（船舶与海洋工程专业论文）港作拖轮节能综合研究.pdf

小 、， 一1 。1 1 。 e n e r g ys a v i n gc o m p r e h e n s i v er e s e a r c ho fh a r b o rt u g s 1 一 l- o - at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h e d e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y f us h e n g q i a n 一 ( s h i p b u i l d i n ga n do c e a n o g r a p h ye n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h ux i n h e a s s i s t a n ts u p e r v i s o r ：s e n i o re n g i n e e r x i o n g j u n k u i m a y 2 0 1 1 7 必嬲卿 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文 ：鲞佳抱丝堇熊绫金婴究= = 。除论文中已经注明引用的 内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表 的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：年二嶙 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 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i d ew o r l da n da n i m p o r t a n tp a r ti nm o d e ml o g i s t i c ss u p p l yc h a i n ，p o r ti si n c r e a s i n g l yb e c o m i n ga l l i n t e g r a t e dl o g i s t i c sp l a t f o r m ，c o m p o s e do f t r a n s p o r t a t i o n , d i s t r i b u t i o n , s t o r a g e ， p r o c e s s i n g ，p a c k i n g ，a n dv a l u e a d d e ds e r v i c e e n e r g yc o n s u m p t i o no fp o r ti nt h ew h o l e t r a n s p o r ti n d u s t r yh a sac e r l a i l lp r o p o r t i o n a sar e s u l t ，m a k i n gg r e a te f f o r t st oe n e r g y s a v i n ga n dc o n s u m p t i o nr e d u c t i o ni nt h ep o r ti n d u s t r yi so n e o ft h ef o c a lp o i n t so f e n e r g ys a v i n gi nt r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r y h a r b o rt u g sa c c o u n tf o ral a r g ep r o p o r t i o ni n f u e lc o n s u m p t i o no fp o r te q u i p m e n t ，w h i c hi st h eb i g g e s tf a c t o ro fe n e r g yc o n s u m p t i o n o fp o r t t h e r e f o r e ，i ti si m p e r a t i v et os a v ee n e r g yo nh a r b o rt u g sa n dr e d u c ee n e r g y c o n s u m p t i o ni np o r t b a s e do np