船上的節(jié)能減排-汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組分析與研究

張毅 劉慶明

摘 要：“節(jié)能減排，降本增效”已經(jīng)成為新時期各領(lǐng)域各行業(yè)中各企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的客觀需求與必然趨勢。而在此過程，設(shè)備改造、工藝優(yōu)化是較為常見的方法。本文以船舶節(jié)能減排為研究對象，根據(jù)船舶能耗特征，提出“改造汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，增強(qiáng)余熱利用率”的“節(jié)能減排，降本增效”策略，以供參考。

關(guān)鍵詞：節(jié)能減排 汽輪機(jī) 發(fā)電機(jī)組

環(huán)境污染與資源短缺是世界各國普遍存在的問題，也是對人類生存與發(fā)展影響最深的問題。對此，高度重視生態(tài)文明建設(shè)建設(shè)，不斷探索“節(jié)能、減排、環(huán)保、降耗”路徑，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，成為各領(lǐng)域各行業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)與發(fā)展的客觀要求。就船舶企業(yè)而言，在貫徹落實(shí)節(jié)能減排政策時，可從“熱損失”問題入手，通過科學(xué)改造汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，進(jìn)行余熱回收與利用，以達(dá)到“小改造大效益”目標(biāo)。

1.船舶能耗的特征分析

改善船舶能效水平，做好船舶能效管理規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)船舶節(jié)能減排、降本增效發(fā)展，已經(jīng)成為新時期船舶制造企業(yè)以及相關(guān)工作人員關(guān)注與研究的重點(diǎn)問題。在對表1所示船舶的EEDI（Energy Efficiency Design Index，能效設(shè)計(jì)指數(shù)）進(jìn)行計(jì)算與分析時，發(fā)現(xiàn)：該船舶單臺主機(jī)MCR（最大持續(xù)輸出功率）為68520kw，主機(jī)由柴油推進(jìn)，碳轉(zhuǎn)換系數(shù)為3.206;主機(jī)燃油消耗率達(dá)到171.45g/KWh;船舶輔機(jī)以柴油機(jī)為主，碳轉(zhuǎn)化系統(tǒng)為3.026;輔機(jī)燃油消耗量達(dá)到209.5g/KWh。由于船舶主機(jī)功率超過10000kw，且沒有設(shè)置軸帶發(fā)電機(jī)以及其他節(jié)能減排裝置，因此依據(jù)EEDI相關(guān)計(jì)算公式可得到船舶設(shè)計(jì)階段的EEDI值約為16.73，而根據(jù)相關(guān)規(guī)定（Required EEDI=17.188）可知該船不滿足船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)需求值的要求，市場競爭力不高。與此同時，對該船能耗情況作進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)船舶柴油機(jī)45%以上的熱量沒有轉(zhuǎn)化成有用功，存在較為嚴(yán)重的熱損失問題。

2.船舶節(jié)能減排思路分析

由于上文中提到的船舶能耗設(shè)計(jì)指標(biāo)不符合相關(guān)規(guī)定。對此，在船舶設(shè)計(jì)與制造過程中，設(shè)計(jì)采用行之有效的措施提升船舶能耗效率。通常情況下，船舶能耗效率提升方法主要由以下幾種：（1）改變船舶航行速度，從船舶操作層面進(jìn)行船舶能耗問題的處理;（2）改善船舶結(jié)構(gòu)，如增加船舶吃水，增加船舶載重量等進(jìn)行船舶實(shí)際能效設(shè)計(jì)指數(shù)的降低;（3）引進(jìn)節(jié)能減排技術(shù)，進(jìn)行機(jī)艙設(shè)備改造，如余熱回收系統(tǒng)的利用、可再生能源的利用、軸帶發(fā)電機(jī)的利用、燃?xì)馔七M(jìn)主機(jī)的利用等[2]。在本次研究中，設(shè)計(jì)通過“引進(jìn)節(jié)能減排技術(shù)，進(jìn)行機(jī)艙設(shè)備改造”進(jìn)行船上節(jié)能減排。

就余熱回收系統(tǒng)而言，目前較為常見的船舶柴油機(jī)余熱回收利用系統(tǒng)主要有兩種類型：其一，將柴油機(jī)的余熱轉(zhuǎn)進(jìn)行收集，用以直接驅(qū)動船舶動力渦輪機(jī)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)余熱有效利用;其二，在船舶上配置余熱鍋爐，通過余熱鍋爐回收船舶柴油機(jī)余熱，并將其轉(zhuǎn)化為蒸汽進(jìn)行蒸汽發(fā)電，用以為船舶電氣設(shè)備供電。在已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以余熱利用系統(tǒng)中的汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組為研究對象，通過改造汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組改善余熱利用系統(tǒng)整體性能，促進(jìn)其在船舶節(jié)能減排任務(wù)中，應(yīng)用作用的有效發(fā)揮。

