船舶主機雙壓余熱利用系統(tǒng)仿真及分析

袁勤輝，孫 俊，管 聰，葉樹璞

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

由于海運的巨大優(yōu)勢，使得海運的運輸量已經(jīng)占到國際貿(mào)易總體量的90%[1]，而大型遠洋船舶主機的能耗最高可達到全船能耗的90%[2]，因此提升主機的能量利用效率可有效增加船舶能效指數(shù)。目前，柴油機的熱效率可達到50%，但仍有大部分能量以多種形式進入外界環(huán)境[3]，既造成能量浪費還會造成環(huán)境污染，通過余熱回收技術(shù)對船舶主機余熱進行回收利用已成為船舶節(jié)能減排的重要手段[4]。

針對船舶余熱回收技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者已開展了相應(yīng)的研究，Ulrik Larsen[5]等人對不同循環(huán)模式的余熱回收系統(tǒng)進行分析比較；王新[4]基于水蒸氣朗肯循環(huán)對船舶余熱利用系統(tǒng)進行了研究；陳旭立[6]基于有機朗肯循環(huán)設(shè)計了新的有機朗肯循環(huán)(ORC)余熱回收方案。

基于水蒸氣朗肯循環(huán)的船舶余熱利用系統(tǒng)，因其安全性高、維護成本低以及可靠性好的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于船舶余熱回收。該系統(tǒng)中能量變化過程復(fù)雜，而大部分學(xué)者在研究船舶余熱利用系統(tǒng)時，采用能量分析法，從“量”的角度對系統(tǒng)中能量的利用效率進行分析，無法真實反映系統(tǒng)中能量的差別和各環(huán)節(jié)的能量利用情況，存在一定局限性。為此，本文將搭建船舶主機雙壓余熱利用系統(tǒng)仿真模型，探尋不同主機負荷、不同給水溫度下的余熱利用系統(tǒng)回收的電能和相關(guān)參數(shù)隨主機負荷的變化規(guī)律，并采用火用分析法，對船舶主機雙壓余熱利用系統(tǒng)中各設(shè)備節(jié)能潛力進行分析，為進一步優(yōu)化余熱利用系統(tǒng)設(shè)計提供方向。

1 船舶余熱利用系統(tǒng)建模與仿真

1.1 雙壓余熱利用系統(tǒng)

以某4 500 TEU巴拿馬型集裝箱船為目標(biāo)船舶，主機型號為MAN 7K98MC，其搭配的雙壓余熱利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，其中點劃線表示低壓段循環(huán)，虛線表示高壓段循環(huán)，直線表示給水循環(huán)。該船用余熱利用系統(tǒng)包括柴油機、余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機、系統(tǒng)泵、冷凝器、預(yù)熱器裝置和蒸汽加熱設(shè)備。

圖1 雙壓余熱利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

給水經(jīng)缸套冷卻水和壓縮空氣預(yù)熱后，分別進入2個汽包中。汽包壓力下的飽和水在蒸發(fā)器中吸收熱量后產(chǎn)生的飽和蒸汽回流至汽包中。低壓飽和蒸汽在低壓過熱器中吸收熱量后變成低壓過熱蒸汽進入汽輪機低壓段。高壓飽和蒸汽一部分滿足船舶日常供熱需求，另一部分在高壓過熱器中吸熱后變成高壓過熱蒸汽進入汽輪機高壓段。過熱蒸汽在汽輪機中膨脹做功帶動發(fā)電機發(fā)電，隨后在冷凝器中凝結(jié)成水，經(jīng)凝水泵回流至給水柜。

1.2 船舶余熱利用系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

基于質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律，建立雙壓余熱利用系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。船舶主機在運行時，柴油機廢氣一部分經(jīng)渦輪增壓機后進入廢氣鍋爐，另一部分經(jīng)旁通管直接進入廢氣鍋爐，在余熱鍋爐中，依次在5個換熱器中與循環(huán)工質(zhì)進行熱量交換，由質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律知，總換熱量等于5個換熱器的換熱量總和，計算公式如下：

qb=∑qi=ηbqmgcpgΔT=∑qmiΔhi,

(1)

式中，qb為總換熱流量，kJ/s；qi為各換熱器的換熱流量，kJ/s；qmi為水或水蒸氣的質(zhì)量流量，kg/s；qmg為余熱鍋爐中廢氣的質(zhì)量流量，kg/s；Δhi為換熱器進出口處工質(zhì)的焓差，kJ/kg；ηb為鍋爐的熱效率，取98%～99%；cpg為余熱鍋爐中廢氣的比熱容，kJ/(kg·K)；ΔT為余熱鍋爐進出口處廢氣的溫差，K；i代表不同換熱器段。

