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毕业专题论文

船舶节能技术的探讨
The Research of Energy Efficient
Technology on Ships

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摘 要 I
ABSTRACT II
前言 1
第1章 提高柴油机热效率的方法 1
1.1 加长活塞的有效行程 1
1.2 降低螺旋桨转速提高推进效率 1
1.3 用轻重油转换设备节能 1
1.4 从材料上推广玻璃钢船型 2
第2章 对柴油机的余热回收利用 2
2.1 涡轮增压回收余热 2
2.2 热能回收系统的工作模式 3
2.3 混合动力装置余热回收 4
第3章 加强船舶管理及维护 4
3.1 保持最佳纵倾度以增加螺旋桨吃水深度 4
3.2 清除船舶污底保持航速 5
3.3 驾驶部与轮机部密切配合 6
3.4 做好设备维护与保养 6
3.5 操作管理节能 6
3.6 使用燃油添加剂 7
3.7 做好坞修与节能有关的项目 7
结束语： 8
鸣谢 9
参考文献 10

摘 要

摘 要
随着燃油价格上涨，船舶节能成为航运业关注的热点之一。本文从3个方面介绍了几种主要的节能技术：第一方面主要从主机本身，提高主机功率，从机械效率上找回能量；第二方面从柴油机的废气上为突破，尽可能地进行废气利用，把排气中的余热回收。而利用涡轮增压是最有效地提高柴油机经济效率的方法；第三方面是从船舶管理方面，讲究人、机和谐，部门配合，尽量利用环境，节约成本。

关键词：热效率；节能；余热回收；船舶管理

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ABSTRACT

ABSTRACT
With the rising of the fuel prices,the attention of the shipping industry is focus on the energy.This article describes three energy-saving technologies: firstly,mainly from the main engine itself,improve engine power,recover energy from the mechanical efficiency;Secondly recover energy from exhaust gas as far as possible,try best to make the waste heat reused.The use of turbo-charger is the most effective way to improve the economic efficiency of diesel engine; Thirdly,from the marine management,such as human and machine in harmony, department coordination and make full use of the environment,to save costs.

KEYWORDS: thermal efficiency ; energy-saving；recovery of waste heat；marine management
广东海洋大学2010届本科生毕业论文