r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l t sa n dc o m b i n e dw i 也t h ea u t h o r s y e a r se x p e r i e n c eo nh a r b o rt u g s ，t h ep a p e rh a s a c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa n dr e s e a r c h o ne n e r g y - s a v i n gt e c h n o l o g i e sa n dp r o v i d es e v e r a lm e t h o d so fe n e r g ys a v i n gt h a ta r e s u i t a b l ef o rh a r b o rt u g s ，b ya n a l y z i n gt h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so nh a r b o rt u g s k e yw o r d s ：t i a n j i np o r t sh a r b o rt u g s ；e n e r g ys a v i n g r 目录 目录 弓l言l 第1 章港作拖轮的工作特点及能耗分析3 1 1 港作拖轮的种类3 1 2 港作拖轮的作业特点3 1 2 1 港作拖轮作业有其特定的区域3 1 2 2 港作拖轮作业具有辅助型和服从性：4 1 2 3 港作拖轮作业有其准点的时效性4 1 2 4 港作拖轮作业有间歇性4 1 3 港作拖轮的能耗分析4 第2 章港作拖轮技术性节能研究5 2 1 船舶阻力对节能的影响及对策5 2 1 1 船舶船体空气阻力5 2 1 2 船舶船体水阻力5 2 1 3 减小船舶水阻力的途径6 2 2 港作拖轮主机废热回收技术1o 2 2 1 船舶柴油机燃油燃烧热能分析1 0 2 2 2 港作拖轮主机排烟废热利用1 0 2 2 3 港作拖轮主机缸套冷却水废热利用1 6 2 2 4 冬季应用海水循环仓18 2 3 应用岸电节能减排19 2 4 提高柴油机冷却水温度2 0 2 4 1 柴油机冷却水温度过低对柴油机运行经济性的影响2 0 2 4 2 提高柴油机冷却水温度对柴油机运行经济性的影响2 1 2 4 3 提高柴油机冷却水温度对耗油率的影响2 2 2 5 变频节能技术在拖轮上的应用一2 5 2 5 1 变频技术简介2 5 2 5 2 低压变频器2 6 2 5 3 变频器应用2 7 2 5 4 变频器在拖轮上的应用探讨2 8 2 6 燃油添加剂的应用31 目录 2 6 1 改善油质型添加剂3 1 2 6 2 促进燃烧型添加剂3 2 2 6 3 消烟减污型添加剂3 3 第三章管理性节能研究3 5 3 1 港作拖轮降速航行节能研究3 5 3 1 1 船舶降速航行节能原理3 5 3 1 2 港作拖轮降速航行节能实例3 6 3 2 应用p m s 系统，提高轮机管理水平3 7 3 3 优化船舶管理3 8 3 3 1 优化拖轮调度管理3 8 3 3 2 加强各部门间的协作4 0 3 3 3 加强轮机管理，促进船舶节能4 0 3 3 4 建立节能考核办法，培养节能意识4 l 结论4 2 参考文献4 3 致谢4 6 港作拖轮节能综合研究 己i 吉 jif 习 强台风、沙尘暴、高温干旱、极端降水、海平面上升近年来，全球极端 天气频频发作，危害越发严重。究其原因，其中最重要且人类负有不可推卸责任 的是，碳基燃料消耗过大而造成的全球气候变暖极端天气只是能源消耗问 题的一个折射而已。 根据相关研究机构的预测，石油和天然气将在未来五十年内枯竭，煤炭也只 能用2 2 0 年。在人类利用能源的历史上，石油、煤炭、天然气等资源的使用只有 短短的一百多年，而且这些常规能源可开采使用的数量有限，所以人类必须节约 使用这些有限的常规能源。 我国人口占世界的五分之一，而能源资源十分匾乏。我国己探明的煤炭储量 约占世界储量的百分之十一，原油占百分之二十四，天然气占百分之十二，人均 能源资源的占有量还不到世界平均水平的一半。近些年以来我国经济高速发展， 对能源的需求也越来越大，从1 9 9 3 年开始我国成为能源净进口国。能源稀缺，特 别是油气资源短缺己成为制约我国经济发展的首要因素。随着国民经济全方位发 展，传统意义上的能源很难再生，它将日益枯竭。而人类的发展却提出日益高涨 的能耗需求。这是一个不容回避的严酷事实。 