，所以该值较小。 为其他热量损失。上述三项热量损失以外的热损失均用于此项损失，如 L Q 辐射热损失、不完全燃烧损失和其他没有计入的热损失等。这部分热量损 失对汽油机和柴油机来说，都大体相同，其QL/Qb约为5。 这里没有单独考虑机械损失消耗的热量，因为摩擦损失所消耗的热量大部 分被冷却介质和润滑油带走，所以机械损失热量分别含在QS和QL中。发动机的 热平衡就是通过实验确定各项热量分配的比例数字，并从中分析哪些热损失可 以通过采取措施进一步变为有效功或作其他用途，以提高能量利用率。在发动 机的不同工况下，其各项的比例是不同的。表1-1表示在全负荷工况下，柴油发 电机组热平衡方程式各部分组成的大致数值。 表1-1发动机的热平衡6 热平衡方程各项组成汽油机（）柴油机（） 转化有效功热量 E Q 25-3030-40 废气带走热量 T Q 30-5025-45 山东大学学士毕业论文 7 冷却介质带走热量 S Q 12-2715-35 其他热量损失 L Q 2-102-10 由此可见，在理论和技术高度发展的今天，提高柴油机本身输出效率空间 相当有限，在这背景下通过内燃机余热综合利用的研究备受重视。目前如何回 收这经相当有限，况且对于柴油发电机组，柴油机功率比较大，热损失也较大， 余热利用空间较大，前景广阔。 1.41.4 本章小结本章小结 1、全世界的能源需求缺口都很大，而我国的供需矛盾尤其突出。 2、经济发展和人口增长给环境带来的压力愈来愈大，大气污染极其严重。 3、柴油发电机组余热利用空间大，能有效的起到节能环保的作用，同时对柴油 发电机组的经济性起到极大的作用。 山东大学学士毕业论文 8 第二章第二章 柴油发电机组余热利用国内外的研究背景与现状柴油发电机组余热利用国内外的研究背景与现状 柴油发电机组的余热分为冷却系余热和废气余热，冷却系余热(约 6070)属于低温余热，尾气余热(约500)属于中温余热，这两部分一般 约占50(最大值约为55)，由于热平衡也同柴油发电机组大小、结构型式等 有关，因此这里不详细分类描述。冷却水的余热温度较低，目前国内外主要利 用这部分余热进行供暖及供给生活热水等。而发动机的尾气余热由于温度较高， 具有较高的温度利用价值。主要用途有：1、用于供热给进水和出水温度分别为 90和70的固有采暖设备；2、用于供给生活用热水；3余热驱动的吸附制 冷系统；4. 温差发电系统等。在这一章将会给大家介绍几种国内外典型的对这 部分余热的利用方法及其系统分析。 2.12.1 冷却循环水余热利用采暖冷却循环水余热利用采暖系统系统 由于目前在柴油发电机组发电的同时，会有大量的冷却循环水携带热量损 失掉了，如果能将将冷却循环水的余热利用到采暖中，将会大大的节约能源， 减少环境污染。我国重要输油管道格拉管道地处偏僻，泵站也大都处于荒山野 岭，若连接电网，不仅投资成本高，且电网损耗严重，故采用柴油发电机组来 供给生产及职工生活用电。产延洋站为格拉管道重要泵站，为了改善生活和生 产条件7，采用上海锅炉厂专门为高原设计的WNSI-8型高原燃油锅炉进行供暖， 虽效果不错，但是存在着耗油高、浪费大的缺点。 经调研发现产延洋站用于发电的柴油发电机组冷却水量大，经过论测算， 若将发电机组的冷却水利用到采暖中，将会节约大量燃油，经济效益较高，同 时能减少燃油锅炉的环境污染问题。由于管道每年会有一段时间停输期，只有 一台小型柴油发电机组供给生活用电，为了将柴油发电机组冷却水的余热利用 到采暖中，将单一热源锅炉采暖改为了双重热源采暖。 改造后的泵站具有双重热源，停输期间由于生产用电骤减，将继续采用锅 炉采暖，输油期间则将采用柴油发电机组冷却循环水余热采暖。