大型低速船用柴油機(jī)余熱回收裝置的平衡分析

溫 朋，黃 加亮，吳鵬舉

(1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司，上海 201913)

溫 朋1，黃 加亮1，吳鵬舉2

(1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司，上海 201913)

介紹了當(dāng)前一般船用柴油機(jī)的余熱回收裝置，對(duì)特定型號(hào)主機(jī)廢氣余熱回收裝置進(jìn)行平衡分析，通過計(jì)算求出了該裝置的分配及利用情況，以及各裝置效率的潛在提高程度.結(jié)果表明，該余熱回收裝置具有較高的效率和較好的經(jīng)濟(jì)性.分析的結(jié)果可以指導(dǎo)人們合理的提高的利用效率.

船舶柴油機(jī)；余熱回收裝置；平衡分析

0 引言

現(xiàn)代大型船舶柴油機(jī)推進(jìn)裝置熱效率一般為45%～50%，廢氣帶走的熱量占燃料總發(fā)熱量的25%～30%，廢氣溫度較高，熱能品質(zhì)較高，具有很大的做功潛力[1]，主機(jī)廢氣熱能回收利用為船舶動(dòng)力裝置節(jié)能的重要途徑.2009年7月國(guó)際海事組織(IMO)海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)(MEPC)第59次會(huì)議上“新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)”(EEDI)公式獲得正式通過后[2]，新造船舶CO2設(shè)計(jì)指數(shù)采用的排放與效益之比改為節(jié)能、減排和效益之比，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了國(guó)際船舶的節(jié)能減排增效目標(biāo).

在給定的環(huán)境條件下，熱量中最大可能轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ牟糠址Q為熱量.平衡分析的本質(zhì)是結(jié)合熱力學(xué)第一、第二定律，從能量的數(shù)量和質(zhì)量相結(jié)合的角度出發(fā)，分析揭示裝置或設(shè)備在能量中的的轉(zhuǎn)換、傳遞、利用和損失情況，其主要計(jì)算是對(duì)裝置或設(shè)備進(jìn)行平衡的計(jì)算.分析依據(jù)平衡方程式，其內(nèi)容包括對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行平衡計(jì)算，求整個(gè)裝置及其組成部分的損失和效率以及繪制裝置的流圖[3].分析的意義包括：1)采用效率可以正確、全面地評(píng)價(jià)設(shè)備、裝置的能源利用率，對(duì)節(jié)能潛力做出正確的判斷；2)依據(jù)各設(shè)備的損失占投入總的比例大小，可以科學(xué)地診斷出整個(gè)裝置節(jié)能的薄弱環(huán)節(jié)，指導(dǎo)人們合理的提高的利用效率；3)平衡分析得到的數(shù)據(jù)將作為熱經(jīng)濟(jì)學(xué)分析、能級(jí)分析的基礎(chǔ).

1 船舶動(dòng)力系統(tǒng)余熱回收裝置介紹

圖1為瓦錫蘭Sulzer 12RT-flex96C系列大型船用低速柴油機(jī)余熱回收裝置簡(jiǎn)圖.該裝置由廢氣經(jīng)濟(jì)器、蒸汽透平、廢氣透平、由蒸汽透平和廢氣透平共同驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)、給水預(yù)熱系統(tǒng)以及軸帶發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)組成[4-5].其工作原理如圖2所示.

從圖2可看出，給水經(jīng)主機(jī)缸套冷卻水加熱后分為兩部分，一部分經(jīng)低壓汽水分離器送入低壓蒸發(fā)器吸熱后，又回入低壓汽水分離器，所分離的低壓飽和蒸汽經(jīng)低壓過熱器吸熱后送入蒸汽透平低壓級(jí)中做功發(fā)電，另一部分給水經(jīng)主機(jī)空冷器吸熱后進(jìn)入高壓汽水分離器，由循環(huán)泵泵入高壓蒸發(fā)器吸熱后再回到高壓汽水分離器，所產(chǎn)生的高壓飽和蒸汽一部分用于全船加熱，另一部分經(jīng)高壓過熱器吸熱后送入蒸汽透平高壓級(jí)做功發(fā)電[6-8].

