超大型船舶廢氣利用的途徑和措施

馬 捷,金春日,朱 燁,鄧真全,張桂臣,張小卿,孟 健

(上海交通大學海洋工程國家重點實驗室,上海 200030)

0 引 言

主機余熱利用是船舶節(jié)能的重要途徑。采取綜合措施降低油耗,達到節(jié)能降耗的目標,是航運業(yè)必須研究的課題。超大型船舶的主機功率龐大,即使提高1%的燃油利用率,節(jié)省成本也相當可觀。船舶節(jié)能、降低燃料消耗、提高船舶動力裝置經(jīng)濟性,是造船業(yè)的重大任務(wù)。

柴油機為動力的船舶,直接消耗燃料的設(shè)備是主機、輔機和輔助鍋爐。主機耗能占總輸入能量的70%～90%。燃料在柴油機氣缸中燃燒所發(fā)出的全部熱量,只有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功,其余熱量都是廢熱,即余熱。

柴油發(fā)電機和輔助鍋爐所消耗的能量,約占總輸入能量的10%～30%,將它們與主機結(jié)合起來,利用主機余熱能量,提供船舶所需的電能和加熱熱能,是動力裝置節(jié)能的重要途徑。

1 船舶廢氣余熱利用系統(tǒng)

船舶廢氣余熱利用的方法有:利用回收排氣熱能產(chǎn)生蒸汽,供加熱和生活雜用或驅(qū)動蒸汽透平機;利用主機缸套水和掃氣空氣的熱能為鍋爐給水加熱;利用柴油機的排氣能量,直接驅(qū)動動力透平機。

有效利用柴油機廢氣余熱,可以解決航行所需的電力。它與余熱獲取的電量與航行所需電量的對比。余熱能獲得的電量與主機型式、功率及余熱回收技術(shù)相關(guān),航行所需電量相關(guān)于動力裝置型式、船型、噸位、航區(qū)以及降低航行所需電量的措施。

隨著現(xiàn)代柴油機油耗的降低,余熱中可回收的熱量日趨減少。低速柴油機的排氣率較中速柴油機高,但排氣溫度低,低速機排氣中能回收的熱量并不為多。此外,廢氣鍋爐采用的最佳蒸汽壓力也低于中速機,使汽輪發(fā)電機組耗氣率增大。由此,采用中速柴油機對余熱發(fā)電相對有利。據(jù)國外報道,大型船用低速柴油機若充分回收其排氣及冷卻水余熱,用于發(fā)電及加熱,主機功率在15 000 kW以上時,余熱發(fā)電量可滿足航行用電要求。中速機排氣溫度高,所需功率相應(yīng)為低,也可采用回收排氣及冷卻水的雙壓余熱鍋爐系統(tǒng),或采取軸帶泵、吸收式冷凍機等減少電能消耗措施,主機功率即使降至7 000～8 000 kW,也能利用余熱發(fā)電滿足航行所需電量,它與主機排氣溫度高低相關(guān)。日本設(shè)計的60 000載重噸散貨船,主機常用功率9 625 kW,轉(zhuǎn)速120 r/min。采用常規(guī)單壓式廢氣鍋爐系統(tǒng),余熱發(fā)電不能滿足全船用電需要,冬季缺少265 kW,夏季缺少75 kW;采用雙壓系統(tǒng)及混壓式汽輪機,或設(shè)法提高排氣以及冷卻水溫度,輔以利用增壓空氣及缸套水熱量進行采暖和加熱,采用舷外冷卻水自流循環(huán)系統(tǒng)等措施,余熱發(fā)電量能滿足全船所需電量,冬季還有205 kW剩余,夏季有240 kW功率輸入推進系統(tǒng)。由此可見,選擇和設(shè)計合理的余熱利用系統(tǒng),是有效利用余熱、解決航行所需電量的重要途徑[1]。

在余熱發(fā)電的基礎(chǔ)上,為提高余熱利用效果和提高發(fā)電量,出現(xiàn)了幾種典型的余熱發(fā)電利用系統(tǒng)。柴油機動力裝置的余熱發(fā)電利用系統(tǒng),主要的區(qū)別在于:廢氣鍋爐汽水系統(tǒng)壓力分級 (單壓、雙壓和三壓式鍋爐);余熱汽輪機壓力分段(普通單段壓力式和多段混壓式);其他余熱利用措施。這些區(qū)別表征了利用余熱能量和增大余熱發(fā)電量的途徑。其他措施,如:變速泵,主機舷外吸氣,自流循環(huán)冷卻、軸帶泵等,屬于降低航行消耗電能的措施,與余熱利用無關(guān)。圖1是單段單壓式余熱發(fā)電系統(tǒng)。與圖2的簡單余熱利用系統(tǒng)有所不同:

(1)廢氣鍋爐受熱面由過熱器 (SH)、蒸發(fā)器 (EVAP)和經(jīng)濟器 (PH)組成。

(2)設(shè)置了表面式預熱器,用于加熱鍋爐給水。在這種系統(tǒng)中,給水在表面式給水預熱器加熱后進入鍋爐。

圖1 單段單壓式余熱發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 A single-stage and single-pressure waste heat power generation system

鍋爐的水由循環(huán)泵經(jīng)給水預熱器,部分熱量傳給給水,進入廢氣鍋爐的經(jīng)濟器 (PH)。在經(jīng)濟器中,水加熱引入蒸發(fā)器,蒸發(fā)成為飽和蒸汽飽和水混合物,然后進鍋爐氣筒進行汽水分離。分離后的飽和蒸汽從鍋筒引出,一部分供全船加熱和生活雜用,其余大部分進入過熱器 (SH),成過熱蒸汽后送入汽輪機做功發(fā)電。

提高朗肯循環(huán)的蒸汽參數(shù),可以提高循環(huán)效率。就圖2所示的無經(jīng)濟器系統(tǒng)而言,采用高參數(shù)蒸汽,鍋爐出口排煙溫度就要升高,余熱回收率降低。因而,該系統(tǒng)不宜采用高蒸汽參數(shù)。增加經(jīng)濟器,一定程度上可以彌補。在蒸發(fā)器受熱面后增加經(jīng)濟器,吸收煙氣熱量,一定的鍋爐出口排煙溫度下,必然要相應(yīng)提高蒸發(fā)器出口溫度。本系統(tǒng)可采用較高的蒸汽參數(shù),發(fā)電量與余熱回收率較無經(jīng)濟器的單壓系統(tǒng)有所增加,是單壓系統(tǒng)中經(jīng)濟性較好而又簡單的一種。我國制造的箱集裝箱船,就有采用這種余熱發(fā)電系統(tǒng)[2]。

圖2 船舶柴油機動力裝置余熱發(fā)電系統(tǒng)Fig.2 A waste heat power generation system of the power plant of marine diesel engine

單段雙壓式余熱發(fā)電系統(tǒng),由單壓式發(fā)展而來。要得到較高壓力的蒸汽,如果不用其他措施,就要增加廢氣鍋爐排氣出口溫度;反之,就只能采用壓力較低的蒸汽。當采用經(jīng)濟器時,矛盾有所緩和。但是,經(jīng)濟器吸收的熱量畢竟有限。要降低排煙溫度和提高蒸汽壓力,單壓式系統(tǒng)采用經(jīng)濟器就會無濟于事。這樣,雙壓式系統(tǒng)有兩全其美的優(yōu)點。

單段雙壓式系統(tǒng)中,低壓蒸汽只用于加熱。實際上,船舶需要的加熱蒸汽很有限,只有在低壓加熱蒸汽需要量很大的場合,雙壓鍋爐系統(tǒng)才有優(yōu)越性。根據(jù)這種考慮,雙段雙壓式余熱發(fā)電系統(tǒng)提取部分低壓蒸汽,引入汽輪機低壓級做功發(fā)電。這樣,可以增加發(fā)電量,使低壓蒸汽得到有效而合理的利用,鍋爐排煙溫度也能進一步降低。

與單段雙壓式系統(tǒng)相比,雙段雙壓式余熱發(fā)電系統(tǒng)利用了低壓飽和蒸汽,使之進入透平的低壓級做功發(fā)電。

全船加熱和生活雜用的低壓蒸汽,壓力不低于0.3 MPa,限制了排煙溫度的進一步降低。雙段三壓式余熱發(fā)電系統(tǒng)采用了三種不同壓力的蒸汽,以適應(yīng)不同能量的需求,特別是采用極低壓的蒸汽,供給汽輪機低壓段,進一步降低了廢氣鍋爐排煙溫度。

為了適應(yīng)柴油機的低排氣溫度,熱水閃發(fā)式透平的余熱發(fā)電系統(tǒng)的給水經(jīng)空冷器加熱,進入廢氣鍋爐經(jīng)濟器。吸熱后分成兩股,一半進入高壓分離器,這部分與普通余熱發(fā)電系統(tǒng)相同。另一部分進入低壓蒸發(fā)器,加熱后進入低壓分離器。高效率的低速柴油機,排氣溫度已低至240℃,余熱發(fā)電有所困難。熱水閃發(fā)式裝置有效和充分利用了低速柴油機有限的排氣余熱。采用普通余熱發(fā)電系統(tǒng),一臺15 000 kW柴油機的排氣能量,不能滿足全船航行用電之需。采用閃發(fā)式裝置的余熱發(fā)電系統(tǒng),一定程度上有所緩解。功率11 000～12 000 kW、排氣溫度240℃的低速柴油機,若采用這種系統(tǒng),就能滿足船上航行用電,結(jié)構(gòu)也不比多壓式余熱發(fā)電系統(tǒng)復雜[3]。

