船上的節(jié)能減排—汽輪機發(fā)電機組

摘 要：船舶柴油機一般只有40%～55%的熱量轉(zhuǎn)化成有效功，其余45%～60%的熱量轉(zhuǎn)化為各種形式的損失。船舶柴油機的余熱主要包括柴油機排氣余熱和柴油機冷卻水余熱。本文主要探討了采用超低溫排煙余熱鍋爐、汽輪機發(fā)電機組組成余熱利用系統(tǒng)，對柴油機的余熱進行回收利用，以提高柴油機總體熱效率，減少船舶排放。

關鍵詞：節(jié)能減排；CCS；汽輪機發(fā)電機組

船用柴油機一般只有40%～55%的熱量轉(zhuǎn)化成有效功，其余45%～60%的熱量轉(zhuǎn)化為各種形式的損失。船舶柴油機的余熱主要包括柴油機排氣余熱和柴油機冷卻水余熱。

目前船舶柴油機的排氣余熱利用主要途徑有：

1）利用排氣能量驅(qū)動渦輪增壓器。

2）安裝余熱鍋爐。

3）余熱蒸汽驅(qū)動汽輪機發(fā)電裝置。

4）利用排氣能量驅(qū)動動力渦輪發(fā)電。

國際上船舶柴油機余熱利用系統(tǒng)常用有兩種基本方式，一種是利用排氣直接驅(qū)動動力渦輪發(fā)電，另一種是通過余熱鍋爐回收排氣中的熱能，用以產(chǎn)生蒸汽來發(fā)電供船舶設備使用。到目前為止，所有有關船舶動力系統(tǒng)排氣余熱利用的方案都是這兩種基本方式的組合和改進。

在上個世紀七十年代，國外許多主機公司就開展了船舶柴油機余熱利用技術的研究。目前MAN、Wartsila、三菱、西門子等公司已經(jīng)推出柴油機余熱利用產(chǎn)品，深受船舶運營商的喜愛。

國內(nèi)此前尚無這方面的研究。在2012年滬東重機與哈爾濱工程大學牽頭開展船舶柴油機動力系統(tǒng)余熱利用技術的研究工作，研究目標柴油機總體熱效率提高6%～8%，采用余熱利用系統(tǒng)后機艙體積變化小于10%，減少船舶CO2排放，應對新船能效設計指數(shù)。

其以9000KW柴油機為研究對象確定余熱利用技術方案。余熱利用系統(tǒng)由動力渦輪、超低溫排煙余熱鍋爐、汽輪機發(fā)電機組、有機工質(zhì)汽輪機發(fā)電機組組成。柴油機排氣分別流經(jīng)渦輪增壓器和動力渦輪，兩部分排氣混合后，依次流經(jīng)余熱鍋爐的高壓過熱器、高壓蒸發(fā)器、低壓蒸發(fā)器和熱水器，并經(jīng)鍋爐出口煙道排入大氣。

本文主要對在余熱利用系統(tǒng)里發(fā)電量最大的汽輪機發(fā)電機組技術進行探討。

1 汽輪機發(fā)電機組技術方案

在整個柴油機的余熱利用系統(tǒng)里，柴油機排氣通過渦輪增壓器或動力透平進入余熱鍋爐，余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽，通過汽輪機來發(fā)電。

此項目余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽參數(shù)見表1，此項目汽輪機為補汽凝汽式汽輪機，鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽通過速關閥進入汽輪機里做功發(fā)電，鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽通過補汽口進入汽輪機里做功發(fā)電。蒸汽通過汽輪機做功后進入冷凝器，凝結成水，再通過凝結水泵進入除氧器，除氧之后進入鍋爐中加熱，生成蒸汽，如此循環(huán)。

汽輪機設計是以25℃環(huán)境下的100%負荷時的參數(shù)作為設計工況。本機組通流采用單列調(diào)節(jié)級加四個壓力級，主軸采用轉(zhuǎn)轂結構，增加了主軸剛性，保證了機組在船上運行時的穩(wěn)定性。機組設計為汽輪機+減速箱+發(fā)電機。汽輪機轉(zhuǎn)速9000rpm，此設計不僅提高了機組效率，也節(jié)省了機組占用的空間。