中科院一项调查显示，我国是全世界自然资源浪费最严重的国家之一，在5 9 个接受调查的国家中排名第5 6 位。另据统计，中国的能源使用效率仅为美国的 2 6 9 ，日本的1 1 5 。因此，推进节能减排，可谓迫在眉睫。 2 0 1 0 年，中国从海外进口2 4 亿吨原油，在国内生产两亿吨，原油的对外依 存度接近5 4 5 。今年原油价格又一次突破10 0 美元每桶，还有不断上涨的趋 势，高油价严重影响中国经济的发展。 中华人民共和国节约能源法指出“节约资源是我国的基本国策。国家实施 节约与开发并举、把节约放在首位的能源发展战略。 政府工作报告和“十二五”规划纲要确立的“十二五”主要目标中，节能减排目标 是：非化石能源占一次能源消费比重达到1 1 4 。单位国内生产总值能源消耗降低 引言 1 6 ，单位国内生产总值二氧化碳排放降低1 7 。主要污染物排放总量显着减少， 化学需氧量、二氧化硫排放分别减少8 ，氨氮、氮氧化物排放分别减少1 0 。节 能降耗工作是国民经济可持续发展的重要组成部分，我国面临能源总量稀缺，能源 消耗巨大，能源利用效率低，能源浪费大等等问题，这些使我们的节能工作面临 巨大的压力。 改革开放以来，国民经济持续高速增长，对外贸易量大幅增加，由于我国9 0 的外贸都以海运为主，内贸海运也占相当大的比例，这些都带动了港口规模的扩 大。同时与港口配套的港作拖轮船队也在不断地扩张，以满足港口生产的需要。 天津港轮驳公司现有船舶3 6 艘，分别为：全回转港作拖轮2 3 艘( 其中含外 租拖轮四艘) 、专业引航船3 艘、常规拖轮2 艘、起重船l 艘( 1 2 0 吨) 、环保船l 艘、港口配套功能船舶6 艘( 供给船、客轮、交通船和囤船等) 。能源消耗主要是 燃柴油，滑油，和电能。燃油消耗约占生产成本4 0 以上。节能降耗工作是公司 降低生产成本、提高经济效益的一项紧迫而长期的任务。虽然在过去的几年里， 天津港轮驳公司在船舶的管理性节能方面已经进行了很多工作，制定了相应的技 术措施，如拖轮行驶时采用经济航速、优化驾驶员操作方案，提高主机冷却水温 度以提高主机燃烧效率等。取得了明显的效果，但是，仍需要我们去总结过去的 经验，探索今后节能降耗的新途径。 本文在总结和借鉴前入研究成果的基础上，结合自己多年来的在港作拖轮上 的实践经验，借助大量的调研、分析、研究工作，完成了论文的写作。通过这次 论文写作，作者不仅巩固了所学的专业知识，拓展了自己的知识面，而且在动手 能力，独立科研能力等方面都得到了很大的提高，希望自己研究工作能对我国港 作拖轮节能综合研究和实践有所贡献。 2 f 港作拖轮节能综合研究 第1 章港作拖轮的工作特点及能耗分析 1 1 港作拖轮的种类 港口作业船舶主要为大型船舶进出港提供护航、拖带、助泊、引水员的接送 等辅助服务。按作业性质的不同分为两种：全回转拖轮和引航拖轮【1 1 。 ( 1 ) 全回转拖轮：是原地可以3 6 0 度自由旋转的拖轮，有极佳操作性能。一般 都采用双z 型导流管式螺旋桨和中高速柴油机。根据操纵控制方式不同，可分为 单柄船和双柄船两种形式。这种类型的拖轮采用无舵双桨，螺旋桨采用双z 型导 流管式，可在3 6 0 度范围内自由转动。这种结构可以使拖轮转向灵活，旋回圈小， 并可以在原地打转，具有良好的机动操作性。拖轮由前进进车改为倒车，只需要 调节螺旋桨方向1 8 0 度即完成，只需1 2 秒，所以可以在很短时间内把船停住或由 顶改变为拖得工作状态。并能在水流平缓，无船速情况下进行横移，所以这种拖 轮很适合于港口机动作业。目前天津港全回转拖轮的马力在1 9 0 0 k w 4 5 0 0 k w 。全 回转拖轮的主要工作是协助大船靠离码头，护航，拖带，接送引水员。在大风浪 天气也接送引航员。 ( 2 ) 引航拖轮：引航拖轮主要的工作任务是接送引水员，作业区域是大沽口锚 地。作业范围大，航程长。目前天津港有三艘专业引水船，航速在1 7 k n 以上，有 船体小，航速快，油耗低优点。但是大风浪天气( 5 级以上) 就无法完成作业，所 以还配备两艘全天侯使用的常规拖轮津港轮2 4 号和港引一号，常规引航拖轮航速 一般在1 1 1 4 k n 。大风浪天气有时也使用全回转拖轮接送引水作业，以补充饮引航 拖轮的不足。 1 2 港作拖轮的作业特点 1 2 1 港作拖轮作业有其特定的区域 港作拖轮不同于其他长航船舶，其作业范围仅限于港区和锚地，作业距离较 短，作业环境复杂，靠离频繁，航速航向多变。全回转拖轮主要是在港内协助大船 3 按所服 术状态， 港作拖轮并不是连续工作，在每次作业完毕以后都要回拖轮码头待命。船员 可以利用在码头待命的时间进行维修保养工作和必要的休息。