3.基于汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組改造下船舶節(jié)能減排方案分析

3.1船舶柴油機(jī)余熱回收利用系統(tǒng)概述

船舶機(jī)艙中所配置的余熱回收利用系統(tǒng)主要由汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組、動力渦輪機(jī)、超低溫排煙余熱鍋爐以及有機(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組等共同構(gòu)成。在運(yùn)行過程中，船舶柴油機(jī)排氣會經(jīng)過渦輪增壓裝置、動力渦輪機(jī)進(jìn)入超低溫排煙余熱鍋爐;在余熱鍋爐高壓過熱器、低壓蒸汽等裝置共同作用下產(chǎn)生蒸汽，并進(jìn)入汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電，從而實(shí)現(xiàn)船舶柴油機(jī)余熱的回收利用。

3.2汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組改造技術(shù)方案分析

在本次研究的船舶節(jié)能減排項(xiàng)目中，確定所選用的汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組類型為補(bǔ)氣凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)。汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，可將余熱鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽經(jīng)由速關(guān)閥引入汽輪機(jī)，進(jìn)行機(jī)組發(fā)電;將余熱鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽經(jīng)由補(bǔ)汽口引入汽輪機(jī)，進(jìn)行機(jī)組發(fā)電。與此同時，將汽輪機(jī)發(fā)電后剩余蒸汽經(jīng)由冷凝器、凝水泵、除氧器等裝置，在此進(jìn)入鍋爐進(jìn)行加熱處理，重新生成蒸汽，實(shí)現(xiàn)循環(huán)再利用。

在本次設(shè)計(jì)過程中，為提升汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性與可靠性。實(shí)現(xiàn)余熱回收利用系統(tǒng)整體性能的有效提升。設(shè)計(jì)主軸結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)轂結(jié)構(gòu)，以提升主軸機(jī)械性能，確保汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定與可靠;設(shè)計(jì)汽輪機(jī)組整體結(jié)構(gòu)為“汽輪機(jī)+減速箱+發(fā)電機(jī)”且與冷凝器、水泵等位于同一底盤，實(shí)現(xiàn)集成管控，在節(jié)約機(jī)艙空間的同時，提升機(jī)組運(yùn)行效率;設(shè)計(jì)通流形式為單列調(diào)節(jié)形式。此外，根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)特征、汽輪機(jī)特征，在汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組設(shè)置過程中，確定：（1）冷凝器位于排缸之下，與排缸同在一個底盤之上。（2）冷凝器熱井形態(tài)以桶狀形態(tài)為主，便于冷凝器液位控制。（3）油站位于底盤上，并配有濾油裝置，在使用過程中潤滑油、調(diào)節(jié)油等通過濾油裝置進(jìn)行過濾后，分別進(jìn)入潤滑系統(tǒng)與調(diào)節(jié)系統(tǒng)。值得注意的是潤滑油在進(jìn)入潤滑系統(tǒng)之前，需通過冷油器。（4）油站結(jié)構(gòu)的上部需隔開，油站結(jié)構(gòu)下部需連通，以降低船運(yùn)行過程中，船體晃動對油站液位的不利影響。（5）科學(xué)設(shè)計(jì)軸承回油口的位置，通常情況下回油口應(yīng)安排在底部，并根據(jù)船體運(yùn)行過程中的傾斜情況進(jìn)行回油管的科學(xué)布置。（6）科學(xué)選擇機(jī)組定位方法，在本次研究項(xiàng)目中利用軸向滑鍵進(jìn)行機(jī)組前軸承座與座架的定位;利用立鍵進(jìn)行機(jī)組排缸與機(jī)組底盤的定位;利用徑向鍵進(jìn)行機(jī)組排缸與機(jī)組排缸座架的定位，以保證機(jī)組定位準(zhǔn)確性、科學(xué)性、可靠性。（7）考慮船體晃動對機(jī)組軸承存在的影響，設(shè)計(jì)運(yùn)用可傾瓦形式設(shè)置徑向軸承、推力軸承;考慮船體晃動對機(jī)組耗油量存在的影響，設(shè)計(jì)回油方式為滿溢式回油。（8）在設(shè)計(jì)過程中，為提升設(shè)計(jì)科學(xué)水平，保證汽輪機(jī)組布局的合理性、整體性、協(xié)調(diào)性、完整性，采用三維模型分析法，進(jìn)行機(jī)組、輔機(jī)等三維模型的科學(xué)構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組科學(xué)布局。

4.節(jié)能減排方法實(shí)施效益與研究成果分析

對設(shè)計(jì)的汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)：（1）汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組通過CCS認(rèn)證，達(dá)到汽輪機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量要求。（2）汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組相對于常規(guī)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組而言，內(nèi)效率大幅度提升，達(dá)到72%以上，有利于余熱回收利用系統(tǒng)工作質(zhì)量與效率的提升。（3）汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)布局更合理，實(shí)現(xiàn)機(jī)艙空間有效節(jié)約。

總而言之，熱損失問題是船舶運(yùn)行過程中較為常見的問題，也是導(dǎo)致船舶能源浪費(fèi)的核心要素。隨著造船技術(shù)的不斷提升，船舶柴油機(jī)余熱利用系統(tǒng)得以產(chǎn)生并應(yīng)用，但實(shí)際效果并不理想。本文通過對余熱利用系統(tǒng)中的汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行分析，旨在進(jìn)行汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組有效改造，以通過提升汽輪機(jī)性能，提余熱系統(tǒng)工作效率，試驗(yàn)表明該方法具有較強(qiáng)可行性、實(shí)用性，可達(dá)到節(jié)能減排、降本增效目的。

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