船舶节能技术的探讨
轮机工程，200611821213，刘长青
指导教师：梁榕辉
前言
当今世界各国国民经济的发展在很大程度上取决于能源的发展。能源问题已成为举世关注的重大战略问题，而解决能源供需矛盾无非是开发能源和节约能源。因此我国制定了“开发与节约并重，近期把节能放在优先地位，大力开展以节能为中心的技术改造和结构改革”的能源方针。由此可见，开展能源节约工作具有多么重要的意义。
本论文素材的来源一方面是本人从多方面搜集的材料，另一方面是本人在实习时所见到的实际节能设备总结而出。此外，本文从技术和轮机管理两方面对节能的途径和方法作了一般的介绍。
第1章 提高柴油机热效率的方法
1.1 加长活塞的有效行程
活塞的有效行程越长，则气缸的压缩压力越大，柴油机的工质得到更大的压缩比，使工作行程时有效压力增大。压缩过程终点的最高温度和压力提高，从而提高了工作循环的热效。因而，柴油机的动力和经济性更好，油耗就就降低。但是压缩压力过高，导致最高爆发压力过高，会使柴油机零部件承受机械和热负荷过大。
1.2 降低螺旋桨转速提高推进效率
在中高速柴油机的情况下，是利用齿轮减速装置，来选择合适的螺旋桨转速，以提高传播的推进效率，这是很早就采用的办法。而大型低速柴油机与螺旋桨直接连接的情况下所采用的降低转速的办法是使柴油机的行程加长，再把转速降低20%～25%。但是，B&W公司提出了一格方案，即在以往的大型低速柴油机上也装上齿轮减速装置，并采用更低转速的螺旋桨，以极力改善推进效率，实现超低速的推进方式。现在最低转速已经可以达到80rpm。[2]
1.3 用轻重油转换设备节能
轻重油转换的基本原理是，低质燃油通过加热、搅拌、过滤后其流动性提高，可以达到充分燃烧的目的。轻重油转换设备所占机舱空间很小，操作简单，安装方便，只需要将原有燃油管系靠近柴油机的部分截开。连接到轻重油转换装置的出入口即可。船舶安装轻重油转换装置后不会影响船舶本身的结构，不会影响主机的性能。轻重油转换设备有多种部件组成，其中过滤器是特制的，在使用中应定期更换。安装轻重油转换装置后，对柴油机的运行管理提出了一些新的要求。如在出航前30min需打开加热器;先用轻质柴油启动主机，主机预热后再使用重油等。通过某轮安装轻重油转换装置前后的对比，采用此方法燃油成本可降低大约4.5%。虽然重油因为粘度高，密度大，并含有较高的杂质及一些其他化学元素，会对燃油的输送以及燃烧产生一些不利影响，但是，综合各方面因素，由于重油价格低廉，轻重油转换技术具有很好的经济效益。
1.4 从材料上推广玻璃钢船型
玻璃钢(也称玻璃纤维增强塑料，英文缩写为GFRP或FRP)是一种复合材料，上世纪四十年代诞生于美国，开始主要用于军事和航空，50年代逐渐转为民用。玻璃钢品种繁多，性能优异，用途广泛。它是由合成树脂和玻璃纤维经复合工艺制作而成的一种功能型的新型材料，具有相对密度小、冲击韧性好、表面光滑、耐腐蚀、成型简单的优点。采用玻璃钢材料制造的船舶，自重轻、阻力小航速快，玻璃钢是建造小型船舶理想的节能材料玻璃钢船舶具备如下特点:
1)节能效果好。与其它材质的同等功率船舶相比，由于玻璃钢船船体表面光滑，阻力小，航速可提高0.5kn～1kn。[9]
2)稳性好、抗风能力强。玻璃钢比重约是钢材的1/4左右，玻璃钢船压载重量重心低，在其他参数不变的情况下，玻璃钢船与同类型钢质船相比，横摇周期可缩短2s～3s，在风浪中起浮性好，回复能力强。
3)使用寿命长，维修费用低。玻璃钢材料具有良好的耐腐蚀性，船体没有锈蚀问题，使用寿命可达50年之久，如果船体不发生损伤，不需要每年进行维护。但是受到玻璃钢“强度有余、刚性不足、耐磨擦性能差”这一材料特性的影响，建造玻璃钢船应以小型船舶为主，如渔船、游艇、航标巡检船等。据统计，玻璃钢船比同尺度钢质船舶节省燃油可达10%，维修费用也能大幅降低。目前，发达国家的渔船大都采用玻璃钢船型，而我国玻璃钢渔船的发展却略显缓慢，数量众多的渔船大都为钢质或木质，发展玻璃钢船型的潜力巨大。
第2章 对柴油机的余热回收利用
2.1 涡轮增压回收余热
增压是提高柴油机功率的最主要途径。柴油机功率岁增压压力的增加成比例的增加。采用废气涡轮增压，优于利用了废弃能量，柴油机的经济性得到更大提高。
废气能量的组成：
为说明废气能量的组成，我们画出四冲程等压涡轮增压的理论示功图。其中：
3-a:进气过程，进气压力为PK。
a-c-z’-z-b：压缩、燃烧、膨胀过程。
b-5-4：排气过程，排气管中的压力为Pt。
0-a-3-2-0：压气机压缩进入柴油机气缸的空气所需能量。（3-a长度为气缸工作容积。）
i-g’-3-2-i：压气机压缩扫气空气所需能量。（g’-3长度表示扫气空气体积。）
0-a-g’-i-0：压气机消耗的总能量。B点：排气阀打开时气缸中燃气的状态。
B-f-1-b:废气等熵膨胀到大气压P。时作出机械工的最大能力，即排气阀打开时气缸中废气具有的可用能。
E’-f’-i-g-e’：涡轮前废气的可用能。它由以下四部分组成：
（1）e-f-1-5-e：废气达到涡轮前仍保留的可用能。
（2）5-4-2-1-5：活塞以Pt将Vh体积的废气从气缸中推出所给予的可用能。
（3）i-g-4-2-i：扫气空气带来的可用能。
（4）e’-f’-f-e-e’：由于损失废气可用能b-e-5-b而获得的热量使废气温度升高，这样涡轮前的废气温度比等熵膨胀后的e点的温度高（以e’点来表示），由此废气得到的复热回收的可用能。当然，它远小于损失掉的可用能b-e-5-b。b-f-i-g-5-b：废气总的可用能。它包括排气阀打开时气缸中废气具有的可用能，活塞推出废气而给予的可用能以及扫气空气带来的可用能。废气总的可用能也可看成由以下两部分能E1和E2组成：E1（b-e-5-b）——废气由压力Pb降到涡轮前压力Pt的可用能。或脉冲能。E2（e-f-i-g-e）——废气由压力Pt降到Po的可用能。或称定压能。
能量E1在废气总可用能E1+E2中所占的比例随Pt的不同而不同。Pt低，其所占比例大；Pt高，其所占比例小。