其关键技术是 将柴油发电机组冷却循环水工艺管路系统与泵站住房采暖工艺管路系统连接起 山东大学学士毕业论文 9 来，中间安装循环水泵，使柴油发电机组成为泵站采暖的热源之一，使之替代 锅炉采暖，经测试，该采暖方式效果与锅炉采暖并无不同，室温保持在15- 30范围内，能满足泵站的生产和生活需要，除拉萨分输站外其余11座泵站都 进行了改造，实践证明改造后的采暖效果良好。针对唐古拉泵站深井水源有些 混沌和管道容易结垢的情况，1996年8月对锅炉采暖及柴油机余热采暖工艺进行 三个方面改造。一是割断立管，中不安装了一个d100闸阀以便调节通过柴油发 电机组进行冷却循环的水量。二是在每台柴油发电机组上下水管路上连接一台 散热器，一方面增强冷却水的散热效果，另一方面也便于柴油发电机组冷却循 环水实现小循环。三是在补充水箱和循环水泵之间的管路上安装一台小型给水 泵，增强补水效果，防止拉缸事故的发生。 柴油发电机组冷却水余热利用，在格拉管道沿线泵站应用17年以来，收到 良好的经济效益。根据沿线11座泵站的统计得知，改造前，每年每站投入锅炉2 台各运行8个月共计240d，平均每天每台锅炉运行9h，每台锅炉平均每小时采暖 耗油量为1.584t，而在输油期间的四个月将柴油发电机组冷却循环水余热利用 到泵站采暖代替锅炉采暖后，每年节约油料792t，17年累计节约柴油13464t， 合计人民币3164万元。有关资料表明WNSI-8型高原燃油锅炉的大修期为6000h， 锅炉允许三次大修，最长寿命为18000h。按原设计每站每年投入2台，8个月共 计240d和美台每天投运9h计算，每台泵站17年就需要更新4.08台，全线11座泵 站就需要更新45台，而书友期间柴油机余热应用到泵站采暖后是锅炉采暖期由8 个月降为4个月，使锅炉更新的速度减少一半。17年共节省新锅炉22.5台，折合 人民币247.5万元。 2.22.2 排气余热加热供热系统排气余热加热供热系统 长期以来，大型柴油发电机机排气余热利用的普遍方式是通过废气锅炉产 生蒸汽满足加热、保温和生活等用途。在中、小功率的柴油发电机组上，由于 主机排气废热能量不大，能回收的动力很有限，所以都采用最简单的余热加热 利用方式，即在排气管处安装取热器，制取热水进行采暖供热。在有些很小功 率的机组上甚至只装排气热水器以供应生活热水。图2-18示出大型柴油发电机 组排气余热转换为加热热能的利用系统图。 山东大学学士毕业论文 10 废热锅炉 热用户 疏水阀 凝结 水箱 循环水泵 废气 图2-1 最简单的排气余热利用系统 图上示出的废气锅炉是烟管式废气锅炉，也有采用水管废气锅炉的余热利 用系统。近年来强制循环水管锅炉也已在这种余热利用系统中得到应用。如图 所示，锅炉产生低压蒸汽供各种加热之用，排气从烟管内流过，热量通过管壁 传至烟管外边的水，水接受热量变成蒸汽。蒸汽被引入各热用户，在其中放出 热量后凝结成水，经疏水阀排入凝结水箱中，再由给水泵将凝结水送回锅炉重 新受热变成蒸汽，这样构成不断的循环。给水泵根据耗汽量的变化，通过水位 自动控制设备，将炉内的水位保持在一定范围之内。 余热利用的一个特点是由于工况的变化使排气余热的供应量与余热的需要 经常发生不平衡。一般情况下在这种系统中是采用排气旁通调节方法法来调节 流过锅炉烟管的排气流里以达到调节产汽量和适应蒸汽需要量的。当柴油机组 低负荷运行或者停止运行时，排气温度和流量都将会大幅度下降，以致小于蒸 汽需要量，如果热用户比较稳定的话，一般还应该加装一台燃油辅锅炉，并将 其产生的蒸汽用管道与废气锅炉蒸汽管道连一起补充锅炉蒸汽量的不足。 