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节油技术简介 主讲人 吴桂涛大连海事大学轮机工程学院 1 目录一 乳化节油技术 燃油掺水 二 燃油和空气磁化节油技术三 柴油机燃用生物质燃油等技术四 管理节能五 系统设计节能六 柴油机本身新技术的应用七 变频技术节能 2 能源危机是21世纪人类所面临的三大难题之一 目前 我国的能源无法满足国民经济飞速发展的需要 甚至已成为制约经济发展的因素 尽管现在我国的节能技术有了长足的进步 但是能源的利用率仍然远低于发达国家 既要满足经济性和动力性要求 又要满足排放要求 故柴油机节油减烟及增效技术一直是内燃机行业研究的主要目标之一 3 一 乳化节油技术 燃油掺水 1 特点在不改变柴油机任何结构的前提下 增设一套供水系统 发动机工作时 喷水器适时向气缸内喷射一定量的水 喷入气缸的水微粒在高温高压的条件下产生 微爆 效应 使柴油颗粒进一步雾化和高度分散 与空气混合更加均匀 促使燃料完全燃烧 以达到节油 降污的目的 试验结果表明 增设的供水系统工作性能的可靠 掺水燃烧时油耗及排烟度等明显下降 4 2 掺水燃烧节油的原因a 与纯柴油机比 由于水的快速蒸发致使纯柴油滴的直径变得更细 因此其燃烧强化了 燃烧过程的等容度增加了 即循环功增加了 b 处于高温 高压的蒸汽与燃气一样会作功 蒸汽机效应 c 水的加入会增加潜热与显热的损失 但同时使排烟温度下降 即排烟损失减少了 经过定量计算表明 其总能量的损失减小了 第一个原因是最重要的 油掺水燃烧的最大节油率为4 左右 5 柴油机中的燃烧过程是决定其热效率及排放物生成的关键过程 掺水燃烧技术是一种有着广泛应用前景的技术 掺水燃烧技术经济效益确实不大 但随着人们环保意识的日益增强 我们必须用另一种眼光对油掺水燃烧重新进行研究 油掺水燃烧能同时降低NOx与碳烟 并使油耗略有降低 这是一个十分重要的结果 我们认为目前除水以外 再也找不到第二种物质 能使两者同时降低 6 4 掺水的具体方法乳化节油技术的要旨是在乳化剂的作用下 让水和柴油按一定比例混合形成乳化油 燃烧时 由于水的微爆作用和水煤气反应 使得柴油雾化性提高 燃烧完全 又减少了排气中的HC和NOx化合物含量 由于乳化剂成本较高 使用稳定性较差 目前采用滴管掺水 高压泵及搅拌器 超声波发生器 振荡乳化方法 7 图为一台小型柴油机的掺水示意图 注意开机2 3min后 暖机至正常温度再掺水 停机前2 3min时停止掺水 8 二 燃油和空气磁化节油技术1 何谓磁化节油技术 磁化节油技术 即是让燃油在磁场作用下改善油质的指标 提高雾化性能 提高雾化热值 使油在发动机汽缸中充分燃烧 从而提高发动机的功率 降低油耗 减轻排气烟度 这种技术被称为磁化节油技术 实现这种技术的相应装置为节油器或节油降烟器 9 1960年日本的宫田三朗提出了 燃油磁化处理装置 的专利申请 后来又作了不断的改进 先后在美国 德国 法国 英国等取得了专利权 这是继1945年比利时工程师别尔梦林发明第一台磁水器达到除垢目的后的磁应用范围的扩展 由于该装置有明显的节油降烟效果 引起了人们的极大关注 10 2 磁化节油技术的微观机理在学术界开展了相关理论研究 不太成熟 即通过科学的磁路设计达到高中心磁场强度 从而对流动磁场的燃油分子团之间的长链和环链发生物理性变化 外磁场的作用使胶体形成双电层 由于胶体之间存在着排斥作用 从而取得磁化效果 同时外磁场的作用使烃分子中的氢链断键 破坏了燃油流中的胶体所缔结的网络 使各种烃分子能比较自由地流动 达到磁化效果 这些理论研究在某些方面不同程度地给磁化节油降烟原理给出了定性或半定量的解释 作为一门交叉科学 目前这个问题的微观研究随着各种仪器和研究手段的提高和发展在不断地进展 11 3 实例分析关于内燃机磁化节油减烟技术研究 国外始于20世纪60年代 我国始于80年代 