2.2热能回收系统的工作模式
1）电动机模式，当热能回收系统提供的电能大于船舶辅助设备所需电能时，多余的电能可以提供给轴带电动机，增加螺旋桨输出功率。
2）发电机模式，当热能回收系统提供的电能低于船舶辅助设备所需电能时，缺少的电能可以通过轴带发电机补充(轴带电动机运行在发电工况)。
3）助推模式，当所需的推进功率大于主柴油机可以提供的功率时，可以利用热能回收系统和副机产生的电能驱动轴带电动机，增加螺旋桨的输出功率。
4）可选模式-应急推进，当主柴油机的离合器处于脱开状态时，由副机向轴带电动机提供电能，为船舶航行提供动力。
2.3 混合动力装置余热回收
混合动力装置主要由主机、轴带发电机、电动机、废气锅炉、动力透平、蒸汽透平发电机、电站管理系统、主机离合器等组成。
混合动力装置热能回收系统利用主机缸套水和扫气空气的热能为锅炉给水加热，利用回收的排气热能产生蒸汽，驱动蒸汽透平。部分废气则直接提供给一个动力透平，该动力透平和蒸汽透平通过一个减速齿轮箱共同驱动发电机。
混合动力装置的主要优点：
1） 可以降低主柴油机的安装功率；
2）在一定程度上提高了推进装置的冗余性；
3）优化的电站管理系统提供船舶运行工况所需的电能；
4）安装灵活（为船舶设计提供更多的自由度、缩短机舱长度、优化船体线型）；
5）提高冰区航行的级别；
6）通过主机排气余热回收系统减少油耗量；
7）能够方便的在已经投入运行的船舶上进行动力装置的改装；
8）在柴油电力推进模式下，能降低对环境的污染。
以上是对排气热量的有效利用，此法很早就已经在使用了。从经济上来考虑，低速柴油机的功率在15000PS（11030KW）以上时，中速柴油机在13000PS（9560KW）以上时，设置涡轮发电机才是合算的。[4]
第3章 加强船舶管理及维护
3.1 保持最佳纵倾度以增加螺旋桨吃水深度
通过合理配载与调整压载水来调整船舶艏艉吃水差，当主机油门不变时，可提高航速，缩短航期，或航速保持不变，油门减小，即可大量节油。这是从节能的观点上来寻找船舶最佳纵倾度。
船舶最佳纵倾节能技术具有安全可靠，无需增加任何设备和技术改造，简单易行等特点，它不影响船舶正常营运，不降低航行速度。可节油2%～4%，对有球艏船可达到4%～10%的节能效果，从而被列为国际十大节能措施之一。
船舶最佳纵倾度随航速不同、载重量不同而改变，因此，实施最佳纵倾度节能技术，必须在水池先进行不同排水量、不同航速的精确实验，并利用计算机对试验数据进行处理，最后综合出船舶最佳纵倾吃水，绘出最佳纵倾曲线，便于船员查用。
对于已经投入一个营运的船舶，不可能都做船模试验，。因为进行最佳纵倾船模试验的最大障碍是费用较高，一般一艘船包括船模水池系列试验在内的全部试验程序，大约要花几万元的费用。
只有在下列情况下，才可能作最佳纵倾船模试验：
（1）有球艏的船型（节油可达4～10%）。[2]
（2）航行于远洋的航线，航距长。
（3）船舶吨位大，航速快。
（4）同类型船舶越多越合算。可将船模试验费用分摊到同类型船上。
大部分船舶，特别是中、小型单一船舶是不必作最佳纵倾船模试验的。这些船舶主要靠驾驶人员的经验，对自己所驾驶的船舶，通过改变吃水和纵倾，找出在不同航速及不同载重量下的最佳纵倾。一般来说，艉吃水对于螺旋桨推进效率，防止空泡以及防止空转是决定性作用的。尤其是采用低转速大直径螺旋桨的船舶，选择合理的艉吃水更为重要。与此相反，在艉吃水一定时，一般艉吃水浅航速会有所提高。
在探索船舶最佳纵倾过程中，从安全的角度来看，艉倾状态的稳性以及总纵强度较好，而艉倾时较差，所以应该谨慎态度。特别是在满载航行中，若存在艉倾，则艉部很容易上浪以影响到船舶航行安全。一般七级风以下的海况执行最佳纵倾，七级风以上就应该服从操纵性及稳性的需要。
