LNG船蒸汽輪機(jī)熱效率的分析計(jì)算

王忠誠，周瑞佳

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海201306)

自LNG船誕生之日起，其動(dòng)力推進(jìn)就采用了蒸汽透平裝置。這是因?yàn)檎羝钙窖b置可有效地利用液化天然氣的蒸發(fā)氣體。通過鍋爐燃燒蒸發(fā)氣體，加熱水后產(chǎn)生蒸汽，從而驅(qū)動(dòng)透平產(chǎn)生動(dòng)力。液化天然氣的儲(chǔ)運(yùn)必須在零下-163℃，但受熱蒸發(fā)是不可避免的，雖然透平裝置的低效性是眾所周知的，遠(yuǎn)低于柴油機(jī)動(dòng)力裝置的效率，但它確是迄今為止最為有效和經(jīng)濟(jì)地解決和利用蒸發(fā)氣體的最佳方案［1］。制約蒸汽輪機(jī)發(fā)展的主要因素是效率不高，如何提高熱效率，降低運(yùn)營成本，減少污染，已經(jīng)成為研究的重點(diǎn)課題。

1 (火用)平衡方程和(火用)效率

1.1 (火用)分析模型和平衡方程

將系統(tǒng)輸入(火用)，輸出(火用)和系統(tǒng)內(nèi)部(火用)三類(火用)在一個(gè)以系統(tǒng)邊界的方框上表示出來，構(gòu)成(火用)分析模型，見圖1。

圖1 (火用)分析模型

根據(jù)分析模型，可以得到研究對象的(火用)平衡方程［2］:

式中:Exbr——外界帶給系統(tǒng)的(火用);

Exlout——流出(火用);

Exlin——流進(jìn)(火用);

Exefc——有效(火用);

Exsup——水蒸氣供給(火用);

Exeft——有效輸出(火用)

令Exef=Exeft+Exefc–Exbr，則可得到(火用)平衡方程:

1.2 (火用)效率

作為工程經(jīng)濟(jì)性分析方法的一種，(火用)分析法有相應(yīng)的分析和評價(jià)準(zhǔn)則。工程上采用(火用)效率ηex作為評價(jià)系統(tǒng)或單元設(shè)備的準(zhǔn)則。

(火用)效率ηex為有效(火用)占供給(火用)的百分比，其定義式為

2 蒸汽輪機(jī)的(火用)效率

忽略蒸汽管道的(火用)損失影響，利用蒸汽輪機(jī)的過熱水蒸汽供給(火用)Exsup和輸出軸上的有效輸出(火用)Exeft，建立(火用)平衡方程和計(jì)算(火用)效率。

設(shè)過熱蒸汽在蒸汽輪機(jī)入口處的溫度為Tin，壓力為pin，比焓和比熵分別為hin和sin，進(jìn)入蒸汽輪機(jī)的過熱蒸汽量為Ga，環(huán)境狀態(tài)下水的溫度T0，比焓h0，比熵s0。

設(shè)定環(huán)境溫度20℃，環(huán)境壓力0.1 MPa，即T0=20℃。查未飽和水與過熱水蒸氣的熱力性質(zhì)表［3］可以得到，在T0=20℃環(huán)境壓力為0.1 MPa時(shí)，未飽和水的比焓為h0=84 kJ/kg，比熵為s0=0.296 3 kJ/(kg·℃)。

根據(jù)“大鵬昊”設(shè)計(jì)制造的相關(guān)資料，其蒸汽輪機(jī)采用日本川崎重工制造的UA400型蒸汽輪機(jī)。查閱相關(guān)資料，其設(shè)備的主要參數(shù)［3-4］如下。

最大輸出功率28 119 kW，

進(jìn)口蒸汽壓力6.0 MPa，

高壓汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速4 777 r·min-1，

最大連續(xù)額定輸出功率24 570 kW，

進(jìn)口蒸汽溫度510℃，

低壓汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速3 153 r·min-1。

根據(jù)未飽和水與過熱水蒸氣的熱力性質(zhì)表［5］可以得到，在tin=510℃，pin=6.0 MPa時(shí)，

hin=3 445.76 kJ/kg，sin=6.917 7 kJ/(kg·℃)。

則進(jìn)入蒸汽輪機(jī)的過熱蒸汽量(火用)可根據(jù)式(4)求得。

式中:Gin——每小時(shí)輸入蒸汽輪機(jī)的過熱蒸汽量，kg/h。

“大鵬昊”采用日本三菱重工提供的MB-4E型雙燃料主鍋爐［6］。最大蒸發(fā)量65 000 kg·h-1，正常蒸發(fā)量55 000 kg·h-1。

此外，根據(jù)給水(火用)的計(jì)算式(5)求得。

根據(jù)式(3)、(4)、(5)可得UA400型蒸汽輪機(jī)在主鍋爐正常蒸發(fā)量和最大蒸發(fā)量的情況下，分別輸出最大輸出功率和最大連續(xù)額定輸出功率時(shí)候的(火用)效率。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 輸出軸輸出功率