港作拖轮的作业时 间一般反映港口进出货轮的繁忙程度。在进出货轮多的时候，作业时间就多，反 之就少。经统计，天津港轮驳公司的全回转拖轮每次作业的时间很难统计，每天 的作业时间平均为1 1 小时，引航拖轮平均1 0 小时。 1 3 港作拖轮的能耗分析 港作拖轮消耗的能源主要有三种：柴油、润滑油和液压油、电能。港作拖轮 柴油和润滑油消耗的绝大部分来自主机，其余的来自发电柴油机和日用锅炉，在 码头靠泊时使用岸电消耗一部分电能。 4 港作拖轮节能综合研究 第2 章港作拖轮技术性节能研究 2 1 船舶阻力对节能的影响及对策 当船舶航行时受到的阻力主要有船舶水上部分受到的空气阻力和水下部分受 到的水阻力【2 1 。 2 1 1 船舶船体空气阻力 当船舶航行时，其水下部分要受到水的阻力，水上部分要受到空气的阻力。 在一般情况下( 风力3 、4 级) 空气阻力很小，远小于水的阻力，水的阻力是主要 的。当风级很高时，空气的阻力不可低估。 减少空气阻力的主要方法就是在拖轮设计时尽量减少上层建筑的受风面积。 早期的港作拖轮上层建筑大多是三层，为了节能，目前新造拖轮大多设计成两层。 2 1 2 船舶船体水阻力 船体受到的水阻力有三种：包括摩擦阻力、形状阻力和兴波阻力。摩擦阻力 也称为粘性阻力，是由于水具有一定的粘性，当船舶在航行时，水与船体表面发 生摩擦而产生的一种阻止船舶前进的力，叫做摩擦阻力。由于船舶具有一定的形 状，当船舶前进时，尾部产生涡旋低压区，船首部处于水的高压区，首部受到的 水压力就大于尾部，因而船体受到首部和尾部的压力差，这个压力差对船形成一 个水压阻力，这个与船体形状有关的阻力称之为形状阻力。船舶前进时会掀起波 浪，这时船体和水有个相互的力，船对水施加力使水掀起波浪，而水对船体的反 作用力被称为兴波阻力。在船舶受到的三种水阻力中，一般形状阻力约占总阻力 的1 0 ；低速民用船舶摩擦阻力很大，甚至可达总阻力的8 0 ；高速船舶的摩擦阻 力约占总阻力的4 0 ，而兴波阻力很大，可达总阻力的5 0 以上。船舶所受的水阻 力与船速有关，根据船模和实船试验表明，水对船体的总阻力与船速的平方成正 比，即 r = a r v 。 其中：r 水对船体的总阻力 5 第2 章港作拖轮技术性节能研究 a r 与船舶线性及航行状况有关的系数 v 船速 从上面的水阻力公式可以看出，要减小船舶所受到的水阻力，一种方法是优 化船型降低阻力系数，另一种方法就是降低船舶的航行速度。就实际中运行的船 舶而言，要达到节能的目的，除了提高船舶推进效率这种方法之外，还可以通过 减小船舶运行阻力实现船舶节能的目的。对于各种不同类型的船舶，为满足其相 应功能的需求，其船速都有一个相对而言是比较合理、固定的速度范围；在这里 我们着重于通过选择合理的船型和船舶的外部条件来改变船舶的阻力系数，这种 方法在实际应用中能够从根本上减少船舶的能耗，在实际操作中也比较简单容易， 并且可以获得比较有效而长期效剁3 1 。 2 1 3 减小船舶水阻力的途径 就港口拖轮实际而言，影响船舶阻力的因素除了船型和螺旋桨这些内在因素 之外，还有许多外在的因素，其中主要的是航速和船舶航行时的外界条件。港口 拖轮大多数属于大功率、低航速船舶，其粘性阻力比兴波阻力要大得多，因而减小 船舶的阻力应该主要减少粘性阻力。因此，这里我们从内在因素和外在因素两个 方面来探讨减少港作拖轮粘性阻力的途径和方法。 影响船舶阻力的内在因素：船舶的主要尺度和线型 据了解，目前采用较多的船型与线型有这样几种，球鼻艏船型、艉端球船型、 球艉及双艉鳍船型、纵流船型、双体船及小水线面双体船、不对称艉部线型、浅 吃水肥大船型、双艉船和平头涡艉。对于港口作业的拖轮来讲，研究和实践都表 明比较适宜的船型是纵流船型或浅吃水肥大船型，这两种船型在较低航速下可以 获得较小的粘滞阻力【4 】。 外在因素：减少船体表面的粗糙度 辽阔的海洋中生活着成千上万种海洋生物，包括各种各样的微生物、海洋植 物和海洋动物。这些生物中有数千种具有污损性，能附着在船体上生长繁殖，特 别是水深3 米以内的表层海水，由于氧气和阳光充足，更是海洋附着生物生长和 6 港作拖轮节能综合研究 繁育的天堂。海洋附着生物对船体表面的附着造成船体的腐蚀破坏【5 1 。港作拖轮主 要工作在港口海域，港口船舶密度很大，船舶排放的生活用水含有大量有机物， 更适宜海洋生物的生长繁殖，港作拖轮船底大量附着和生长的海生物可使每平方 米面积增加几百公斤重量。这些附着生物使船体重量增加，船底表面粗糙度加大， 航行阻力骤增。此外，海生物附着过程分泌的酸性物质还会腐蚀船体，加速船体 钢材的破坏。