1、安裝動力渦輪的船舶主機余熱發電系統性能研究摘 要：木文設汁了以動力渦輪、余熱鍋爐、汽輪發電機組、外部預熱器、凝汽器為主要組成部分的 船舶柴油機排煙余熱回收通用系統，在此基礎上以4250teu集裝箱船為例，分析了不同工況下該排煙 余熱利用系統的熱力性能參數、余熱發電功率、節油量等系統性能參數。分析結果表明，100%工況下, 4250teu集裝箱船在不開啟動力渦輪時，系統余熱回收總量為7714kw,發電功率可達1833kw,完全能 滿足船舶正常航行用電需求，此時節省燃油量為367. 7kg/h,系統節油率故高能達到3. 56%,開啟動力 渦輪后，動力渦輪提供的發電量最大，為142rw,但是此時動力

2、渦輪捉供的發電呈對于1250teu集裝 箱船整體的節能性能提升并不大。當船舶處于動力渦輪最大發電戢的工況下時，動力渦輪僅僅為船舶 提供了最人11. 8%的發電比，節油量僅為28.5kg/h、節油率僅為0.86%,效果并不明顯。關鍵詞：船舶柴油機；余熱發電；動力渦輪；節能性能0前言能源問題已經成為經濟發展屮一個頭等重要問題。船舶是能源消耗量巨大的運輸工 具，高能耗一方面使船舶運行成本增加，另一方面也帶來了嚴重的環境問題。如何有效 降低船舶能耗是一個現實而又重大的課題。國際海事組織imo已將eedi（energy efficiency design index,新船能效設計指數）作為考核船舶運行能

3、耗高低的一個指標，倘 若船舶處丁能量利用效率較低的狀況，除了將面對高額的燃料費用外，還將面對額外的 罰金，以補償對環境的破壞。船舶節能就是以最小的能量消耗取得最大的運輸效益。船舶的能量來自于燃料，燃料費用在運輸成本中占有很大的比例，大約占船舶總營 運費用的3360%,隨著油價的上漲，這比例也將愈來愈大叫 船舶直接耗用燃料的設 備是柴油主機、輔機和輔助鍋爐。其中，主機所耗能量占總輸入能量的7090%。燃料 在柴油機氣缸中燃燒所發出的全部熱量，只有一部分轉變為機械功，其余部分則分別通 過排氣、冷卻介質和輻射而排入大氣和海水。燃料燃燒放出的熱量除了轉變為有效功的 部分外，其余都是廢熱，也即余熱。i比

4、界油價的不斷上升，以及tl益緊迫的要求船舶控制co?排放的壓力，迫使船舶需 要進一步提高能量利用效率。作為占船舶油耗大部分的主機，其能量利用效率是提高船 舶能效的關鍵因素。提高船舶主機熱效率最本質的方法就是提高發動機燃燒溫度，但市 于燃燒溫度和船舶nox排放的密切關系，決定了單純采用提尚發動機燃燒溫度來提高 熱效率是不可行的。為此必須另辟新徑，解決提高熱效率和降低nox排放的矛盾。目 前，最先進的船用二沖程柴油機主機有效熱效率已接近50%，擁有所有熱機中最高的 效率，但仍有一半以上的燃料能量沒有被利用，隨廢氣和冷卻水排入環境，既造成了污 染，又浪費了大量的資源。目前由于廢氣渦輪增壓器效率的提高

5、，船用二沖程主柴油機廢氣屮的能量除了供渦 輪增壓器使用外，還有大量剩余。如果能夠利用主機廢氣和冷卻水的熱塑進行發電或作 為輔助設備熱源提供蒸汽，則可以替代部分輔機和輔助鍋爐，同時達到節能和減排的效 果。因此充分回收船舶主機和冷卻水的余熱，意義重大。船舶余熱利用系統擁有較長的歷史及廣泛的應用范闈，目前在許多類型的船舶上都 運行有廢氣鍋爐系統，利用廢氣能量，提供船用蒸汽。同時，由于渦輪增壓器效率的提 高，且大功率船舶柴油機排氣能量較多，因此在渦輪增壓器前分流一定量的廢熱供給動 力渦輪，動力渦輪再將廢熱的能量轉化為機械能或電能，技術上是可行的。1安裝動力渦輪的船舶柴油機余熱利用系統介紹本課題所采用的

6、船舶主機余熱利用系統（如圖1所示）由動力渦輪、余熱鍋爐、汽 輪發電機組、凝汽器、屮冷器預熱器、缸套水預熱器、熱井、各種泵及閥門組成。bxi圖1船舶柴油機排煙余熱利用系統圖余熱鍋爐由高壓過熱器、蒸發器及低壓過熱器、蒸發器組成。該系統利用缸套水預熱器 和中冷器預熱器依次對鍋爐給水進行預熱。在煙氣流經路線上，柴油機排氣分別流經廢 氣渦輪和動力渦輪，進入動力渦輪的排氣做功發電后與經過廢氣渦輪的排氣混合后進入 余熱鍋爐，依次在高壓過熱器、高壓蒸發器、低壓過熱器、低壓蒸發器放熱降溫后排出 余熱鍋爐。熱井中的鍋爐給水先經缸套水預熱器預熱，預熱后部分給水又由中冷器預熱 器預熱。經混合分配，一部分直接輸入高壓鍋