3.2 清除船舶污底保持航速
因海生物如藤壶类、海草，及软体动物如贝类、牡蛎类等附着船壳上，对航速有很大的影响。船体污损的加剧使航速降低的程度，取决于船底涂料的种类及该船所航行的航线、季节、航速、停泊天数、船龄及距上次出坞时间等。一般船出坞营运半年后，航速明显开始下降。普通船出坞半年后航速降低3.9%，燃料费增加8.2%，出坞一年后航速降低10.7%，燃料费增加25.5%。[2]
为了解决船在进坞之前因污底而降速，最常用的有如下几种做法：
（1）合理调度船舶，在条件许可下，使船舶每三个月能在淡水航线或淡水港航行或装卸货一次。这样会破坏海生物、贝类的生长，减少船体的污损。
（2）船舶航行一段时间后，根据航速降低情况及燃料消耗量的情况来判断衡量是否采用下水机械磨刷法来清除船底污物，主要取决于经济效益如何。一般普通船下水除污后航速的恢复率为63%。当水下除污作业所需费用低于除污后航速恢复所节约的燃料费，就可进行水下除污，反之就不可取。
一般大吨位、高航速、航行于长航线的船，经过水下除污后，经济效果较佳。
（3）采用长效防污涂料即自抛光型防污涂料，防污效果好，在防止降低航速的同时，还可以延长进坞的间隔期，可收到节省燃料费又节省修船费的双重效果。不过这种涂料价格较贵，只有大吨位船使用这种涂料时，其成本费才能在约一年多的时间内回收。小吨位船使用这种涂料较不合算。
3.3 驾驶部与轮机部密切配合
驾驶部与轮机部之间的良好合作是节能措施的首要条件。没有这个先决条件，任何由船员来执行的节能措施都无法发挥出应有的最大节能经济效益。
（1）当采取减速航行、经济航速、盈利航速等节能措施时，驾驶部应和轮机部密切配合，才能保证主机在任何情况下均正常运转。
（2）在安全前提下，进出港，靠离码头，收抛锚，应尽量少用车，以减少主机运转时间，从而节省燃油。
（3）根据装卸货情况及时通知机舱增开或停用发电机。
（4）及时停掉不使用的甲板机械，减少空载运转。
（5）尽量避免不必要的移泊，以免开车耗油。
（6）驾驶部门要及时告知轮机部靠离码头，装卸货等具体停泊时间，以便轮机部根据停泊时间的长短，安排主机、副机日常保养、维修及循环检验，以保证主机、副机处在良好的技术状况下运转。这对航行安全和节约燃油都是有利的。
（7）驾驶部门用电时，要配合轮机部门错开用电高峰，削峰填谷，使发电机经常保持接近满负荷的状况工作，而不是要用多少台发电机来分担，这样既可节省燃料，又可减少设备的运转时间。
3.4 做好设备维护与保养
机电设备是船舶油料最直接的消耗者，抓好机电设备的维护保养，确保机电设备的工况，充分挖掘节能降耗潜力，首先要保持柴油机良好的工作状态。船舶节油增效可以从以下几个方面着手:
（1）调整最佳喷油提前角。每一种柴油机都有一个最佳喷油提前角，在维护保养时，要注意检查和调整各缸的供油提前角，使其处于最佳供油位置；
（2）保持进排气系统的通畅，定期调整气阀间隙；
（3）定期检查调整供油定时和喷油压力，确保其在规定范围内；
（4）保持燃烧室组件之间的适宜间隙；
（5）保持润滑系统的顺畅。润滑系统不顺畅会使机械磨损增加，会增加油耗；
（6）保证足够的新鲜空气供给量。现代柴油机大都采用废气涡轮增压，若空气通道堵塞，如脏污、结炭、变形等，都会因流阻增大，使增压压力下降，影响扫气效果，导致燃烧不良油耗增加，严重时还会引起喘振；
(7)保持操作系统和传动系统处于良好技术状态，将大大提高机械效率，从而节约油耗。
3.5 操作管理节能