这种由海洋生物附着产生的破坏作用我们称之为海洋污损 ( f o u l i n g ) ，相应的防治污损的过程叫做防污( a n t i f o u li n g ) 。海水中的静态固 体物容易产生附着，而动态物体往往附着较轻，因而港作拖轮的防污更重要网。 据有关资料显示，受到污损的船只与未受污损的船只相比，在相同的航速下 燃料消耗要多费4 0 。假定螺旋桨转数不变则船速相应减慢，引起螺旋桨进程比 入，减小，扭矩系数增大螺旋桨所需转矩增加，因而螺旋桨特性曲线变陡，如图2 1 所示 p p n p i 污底时配合特性曲线 图2 1 污底时配合特性曲线 f i g 2 1c o r r u p tb o t t o mc o o r d i n a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sc u r v e 曲线i 是船体干净无附着物时的船舶推进特性曲线；曲线i i 是船舶污底时船 舶推进特性曲线。从图中可以明显看出，当船舶污底时如果不增加柴油机的供油 量( 即柴油机油门刻度不变) ，船舶柴油机转速将相应减小，而要保持柴油机的 转速就必须增加柴油机的供油量，相应的就要增加船舶的能耗。而这与船舶节能 相背道而驰的。因此，在船舶的运营过程中必须防止船舶污底，减少船体粗糙度。 减少船体表面粗糙化，防止船舶污底的对策有： 7 第2 章港作拖轮技术性节能研究 ( 1 ) 采用先进的防污涂料系统，如采用自抛光船壳漆、海洋宽谱防污漆等。 传统的船底防污是使用高生物毒性的常规防污漆，它能毒死附着在船底上的海洋 生物，在一定程度上抑制海洋生物的生长，减少船底的污底程度，但是不能从根 本上解决海洋生物的附着，同时又具有高生物毒性的缺点，对海洋环境造成一定 的污染。自抛光船壳漆一般为无锡自抛光防污漆，它是一种采用固体高分子无锡 自抛光型防污漆。这种漆的自抛光作用的产生是以离子交换产生的可水解的活性 表面为基础的，在树脂中填充无机纤维以确保了对抛光率的有效控制并加强漆膜 的机械强度，并且通过直接水解不断将表面溶解更新，防止表层钝化及海生物附 着。自抛光涂料对停泊状态的船舶更新效果差，对航行的船舶作用更好，船舶航 速越高，自抛光作用越明显。：海洋宽谱防污漆是一种以生物活性化合物强化的 氧化亚铜为主要成分的厚浆高固体份防污漆，能过高效防止海洋生物的附着，在 其有效期内可自动更新涂层，使船体漆膜保持抗生物活性表面，保持船体表面的 光滑平整。使用这种类型的船底漆可以防止海洋生物在船底的附长，并能在一定 期限范围内、一定程度上自动更新船底漆膜，保持船底的光滑平整【7 1 。 提到先进的防污涂料，这里简单介绍一下海洋防污新技术，未来的防污技术 必须是对环境友好，并且真正无毒，或可生物降解的。一些新技术正在开发之中， 有的已有雏形。 纳米技术 在有机锡防污剂已被全面禁用，有机杀生剂和普通氧化亚铜的长效防污性也 已经不能满足要求的情况下，纳米技术提供了一个新的希望。把氧化亚铜制成纳 米级，结合有效的杀生剂和防藻剂制造成防污漆。纳米级小颗粒被包裹在防污漆 的基料中，从而不会流失，但可慢慢释放离子，从而起到长效防污的作用。 欧盟投资1 7 9 0 万欧元，于2 0 0 5 年开展一个名为“a m b i o ( 控制生物污损的高 级纳米结构表面) ”的5 年研究项目，有1 4 个国家3 0 个单位参加。研究的主要目 的是用纳米结构材料代替杀生剂控制海洋生物对海水中固体表面的附着，固体表 面的纳米结构化改变了润湿性能，使其不适合海洋生物的附着。研究工作的重点 8 港作拖轮节能综合研究 是合成在海洋环境下稳定的纳米结构聚合物。这是一个真正环境友好地解决海洋 生物附着问题的创新技术1 8 】。 微包复技术 为了解决在相对流速较低的海水中自洁能力差，低表面自由能涂料力学强度 低，以及无铜防污体系在暖水港中的防污有效期短( 不足一年) 的缺点，科研人 员正在研究开发微包复技术。杀生剂经过微包复处理改进了渗出性能，延长了防 污期效，扩大了配方灵活性，可以做到真正意义上的环境友好。微包复的方法是 将聚合物材料沉积在中心核或活性物质上。通过改变聚合物材料的沉积物厚度、 种类、交联度、包复物粒径、包复方法以及包复颗粒在涂料中的浓度，可以调节 杀生剂的实际释放率。经过微包复处理后可以保证大量杀生剂长期处于涂层中并 且能有效而稳定地释放，从而获得更佳的更长效的防污效果。 植绒型无毒防污材料 将纤维绒毛状材料附于船体使得海洋附着生物无法接近并吸附在船体上。由 于纤维绒毛在海水的冲击下不停地运动，海生物的孢子和幼虫很难附着在这种不 稳定的材料上，从而起到防污效果。 