用于加热的蒸汽一般都采用饱和蒸汽，因而这种废热利用系统的废气锅炉 只产生饱和蒸汽。饱和蒸汽温度是随着蒸汽压力而变的，压力愈大，则温度愈 高。作为加热热源的蒸汽，其压力都不需要很高，只要能满足加热的目的，使 被加热流体能达到所要求的温度即可。不同的用途要求的蒸汽压力也不同，通 常用于加热的蒸汽压力都在0.7MPa以下，普遍使用的是0.3-0.8MPa。采用较低 山东大学学士毕业论文 11 的蒸汽压力可获得较大的温度差(即锅炉的烟气平均温度与该压力下的饱和蒸汽 温度之差)，从而获得较大的蒸汽产量。如果要求同样的蒸汽产量，则废气锅炉 的面积可减少。 2.32.3 余热驱动的吸附制冷系统余热驱动的吸附制冷系统 对吸附式制冷技术的研究最早出现在20世纪20年代。随着全球性的能源紧 张和环境恶化，进入20世纪70年代以来，这种制冷方式由于对低品位热能的有 效利用和不采用氯氟烃类制冷剂而逐渐受到各国专家和学者的重视，研究不断 深入和发展。 柴油发电机组尾气吸附式制冷系统很好地符合了当前的能源和环保政策。 与蒸气压缩式制冷方式相比，柴油发电机组尾气吸附式制冷系统利用柴油机尾 气的废热驱动。有效地利用低品位热能，可节约大量能源，而且不采用氯氟烃 类制冷剂，避免了传统制冷方式带来的温室效应及对臭氧层的耗散作用。因此， 从节约能源和环境保护的角度，柴油发电机组尾气吸附式制冷系统是一种较理 想的制冷方式。 2.3.12.3.1 利用柴油发电机组尾气余热的吸附式制冷系统的工作原理利用柴油发电机组尾气余热的吸附式制冷系统的工作原理 根据工质对的反应特性，以CaCl2为吸附剂，以NH3为制冷剂，可以组成一 个 基本型(单床吸附)吸附式制冷循环，如图2-2所示。吸附发生器中的CaCl2在低 温、低压下吸附NH3形成络合物CaCl2.8NH3。加热吸附发生器，CaCl2.8NH3温度 上升，NH3从CaCl2.8NH3络合物中脱附出来成为气态，然后在冷凝器中冷凝成液 体，CaCl2.nNH3 (1n8)继续被加热,不断有NH3脱附出来。脱附后的NH3进入冷 凝器被冷却，液态NH3进入储液器，然后经过节流阀，温度和压力继续降低，并 在蒸发器中蒸发成气态，吸附发生器降温至吸附临界点以下时，开始吸附蒸发 器中的NH3。此后，NH3继续蒸发而CaCl2.nNH3被冷却剂冷却降温吸附NH3，从而 完成一个制冷循环910。 山东大学学士毕业论文 12 图 2-2 基本型吸附式制冷系统示意图 2.3.22.3.2 吸附式制冷在余热利用中的优势吸附式制冷在余热利用中的优势 (1)制冷系统的驱动力来自高温热源，热源温度一般在200以下，甚至可采用 70左右的热源，因此可以利用多种余热资源这样不仅提高了能源利用率， 还相当减少了温室气体的排放。 (2)吸附式制冷所采用的工质对大气环境几乎全部是无害物质，如吸附剂用 活性炭、分子筛、硅胶等，吸附质用甲醇、水、氨等。因此，吸附式制冷也被 称为绿色环保技术。 (3)吸附式制冷系统中的运动部件少，甚至可以不含运动部件而且抗震动 和抗倾覆能力较强，从这一点来说，它应用于机动设备的可能性较大。 (4)吸附式制冷系统中冷凝温度和吸附温度可以根据外部热源和吸附工质对 的情况适当提高，因此可以在系统中安排风冷，而不必像吸收式制冷系统中那 样担心结晶问题。 2.3.32.3.3 吸附式制冷在机车柴油发电机组上应用吸附式制冷在机车柴油发电机组上应用 下图2-3为机车柴油发电机组余热吸附式制冷图11。