0 引　言

舰船柴油发动机是舰船的主要动力来源，其主要原理是将燃烧柴油产生的热能转换为机械能，从而实现对舰船的驱动。舰船执行远洋作战任务时，舰船柴油发动机的效率在很大程度上会影响其作战半径，由于在柴油质量相同的情况下，燃烧效率高的舰船会航行更远的距离，因而在战略上更具有主动性。但舰船柴油发动机燃烧效率提升非常困难，为了提升舰船的整体能效，通过回收和利用柴油主机产生的余热，可以有效降低燃料消耗，将这部分余热用于舰船上的供暖、热水供应、淡水制造等，同时还可以减少有害气体和颗粒物的排放，降低舰船对环境的污染。因而对船舶柴油主机动力装置的余热循环和利用进行研究具有非常重要的意义。

国内有非常多的研究机构和学者对柴油主机动力装置的余热回收与利用技术进行了细致研究，李琳婕等^[1]针对燃气热泵系统构建了供冷和制热模式下的数学模型，并对系统在标准设计条件和变化条件下的制冷性能系数与一次能源效率随轴功率变化进行了深入分析。通过模拟有无余热回收2种模式，发现余热回收对于提升系统能源利用效率具有显著作用。王玉等^[2]设计了一种基于ARM平台的船舶柴油机余热回收测试系统，可以实现数据测试、保存、系统控制等功能。赵淼等^[3]对船舶余热转换系统中的关键装置、有机工质、热点转换组件等进行改进，实现了船舶余热回收转换效率的提升。从以上这些研究可以发现，目前研究的重点主要集中在余热回收效率、余热回收模型仿真分析、余热回收测试平台构建等，对舰船柴油主机动力装置的余热循环和利用系统则研究较少。本文提出一种基于ARM控制的余热循环和回收利用系统，对系统的热能利用效率进行了研究和对比。

1 系统初步设计 1.1 余热循环利用原则

舰船在航行过程中柴油主机会为舰船航行提供动力，且这些动力一般在非战斗状态下都是过剩的，此时柴油主机产生的多余热量就可以为舰船提供热能和电能。在通常以柴油机作为主要推进动力的舰船上，这些热能和电能的需求通常由辅助锅炉和柴油发电机组提供，这不仅消耗燃料，还增加了环境污染^[4]。舰船柴油主机的热能损失主要来源于排气损失和冷却损失，因而本文的余热循环和利用对象主要就是这些主机排出的热气。

对舰船余热循环和利用的基本原则是“按质供能，能质匹配”，对舰船上所有需要使用能量和做功的场合进行分类，有的需要高品质能量，有的则没有那么高要求，如生活用水的加热只需要一般的蒸汽即可，缸套冷却水也可以循环利用作为冷却装置的热源，这是由于这些场合对热源的要求都较低，而其他的一些场合则对热源要求极高，如对重质燃料油进行加热，要求的温度则较为严格。因此，必须根据用热设备的需求，按质提供热能，确保热能供需在数量和质量上都相匹配。根据“按质供能，能质匹配”的基本原则，在需要低品质能量的场合，应尽量避免提供高品位能量，以实现“热尽其用”，吨位越大的舰船，对舰船上需要使用热源的场合进行细致规划并设计余热循环利用就会显得非常有必要。

1.2 系统需求分析

舰船柴油主机动力装置余热循环与利用系统的设计要求主要包括以下几个方面：

1）余热循环利用。余热循环利用是系统的基本功能，和其他民用船舶余热循环与利用系统不同的是，舰船一般吨位较大，主要考虑作战性能，因而余热利用效率是系统设计指标中的重要参数。

2）系统集成和信息化。舰船柴油主机动力装置余热循环和利用需要符合现代舰船制造的基本要求，即需要实现信息化和集成化，系统需要统一的管理和监控界面，并且能够和舰船其他控制系统通信集成，使得舰船在遭受到攻击时能够实时查看当前系统的工作状态以及异常。

3）冗余设计。余热循环与利用系统中有相当一部分会影响到舰船工作人员的工作和生活，因而系统必须具备一定冗余性，在一些关键部件上需要一定的冗余设计，以保证系统在某一些部件损坏时系统仍然能够正常工作。

1.3 有机朗肯循环

在柴油主机动力装置余热循环与利用系统中所涉及的系统较多，本文以有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）为例说明余热利用的理论基础。有机朗肯循环是一种利用有机工质（具有较低沸点的液体）的热能转换循环，在舰船柴油主机动力装置余热循环与利用系统中，使用有机朗肯循环是一种最为常见的方法，它与传统的以水为工质的朗肯循环类似，使用有机朗肯循环可以在最大程度上利用柴油主机提供的热量，因为使用了不同的工质，ORC在较低温度的热源下也能高效地工作^{[5 − 6]}。