纤维绒毛状防污材料也是一种真正的无毒防污材料，但是还处于研究阶段， 从材料到施工方法还有很多问题亟待解决 9 1 。 ( 2 ) 机械法除污在船舶运行期间，结合船舶的检验要求和船舶修理的间隔 要求以及船底防污漆的有效期，定期进坞清除船底附着的海洋生物或进行船底水 下清洗，也就是常说的“刮船底”，也是一种保持船底光滑平整的好方法。在进行水 下船底清污时，要特别注意水下刮刷技术和补涂技术合理性，否则可能会产生相 反的结果。 ( 3 ) 防止船壳表面粗糙化的措施则有： a 正确选择合理的涂料系统； b 提高油漆施工的质量； c 对船壳水下部分装附锌块实行阴极保护等； 9 第2 章港作拖轮技术性节能研究 d 对船壳板进行适宜的表面喷射处理如干磨料喷射清洁、湿磨料砂浆喷射清 洁和高压水喷射除锈等等； e 采用船舶电解防污防腐系统。 在这里我们对电解防腐防污系统进行一个简单的介绍，它是近年来开始应用 于港口作业拖轮上的一种比较先进的防腐防污装置，其工作原理是在船舶海底门 处安装防海洋生物阳极和防腐蚀阳极各一个( 每个海底门装个阳极) ，并铜垫进 行电解，产生防海洋生物离子和防腐蚀离子，形成电解液，再由海水泵抽出，分 布到海水中，达到即防止海洋生物附着，又防止管系金属腐蚀的作用。这项技术 已经在新造拖轮上应用。 节能型船艉附体 采用船艉附体的方法不仅能改善艉部流场涡流，从而降低船体的粘性阻力和 形状阻力，而且还可以提高螺旋桨的推进效率。目前采用的附体有：反作用力鳍；前置 导管；附加推力鳍；艉端球及整流舵加鳍；桨后固定叶轮；螺旋桨导流罩等等【1 0 1 。 2 2 港作拖轮主机废热回收技术 2 2 1 船舶柴油机燃油燃烧热能分析 众所周知，现代船舶动力装置的能量综合利用率大约在5 0 左右，其余约5 0 的燃油燃烧热量成为废热。在这50 的船舶柴油机燃烧废热能中，柴油机排烟带走 了约3 0 3 7 的热量，柴油机冷却水带走约13 - - 2 0 的热量，而充分利用这部分 船舶柴油机动力装置燃油的燃烧废热，无论从经济上还是在节能减排以及环境保 护方面都具有重大意义【l l 】。下面从港作拖轮的特点出发对船舶废热利用技术加以 分析，以期找出一条在拖轮上行之有效的柴油机废热利用的方法，达到节能降耗、 减排的目的。从上面的分析可知，船舶柴油机的废热能量主要有排烟废热和冷却 水废热，这里我们从这两方面分别探讨这两部分废热能的回收利用方法。 2 2 2 港作拖轮主机排烟废热利用 港作拖轮的柴油主机工作负荷多变，其排烟总管烟气温度一般在2 5 0 5 0 0 之 间，烟气热能的利用品质较高。 1 0 港作拖轮节能综合研究 现行船舶普遍应用的的船舶排烟废热利用的技术主要有柴油机废气锅炉、柴 油机废气增压技术、柴油机热吸收制冷等【1 2 1 。柴油机废气涡轮增压技术已经广泛 应用于各种现代柴油机中，这里我们就不在讨论。 传统的柴油机排烟热能的利用方法主要是使用废热锅炉利用船舶推进柴 油机排出的高温烟气作为锅炉的加热热源，从而节约燃油。一般而言，废气锅炉 产生的蒸汽完全可以满足船舶运行期间，燃油加热和生活用汽的需求，并可供寒 冷季节取暖之用。从废热锅炉所使用的技术方面来划分，废热锅炉可以分为传统 废热锅炉和热管式废热锅炉【1 3 】。 港作拖轮的特点决定其不需要废热锅炉。其原因如下： ( 1 ) 传统的废热锅炉一般是烟管锅炉( 火管锅炉) ，由于需要照顾到柴油机停机 期间的锅炉运行，实际上这种废热锅炉结构较一般锅炉复杂，因而体积较大，布 置起来需要较大的空间。 ( 2 ) 而且现今还没有专门针对拖轮设计的小型废热锅炉，加之港作拖轮作业时间 的不连续性，因此在港作拖轮上使用废气锅炉实施起来较为困难且不适宜。 ( 3 ) 最重要的是港作拖轮不需要蒸汽加热燃油，只需要少量的热水供空调和船员 生活的需要。 以上原因决定港作拖轮没必要安装废热锅炉。 这里有一种适合港作拖轮的废气利用技术值得推广：热管废热溴化锂空调机 热管简介 热管是一种具有高传热性能的元件，它通过密闭真空管壳内工作介质的相变 潜热来传导热量，其传热性能类似于超导体性能。1 9 4 2 年，美国的一位汽车工程 师就发明了热管，2 0 世纪6 0 年代初，它被美国原子能协会与国家航天部门用于冷 却飞船与核反应堆，2 0 世纪7 0 年代，热管换热器作为全新风系统中的热能回收装 置而最终在暖通行业中体现出其优越性【1 4 1 。热管是依靠自身内部工作液体相变来 实现传热的传热元件，具有以下基本特征： ( 1 ) 很高的导热性。 ( 2 ) 优良的等温性。 第2 章港作拖轮技术性节能研究 ( 3 ) 热流密度可变性。 ( 4 ) 热流方向的可递性。 ( 5 ) 热二极管及热开关性能。 ( 6 ) 恒温特性( 可控热管) 。 ( 7 ) 环境的适应性。 与常规换热技术相比，热管技术之所以能不断受工程界欢迎，是因其具有如 下的重要特点： ( 1 ) 热管换热设备较常规设备更安全、可靠、可长期连续运行。 ( 2 ) 热管管壁的温度可调性。 ( 3 ) 冷热段结构位置布置灵活。 ( 4 ) 热管换热设备效率高，节能效果显著【1 5 1 。 鼓箍唆旗 图2 2 1 热管原理 f i g 2 2 1h e a tp i p ep r i n c i p l e 典型的热管是由管壳、吸液芯和端盖组成，在抽成真空的管子里充以适当的 工作液，靠近管子内壁贴装吸液芯，再将其两端封死即组成热管。热管既是冷凝 器又是蒸发器，如图图2 2 1 所示。 热管按结构形式的不同，大致可分为三种：整体式热虹吸管( 重力热管) ，整体式 吸液芯热管和分离式热管【1 6 1 。 1 2 港作拖轮节能综合研究 重力热管的特点为：传热具有单向性，冷凝液靠重力回流，冷凝段必须置于蒸发 段之上，由于它没有吸液芯，结构更加简单，制造容易，而且工作性能不低于吸液芯热 管。因此，热管换热器在作为热回收系统或冷回收系统使用时，凡属可能应优先采用 重力式热管换热器。 整体式吸液芯热管是热管的最普通的形式，一般所讲的热管就是指这种热管， 冷凝液靠吸液芯的毛细作用回流，它不依靠重力场的作用，在失重情况下也能工作， 这就是其工作特点。吸液芯热管换热器具有传热的可逆性。 分离式热管用于空调系统排风的能量回收，巧妙的利用分离式热管的特点，即 可避免大流量气体迁移导致的复杂管路设计，又能有效回收排风中的低品味能量， 减少制冷热设备的制冷热量，从而达到节能的目的。同时，分离式热管相互串通的 管件较多，一旦某处出现泄露，就会导致整排组件或整个换热器功能的丧失，这些都 是设计和应用上需认真对待的【1 7 】。 热管废热锅炉又称为热管式换热器，由上、下两部分组成。上部是锅炉，下 部是烟气通道。上下两部分由管板隔开。热管式废热锅炉的工作原理是：热管的 下端( 受热段) 受到烟道中柴油机高温烟气加热，工质吸收热量汽化为蒸汽，在 微小的压差下，上升到热管上端( 放热段) ，与锅炉中的工作介质( 一般为水) 发生热交换放出热量，热管中的工质被冷却凝结变成液体。冷凝液又在重力的作 用下，沿着热管内壁返回到受热段，并再次受热汽化，如此循环往复，工质不断 的将热量从一端带到另一端。由于热管内是相变传热，因此热管内阻很小，所以 能以较小的温差获得很高的传热率，并且热管结构简单，还具有单向导热的特 点。热管这种传热元件可以单根使用也可以组合使用；可以根据用户现场的条件， 配以相应的流通结构组合成各种形式的换热器。 热管废热锅炉具有如下特点： ( 1 ) 由于使用热管这一高效导热元件，加上热管元件的受热段采用高频焊接 螺旋翅片以强化传热，因而整套装置传热效率高，设备紧凑、热侧烟汽流动阻力 相对较小。 1 3 第2 章港作拖轮技术性节能研究 ( 2 ) 热量由烟汽传输到水，完全由热管元件完成。水被间接加热，烟气与给 水完全隔开，避免了锅炉给水泄漏入烟道的可能性； ( 3 ) 使用寿命长，系统中热管元件相对独立，一根或多根热管损坏，两种介 质不互串，不影响系统的运行。 ( 4 ) 耐腐蚀性能好。设计时单根热管蒸发段的翅片螺距已作调整，以调节热 管的传输效率，从而控制热管壁温，防止酸露点腐蚀。而且在计算系统受热面时 可以充分考虑到烟气的露点温度问题，保证了热管系统运行正常。 ( 5 ) 热管单支点固定在内简体上，热管的热帐冷缩变形不受约束，避免了应 力破坏【1 8 】。 热管废热溴化锂制冷机 热管废热溴化锂制冷机可以利用柴油机废烟气中的废热来驱动溴化锂制冷机 生产6 5 的热水和7 c 的冷水，7 的冷水可以提供空调夏季的冷风，6 5 的热水 可以提供冬季的暖风并且满足船员日常生活的需要。这样不仅可以大大地提高能 源的利用率，使能源得到综合利用，而且还能大大改善船员和生活的条件【1 9 1 。 热管废热溴化锂制冷机的优点 利用废烟气中的废热来驱动的热管废热溴化锂制冷机具有以下优点： ( 1 ) 热能利用率高。由于利用废烟气中的废热作为制冷机的动力，使它不仅仅 提高了原生产系统的能源利用率，而且还大大减少了可用能的损失。 ( 2 ) 热管废热换热器可以将主机排烟的废热传递到高压废热溴化锂发生器中， 这个过程是单向的，即热量只能从废热源传向高压废热溴化锂发生器。 ( 3 ) 废热溴化锂制冷机安全、可靠。