7、筒中，另一部分進入低壓鍋筒中。高、低 壓鍋筒內飽和水由循壞水泵輸分別送至高、低壓蒸發器，吸熱后成為高壓汽水混合物， 汽水混合物回到鍋筒進行汽水分離，分離得到的高壓飽和蒸汽一部分被輸送至船上蒸汽 加熱設備，供加熱使用，另一部分被輸送至過熱器，在過熱器中被加熱成過熱蒸汽后輸 送至汽輪發電機組，推動汽輪機發電。最后，蒸汽加熱設備和凝汽器出口的冷凝水被送 回至熱井。2安裝動力渦輪的船舶柴油機余熱利用系統性能計算數學模型2. 1安裝動力渦輪的船舶柴油機余熱利用系統數學模型在已知壓氣機入口溫度、壓力、壓縮比、效率等參數的情況下，壓氣機出口溫度為:式中：42 一壓氣機出口溫度，k； tm一壓氣機入口溫度，k

8、；兀一壓氣機壓縮比; 了一空氣絕熱指數，取1.4；久一壓氣機效率。壓氣機做功為：“a龍 z 一1)/久(2-2)式中：用4壓氣機做功量，kw；,心一壓氣機空氣流量，kg/s； q空氣定壓比熱容， kj/(kg.k)«為方便計算，假定壓氣機做功量等于廢氣渦輪的輸出功，在已知廢氣渦輪廢氣入口 溫度、壓力、廢氣渦輪膨脹比、效率等參數的條件下，廢氣渦輪出口溫度為：(2-3)廢氣渦輪膨脹比;82 = sl(l + %(兄'-1)式中：如廢氣渦輪出口溫度，k；如一廢氣渦輪入口溫度，k； 卩一廢氣絕熱指數，取1.34； %廢氣渦輪效率。則需要廢氣渦輪所需的廢氣流量為：心二/(5“川(1一(

9、1/小)(2-4)式中：廢氣渦輪做功量，kw； m,廢氣渦輪廢氣流量，kg/s； q廢氣定壓比熱 容，kj/(kg.k)o由此可確定船舶的旁通流量：tnc = mt 一 mb(2-5)式中：旁通的廢氣流量，kg/s；州一船舶柴油機排氣管內初始廢氣流量，kg/so在以上計算的基礎上，倘若有廢氣旁通流量，規定動力渦輪入口廢氣溫度、壓力、動力渦輪膨脹比等計算參數與廢氣渦輪對應的計算參數相等，則動力渦輪輸出功為：wc匕仇？ -1)/1000(2-6)式中：1絡動力渦輪做功量，kw； %動力渦輪效率;一動力渦輪機械效率。 余熱鍋爐由高壓過熱器、蒸發器及低壓過熱器、蒸發器組成，在這里不進行詳細介紹， 其數

10、學模型參照船舶柴油機排煙余熱回收系統熱力性能研究冏。2. 2余熱發電系統節能減排性能參數計算數學模型通過對余熱發電系統內各個設備的熱平衡分析，我們得出了系統的余熱發電功率和 加熱蒸汽消耗量等熱力參數。為了考察系統的運行情況，我們還要進一步分析余熱發電 系統的性能指標。系統的節能減排性能參數主要包括余熱發電系統的系統節油量、系統 節油率、發電比和sox等污染物排放減少量。假定船舶耗汽設備出口為飽和水。2. 2. 1系統節油量余熱發電系統發出的電供給船舶電網使用。如果未安裝余熱發電系統，則這部分電 功率是由船舶輔機通過消耗燃油，供給船舶電網的。因此，系統節油量是指利用余熱發 電系統后船舶輔機減少的

11、油耗。(2-31)，wfmaeae 1000式小:g船舶柴油主機和輔機的燃油消耗率，g/(kw-h)o2. 2. 2系統節油率系統節油率指利用余熱發電系統后船舶輔機減少的油耗總能量與未安裝余熱發電 系統時全船耗油總能量的比值。=閃宀eqaex 00%(2-32)mme meqme + m ae aeqae式中：g主機輸出功率，kw；輔機輸出電功率，kw；加碇、叫£船舶柴油主機和輔機的燃油消耗率，g/(kw.h)； q“e、qae -船舶主機燃油和輔機燃油的低位 發熱值，kj/kgo2. 2. 3發電比(2-33)發電比是指余熱系統發電功率占船舶電站總功率的百分比。77, =xloo%