在余熱鍋爐中，柴油機廢氣經(jīng)換熱器與循環(huán)工質(zhì)進行換熱，余熱鍋爐中的換熱器為板式換熱器，其換熱量與質(zhì)量流量、換熱器面積大小以及對數(shù)平均溫差有關(guān)，即換熱流量的計算公式如下：

qi=kAiΔTi，

(2)

式中，k為傳熱系數(shù)，在余熱鍋爐中等于廢氣質(zhì)量流量的0.6次方，J/(m2·K)；Ai為換熱器換熱面積，m2；ΔTi為對數(shù)平均溫差，K。

在余熱利用系統(tǒng)中，系統(tǒng)泵消耗電能對工質(zhì)做的功等于工質(zhì)增加的焓，計算公式如下：

Pi=qmiΔhp=(qmiΔpi)/(δiρi),

(3)

式中，Pi為系統(tǒng)泵消耗的電能，kW；Δhp為系統(tǒng)泵進出口處工質(zhì)的焓差；kJ/kg；Δpi為工質(zhì)經(jīng)泵做功后壓力增加量，MPa；δi為泵的機械效率；ρi為給水的密度，kg/m3。

在計算高壓過熱蒸汽質(zhì)量流量時，將過熱蒸汽的產(chǎn)生過程視為理想朗肯循環(huán)過程，經(jīng)過多次迭代計算，滿足迭代誤差條件后，可得高壓過熱蒸汽的質(zhì)量流量，計算公式如下：

通過采取以上的教學(xué)措施和教學(xué)內(nèi)容的選取，所擔(dān)任的班級在最后的一次考試實驗過程中，絕大多數(shù)都能規(guī)范、順利完成實驗內(nèi)容，并能對實驗現(xiàn)象做出合理的分析，為有機化學(xué)實驗課畫上了圓滿句號的同時，為以后的學(xué)習(xí)和科研奠定了一定的基礎(chǔ)。

(4)

高壓過熱蒸汽在汽輪機高壓段做功后，在汽輪機低壓段入口與低壓過熱蒸汽混合后進入汽輪機低壓段做功，將過熱蒸汽在汽輪機內(nèi)做功的過程視為等熵膨脹過程，則汽輪發(fā)電機的計算公式如下：

(5)

船舶余熱利用系統(tǒng)回收的余熱，除去系統(tǒng)泵消耗的電能，其余的能量用于滿足船舶日常供熱和供電需求，則船舶效率增加量的計算公式如下：

Δμ=(Pel-∑Pi)/qmf/HL,

(6)

式中，Δμ為船舶效率增加量；qmf為燃料的質(zhì)量流量，kg/s；HL為燃料的熱值，kJ/kg。

1.3 仿真研究方法

為了研究不同工況下的船舶余熱利用系統(tǒng)的性能，基于主機負荷為50%～100%之間的主機試航數(shù)據(jù)，計算出給水不預(yù)熱、預(yù)熱至353 K、預(yù)熱至393 K這3種情況下的船舶余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率以及其他相關(guān)參數(shù)。依據(jù)MAN 7K98MC型二沖程柴油機的試驗數(shù)據(jù)，主機負荷在50%～100%之間主機廢氣的溫度與質(zhì)量流量隨負荷變化如圖2所示，其它如換熱效率、壓降、機械效率等參數(shù)，均取值于參考文獻[7]。

圖2 主機廢氣的溫度和質(zhì)量流量隨負荷變化圖

圖3 雙壓余熱利用系統(tǒng)計算流程示意圖

在計算高壓過熱蒸汽質(zhì)量流量時，先給定初始參數(shù)，忽略系統(tǒng)泵做功，計算出高壓過熱蒸汽質(zhì)量流量的初值，隨后計算出相關(guān)參數(shù)，再考慮系統(tǒng)泵做功，計算出高壓過熱蒸汽質(zhì)量流量的實際值，經(jīng)過多個迭代計算，直到迭代誤差小于0.01%。

1)輸入?yún)?shù)。包括余熱鍋爐中換熱器的面積，煙氣的組成成分、溫度、質(zhì)量流量和空燃比，重油的低燃值，高壓汽包壓力、低壓汽包壓力和冷凝器壓力，系統(tǒng)內(nèi)各管道中工質(zhì)的壓降和溫降，換熱效率、機械效率，汽輪機的額定負載及相關(guān)修正系數(shù)，船舶日常供暖所需飽和蒸汽的質(zhì)量流量。

2)輸出參數(shù)。包括余熱發(fā)電系統(tǒng)(余熱利用系統(tǒng)的子系統(tǒng))的發(fā)電功率，余熱利用系統(tǒng)的蒸汽循環(huán)效率，效率增加量，高壓過熱器出口的過熱蒸汽溫度，余熱鍋爐中各段節(jié)點溫度，余熱利用系統(tǒng)中各設(shè)備的火用效率、火用損率和火用損系數(shù)。