2 船舶主機(jī)余熱回收裝置的平衡計(jì)算

圖3、圖4所示分別為Sulzer 12RT-flex96C大型低速柴油機(jī)余熱回收裝置的朗肯循環(huán)簡(jiǎn)化圖和T-s圖.

基于工業(yè)用水和水蒸汽熱力學(xué)特性IAPWS及公式e=(h-h0)-T0(s-s0) (式中：e為值；h為焓值；s為熵值；T0為參考點(diǎn)溫度)，計(jì)算出各狀態(tài)點(diǎn)的值，見表1.

表1 朗肯循環(huán)各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)值

通過實(shí)驗(yàn)采集各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)值，設(shè)定的計(jì)算條件如下：主機(jī)功率為68640 kW，燃油消耗率(SFOC)為172 g/(kW·h)，排氣比流量為7.76 kg/(kW·h)，船舶所需的高壓飽和蒸汽量為1500 kg/(kW·h)；廢氣鍋爐排氣進(jìn)口溫度t1為310 ℃；出口溫度t2為160 ℃、低壓過熱器進(jìn)口溫度tmid為199 ℃，而蒸汽在低壓蒸汽乏汽中的飽和溫度為t3L為194 ℃；高壓蒸發(fā)器中飽和溫度t3H為181.9 ℃；高壓過熱器出口溫度t4H為289.4 ℃；大氣環(huán)境溫度t0為25 ℃.假設(shè)船舶柴油機(jī)運(yùn)行在最大功率，廢氣為理想氣體，鍋爐工況穩(wěn)定，同時(shí)不考慮泄漏損失等情況[6].

2.1 廢氣鍋爐

鍋爐廢氣余熱系統(tǒng)中余熱鍋爐的過熱蒸汽產(chǎn)量msu(不考慮飽和蒸汽產(chǎn)量)在穩(wěn)定工況且不考慮泄露損失時(shí)等于鍋爐的給水量mfw.根據(jù)余熱鍋爐的熱平衡，當(dāng)只產(chǎn)生過熱蒸汽時(shí)的過熱蒸汽余量為：

(1)

(2)

式中：mgas為排氣流量(kg/h)；msat為飽和蒸汽量(kg/h)；h″sat為飽和蒸汽的焓值(kJ/kg)；

ΔE1,B=mg(e1-e2)ηB-msu(e4-e8)-msat(e3-e8).

(3)

式中：e1、e2、e3、e4、e8分別為相應(yīng)的鍋爐進(jìn)、出口單位質(zhì)量廢氣的以及單位質(zhì)量飽和蒸汽、過熱蒸汽和給水的.若以廢氣mg=1 kg/h來計(jì)算，e1-e2表示單位工質(zhì)廢氣從狀態(tài)1實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定流動(dòng)轉(zhuǎn)變到狀態(tài)2所能做出的最大有用功，若比熱Cp,g為定值，則：

E1-E2=mgCp,g[(T1-T2)-T0ln(T1/T2)].

(4)

ηe,B=msu(e4-e8)/(mg(e1-e2).

(5)

ηe,B=(msu(e4-e8)+msat(e3-e8)/(mg(e1-e2)).

(6)

低壓段吸熱過程表示，船舶主機(jī)燃油消耗率為172g/kW·h，排氣比流量為7.76kJ/kg·h，船舶所需的高壓飽和蒸汽量為1500kg/h；廢氣鍋爐排氣進(jìn)口溫度t1為310 ℃、出口溫度t2為160 ℃、低壓過熱器進(jìn)口溫度tmid為199 ℃.由于低壓段只產(chǎn)生過熱蒸汽，用以上數(shù)據(jù)及表1相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式(1)得低壓端過熱蒸汽量msu=8678.7224 kg/h；代入公式(4)得E1-E2=7509308.366 kJ/h；代入公式(3)得損失ΔE1,B=1237649.585kJ/h；代入公式(5) 得效率ηe,B=83.5185%.

2.2 蒸汽管道

E1,pipe=E4-E5.

(7)

ηe,pipe=E5/E4.

(8)

1)低壓段管道

2)高壓段管道

2.3 汽輪機(jī)

E1,T=msu(s6-s5).