12、3叫式屮：光一船舶電站總功率，kwo2. 2.4污染物排放減少量已知二氧化碳，氮氧化物的原始排放因子，可知co2污染物排放減少量為:mc = 4.1868$加aeqwe1° 6 1p(2-34)式中：mcco2污染物排放減少量,kg/s；co2原始排放因子,kg/tj； p 船舶主機燃油密度，kg/m3。nox污染物排放減少量為：mn= 4.1868d%qwj0" / p(厶35)式中：mh nox污染物排放減少量，kg/s；二nox原始排放因子，kg/tjsox污染物排放減少量為：ms = 2niaea /100(2-36)式屮：ms sox污染物排放減少量，kg/s；

13、a燃料屮的硫元素含量。3計算實例及結果分析3. 1計算實例4250teu集裝箱船船舶主機排煙溫度、排煙流量、如表3所示。表348000dwt油船在不同主機工況下的初始熱力參數主機功率(kw)排煙溫度(°c)排煙流量(kg/h)主機工況100%集裝箱36560集裝箱25990%3290424231609080%2924023528097570%2489022124584060%2093622920073150%1814224016712040%1462425712548330%1096826696365對上述數學模型進行驗證。分別計算主機了 100%、70%和50%工況下動力渦輪的 節

14、能性能指標，如表3.2所示。主機了 100%、70%和50%工況下汽輪機的節能性能指標, 如表3.3所示。表3.2 4250teu集裝箱船不同工況下動力渦輪的節能性能指標序號名稱單位100%70%50%1動力渦輪發電量kw14299.272.1%4.83.362.502動力渦輪發電比%11.87.995.963動力渦輪節油量kg/h28.5020.1715.20%0.860.75().534動力渦輪節油率%0.330.290.225二氧化碳排放減少量kg/s11592.567.86二氧化硫排放減少量kg/s07050l7氮氧化物排放減少量kg/s2.811.951.83表3.3 4250teu

15、集裝箱船不同工況下汽輪機節能性能指標序號名稱單位100%70%50%1汽輪機發電量kw1833.41283.81000.7%152106.462.52汽輪機發電比%61.9842.725.73汽輪機發電率%9.0210.211.894汽輪機節油量kg/h367.7257.39170.5汽輪機節油率%3.962.741.905%2.822.151.546二氧化碳排放減少量kg/s149310077327二氧化硫排放減少量kg/s2.221.551.058氮氧化物排放減少量kg/s36.223.8419.8船舶柴油機排煙余熱利用系統屮動力渦輪回收的是旁通廢氣能量，通過數學模型熱 平衡計算可知，42

16、50teu集裝箱船廢氣渦輪的廢氣質量流量為3.83kg/s,廢氣渦輪入口 廢氣溫度為685.7k,廢氣渦輪出口溫度為554.31k。20co-1800-16co-14c0-1200-10co-sco-6004co-2,壬矽逖$:2=一三盅 wi90 »況 « x 504030圖3.1啟用動力渦輪前后系統發電量對比圖3.2啟用動力渦輪前后系統節油量對比圖3.1、圖3.2為4250teu集裝箱船啟用動力渦輪前后系統發電量、節油量対比圖。 由對比圖可知當動力渦輪處于100%工況時，動力渦輪提供的發電量最大，為142kw, 但是此時動力渦輪提供的發電量對于4250teu集裝箱船整體

17、的節能性能提升并不大。 當船舶處于動力渦輪最大發電量的工況下時，動力渦輪僅僅為船舶提供了最大11.8%的 發電比，節油量僅為28.5kg/h、節油率僅為0.86%。結論1、對于4250teu集裝箱船，隨著主機功率的提升，余熱回收系統的發電量，節油率不 斷提升，另外，柴油機排煙余熱利用系統中二氧化碳排放減少暈、二氧化硫排放減 少量、氮氧化物排放減少量與系統節油量呈正比2、4250teu集裝箱船采用該套余熱回收系統時，100%工況下系統節電比達到了 152%, 70%工況下系統節電比達到了 106.4%,節能效果顯著。3、當動力渦輪處于100%工況時，動力渦輪提供的發電量最大，為142kw,僅為船舶 提供了最大11.8%的發電比，節油量僅為28.5kg/h、節油率僅為0.86%。上所述，強 烈建議4250teu集裝箱船使用該套余熱冋收系統，但系統中動力渦輪設備不工作。參考文獻1 姚壽廣.船舶熱力系統分析w.北京:科學出版社,2003:168-212.2 任文江，施潤華.船舶動力裝置節能h.上海:上海交通大學出版社，1991:38-80.3 趙欽新，周屈蘭等.余熱鍋爐研究與設計m.北京：中國標準出版社,2010:242-321.4 劉紀福.翅片管換熱器的原理與設計m哈爾濱:哈爾濱工業出版社,2013:1-213.5 張志華等.船舶動力裝置概率m.