船舶為實現(xiàn)余熱利用,具體采用何種系統(tǒng),需通過綜合分析比較,從工作可靠性和經(jīng)濟性綜合考慮?？煽啃缘脑u價同時要考慮維修操作方便,設(shè)備不易損壞,適應(yīng)負荷變動,組成簡單等。經(jīng)濟性則需考慮投資和節(jié)能,權(quán)衡發(fā)出電功率能否滿足航行用電要求,進行全面經(jīng)濟分析。

系統(tǒng)復雜程度和造價高低,可從汽水分離器、熱交換器、水泵、自動控制等設(shè)備的數(shù)量、汽輪機的壓力段數(shù)、廢氣鍋爐受熱面組成、傳熱面積大小等方面進行比較。鍋爐傳熱面積和系統(tǒng)組成部件數(shù)量的增加,需要較高的投資。組成部件愈多,出現(xiàn)事故的幾率愈大。實際船舶采用復雜系統(tǒng),必須慎重考慮。

2 船舶廢氣余熱利用系統(tǒng)的優(yōu)化分析

優(yōu)化方法應(yīng)用于船舶廢氣余熱利用系統(tǒng)設(shè)計,首先建立系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)學模型。

工程優(yōu)化設(shè)計問題,用數(shù)學語言描述:求變量→X(→X∈Rn),使目標函數(shù):

達到最小,且滿足約束條件:

式中:→X為不相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計變量;f(→X)為目標函數(shù),它是評價設(shè)計好壞的標準;Gi(→X)為不等式約束條件;Hi(→X)為等式約束條件;→XH,→XL分別為設(shè)計變量的上、下界。

2.1 目標函數(shù)的選取

廢氣余熱利用系統(tǒng)的熱線圖,優(yōu)劣評價指標有幾種。

或

式中:Emax,Hmax分別為余熱流相對環(huán)境狀態(tài)所具有的最大值和焓值;ΔE為系統(tǒng)損;PR為系統(tǒng)回收功率。

該評價指標適用于給定余熱源和初投資的限制下,要求得到最大回收功率或收益。該指標較適于回收功率用于推進的船舶廢氣余熱利用系統(tǒng),或陸用廢氣余熱利用系統(tǒng)。

(2)最大的凈增或收益成本比

兩方法是財經(jīng)分析方法,考慮了整個投資有效期內(nèi)全部費用和收入。凈增值:

收益成本比:

式中:n為投資分析時間間隔數(shù) (裝置使用年限);Bi為第i年內(nèi)收益;Ei為第i年內(nèi)運行費;Ii為第i年內(nèi)投資;r為折扣率。

由于凈增值方法僅注重凈收益,用它估計不同方案,如果兩者所得凈收益相等,其他方面的差異就無法區(qū)別。另外,凈增值的計算結(jié)果隨折扣率的變化而波動,如果折扣率取值不當,可能得出錯誤結(jié)果。凈增值法的優(yōu)點在于,考慮了資本的機會成本,可用于計算投資在其有效期內(nèi)的經(jīng)濟效果。收益成本比克服了凈增值的第一個缺點,表明了裝置使用期限內(nèi)節(jié)約總成本與投資成本的比值。

(3)達到給定指標的最小系統(tǒng)初投資

式中:Ci為系統(tǒng)第i個部件的初投資;n為系統(tǒng)總部件數(shù)。

對于船舶廢氣余熱利用系統(tǒng),要求廢氣余熱利用系統(tǒng)在滿足全船需電量和需熱量的前提下,系統(tǒng)造價最小。此評價指標非常適用于船舶廢氣余熱利用系統(tǒng)。

船舶廢氣余熱利用系統(tǒng)所帶來的收益,就是廢氣余熱利用系統(tǒng)代替柴油發(fā)電機和輔助鍋爐所節(jié)省的柴油價值。對于給定的船舶,為定值。當運行年限和折扣率一定時,式 3、5與7是一致的。下面分別采用式3和7兩種評價指標,即

2.2 設(shè)計變量的選取

通過廢氣余熱利用系統(tǒng)熱力學參數(shù)分析,系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計變量取為:過熱蒸汽溫度 Tsu,高壓蒸發(fā)溫度 Ts1,低壓蒸發(fā)溫度Ts2,經(jīng)濟器進口溫度 Tf1和從預熱器出口進入汽包的給水溫度 Tf2,共5個參數(shù),即

