超大型風(fēng)電安裝船廢熱回收系統(tǒng)的設(shè)備選型及應(yīng)用

顏建軍，顧杰

(啟東中遠海運海洋工程有限公司,江蘇 啟東 226200)

船用發(fā)電機的輸出功率約為燃油總能量的50%，排煙的熱量占了約25%，若排煙所擁有的熱能得到有效的回收利用，將對降低燃油消耗及減少排放產(chǎn)生積極影響和推進。廢熱回收系統(tǒng)的設(shè)備成本較高，當(dāng)船舶主機或者船舶發(fā)電機達到約18 000 kW的情況下能才產(chǎn)生經(jīng)濟型。目前廢熱回收系統(tǒng)在商船上面應(yīng)用較多，海工船舶由于其系統(tǒng)設(shè)計的特殊性，艙室布置的空間性等應(yīng)用相對較少，但考慮到海工船舶使用的燃油幾乎全部為輕油或LNG等新型燃料，成本較高且廢熱系統(tǒng)的愈加成熟，一套廢熱回收系統(tǒng)的輸出功率完全可以取代輔助發(fā)電機或減少主發(fā)電機的油耗，為降低排放，降低船東運行成本提供一個可選方案。

1 主動力設(shè)備及相關(guān)參數(shù)

該項目配置有4臺雙燃料發(fā)電機作為主發(fā)電機，主發(fā)電機的參數(shù)見表1。

表1 雙燃料發(fā)電機參數(shù)相關(guān)參數(shù)

根據(jù)主發(fā)電機原動機廠家的相關(guān)參數(shù)信息，不同燃料，不同負載下原動機的熱負荷信息見表2。

表2 雙燃料發(fā)電機柴油及燃氣模式下熱負荷計算

該項目雙燃料發(fā)電機排煙量較大，排煙溫度較高且高溫水側(cè)的散熱量較大，基于此種情況，配置了排煙廢熱回收系統(tǒng)[1]。

2 雙燃料發(fā)電機排煙廢熱回收設(shè)備選型及實例解析

2.1 系統(tǒng)設(shè)計注意事項

根據(jù)規(guī)范及動力定位船舶的相關(guān)要求，當(dāng)所有的4臺主發(fā)電機排煙都經(jīng)過廢氣經(jīng)濟器，廢氣經(jīng)濟器必須裝有旁通管路，當(dāng)經(jīng)濟器需要定期維修保養(yǎng)時即可關(guān)閉經(jīng)濟器管路，走旁通管路，即主閥門和旁通閥門不可同時關(guān)閉也不可同時打開，連鎖設(shè)計[2]。雙燃料發(fā)電機的負荷對于排煙量及排煙溫度有較大影響，從而影響到經(jīng)濟器所產(chǎn)生的蒸汽量，而蒸汽量的變化亦會對透平機輸出功率產(chǎn)生影響。由于經(jīng)濟器的輔助系統(tǒng)亦有相關(guān)功率消耗，若發(fā)電機低負荷，經(jīng)濟器產(chǎn)生的蒸汽量較小，透平發(fā)電機所輸出的功率尚不足以供給其輔助系統(tǒng)的運行，所以出于船舶經(jīng)濟性的考慮，則該系統(tǒng)設(shè)計時需要注意主發(fā)電機的負荷與經(jīng)濟器之間的連鎖，例如,當(dāng)發(fā)電機的負荷達到25%以上時，經(jīng)濟器及透平發(fā)電機才可啟動運行[3]。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計原理說明及設(shè)備選型

輔助蒸汽系統(tǒng)主要用于生活區(qū)熱水加熱，空調(diào)加熱及相關(guān)油艙的加熱等系統(tǒng)，排煙廢熱回收系統(tǒng)所產(chǎn)生過熱蒸汽來驅(qū)動透平發(fā)電機，對全船的電網(wǎng)進行供電，同時所產(chǎn)生的飽和蒸汽也提供給上述系統(tǒng)加熱使用，主系統(tǒng)設(shè)計管線圖見圖1。

圖1 廢熱回收系統(tǒng)原理

主發(fā)電機排煙廢氣經(jīng)過經(jīng)濟器所釋放的熱量主要是用來產(chǎn)生過熱蒸汽及飽和蒸汽，此排煙廢氣熱量的輸出初始計算依據(jù)是圖1的數(shù)據(jù)及如下熱力學(xué)[4]公式。

Q=Cp·qm·ΔT

(1)

式中：Q為熱量的變化，kJ/min；qm為排煙廢氣的質(zhì)量流量，kg/min；Cp為廢氣的比定壓熱容，(kJ/kg·K)；ΔT為廢氣進經(jīng)濟器和出經(jīng)濟器時的溫差，K。備注：經(jīng)濟器出口處廢氣的溫度由經(jīng)濟器廠家計算提供。