在作业时烟囱冒浓黑烟的情况时有发生，这其实是操作时加车过猛﹑过急所产生的一种现象。黑烟的主要成分为不完全燃烧的油分子颗粒和不完全燃烧所产生的炭黑。如果能让这部分黑烟完全燃烧，产生它应有的效率那么就可以节省一点燃油。虽然一次只是节约了一点点，但如果每次都节约一点点那就是一个巨大的数字了。要做到减少这一类油耗的要点是：尽量避免紧急情况的发生，避免猛然加车，平稳变速，冷车慢行，尽量多用舵、少用车、规范操作，做到以最小的车发挥最大效用；以最少的油耗做最多的有用功。
3.6使用燃油添加剂
在燃油中添加燃油添加剂可以改善燃油品质，提高燃烧性能，降低有害物排放，提高燃油利用率，达到降低有害物排放量和节约能源的目的。在船舶上使用燃油添加剂意义重大，燃油添加剂以改善柴油品质为起点，目的是做到柴油与柴油机的合理匹配，使柴油机能发挥更大效率。另外，使用燃油添加剂无需增加装置或改变发动机结构，因此使用燃油添加剂被认为是一种便捷、有效的节能减排措施。对柴油机而言，目前应用的燃油添加剂主要有十六烷值提升剂、燃烧促进剂、消烟剂、流动性改进剂、抗氧化稳定剂、抗微生物剂等几种。
燃油添加剂的使用效果，已被国内外许多台架实验、实验室试验和长期的实船应用经验所证实。众多的柴油机制造商已认可并推荐燃油添加剂，许多船东也已经从这方面受益。使用燃油添加剂后无论是与燃用质量更好而价格更昂贵的燃油相比还是与燃用同质燃油而不使用燃油添加剂相比，使用燃油添加剂效益更好。同时有效地减少油泥，充分利用燃油，降低故障率，减少设备故障的风险，提高安全程度;延长设备维护周期，节省人工、备件、物料、修理等费用。
3.7 做好坞修与节能有关的项目
（1）船舶坞修时主要是应尽力消除重载线以下，船体局部由于风浪拍击及海损（碰撞、触礁、搁浅等）引起船体外板凹陷变形。因为这些变形会增加船体阻力，使燃料消耗显著增加。
（2）进坞修理时应首先检查螺旋桨叶有无裂痕、锯齿状缺口、弯曲、剥蚀，桨毂和导流帽等有无损伤。损伤严重的螺旋桨应拆下修理，并检查其锥孔接触面情况。经过焊补、矫正的螺旋桨，一般应测量螺距和直径，并进行静平衡试验。然后抛光整个螺旋桨或桨叶可以防止效率损失，估计可节约燃油1%～3%。
（3）舵是船舶操纵系统的重要设备，舵的可靠与否直接关系到船舶航行安全。如舵叶变形，舵角不准会使船舶偏航，使航程增加，浪费燃料。因此，舵设备修理是一项重要内容。
（4）轴系的作用是将主机发出的功率传递给螺旋桨，推动船舶航行。坞修时主要是要检测艉轴与艉轴轴承、尾管轴承、尾轴托架轴承的配合间隙，在轴承与尾轴配合间隙良好的情况下，校正轴系中心线。因轴系中心线偏移，会增加主机功率消耗，严重时会影响主机的工作。
结束语：
综上所述，船舶节能是一项由人、船、环境综合因素决定的系统工程，而能源是提高人民生活和进行社会主义现代化建设的重要物质基础，当前，能源短缺已成为世界上急待解决的重要课题。从船舶看，水上运输始终是以降低运输成本，增加盈利作为努力目标，怎么样更好的利用代用燃料和新能源来促进水上交通可持续发展值得人们的思考。同时，作为一名船员更应该对船舶的节能技术具备系统的知识，掌握节能原理和措施，以适应当前造船事业和节能技术不断发展的需要。

鸣谢

鸣谢
本论文撰写过程中，得到老师的热忱指导和帮助，并由负责论文的审稿，在此谨致衷心的感谢，以及在此未曾列出其名字而曾给予本文大力支持的人士及同学表示感谢。

参考文献

参考文献
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附 录

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