国外主要研究其发动机废气排放的影响效果 而我国则偏重于节油增功效果 常用的磁化方法是在油路系统增加磁场 也有在油路系统和进气系统分别增加磁场 本试验是在油路系统和进气系统分别增加磁场进行发动机台架对比试验 通过采用不同磁场强度和不同磁化方法组合 研究燃油和空气磁化后 对柴油机动力性 经济性以及碳烟排放的影响 12 13 结果表明 柴油机的比油耗有所下降 转速有所提高 排气烟度得到大幅度改善 另外 空气和燃油磁化后对柴油机性能也会产生影响 即燃油和空气同时磁化的效果最佳 1 在不同工况下燃油空气磁化对发动机性能的影响效果是不同的 一般在3 4负荷及满负荷下节油减烟增功效果显著 在超负荷和低负荷工况下 变化复杂 2 磁场强度对发动机性能影响并非呈线性变化 当磁场强度上升到一定值时变化趋于缓和 14 实验证明 安装磁化节油器后 柴油机的功率提高与节油率一般随负荷的变化而变化 在70 90 负荷区段内功率提高3 一5 节油率达3 一4 节油器装车后作业72h以上进行烟度测定 较之装车前烟度减轻30 一50 安装磁化节油器后 闪点降低及馏分变轻 相应地使粘度和凝点也降低 有利于雾化性能的改善 使喷出的雾滴更细微化 便于在发动机中充分燃烧 使发动机排放的尾气中有害气体和烟浓度明显减少 15 燃油纳米化技术燃油 重质油 研磨技术 16 三 柴油机燃用生物质燃油等技术 针对世界范围内能源缺乏问题和21世纪新形势下的能源结构调整问题 以及生物质秸秆气化过程中所产生的焦油等问题 可采用蒸馏方法从木焦油中提取出其可燃成分 在测定其热物理特性的基础上 用生物质燃油与柴油为混合燃料 柴油机不做任何改动即可燃用生物质燃油 柴油混合燃料 柴油机燃用生物质燃油 柴油混合燃料具有良好的动力性 经济性和排放性 这对于促进代用燃料的发展具有重要的意义 17 试验研究表明 因为生物质燃油是含氧燃料 增加了缸内氧的浓度 使在燃烧过程中形成的碳烟微粒与氧有更多的接触机会 所以尾气排放烟度明显低于纯柴油 18 四 管理节能 1 柴油车的节油技术 1 根据不同的海拔高度调整供油量高原地区空气稀薄 混合气相对变浓 造成燃烧不完全 使功率下降 油耗增加 为此 应适当减少供油量 一般在海拔高度1000m以卜按设计100 调整 1000一2000m应减少6 2000一3000m应减少15 3000m以上应减少22 19 2 正确驾驶由于柴油机靠压燃发火 起动比较困难 所以柴油机应严格按照正确冷起动的方法起动 5 以下的地区可采用预热 高寒地区应配备专门预热设备升温起动 或加起动液 如一比一的乙醚和航空汽油混合液 起动 起动后先怠速运转3 5min 再将发动机提高到不发生抖震的中速运转 待发动机温度升高到60 以上才能起步 不要长时间怠速运转 这样既增长发动机热起的时间 还造成喷油器结胶和积炭 20 由于柴油机的零件比较笨重 惯性较大 所以起步时松离合器的动作应缓慢 在寒冷的地方和一般地区冬季应在低速行驶2 3km后再加速行驶 换档和起步的加速时间也应比汽油机长 柴油车不允许脱档加速滑行或脱档下坡滑行 这不但没有节油效果 还造成发动机抖震 合理的下坡滑行或减速滑行应不脱档 但可以熄火脱档减速滑行 一般情况应轻踩加速踏板匀速行驶 避免忽快忽慢的现象 以减少加速阻力 21 3 柴油机的负荷应选在冒烟界线之前发动机在低负荷工况的磨擦损失相对较大 机械效率和功率低 所以耗油率高 随着负荷增加 机械效率增大 单位功率的耗油量逐渐降低 柴油机的负荷一定要选在冒烟界线以前 最大供油量调在最低油耗点到冒烟界线点之间 柴油机在重负荷工况运行 如爬坡等情况排气管冒烟则说明发动机负荷己过大应换入低档行驶 不要猛踩加速踏板冒烟行驶造成燃油不必要的浪费 22 4 保持发动机正常的工作温度提高柴油机的冷却水温度柴油机的正常出水温度为65 一95 而目前却普遍低于45 造成油的浪费 油不能完全燃烧 耗油多 机油粘度大 零件运动摩擦阻力大 