船舶柴油機(jī)主動(dòng)力裝置總能系統(tǒng)能級(jí)模型的建立及應(yīng)用

(廣州航海高等?？茖W(xué)校，廣州 510725)

船舶總能熱力系統(tǒng)由若干動(dòng)力機(jī)械、熱交換設(shè)備、連接管網(wǎng)及相關(guān)輔助設(shè)備組成。圖1所示為采用廢氣鍋爐對(duì)主柴油機(jī)排氣余熱進(jìn)行動(dòng)力回收、并進(jìn)行熱電聯(lián)供的典型船舶動(dòng)力裝置總能熱系統(tǒng)[2]。

圖1 柴油機(jī)船舶余熱動(dòng)力回收熱力系統(tǒng)簡(jiǎn)

1 總能系統(tǒng)能級(jí)模型

1.1 柴油機(jī)部分能級(jí)平衡方程

Q1=W+QP+QC+QL

Ex1=W+Exp+ExC+ExL

根據(jù)能級(jí)的定義，將第二式除以Q1得

即

λ1=ηt+λPηP+λCηC+λ1ξ1

(1)

式(1)即為柴油機(jī)裝置的能級(jí)平衡方程式。式中：λ1、λP、λC分別為燃油發(fā)熱量、排氣放熱量和冷卻水散熱量的能級(jí)；ηt、ηP、ηC及ξ1分別為柴油機(jī)熱效率、排氣熱損失率、冷卻熱損失率及柴油機(jī)系統(tǒng)損失率。

設(shè)備的能級(jí)效率為其輸入能量的能級(jí)與輸出能量的能級(jí)之比。柴油機(jī)的輸入能級(jí)為燃燒產(chǎn)物的能級(jí)λ1，輸出能級(jí)為輸入各種能量的綜合能級(jí)，即λout=(W+ExP+ExC)/Q1，這樣能級(jí)效率為ηλ=λout/λ1。

1.2 余熱鍋爐部分能級(jí)平衡方程

QP1=QG+QB+QPL-QJ

EP1=EGx+EBx+EPLx-EJx

同理有：

即

λP1=λGηG+λBηB+λP1ξP-λJηJ

(2)

式(2)即為柴油機(jī)裝置的能級(jí)平衡方程式。式中：λP1、λG、λB、λJ分別為入口煙氣、過熱蒸汽、飽和蒸汽及給水的能級(jí)；ηG、ηB、ηJ及ξP分別為過熱蒸汽吸熱率、飽和蒸汽吸熱率、給水熱量與煙氣帶入熱量的比率及余熱鍋爐系統(tǒng)損失率。以過熱蒸汽和飽和蒸汽攜帶的能量作為其輸出能量，同樣可得到廢氣鍋爐的能級(jí)效率計(jì)算公式。

1.3 汽輪機(jī)部分能級(jí)平衡方程

QS=WS+QL+QSL

ESx=WS+ELx+ESLx

根據(jù)能級(jí)的定義有：

即

λS=ηS+λLηL+λSξS

(3)

式(3)即為汽輪機(jī)裝置的能級(jí)平衡方程式。式中：λS、λL分別為汽輪機(jī)進(jìn)口處過熱蒸汽和出口處乏汽的能級(jí)；ηS、ξS分別為汽輪機(jī)熱效率及內(nèi)部損失率。

式(1)、(2)、(3)分別建立了船舶動(dòng)力裝置總能系統(tǒng)中主要設(shè)備的能級(jí)平衡方程，三者間有緊密的內(nèi)在聯(lián)系，若不考慮排氣和蒸汽管道的熱損失，則有λP=λP1，λG=λS。綜合起來即可形成船舶動(dòng)力裝置總能系統(tǒng)能級(jí)模型。

2 實(shí)例計(jì)算

下面以一使用廢氣鍋爐進(jìn)行余熱動(dòng)力回收的16 000 t散裝煤礦船為例進(jìn)行動(dòng)力裝置總能熱力系統(tǒng)的能級(jí)分析。其裝置熱線圖見圖2。