由式(1)可以計算出排煙廢熱所釋放的熱量，根據(jù)透平發(fā)電機的過熱蒸汽的恒定工作壓力，結(jié)合式(2)計算主發(fā)電機不同負荷下所產(chǎn)生的過熱蒸汽量和溫度。

Y=-34.819X4+98.568X3-99.607X2+

44.062X-4.504 3

(2)

式中：Y為單臺廢熱經(jīng)濟器所產(chǎn)生的過熱蒸汽量，t/h；X為單臺雙燃料發(fā)電機的負荷。

計算結(jié)果見表3。

表3 過熱蒸汽與主發(fā)電機負荷關(guān)系

根據(jù)實船操作情況及設(shè)計工況分析，列舉以下船舶正常運行時主發(fā)電機的功率及發(fā)電機在線的狀態(tài)用以計算透平機發(fā)電機的輸出功率。

由表4數(shù)據(jù)換算出船舶在正常營運過程中，當(dāng)把各種工況下主發(fā)電機在線的狀態(tài)折合成4臺主發(fā)電機長期在線時的狀態(tài)，根據(jù)該設(shè)計進行計算，則平均每臺機的負荷約為35%，在同時保證系統(tǒng)恒定壓力6.3 bar的情況下，根據(jù)公式(2)計算可得出該狀態(tài)下產(chǎn)生的過熱蒸汽量為9.6 t/h，過熱蒸汽的溫度為303 ℃，此時蒸汽的熱力學(xué)焓值為3 064.99 kJ/kg(根據(jù)工程熱力學(xué)焓熵表所得)，根據(jù)以下熱力學(xué)公式。

表4 主發(fā)電機運行負載

ms=3 600·P/he

(3)

式中：ms為蒸汽量，kg/h；P為蒸汽吸收熱量，kW；he為熱力學(xué)焓，kJ/kg。

計算出蒸汽此時具有的熱量為8 173.3 kW,根據(jù)透平發(fā)電機廠家所提供的主發(fā)電機負荷與透平發(fā)電機輸出功率的如下計算公式。

W=-9 493.3V4+29 429V3-

33 583V2+16 673V-1 426

(4)

式中：W為透平發(fā)電機輸出功率，kW；V為4臺主發(fā)電機的平均負荷。

通過式(4)可以計算出，此時透平機發(fā)電機的輸出功率約為1 405 kW，此狀態(tài)能下電能回收占到17.2%(η=1405/8 173.3)，根據(jù)式(4)繪制出雙燃料發(fā)電機與透平發(fā)電機輸出功率關(guān)系圖，見圖2。

圖2 雙燃料發(fā)電機負荷與透平發(fā)電機輸出功率關(guān)系

在以上所述主發(fā)電機的負荷狀態(tài)下，根據(jù)經(jīng)濟器廠家所提供的如下計算公式可以得出飽和蒸汽量。

Q=-87.06V4+224.48V3-

195.24V+68.629V-6.501 9

(5)

式中：Q為4臺機同時在線時所產(chǎn)生的飽和蒸汽量，t/h；V為4臺主發(fā)電機的平均負荷。

根據(jù)式(5)計算出飽和蒸汽量約為1.92 t/h。該項目飽和蒸汽系統(tǒng)主要用于空調(diào)加熱系統(tǒng)及生活區(qū)熱水供應(yīng)系統(tǒng)，通過計算空調(diào)加熱系統(tǒng)所需要的蒸汽量約為5.4 t/h,生活區(qū)熱水加熱所需要的蒸汽量約為1.2 t/h，由此可見，在夏季時令，空調(diào)加熱系統(tǒng)無需運行的狀況下，每臺主發(fā)電機在35%的負荷時所產(chǎn)生的飽和蒸汽量在不使用燃油鍋爐的狀態(tài)下完全能滿足生活區(qū)熱水系統(tǒng)熱量需求。根據(jù)式(5)繪制出主發(fā)電機負荷與經(jīng)濟器飽和蒸汽量關(guān)系圖表，見圖3。

圖3 雙燃料發(fā)電機負荷與經(jīng)濟器飽和蒸汽量關(guān)系

結(jié)合圖2得出當(dāng)主發(fā)電機的負荷達到50%及以上時，透平發(fā)電機的輸出功率隨主發(fā)電機負荷的變化較小，根據(jù)式(4)計算可以得出在主發(fā)電機負荷在50%的時候，此時透平發(fā)電機的輸出功率約為1 600 kW。根據(jù)圖3明確出，在主發(fā)電機的負荷達到60%及以上時，所產(chǎn)生的飽和蒸汽量與發(fā)電機的負荷幾乎成正比增長，而在主發(fā)電機50%負荷以下時，所產(chǎn)生的飽和蒸汽量隨主發(fā)電機負荷的變化較小，但此時所產(chǎn)生的飽和蒸汽量亦能滿足夏季時令下生活區(qū)熱水系統(tǒng)的熱量需求。當(dāng)透平發(fā)電機不在網(wǎng)時，由于過熱蒸汽量的需求降低，則此時所產(chǎn)生的飽和蒸汽量會有顯著提高，足以滿足通風(fēng)系統(tǒng)，生活區(qū)熱水，油艙等其他輔助系統(tǒng)的加熱。