油耗高 23 5 认真校准喷油提前角柴油机对喷油提前角十分敏感 所以柴油机的喷油正时记号刻注在飞轮和喷油泵上 校对时一定要将记号对准 但由于使用中传动件发生磨损或变形 影响喷油正时的准确性 所以校对后需进行路试修正 保证发动机动力足 不粗暴为好 6 确保喷油泵柱塞的密封 24 7 排除下列故障 及时排除下列故障 避免柴油机冒黑烟 敲击和运转不平稳的不良现象 空气滤清器堵塞造成空气量不足 喷射压力低 喷射质量差 造成燃油雾化不良 喷油器滴油 喷油过早或过迟 喷油量过多 25 8 加强油料净化柴油机约有一半以上的故障出在供油系统 解决办法是 将买来的柴油沉淀2 4天再用 可沉淀出所含杂质的91 一98 如果现买现用 可在柴油机的油箱加油口滤网处放上两层绸子布或卫生纸 即可滤去直径在0 OOlmm以上的杂质 26 9 改变 大马拉小车 的配套现状如机井上常见的 大机器带小水泵 就大大浪费动力 多耗油 改进办法 在现有设备不变的前提下 适当加大柴油机的皮带轮 在柴油机降速运行的情况下 提高水泵转速使流量 扬程与轴功率增加达到节能目的 27 10 注意检查减少柴油漏失各管接头 喷油泵柱塞套筒 泵体 出油接头以及输油泵都不应有漏油现象 漏油既造成燃油损失也污染外表 高压油管漏油还影响发动机的正常工作 喷油泵漏会稀湿凸轮轴箱的润滑油 加剧凸轮轴及轴承的磨损 为此应注意检查及时排除 28 11 正确选用燃油和润滑油柴油以凝点为标号 我国生产的轻柴油有0号 10号 20号和35号 凝点分别为0 10 20 和 35 为保证供油畅通 环境温度应比凝点高5 左右 柴油的粘度也应适当 粘度过高 使雾化性能降低 燃烧不安全 排气管冒黑烟 耗油量增大 据试验 比正常粘度增加一倍 油耗增加15g kwh 但粘度太低 喷油泵柱塞漏油增加 柱塞润滑变差 磨损严重 因此柴油粘度应控制在合适的范围内 柴油机的压缩比和热负荷比汽油机高得多 柴油的腐蚀性比汽油大 所以柴油机选用含添加剂的高级润滑油 29 1 机桨配合2 使用经济航速3 主 辅机燃用重油技术4 在确保主机暖车时间和充分做好准备工作的前提下 严格控制主机空转时间 如在船舶所有出港手续都办完的情况下才启动主机 5 合理调派船舶 减少船舶移动 6 严格控制发电机的使用 减少浪费 使用岸电 7 设法降低润滑油的消耗 2 船舶管理节油技术 30 五 系统设计节能 1 能量综合利用应考虑的原则 以柴油机作为原动机的发电装置的能量综合利用为例 1 要有 系统 的概念 即 全局 的概念 单机最优 并不等于 系统最优 2 由于目前柴油机的实际热效率已很高 达到几近完善的程度 所以柴油机发电装置系统的节能应放在废热利用和系统的优化设计上面 3 不仅要考虑怎样利用能量 而且要考虑到技术上的可行性以及投资收益 节能与环境保护相结合等方面的问题 31 2 能量综合利用的具体方法 1 热电联产通过热电联产装置 CombinedHeatandPower 简称CHP或cogeneration 以柴油机作为原动机的发电装置可以获得更高的效率 在提供电能的同时 利用柴油机的冷却水加热产生热水 还可利用柴油机的废气加热产生蒸汽 以达到余热利用的目的 热电联产的 热 有以下几种 32 a 饱和蒸汽或过热蒸汽利用废气余热产生的过热蒸汽可以用来驱动蒸汽透平发电机 即利用柴油机损失的热能进一步产生电能 这种结构称为 联合发电循环 通过联合发电循环 可以进一步获得10 的电能 利用废气锅炉也可产生饱和蒸汽 饱和蒸汽应用于工业生产 蒸汽联产系统通常安装于有多台柴油机的发电装置中 最经济的解决方案是将所有柴油机的废气集中起来 供给一台蒸汽锅炉 通常 锅炉都设有经济器 废气对给水进行预热 至于滑油和低温水的余热利用 通常只用于产生热水 锅炉产生的蒸汽可以用于蒸汽透平发电机 吸收式制冷装置或海水淡化装置 33 b 热水只要燃油的质量满足要求 废气还可以用来加热产生热水 