現(xiàn)代船舶柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的余熱利用新方法

大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 李 斌

現(xiàn)代船舶柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的余熱利用新方法

大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 李 斌

柴油機(jī)的廢氣能量利用一直是船舶動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能的重要方面，介紹一種新型的余熱利用方法，并分析該系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，計(jì)算該系統(tǒng)的回報(bào)及收益情況，提出在主機(jī)/船舶操作的可靠性與安全性不被影響的情況下，安裝該系統(tǒng)可以提高動(dòng)力裝置的總體效率并獲得更低的二氧化碳排放。

余熱利用；船舶柴油機(jī)；動(dòng)力系統(tǒng)；熱效率系統(tǒng)

一、引 言

柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的余熱主要由下面的幾部分組成：第一部分為柴油機(jī)排氣中所帶有的熱量，大約占總的廢熱的一半，同時(shí)也占總的燃油燃燒釋放能量的25%；第二部分為柴油機(jī)冷卻水帶走的熱量，對(duì)于現(xiàn)代的船舶動(dòng)力裝置，它通常分為高溫淡水和低溫淡水兩個(gè)系統(tǒng)，高溫淡水的溫度通常可達(dá)90～95℃，而低溫淡水的溫度為50～70 ℃；第三部分熱量為增壓空氣的熱量，現(xiàn)在增壓器壓比已達(dá)到3.5以上，壓氣機(jī)出口處的溫度可達(dá)180～220 ℃，而為了增加進(jìn)氣空氣的密度和降低柴油機(jī)工作循環(huán)的平均溫度，必須對(duì)增壓空氣進(jìn)行冷卻；其他的廢熱主要包括潤(rùn)滑油帶走的熱量和一些輻射散熱。

在柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的廢熱中，各種廢熱的溫度不同，可利用的價(jià)值也不同。柴油機(jī)的廢氣中帶有的熱量數(shù)量大，品質(zhì)好，是最有利用價(jià)值的能量。目前通常的方法是將其部分用于驅(qū)動(dòng)動(dòng)力渦輪，使之盡可能地轉(zhuǎn)化成有效功，用于帶動(dòng)發(fā)電機(jī)或?qū)⑦@部分機(jī)械功輸回到柴油機(jī)的曲軸；另外就是用來(lái)加熱一個(gè)廢氣鍋爐，使之產(chǎn)生蒸汽用于各處加熱?，F(xiàn)代船舶柴油機(jī)的排氣溫度由于燃燒效率的提高而有所降低，已不再像以前那樣受到重視，但如何真正利用好這部分能量，從而降低油耗和CO2排放，仍然具有重要的意義。MAN B&W提出了一種新型的解決方案——熱效率系統(tǒng)（TES）。

二、系統(tǒng)的概念和組成

目前普遍使用的高效型柴油機(jī)渦輪后的廢氣溫度相對(duì)較低，僅夠供廢氣鍋爐產(chǎn)生蒸汽。新的解決方案是通過(guò)使用廢氣旁通裝置，對(duì)主機(jī)廢氣中的熱量進(jìn)行重新配置，使其從大量/低溫變成少量/高溫，來(lái)提高廢氣的利用效果，雖然可能會(huì)對(duì)主機(jī)本身的效率略有影響，但可以提高整個(gè)系統(tǒng)的綜合效率，這樣的系統(tǒng)被稱為熱效率系統(tǒng)。

熱效率系統(tǒng)包括一個(gè)廢氣鍋爐、一臺(tái)蒸汽渦輪、一臺(tái)動(dòng)力渦輪和一臺(tái)用于發(fā)電的普通發(fā)電機(jī)。這兩臺(tái)渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)在同一個(gè)底座上，如圖1所示。動(dòng)力渦輪由從廢氣渦輪增壓器旁通的那一部分廢氣驅(qū)動(dòng)。動(dòng)力渦輪發(fā)出的功率產(chǎn)生電力，發(fā)電量多少取決于廢氣旁通量。

當(dāng)一部分廢氣從廢氣渦輪增壓器旁通時(shí)，進(jìn)入主機(jī)的空氣和從主機(jī)排出的廢氣總量會(huì)減少，由于柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒空氣量的減少，會(huì)使得各缸排氣溫度升高，以及廢氣渦輪增壓器和動(dòng)力渦輪后廢氣溫度升高，并相應(yīng)地提高廢氣鍋爐的蒸汽產(chǎn)量。當(dāng)主機(jī)負(fù)荷低于最大持續(xù)功率的50%時(shí)，由于廢氣旁通閥關(guān)閉，使得主機(jī)在低于最大持續(xù)功率的50%工作時(shí)，廢氣溫度有所降低。