整个ORC单元的工作原理是将热能通过有机工质的相变过程转换为机械能，进而转换为电能。该过程是闭式的循环，有机工质被不断地再循环使用，而热能则来自外部的热源。通过这种方式，ORC系统能够有效地从低至中温热源中提取能量，转换为有用的电能。有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）是一种热力学循环，它利用有机工质（具有较低沸点的有机化合物五氟丙烷）来从各种热源中回收热能，并将其转换为机械能，最终转换为电能。ORC循环与传统的蒸汽朗肯循环类似，但因为使用了不同的工质，它更适合于较低温度的热源。其工作过程主要如下：液态的有机工质吸收来自热源的热量，升温并蒸发成气态，在蒸发器的末端，气态工质需要进一步加热成为过热蒸汽，随后过热蒸汽进入涡轮机，由于压力下降，蒸汽膨胀并做功，将热能转换为机械能。涡轮机的旋转可以驱动连接的发电机产生电能。涡轮机出口的蒸汽在冷凝器中释放热量，冷凝成液态。热量被传递给冷却介质，通常是水或空气，然后被排放到环境中。有机朗肯循环通过上述过程，实现了从低品位热源中提取能量，并转换为有用的电能目标。其基本原理如图1所示。

2 系统详细设计 2.1 系统结构设计

对舰船柴油主机动力装置余热循环与利用系统进行整体设计，其结构如图2所示。

1）余热回收锅炉系统：余热回收锅炉系统是一个专门设计来从船舶柴油主机或其他热源的排气中回收热能的系统。系统包括排气管道、余热锅炉、热交换器、热水系统、凝结水回收系统以及辅助设备等。排气管道是连接柴油主机排气口和余热回收系统的管道，用于将高温废气输送到锅炉。余热锅炉是核心设备，用于从排气中吸收热能并将其传递给工质。余热锅炉内部通常包含多个换热单元，如高压蒸发器、高压过热器、低压蒸发器等。热交换器用于从排气中提取更多热能或进行其他形式的热交换。热水系统为舰船提供生活用热水或其他用途。凝结水回收系统用于收集和再利用蒸汽凝结后的水，减少水的消耗和损失。辅助设备包括给水泵、阀门、仪表、传感器等，支持系统的正常运行和维护。

2）动力涡轮系统：柴油机的排气首先通过动力涡轮和废气涡轮增压器，这一过程不仅提高了排气的利用效率，还通过涡轮做功来增加能量的回收。完成初步能量回收后的废气，随后被引导至余热锅炉进行进一步的热能回收。

3）有机工质发电系统：采用特定的有机工质，通过有机工质汽轮机转换热能为机械能，并最终通过发电机转换为电能。有机工质发电系统可以有效地利用柴油主机动力装置中的较低温度的余热，提高整体的能源利用率。

4）汽轮机发电系统：这一部分包括双压补汽凝汽式汽轮机、发电机、冷凝器以及减速装置等，它们共同工作以从高温蒸汽中提取能量并转换为电能。

5）热交换系统：包括缸套水换热器、分段式空冷器、工质预热器等，这些设备不仅提高了冷却水的热效率，还通过预热器为工质提供预热，优化了整个系统的热能流动。

6）能量管理与控制系统：能量管理与控制系统是整个余热利用系统的核心，本文以ARM控制器为MCU，通过CAN总线、以太网等方式获取系统中相关设备的状态，获取的参数包括所有阀门的状态（开关量）、发电系统的电压（模拟量）、电流（模拟量）、管道压力（模拟量）等，自动调节各部分的工作参数，以确保系统在各种工况下均能高效、稳定地运行。

2.2 系统测试

对舰船柴油主机动力装置余热循环与利用系统进行测试。由于条件限制，选用某型号船舶柴油主机进行测试，其最大功率为200 kW，选择R245fa作为有机循环工质，R245fa的摩尔质量为134 g/mol，沸点为15 ℃，研究不同工况下系统的热回收效率、单位热源质量流量输出功率等的基本情况。图3为柴油主机不同热效率情况下系统的净回收功率和单位热源质量流量输出功率。可以发现，在柴油机热效率大于11.5%的情况下，单位热源质量流量输出功率随着柴油机热效率的增长呈现线性增长，净回收功率虽然也呈现正相关的关系，但其增长仍然存在区间性，即如柴油机热效率在11.5%～12.0%区间内增长非常快，而在12.0%～13.5%区间增长较快，在13.5%～14.5%区间增长缓慢。

热回收效率能够反映出柴油主机余热整体的利用情况，图4为柴油主机不同热效率情况下热回收效率的变化情况，可以发现柴油机热效率在11.5%～13.0%区间内热回收效率增长非常快，在13.0%～14.5%区间几乎不增长，基于ORC循环的系统热回收效率最大可以达到6.5%。

使用柴油主机余热利用效率作为评价指标，其定义为发电功率占柴油主机冷却水和排气可用总能的比重，此处不同工况表示柴油机在不同负载情况下的柴油机工作情况，100%工况表示柴油机满功率负载输出。图5为主机不同工况下柴油主机余热利用效率的情况，在100%工况下柴油主机余热利用效率可以达到19%。

3 结　语

舰船柴油主机动力装置除了为舰船提供动力外，还可以使用余热为舰船提供热能和电能。本文对舰船柴油主机动力装置的余热循环和利用系统进行设计，提出了舰船余热循环利用原则，分析了系统需求，在此基础上对系统整体结构进行了设计，详细阐述了系统中各子系统的基本功能和实现原理，最后对系统进行测试，研究了柴油主机不同热效率情况下系统的净回收功率、单位热源质量流量输出功率以及热回收效率的变化情况，同时还研究了柴油主机不同工况下的余热利用效率。舰船柴油主机动力装置的余热循环和利用系统可以有效提升燃油利用效率，并最终改善舰船作战性能。