内燃机车内部柴油机 排放的大量余热可以作为驱动热源，柴油机消音器后的余热经阀门控制间歇地 山东大学学士毕业论文 13 向吸附床供热，吸附床间歇地加热冷却而驱动制冷循环冷水机组，制出的冷水 通过暖风机水管道，输送到两端司机室然后通过冷暖风机实现空气调节。 图 2-3 机车柴油发电机组吸附式制冷示意图 2.42.4 温差发电系统温差发电系统 20世纪70年代以来，一些工业发达国家的学者提出了采用温差发电器来解 决车用内燃机余热利用的问题。依据热电直接转换原理，具有结构简单、无运 动部件、无噪声等特点，在低品位热能利用方面具有独特的效果：把它安装在 内燃机的排气管上，能够将内燃机运行余热直接转换为电能。温差发电的研究 包括了热电器件和发电器两个方面，是热电学的一个重要领域。 2.4.12.4.1 温差发电的基本理论温差发电的基本理论 热电基本理论热电转换材料具有3个基本效应，即Peltier效应、Seebeck效 应和Thomson效应，这3个效应奠定了热力学中热电理论的基础，也为热电转换 材料的实际应用展示了广阔的前景12。 在1832年，自从塞贝克效应(用于发电)和帕帖耳效应(制冷和热泵)发现以 后，基于热电效应的热电制冷和热电发电得以广泛研究。塞贝克效应是当有温 差存在的时候，沿着导体的方向就会有一个电势差存在。载流子(电子或空穴) 从热端流向冷端，同时会在导体内部产生一个电动势阻止热量进一步扩散，如 图2-4所示。实验证明温差电动势的大小与两个接点之间的温差成正比，塞U 贝克系数定义为两点间单位温差下的电压。其数值为 山东大学学士毕业论文 14 0 lim ab T UdU TdT 单位为V/K但通常由于这个数值非常小，所以更常用的单位是/K。V 图2-4 塞贝克效应示意图 赛贝克效应是实现热能转化为电能的直接途径，是温差发电的理论核心。 2.4.22.4.2 温差发电的典型系统与实例温差发电的典型系统与实例 温差发电系统13一般由热电模块、废热通道以及冷却水箱（使用风冷方式 则无此设备）3部分组成，图1-2示出典型的温差发电系统。热电模块平铺在废 热通道上，其冷热两端分别为冷却水和发动机尾气，通过冷却水和尾气的温度 差来实现温差发电。该装置具有结构简单、便于安装及夹紧容易等优点，缺点 在于废热通道内部空间较大，尾气热量得不到充分利用，同时，其外表面温度 分布不均匀，导致热电模块组热端温度不一致，影响模块组的发电效率。 图1-3 典型的温差发电系统 我国很多远洋船只柴油机上安装了余热发电装置，一般热电器件从消音器 山东大学学士毕业论文 15 后面开始贴，也就是流速降下来以后，此时从烟囱出来的烟气直接排向大气， 对船上设备没有影响。对于主机功率为3300Kw的船舶，经查数据可得，发电量 可达230kw，柴油机运行一年就可以节约燃油2.57吨。从理论上说，我们由此可 以得出发电柴油机运行一年可节约燃油量大约为发电柴油机年消耗量的 O.77，但从节约燃油消耗量来说，这些热量纯属浪费的热源，能够回收 O.77，对于这样一个小船而言，能够回收废热这么多，已经相对来说比较客 观，所以说如果能够将余热发电装置安装到柴油发电机组上仍然是可行的，极 大的提高了经济性，且电是品味极高的能源，具有非常广泛的用途，极大地提 高了方便性。 2.52.5 本章小结本章小结 1对于柴油发电机组余热的利用是十分可行的，冷却循环水作为较低品味 的热能可以用来供暖和提供生活热水，尾气余热则可以进行余热发电及制冷等。 2.余热的利用方式多样，在选择上我们可以根据实际情况选择利用方式， 极大地提高了余热的适应性。由于柴油发电机组本身具有灵活性，则其余热的 利用方式将具有极大的前景。 