2.3 約束函數(shù)的建立

為保證設(shè)計結(jié)果的合理性和計算正常進行,設(shè)計變量取值必須給予一定的限制。設(shè)計中應(yīng)考慮幾方面:

(1)設(shè)計變量的取值范圍

根據(jù)柴油機船主機排氣特點和廢氣系統(tǒng)設(shè)計要求,其變量的上、下界取值:

式中:各變量的單位為℃;Tg為余熱鍋爐進口處的煙氣溫度。

(2)系統(tǒng)的運行要求

保證廢氣鍋爐出口處不發(fā)生低溫腐蝕。發(fā)動機廢氣含有硫等雜質(zhì),廢氣溫度低于廢氣中硫酸的露點溫度,將產(chǎn)生低溫腐蝕。在廢氣鍋爐設(shè)計中,廢氣鍋爐的尾部不采取防腐措施,要求廢氣的出口溫度 Tout大于150℃,即

保證汽輪機出口處蒸汽干度。為保證汽輪機葉片長久運行于濕蒸汽而不發(fā)生沖蝕現(xiàn)象,干度極限值取為0.88,

式中:x為汽輪機出口處蒸汽干度。

循環(huán)倍率限制。為避免蒸發(fā)器中出現(xiàn)沸騰傳熱惡化現(xiàn)象,要求蒸發(fā)器循環(huán)倍率D不小于3。

(3)系統(tǒng)性能的要求

系統(tǒng)初投資限制。以最大回收功率作為優(yōu)化目標函數(shù)時,必須對系統(tǒng)的初投資 MC進行限制。

系統(tǒng)回收功率的限制。當優(yōu)化目標函數(shù)采用最小初投資時,系統(tǒng)回收功率必須首先給定。

(4)保證計算正常進行

為保證計算的正常運行,必須附加約束條件,避免溢出情況發(fā)生。

3 船舶主機余熱綜合利用系統(tǒng)的平衡分析

為便于分析,假設(shè):工質(zhì)以穩(wěn)定狀態(tài)流動;廢氣、水和水蒸汽是理想氣體;動能、位能變化忽略不計。

船舶主機排出的廢氣,從狀態(tài)1實現(xiàn)穩(wěn)定流動轉(zhuǎn)變到狀態(tài)2,作出最大有用功為

工質(zhì)在蒸汽透平中的過程為不可逆絕熱過程,工質(zhì)與外界沒有熱交換。這時,根據(jù)蒸汽透平的平衡方程,雙壓式蒸汽透平的損為

蒸汽透平輸出功,經(jīng)軸系傳遞給發(fā)電機,發(fā)電機輸出電功率:

4 分 析

5 結(jié) 論

超大型船舶主機功率高,排氣量大,廢氣中蘊藏大量能量,通過廢氣余熱利用系統(tǒng)進行能量回收,有明顯的經(jīng)濟價值。

安裝廢氣余熱利用系統(tǒng),可以把部分排氣損失轉(zhuǎn)換成電能,達到節(jié)能目的。對于超大型船舶,尤其有巨大的經(jīng)濟價值。不同的船舶,要選擇不同的廢氣余熱利用系統(tǒng)。不同的系統(tǒng),從工作可靠性與經(jīng)濟性綜合考慮,應(yīng)選取適合的廢氣余熱利用系統(tǒng)。通過系統(tǒng)靜態(tài)特性的模擬分析,可以較好地預測和校驗系統(tǒng)實際工作情況,為船舶廢氣余熱利用系統(tǒng)的設(shè)計提供正確方法。船舶廢氣余熱利用系統(tǒng)的優(yōu)化分析,可使系統(tǒng)各部件處于最高效率狀態(tài),可選擇最正確的工作參數(shù),使系統(tǒng)達到最優(yōu)運行效果。

超大型船舶經(jīng)濟效益性良好,發(fā)展前景十分廣闊,越來越多的超大型船舶投入運輸。船舶廢氣綜合利用系統(tǒng),是回收利用柴油機排氣、主機空冷器和汽缸冷卻水余熱,將其轉(zhuǎn)換成船舶所需熱能與電能,以提高整個動力裝置熱效率的有效環(huán)節(jié)。

附錄:

符號表

﹒Ein為輸入(),kW;E﹒out為輸出(),kW;﹒Edest為()損 失,kW;﹒Ew為做功(),kW;W﹒為功率,kW;ηe為()效率;φe為()損失系數(shù);M﹒為流量,kg/h;Cp為等壓比熱,kJ/kgK;p為壓力,MPa;T為溫度K;

H為高壓段 ;L為低壓段 ;su為過熱蒸汽;sat為飽和蒸汽;fw為給水;gas為廢氣;air為空氣;HT為高溫段;LT為低溫段 ;sys為整個系統(tǒng);in為入口;out為出口。

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