废热溴化锂制冷机系统所使用的废热发 生器是热管换热器，它能避免普通溴化锂发生器的换热管一旦泄漏将影响制冷机系 统和原生产设备的正常运行这一弊端，废热溴化锂制冷机系统所使用的热管废热发 生器的热管万一泄漏，制冷机系统和原生产设备可以照常运行，不会受到影响，还可 以继续工作，回收热量，这是任何其它换热设备无法实现的。 ( 4 ) 废热溴化锂制冷机在夏季能够提供7 的冷水，供空调冷风，而在任何时 候都可以提供6 5 的热水，供船员取暖和生活使用。 1 4 港作拖轮节能综合研究 ( 5 ) 废热溴化锂制冷机运行费用低。由于热管废热溴化锂制冷机的驱动力是 柴油机排烟废热，所以其运行费用极低，仅为一般制冷设备运行费用的5 n 茗i t 2 0 l 。 废热溴化锂制冷机系统介绍 图2 2 2 为利用柴油机排烟烟气驱动的热管废热溴化锂制冷机系统图。 废烟气出口一 一1 5 0 1 褥骶发生器：z 氍胍及生嚣；3 冷凝器：4 u 形露：5 孺发嚣；& 嚣发泵：7 吸收器；s 壤牧泵：9 殁生蒙： lo 低温溶液热交换器：1 1 蹒溢溶滚热交换嚣；1 2 热管冷凝段；1 3 热管蒸发段：1 4 下降管；1 5 上升臂 图2 2 2 废热溴化锂制冷机系统图 f i g 2 2 2t h es y s t e mo fl i b r - h 2 0r e f r i g e r a t o rd r o v eb ye x h a u s tg a so fd i e s e le n g i n e 在热管的蒸发端，工质吸收主机排烟废气的热量，然后热管工质把热量带到 溴化锂制冷机的高压发生器中。在高压发生器中的热管冷凝段热管工质加热溴化 锂溶液而冷凝成液体回流到热管蒸发段重新蒸发。热管废热溴化锂制冷机的高压 发生器中设计有热水换热器，可以提供6 5 的热水。热管仅将废热热源的热量传 递到溴化锂制冷机的高压发生器中，同时又隔绝废热热源与溴化锂制冷机的其它任 何联系，以防废烟气中的热管万一被腐蚀坏掉时保证溴化锂制冷机组和废热源系统 仍然能正常工作。 1 5 第2 章港作拖轮技术性节能研究 当不需要制冷时，可以停止系统里的蒸发泵和吸收泵的工作，高压发生器的热 水换热器可以生产热水，此时热管废热溴化锂制冷机组的工作相当于l 台热管废热 真空热水锅炉口1 瑙】。 2 2 3 港作拖轮主机缸套冷却水废热利用 主机缸套冷却水废热利用的方法 船舶主机缸套冷却水大约带走柴油机燃油燃烧热能1 3 - - - 2 0 ，对于船舶而言， 一般主推进功率都有几千千瓦，这样柴油机缸套冷却水所蕴含的热能将达到几百 千瓦。这是一个十分巨大的热能资源。就普遍情况来讲，港作拖轮一般使用四冲 程中速主推进柴油机，现代节能型柴油机的燃烧理论指出船舶主推进柴油机汽缸 套冷却水应保持一个适当较高的水温。因此在港作拖轮上广泛使用的四冲程中速 柴油机一般都要求发动机气缸套冷却水温度保持在7 0 8 5 之间，而这个温度范围 的热水正好符合日常生活中使用，比如用作洗浴热水、冬季供暖等。但是基于船 舶主推进柴油机汽缸套冷却水的特性( 一般需进行添加冷却水处理剂) ，港作拖 轮主推进柴油机的工作特性和船舶主推进柴油机对缸套冷却水性能的要求，气缸 套冷却水直接应用于日常生活是不现实的，这就需要有一个热能转换装置，通过 该装置可以将气缸套冷却水的热能提取出来用于我们的日常生活。 取暖供热循环水泵 图2 2 3 燃油锅炉取暖系统 f i g 2 2 3o i l - f i r e db o i l e rh e a t i n gs y s t e m 1 6 水 t 港作拖轮节能综合研究 基于少投入、首先利用现有设备和尽可能少占用空间的考虑，通过对港作拖 轮上现有设备的分析，我们发现拖轮所安装供暖所用的燃油热水锅炉供暖系统刚 好能够满足这一功能。 燃油锅炉取暖系统的结构如图2 2 3 从图4 3 1 中可以看出，燃油锅炉产生的热水( 约7 0 ) 通过循环水泵进入到 暖风机的换热器中，经过换热器加热循环风，被加热的循环风被送到各个房间， 提高房间的室内温度；流经暖风机换热器的热水放出热量后流回取暖锅炉，被燃 烧的燃油加热后再次循环。从图中可以看出，在该锅炉系统中，从锅炉炉胆内分 出一组盘管，管内的水被炉水加热后供日常生活、洗浴用。我们利用主推进柴油 机气缸套冷却水的思路是将主推进柴油机的气缸套冷却水( 约7 6 ) 直接引入到 热水锅炉中，供给到暖风换热器作为冬季取暖的热源，取代燃油加热炉水。 图2 2 4 改造后的燃油锅炉取暖系统 f i g 2 2 4 a f t e rt r a n s f o r m a t i o n ，t h eo i l - f i r e db o i l e rh e a t i n gs y s t e m 1 7 第