山东大学学士毕业论文 16 第三章第三章 柴油发电机组烟气分析及余热回收计算柴油发电机组烟气分析及余热回收计算 3.13.1 柴油燃烧的烟气计算柴油燃烧的烟气计算 柴油在气缸中的燃烧情况极为复杂，但本质上仍然是碳和氢激烈的氧化反 应，对柴油发电机组的烟气分析便可以对所排烟气比热进行量的计算，进而得 到烟气所包含的热量。 3.1.13.1.1 柴油的成分柴油的成分 柴油是在270350的温度范围内从石油中提炼出来的，它是由87%的碳，12.6%的 氢和0.4%的氧组成的茶黄色液体碳氢化合物。柴油分为轻柴油和重柴油，轻柴 油用于1000r/min以上的高速柴油机；而重柴油用于1000 r/min以下的中、低速 柴油机。本文研究的柴油发电机组所用柴油为0#轻柴油，经查阅资料0#柴油各 物质成分如下表3-1所示，0#轻柴油的燃料元素成分如下表3-2所示； 表 3-1 0#柴油各物质成分 0#柴油成分体积分数（%） 链烷烃 67.69 环烷烃 15.22 一环 8.6 二环 5.36 三环 1.26 总的芳香烃 17.09 单环芳烃 9.9 烷基苯 8.56 茚，萘衍生物 1.34 山东大学学士毕业论文 17 多环芳香烃 7.19 茚类 0.37 萘类 3.58 苊类，苊烯 2.41 三环芳烃 0.43 胶质 0.40 表3-2 0#轻柴油的燃料元素成分 元素 CyHyOyNySyAy 质量分数（） 85.5513.490.660.040.250.01 3.1.2 柴油燃烧产物的计算柴油燃烧产物的计算 烟气是天然气在柴油机内燃烧后的燃烧产物。供给柴油机的空气恰好完全 满足燃料燃烧所需时，此时的空气量称为理论空气量，燃料完全燃烧产生的烟 气量为理论烟气量。在实际的柴油机运行中，为了满足发动机不同情况的需要， 实际供给的空气量往往大于或者小于理论空气量。为了评定发动机实际工作过 程中供给空气的数量，引入过量空气系数概念。在燃烧完成后，有事空气会有 剩余，此时烟气中除了含有上述成分外还有剩余的氧气，若燃烧不完全，烟气 中也会含有部分未燃尽的可燃成分，这时的烟气量称为实际烟气量。 1、理论空气量 1Kg柴油完全燃烧所需要的空气量，即理论空气量为： 0 V （3-1） 0 0.0889(0.375)0.2650.0333 yyyy VCSHO 将表数据带入公式 3-1 得： =11.167 0 V 3 /NmKg 2、实际空气量 为保证燃料燃烧效率，锅炉实际送风量大于理论空气量，实际空气量与理 山东大学学士毕业论文 18 论空气量的比值称为过量空气系数，用表示。过量空气系数的计算公式如下： （3-2） 0 k V V 在柴油机运行过程中一般认为： =1 时为理论混合气,1 时为稀混合气。 =0.9 时称为功率混合气；=1.1 时称为经济混合气 以实际运行过程中，高速柴油机的过量空气系数一般为1.2-1.6，则根据式3- 2，计算得出，每1kg柴油燃烧所需实际空气量=13.4004-17.8672 k V 当=1.2时=13.4004 3 /NmKg k V 3 /NmKg 3、理论烟气量 在理论空气量下，柴油完全燃烧后的烟气主要包含三原子气体和水蒸气。 （1）三原子气体体积 （3-3） 0 2 1.3660.7 100100 yy RO CS V 根据式（3-3） ，计算得出，理论烟气中三原子气体为=1.5981。 0 2RO V 3 /NmKg （2）理论水蒸气体积 包括柴油中氢元素转换的水分和由理论空气量带入的水分，即相对于每 kg 0 V 柴油带入的水蒸汽容积。 (3-4) 2 0y0 0 0.1110.012+0.016 y H VHWV 根据式（3-4） ，计算得出，理