汽輪機、減速箱、發(fā)電機、油站、冷凝器、水環(huán)真空泵等全部集成在同一個底盤上，保證了機組的高度集成性，也大大減少了機組占地空間。

因此機組用于船上，針對船用汽輪機的特殊性，機組在設計時考慮了以下幾點：

1）冷凝器置于排缸下方，冷凝器和排缸固定在一個底盤上。冷凝器熱井為桶狀，此結構減小船晃動對冷凝器液位的影響。

2）軸承回油口設置在底部，回油管考慮船傾斜造成的影響。

3）油站為底盤油站，油站結構上面隔開，下面連通，減小船傾斜對其液位造成的影響。油站上一個濾油器，潤滑油和調(diào)節(jié)油先經(jīng)過濾油器，然后調(diào)節(jié)油直接到調(diào)節(jié)系統(tǒng)，潤滑油再經(jīng)過冷油器去潤滑系統(tǒng)。

4）機組定位，前軸承座與座架通過軸向滑鍵定位，排缸與汽缸座架通過兩個徑向鍵定位，排缸與底盤通過立鍵定位。保證機組在船前后、左右晃動時，機組的定位不會變化。

5）機組的徑向軸承和推力軸承均采用可傾瓦形式，滿溢式回油，減小船晃動對軸承和耗油量的影響。

6）整體機組含輔機，全部建三維模型，以保證布置的合理性。機組所有輔機均集成在一個底盤上，保證機組布置的緊湊性，減少占地空間。

2 研究成果及其水平

1）此臺汽輪機為首臺通過中國船級社（CCS）型式認可的汽輪機，首臺在工廠內(nèi)帶50%負荷試驗汽輪機。通過與CCS的溝通交流，確認了汽輪機型式認可的流程，具體如圖1。

按照CCS型式認可要求，汽輪機型式認可試驗是需要帶滿負荷的。但因蒸汽流量不足，在工廠內(nèi)無法進行滿負荷試驗；通過與CCS的溝通，CCS最終同意型式認可試驗在廠內(nèi)帶50%負荷。

目前國內(nèi)大的汽輪機廠如哈爾濱汽輪機廠、上海汽輪機廠、東方汽輪機廠、杭州汽輪機股份有限公司等都無法在廠內(nèi)進行帶負荷試驗。而且國內(nèi)和國際上不論是工業(yè)用的汽輪機標準（如美國石油、化工和天然氣工業(yè)用《特種用途汽輪機》API612標準）還是發(fā)電用的汽輪機標準（如GB/T5578-2007《固定式發(fā)電用汽輪機規(guī)范》），都不要求汽輪機在工廠內(nèi)做帶負荷試驗。有的只是要求廠內(nèi)做空負荷機械運轉(zhuǎn)試驗，以檢驗汽輪機的超速保護裝置、汽輪機的振動、位移等參數(shù)。帶負荷試驗都是在用戶現(xiàn)場進行。

2）此臺機組打破了常規(guī)的汽輪機發(fā)電機組設計習慣，汽輪機設計為高轉(zhuǎn)速9000rpm，通過減速箱與發(fā)電機相連。此設計提高了汽輪機發(fā)電機組效率，像此流量、壓力、溫度的常規(guī)3000rpm汽輪機，內(nèi)效率約65%，此機組采用高轉(zhuǎn)速后，汽輪機內(nèi)效率達到73%，大大提高了機組的發(fā)電量。此機組發(fā)電量見表2。

此機組汽輪機、齒輪箱、發(fā)電機、冷凝器、油站、抽真空設備等全部集成在一個撬塊上，布置合理緊湊。打破了常規(guī)汽輪機發(fā)電機組的布置型式，并大大節(jié)省了空間。

3）常規(guī)的冷凝汽輪機組汽輪機主軸為撓性，此機組考慮船用汽輪機的經(jīng)常起停，汽輪機主軸設計為剛性，免盤車。大大縮短了汽輪機啟停時間。

3 結語

整個余熱利用系統(tǒng)已在滬東重機現(xiàn)場完成試驗，基本達到了研究目標。但是后期還有許多需要改進完善的地方，以保證此系統(tǒng)在船上的適用性，為船主創(chuàng)造利潤。

此汽輪機需上船，需要有CCS型式認可?！朵撡|(zhì)海船入級規(guī)范》中對汽輪機的型式認可要求主要是對主動力汽輪機的要求。但是這種余熱利用發(fā)電的汽輪機是否需要在工廠內(nèi)進行帶負荷試驗，也是需要CCS認真考慮的一個問題。

參考文獻：

[1] 石道中.汽輪機設計基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，1988.

[2] 侯曼西.工業(yè)汽輪機 [M].重慶：重慶大學出版社，1995.

[3] 吳安民，周偉中.船舶柴油機余熱利用技術研究[J].柴油機，2012（5）.

作者簡介：侯京安（1984-），男，漢族，陜西渭南人，本科，工程師，就職于杭州中能汽輪動力有限公司，從事汽輪機的設計、研發(fā)工作。