(9)

ηe,T=msu(h5-h6)/(E5-E6).

(10)

1)低壓段

由表1中相關(guān)數(shù)據(jù)及低壓段的蒸汽流量msu，代入公式(9)得損失ΔE1,T=4511599.993kJ/h；代入公式(10)得效率ξe,T=80.58%.

2)高壓段

2.4 冷凝器

2.5 給水泵

∑E1,i=E1,B+E1,T+E1,C+E1,P+E1,pipe=17847149.08 kJ/h.

2.6 各裝置的損失系數(shù)

ξe,i=E1,i/∑Ein

由上述數(shù)據(jù)得：

ξe,B=19.5424%；ξe,pipe=0.9734%；ξe,T=22.1202%；ξe,C=8.7397%；ξe,p=0.1397% .

總的損失系數(shù)為：

ξe=∑E1,i/∑Ein=51.5155% .

3 結(jié)論

船舶柴油機(jī)余熱回收是船舶柴油機(jī)節(jié)能減排的一項(xiàng)有效措施，本文采用熱力學(xué)第二定律分析法，利用對(duì)Sulzer12RT-flex96C大型低速柴油機(jī)廢氣回收系統(tǒng)的記錄參數(shù)，對(duì)余熱回收裝置進(jìn)行分析，并進(jìn)行了平衡計(jì)算，以便更加合理的衡量能量轉(zhuǎn)換效果，確定影響效率的不可逆因素，提高整個(gè)系統(tǒng)的利用程度.

[1]任文江，施潤(rùn)華．船舶動(dòng)力裝置節(jié)能[M]．上海：上海交通大學(xué)出版社，1991.

[2]中國(guó)船級(jí)社.船用柴油機(jī)氮氧化物排放試驗(yàn)及檢驗(yàn)指南[M]. 北京：人民交通出版社，2011.

[3]張學(xué)學(xué)，李桂馥，史琳．熱工基礎(chǔ)[M]．北京：高等教育出版社，2010：97.

[4]黃加亮，陳丹.船舶動(dòng)力裝置技術(shù)管理[M].大連：大連海事大學(xué)出版社，2009：113.

[5]牛東翔，孫培延，黃飛，等．某船舶柴油機(jī)動(dòng)力裝置的總熱回收[J]．航海技術(shù)，2005(5):45-47.

[6]今春日，馬捷，劉濤．大型船舶主機(jī)分期熱能回收裝置的熱平衡分析[J]．船舶工程，2009(9):39-41.

[7]甘念重．船舶主機(jī)熱平衡分析及其余熱利用[J]．船海工程，2008,37(2):66-69.

[8]周康．基于Simulink的8K90MC-C柴油機(jī)串聯(lián)廢氣發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真[D]．大連：大連海事大學(xué)，2011.

(責(zé)任編輯 陳 敏 英文審校 陳 武)

Exergy Equilibrium Analysis of Waste Heat Recovery System for Large-scale Low-speed Marine Diesel Engine

WEN Peng1,HUANG Jia-liang1,WU Peng-ju2

(1. Marine Engineering Institute,Jimei University,Xiamen 361021,China;2.Jiangnan Shipyard (Group) Co.,Ltd.,Shanghai 201913)

The status of waste heat recovery system of general marine diesel engine was introduced and analyzed. The exergy balance of waste heat recovery system for a specific type of ship was calculated. Using exergy balance analysis, the distribution and use of exergy for the main engine thermal energy recovery system were found, and the potential increase of thermal efficiency of each device was indentified. The results showed that the heat recovery system has a higher exergy and better economy. The analysis results can give us the reasonable improve the use of exergy efficiency.

marine diesel engine;waste heat recovery system;exergy equilibrium analysis

2013-07-14

[修回日期]2013-11-12 [基金項(xiàng)目]福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012J01230)；福建省教育廳高校專項(xiàng)重點(diǎn)基金(JK2013025)

溫朋(1990—)，男，碩士生，從事現(xiàn)代輪機(jī)工程管理研究.通訊作者：黃加亮(1963—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事現(xiàn)代輪機(jī)管理工程研究.

1007-7405(2014)02-0127-06

U 664.21

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