2.3 系統(tǒng)實船應(yīng)用分析

根據(jù)上述及結(jié)合透平發(fā)電機及經(jīng)濟器廠家的成熟產(chǎn)品，選擇了以下產(chǎn)品作為該項目廢熱回收系統(tǒng)主組成設(shè)備。

1)蒸汽透平。三菱/AT42CLN3。

2)透平發(fā)電機。2 000 kVA/現(xiàn)代/HFJ7 636-04P。

3)廢氣經(jīng)濟器。歐寶/XW-TG。

上述計算分析基于雙燃料發(fā)電機燃氣模式下負載所得，若在船舶長期處于動力定位狀態(tài)下，主發(fā)電機的負荷會超過以上所述負荷的要求，燃氣模式下由于天然氣的熱值高于燃油，所以在同等負荷下經(jīng)濟器所產(chǎn)生的蒸汽量較多，透平發(fā)電機所輸出的電功率會較大，表5為透平發(fā)電機負載試驗時的實船數(shù)據(jù)記錄。

表5 不同介質(zhì)不同負荷下透平發(fā)電機的輸出功率

由表5可見，當(dāng)主發(fā)電機在燃氣模式且負荷在25%的狀態(tài)下，透平發(fā)電機的輸出功率約為1 496 kW，根據(jù)廠家理論計算，當(dāng)主發(fā)電機在該狀態(tài)時透平機ISO模式下的輸出功率為1 247 kW(見表6)，由此可見，廢氣經(jīng)濟器在燃氣模式下產(chǎn)生的蒸汽量遠超理論計算值，透平發(fā)電機的實際應(yīng)用效率超過預(yù)想情況。

表6 主發(fā)電機燃氣模式不同負荷下透平機輸出功率預(yù)測

由實驗所測數(shù)據(jù)分析可見，當(dāng)3臺主發(fā)電機燃氣模式在線時，當(dāng)每臺主發(fā)電機的平均負荷達到65%時，則此時透平機發(fā)電機已經(jīng)可以滿功率輸出，而此種工況是該船舶在動力定位時的常規(guī)工況，由此可見，以上計算所得的透平機發(fā)電機的選型比較切合該項目的實際運用。

2.4 經(jīng)濟性分析

透平機輔助設(shè)備所消耗的功率約200 kW，則透平機能給主電網(wǎng)提供的功率達到1 400 kW，同時也可產(chǎn)生約2 t/h的飽和蒸汽。按照廠家資料主發(fā)電機的燃油消耗量185 g/(kW·h)，燃油鍋爐的每噸蒸汽燃油消耗量約70 kg計算，每天可以節(jié)省柴油約8.688 t，根據(jù)全球海上風(fēng)電市場分析，風(fēng)電安裝船平均每年250 d的運行時間計算，則平均每年可以減少約2 172 t柴油消耗，按照國際柴油價格約400美元/t計算，每年節(jié)省成本約86.88萬美元，該系統(tǒng)的一次性投資約為300萬美元，計算設(shè)備維護的成本，4年即可收回投資成本，在減少燃油消耗的同時亦減少了排放，對環(huán)境保護產(chǎn)生了積極的影響[5]。

3 結(jié)論

該大型風(fēng)電安裝船不僅配置有主發(fā)電機排煙廢熱回收系統(tǒng)，還有主發(fā)電機缸套水廢熱回收系統(tǒng)，LNG冷量回收系統(tǒng)等創(chuàng)新設(shè)計。由于此類大型海工工程船在作業(yè)時，動力定位時長會遠超其航行的時間，則此系統(tǒng)在該類項目上的應(yīng)用可降低船東的運行成本同時降低排放，該系統(tǒng)也有以下缺陷：①設(shè)備較多，船舶空間限制；②系統(tǒng)復(fù)雜，系統(tǒng)維護成本較高；③初期投資成本較大等。以上論證是基于ISO環(huán)境及燃氣模式，若船舶長期在寒冷的天氣及燃油模式下作業(yè)，透平發(fā)電機的發(fā)電量會減少，上述提到的燃油消耗量的降低及排放量的減少可能不能達到預(yù)期效果，在船舶初期設(shè)計階段需要做好充分的經(jīng)濟性評估及船舶空間的合理布局。