為了完成系統(tǒng)循環(huán)過程，必須消耗有效損耗(火用)Exefc，故在最大連續(xù)額定輸出功率時(shí)均取12%Exsup，最大輸出功率時(shí)取15%Exsup。

3 鍋爐系統(tǒng)熱效率和(火用)效率

“大鵬昊”天然氣船上的鍋爐最大過熱蒸汽蒸發(fā)量為65 t/h，正常蒸發(fā)量為56 t/h。分兩種情況討論其(火用)效率［7］。

取環(huán)境條件:p0=101.17 kPa，T0=294.8℃，相對濕度φ=79%。查濕空氣焓h0-ω圖得h0=55 kJ/kg，查水和過熱蒸汽熱力性質(zhì)表得h1=1 320 kJ/kg;過熱蒸汽出口焓h2=3 420 kJ/kg。

3.1 鍋爐熱效率

鍋爐熱效率的基本參數(shù)表2。

表2 65 t/h時(shí)鍋爐基本參數(shù)

鍋爐有效利用熱為

式中:GPW——排污水流量，kg/h;

h1——汽包壓力下飽和水焓，kJ/kg。

鍋爐熱效率為

給水(火用)效率計(jì)算為

蒸汽(火用)效率計(jì)算為

燃料(火用)包括燃料顯熱(火用)、化學(xué)(火用)及燃燒產(chǎn)物在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)空氣中的擴(kuò)散(火用)，由于擴(kuò)散(火用)在實(shí)際過程中很難被采用，通常不予考慮，顯熱(火用)亦因?yàn)槿剂蠝囟扰c環(huán)境溫度相近予以忽略，因此得出燃料的(火用)為

式中:H，C，O，N——收到基氫、收到基碳、收到基氧、收到基氮。

(火用)效率為

3.2 正常蒸發(fā)量為56 t/h時(shí)的鍋爐熱效率及

(火用)效率

56 t/h時(shí)鍋爐的基本參數(shù)見表3。

表3 56t/h時(shí)鍋爐基本參數(shù)

3.2.1 鍋爐的熱效率

鍋爐熱效率的基本參數(shù)表4。

同理，由3.1中的各計(jì)算公式可得鍋爐有效利用熱為

鍋爐的熱效率為

3.2.2 鍋爐(火用)效率

給水(火用)為

蒸汽(火用)為

鍋爐重油的燃料(火用)為52 706.4 kW;

(火用)效率為

由3.1和3.2的計(jì)算數(shù)據(jù)列出表4。

表4 鍋爐在65 t/h和56 t/h兩種工況下的參數(shù)

4 結(jié)論

1)在輸入過熱蒸汽溫度和壓強(qiáng)相同時(shí)，(火用)效率與進(jìn)氣量有關(guān)。蒸汽輪機(jī)在額定正常蒸汽量情況下的(火用)效率要高于最大蒸汽量情況下的(火用)效率，這說明不是蒸汽量越多汽輪機(jī)的(火用)效率就會(huì)越高。需要通過實(shí)驗(yàn)測得一個(gè)和汽輪機(jī)相匹配的蒸汽量，才能獲得較高的(火用)效率，這與船舶建造時(shí)設(shè)備選型有著重要的關(guān)系。

2)在輸入蒸汽量、溫度和壓強(qiáng)相同的情況下，(火用)效率與輸出功率有關(guān)。輸出功率提高時(shí)，雖然有效損耗(火用)有所增加，但(火用)效率仍有較明顯的提高。

3)本研究采用的是朗肯循環(huán)，需要考慮回?zé)嵫h(huán)和中間再熱循環(huán)。如果僅采用朗肯循環(huán)，汽輪機(jī)對外做功的(火用)效率不高，說明在蒸汽輪機(jī)出口端的蒸汽仍有一定的做功能力，所以采用回?zé)嵫h(huán)和中間再熱循環(huán)，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)能量的利用率。

總之，作為考量蒸汽輪機(jī)效率的關(guān)鍵參數(shù)，(火用)效率的價(jià)值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱效率，因?yàn)樗芊从衬芰吭诟鱾€(gè)設(shè)備間做功能力的大小。對提高整個(gè)系統(tǒng)的做功能力，合理利用能量，提高經(jīng)濟(jì)性都有巨大的指導(dǎo)作用。所以，通過提高蒸汽輪機(jī)的(火用)效率是進(jìn)一步提高蒸汽輪機(jī)熱效率的必經(jīng)之路，也是關(guān)鍵所在。

［1］趙興銳.LNG船蒸汽輪機(jī)動(dòng)力裝置及其管道振動(dòng)分析［D］.上海:上海交通大學(xué)，2005.

［2］馬建坤.300 MW凝汽式機(jī)組汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)變工況(火用)分析［D］.唐山:華北電力大學(xué)，2007.

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