動(dòng)力渦輪的輸出功率通過(guò)一個(gè)帶超速離合器的減速齒輪傳遞到蒸汽渦輪，并由動(dòng)力渦輪和蒸汽渦輪共同驅(qū)動(dòng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)，超速離合器用于當(dāng)發(fā)電機(jī)脫開(kāi)時(shí)防止動(dòng)力渦輪超速。熱效率系統(tǒng)的電量輸出可以減少船上其他發(fā)電裝置電量輸出，從而降低船舶總的燃油消耗量，提高船舶營(yíng)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性，降低油耗和CO2排放。除此之外，還可以選擇由主機(jī)輸出軸帶動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)。

圖1 熱效率系統(tǒng)的工作原理

熱效率系統(tǒng)的發(fā)電量與船舶電力負(fù)載的平衡可以通過(guò)控制蒸汽渦輪的蒸汽量來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果系統(tǒng)的發(fā)電量大于負(fù)載需求，可以通過(guò)調(diào)速器調(diào)節(jié)單向節(jié)流閥，減少進(jìn)入高壓蒸汽渦輪的過(guò)熱蒸汽量，也就是剩余的蒸汽會(huì)通過(guò)一個(gè)泄放冷凝器來(lái)釋放；而系統(tǒng)的發(fā)電量不能滿足負(fù)載需求時(shí)，這個(gè)發(fā)電機(jī)可以與柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)工作，并通過(guò)調(diào)速器的調(diào)節(jié)正確分配負(fù)載。

三、系統(tǒng)的收益及回報(bào)

在主機(jī)/船舶操作的可靠性與安全性不被影響的情況下，安裝熱效率系統(tǒng)可以提高動(dòng)力裝置的總體效率并獲得更低的CO2排放。以MAN B＆W 12K98ME/MC主機(jī)（pMEP＝1 820kPa）為例，安裝熱效率系統(tǒng)前后柴油機(jī)的熱平衡情況如圖2所示。

圖2 安裝熱效率系統(tǒng)前后12K98ME/MC柴油機(jī)的熱平衡情況

當(dāng)主機(jī)在最大持續(xù)功率運(yùn)行時(shí)，通向廢氣旁通通道流過(guò)動(dòng)力渦輪的廢氣量大約占總廢氣量的12%。進(jìn)入動(dòng)力渦輪的廢氣發(fā)出的功率最多可達(dá)到柴油機(jī)最大持續(xù)功率的4.6%。當(dāng)主機(jī)在低于50%最大功率工作時(shí)，旁通閥截止，動(dòng)力渦輪不工作；當(dāng)主機(jī)在高于50%最大功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，動(dòng)力渦輪發(fā)出的功率大約同主機(jī)的負(fù)荷成平方關(guān)系。12K98ME/MC型主機(jī)的動(dòng)力渦輪最大可用輸出功率與主機(jī)負(fù)荷的函數(shù)關(guān)系如圖3所示。

熱效率系統(tǒng)的回報(bào)時(shí)間很大程度上取決于船舶主機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況（主機(jī)負(fù)荷以及周?chē)鷾囟龋┖椭鳈C(jī)的尺度。例如在熱帶環(huán)境條件下運(yùn)行，熱效率系統(tǒng)的發(fā)電量高于在ISO標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中運(yùn)行，而在ISO標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中運(yùn)行，系統(tǒng)的輸出又會(huì)比在冬季環(huán)境中運(yùn)行高很多。另一方面，主機(jī)越大，熱效率系統(tǒng)裝置越龐大，其單位輸出功率需要的投資則相對(duì)越少。

圖3 動(dòng)力渦輪最大可用輸出功率與主機(jī)負(fù)荷的函數(shù)關(guān)系

以標(biāo)準(zhǔn)的12K98ME/MC主機(jī)為例，基于以下主機(jī)運(yùn)行情況：85%最大持續(xù)功率為58 344 kW，每年運(yùn)行280天，燃油消耗率為0.00017 t/（kW·h），燃油價(jià)格為每噸160美元（注：2005年價(jià)格）。那么標(biāo)準(zhǔn)的12K98ME/MC主機(jī)每年的燃油費(fèi)用如下：

燃油費(fèi)用=280天/年×24 h/天×0.000 17 t/（kW·h）×58 344 kW×160美元/t≈10 664 000美元/年

安裝熱效率系統(tǒng)所增加的功率如果轉(zhuǎn)換成節(jié)省燃油消耗量的話，那么有以下計(jì)算：

其中，0.086是在85%最大持續(xù)功率下TES系統(tǒng)的收益率，即TES系統(tǒng)獲得的電功率占總?cè)加拖牡?.6%。就12K98ME/MC主機(jī)來(lái)說(shuō)，回報(bào)時(shí)間大約為5年。圖4為估算出的熱效率系統(tǒng)裝置的回報(bào)時(shí)間與主機(jī)的尺度之間的函數(shù)關(guān)系。

圖4 熱效率系統(tǒng)的回報(bào)時(shí)間與主機(jī)尺度的關(guān)系

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