燃油的硫分可以作为判断最终排气温度高低的参考依据 排气温度越高 锅炉换热管就越清洁 有的柴油机可能配备有排气净化装置 比如 烟灰滤器 NOx催化转化器以及氧化催化器等 这些净化装置可以确保废气锅炉内部足够的清洁度 热电联产系统应当如何优化以及产生何种 热 关键取决于客户的用热要求 34 热电联产的优化方案 35 在这个方案中 中间循环系统和废气锅炉是多台柴油机共用的 这种布局方案的优点是 通过余热利用 可以获得大量的热水 蒸汽锅炉之后的废气余热进一步被热水回收 从而提高了整个系统的效率 中间循环水依次经过低温水换热器 高温水换热器和废气换热器 吸收热量 然后在中央换热器中对水进行加热 产生热水供给用户 辅助散热器与中央换热器并联运行 温控阀调节经过辅助散热器的水量 使得柴油机换热器的进水温度在允许范围之内 36 37 船舶在海上航行时 制冷压缩机 主机和甲板辅助设备 机舱的辅助设备以及居住舱室都需要电力 这可由轴带发电机提供 或者由利用废气能量的蒸汽涡轮发电机提供 也可以直接由柴油发电机组提供 尽管现代柴油机的排气温度由于燃烧效率的提高而有所降低 导致废热利用不再像以前那样受到重视 然而对于长航线的船舶来说 这仍是一种切实可行的方案 但是在装卸货物时 所需的电力就不能由轴带发电机以及废热回收系统提供 而航线较短的船舶废热利用的可行性也较差 当船舶靠港 机动运行以及锚泊时 燃用重油或船用柴油的备用柴油发电机组可满足电力的需要 38 利用水 氨吸收式制冷装置能够获得低至 35 的低温 采用水 氨吸收式制冷和压缩式制冷的联合装置 甚至可以达到更低 因此可以利用热电联产所产生的 热 作为动力驱动吸收式制冷产生用于空调或制冷的冷水介质 2 利用废热进行吸收式制冷 39 下图是热水 蒸汽联产方案 利用余热回收产生高温热水和蒸汽 分别作为一台单级和一台双级吸收式制冷装置的热源 双级制冷装置产生的冷水温度可以通过调节蒸汽的流量进行控制 同时 蒸汽最后形成冷凝水返回到锅炉中 对于利用热水作为热源的制冷装置 每台柴油机对应一台制冷装置 而对于利用蒸汽作为热源的制冷装置 只要废气锅炉是共用的 则制冷装置也是所用柴油机共用的 制冷装置输入的热量由一个温控阀根据冷水的温度进行控制 在柴油机回水管路上设有辅助散热器 并由一个调节阀根据循环水的返回温度进行控制 柴油机在持续运行 热量就不断地被传递给余热回收系统 如果送出去的冷水温度降低 温控阀就会减少进入制冷装置的热水流量 同时 控制辅助散热器的调节阀动作 将过多的热量通过辅助散热器散发出去 从而使得柴油机冷却水的返回温度保持在允许范围之内 40 图2吸收式制冷的优化方案 41 3 利用废热进行海水淡化利用余热回收产生的热水和蒸汽还可以应用于海水淡化 或矿化水的蒸馏 制造出蒸馏水为生活或工业所用 比如 用作锅炉的补给水 最好采用多级蒸馏设备 这种设备利用海水依次在真空压力逐渐升高的多个蒸发室内多级蒸馏 其目的在于提供能量利用率 同时减少盐类沉积物的形成 通常 每台柴油机对应一台海水淡化装置 但如果可能 最好每两台柴油机共用一台 相互间利用节流阀平衡 42 柴油机的废气是最具有利用价值的能量 其能量的品位最高 所以一般不直接用于海水淡化 通常的方法是部分用于驱动动力涡轮 使之尽可能地转化成有效功 将这部分机械功输回到柴油机的曲轴 另外就是用来加热一个废气锅炉 使之产生蒸汽用于各处加热 柴油机标准的冷却系统采用独立的低温和高温冷却水系统 高温淡水主要用来冷却第一级空冷器和缸套及气缸盖 低温淡水主要用来冷却第二级空气冷却器 滑油冷却器和高温淡水冷却器 高 低温淡水系统中的热量的品位较低 可直接用到海水淡化系统中去 43 2 4柴油机和热泵的组合发电柴油机组主要用于发电 但如果同时需要向客户大量供热 可以考虑采用由柴油机和热泵组合在一起的专门供热装置 这种装置 柴油机输出的轴功率直接用来驱动热泵 以直接产生80 C的热水用于取