圖2 16 000 t散裝煤礦船動(dòng)力裝置熱線

主柴油機(jī)排出的煙氣供給廢氣鍋爐，由空冷器初步預(yù)熱的給水經(jīng)廢氣鍋爐經(jīng)濟(jì)器后進(jìn)入鍋筒，由循環(huán)泵循環(huán)爐水，在蒸發(fā)器中循環(huán)蒸發(fā)產(chǎn)生蒸汽，汽水工質(zhì)從蒸發(fā)器出來后，至輔助鍋爐鍋筒實(shí)現(xiàn)汽水分離，產(chǎn)生的一部分飽和蒸汽(1 000 kg/h)直接去加熱用汽場(chǎng)所，而大部分飽和蒸汽經(jīng)過熱器進(jìn)行過熱，以獲得4.9 MPa的壓力及265 ℃的過熱蒸汽，經(jīng)蒸汽管道適當(dāng)降壓，降溫至4.4 MPa，260 ℃，至蒸汽輪機(jī)做功，排汽經(jīng)冷凝由冷凝水泵排至熱水井，凝水由泵通過管道經(jīng)增壓空氣(溫度約為140 ℃)加熱獲得100 ℃后進(jìn)入廢氣鍋爐，構(gòu)成一個(gè)金蘭循環(huán)。該裝置利用過熱蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)可產(chǎn)生383 kW電量，船舶夏季最大需電量為380 kW，因而，在船舶正常運(yùn)行期間，可停開副柴油機(jī)發(fā)電機(jī)和輔助燃油鍋爐。

該船主柴油機(jī)為6EDSZ76/160低速二沖程柴油機(jī)，持續(xù)功率為7 350 kW(85%MRC)，油耗率b=220 g/(kW·h)。該船所航行海域環(huán)境溫度為30 ℃，大氣壓力為一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，實(shí)船測(cè)得增壓器后排氣平均溫度為320 ℃，由于排氣管道散熱損失，實(shí)際進(jìn)入廢氣鍋爐的廢氣溫度為315 ℃。根據(jù)低速二沖程柴油機(jī)的一般空燃比及油耗率，取排氣比流量g=8.16 m3/(kW·h)，排氣密度ρ=1.34 kg/m3,則相應(yīng)的排氣流量為G=gNρ=64 320 kg/h。取廢氣鍋爐出口溫度為160 ℃。汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力為4.4 MPa，260 ℃，冷凝壓力為0.06絕壓。通過對(duì)該實(shí)例的計(jì)算，其能量分析、分析[3]及能級(jí)分析的結(jié)果見表1。

表1 船舶柴油機(jī)動(dòng)力裝置總能系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果及分析

3 分析與結(jié)論

由以上計(jì)算結(jié)果可看出，各設(shè)備的能級(jí)利用率都高出其熱效率和效率，這說明系統(tǒng)內(nèi)部的能級(jí)匹配基本合理，充分利用了不同能級(jí)的能量，較大限度地發(fā)揮了能源的效能。

柴油機(jī)的能級(jí)效率遠(yuǎn)大于其熱效率,這是因?yàn)閷⑴艢夂屠鋮s水余熱能量作為其輸出能量引起的，這也說明通過對(duì)這部分能量的有效回收利用對(duì)提高總能系統(tǒng)的綜合效率至關(guān)重要。汽輪機(jī)所耗能源的能級(jí)最低，其能級(jí)效率也很高，這是由于汽輪機(jī)中能源的能級(jí)低，為了將較低品位的熱能變成高品位的機(jī)械功，必須以更多的放熱損失作為代價(jià)，所以其熱效率很低，但其能級(jí)利用率較高，這充分說明了此裝置將所耗能質(zhì)進(jìn)行了充分的利用。

余熱鍋爐的能級(jí)利用率也較高，這是因?yàn)殄仩t內(nèi)部進(jìn)行的不是熱功轉(zhuǎn)換過程，而只是一個(gè)換熱過程，實(shí)質(zhì)上它是一個(gè)以降低煙氣的能級(jí)為代價(jià)來提高水和水蒸汽能級(jí)的過程，在這里不僅進(jìn)行了能量載體的轉(zhuǎn)換，也實(shí)現(xiàn)了能量品質(zhì)的提高。

[1]彭敏俊.核動(dòng)力裝置熱力系統(tǒng)分析[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2003.

[2] 姚壽廣.船舶熱力系統(tǒng)分析[M].北京:科技出版社.2003.

[3] 蔣祖星.船舶柴油機(jī)主動(dòng)力裝置總能系統(tǒng)能質(zhì)分析[J].天津航海，2006(2)：12-14.