為保證仿真結(jié)果的精度，對船舶主機余熱利用系統(tǒng)進行仿真計算時需加入以下限定環(huán)節(jié)：①為避免低溫腐蝕，余熱鍋爐出口段的煙氣溫度應(yīng)高于煙氣的露點溫度10 K以上；②為避免蒸汽凝結(jié)對汽輪機造成的沖蝕，過熱蒸汽的干度應(yīng)大于88%；③為防止管道內(nèi)的沸騰現(xiàn)象，給水的質(zhì)量流量至少為飽和蒸汽的質(zhì)量流量的2倍；④雙壓余熱鍋爐存在2個夾點溫差，低壓過熱器出口段的夾點溫差應(yīng)大于15 K，余熱鍋爐出口段的夾點溫差應(yīng)大于10 K；⑤高壓過熱器入口處的飽和蒸汽和煙氣的溫差在25～35 K之間。

2 船舶余熱利用系統(tǒng)仿真分析

對主機不同負荷工況下，對給水不加熱、預(yù)熱至353 K和預(yù)熱至393 K這3種情況進行仿真計算，雙壓余熱利用系統(tǒng)仿真結(jié)果見圖4。從圖4可知，余熱發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能、余熱回收效率和余熱鍋爐出口廢氣溫度均隨主機負荷和給水溫度的升高而增大。其中余熱發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能變化在主機高負荷狀況下變化較大，總體在1 021.3～2 428.7 kW之間；余熱回收效率在15.02%～21.14%之間；余熱鍋爐出口廢氣溫度變化趨勢不明顯，在441.65～447.25 K之間。高壓過熱器出口的高壓過熱蒸汽溫度和效率增加量以85%主機負荷為拐點，隨主機負荷的增大而先升高后降低，其中效率提升量在3.3%～4.7%之間，高壓過熱蒸汽溫度在528.75～562.95 K之間。余熱鍋爐出口段的夾點溫差也隨主機負荷的增加而先升高后降低，在286.45～306.15 K之間。

圖4 雙壓余熱利用系統(tǒng)仿真結(jié)果

在余熱鍋爐中，船舶主機廢氣依次在5個換熱器中與循環(huán)工質(zhì)進行熱量交換，由公式(2)可知，換熱器中熱量交換的量與換熱器的面積有關(guān)。在余熱利用系統(tǒng)中，飽和水吸熱產(chǎn)生飽和蒸汽的過程需要大量熱量，所以高壓蒸發(fā)器和低壓蒸發(fā)器的換熱面積最大，煙氣在經(jīng)過蒸發(fā)器后溫度變化最為明顯，在高壓蒸發(fā)器段，煙氣溫降在346.65～376.55 K之間；在低壓蒸發(fā)器段，煙氣溫降在287.75～299.75 K之間。在高壓經(jīng)濟器中，煙氣將給水加熱至高壓汽包壓力下的飽和水，由于給水經(jīng)過預(yù)熱裝置預(yù)熱，所以給水所需的熱量較少，故煙氣在該換熱器段溫降較??；在過熱器中，煙氣將飽和蒸汽加熱至過熱蒸汽，由于蒸汽比熱容較水小的多，所以飽和蒸汽所需的熱量相對較小，故煙氣在高壓過熱器和低壓過熱器中的溫降不明顯。

綜合分析可得，雙壓余熱利用系統(tǒng)可對不同品級的船舶余熱進行梯級利用，回收效率更高，依據(jù)目標(biāo)船舶的全年主機負荷分布圖和航行時間，相當(dāng)于每年減少燃油消耗7.637×106t，依據(jù)參考文獻[8]中重柴油的CO2排放系數(shù)3.206(燃燒1 kg重柴油產(chǎn)生3.206 kg CO2)，相當(dāng)于每年減少CO2排放5 142.02 t，具有較好的節(jié)能減排效果。

為了從能量的“質(zhì)”與“量”角度對船舶主機雙壓余熱利用系統(tǒng)中各設(shè)備的節(jié)能潛力進行分析[8-9]，采用火用分析法，分析船舶主機余熱利用系統(tǒng)中各設(shè)備的節(jié)能潛力。依據(jù)參考文獻[10]中目標(biāo)船舶的全年航行數(shù)據(jù)，選用目標(biāo)船舶運行時間最長的75%負荷工況，計算給水不預(yù)熱時的余熱利用系統(tǒng)中各設(shè)備的火用效率、火用損率和火用損系數(shù)，余熱利用系統(tǒng)各設(shè)備參數(shù)計算結(jié)果如表1所示。

表1 余熱利用系統(tǒng)各設(shè)備參數(shù)計算結(jié)果

從表1可知，火用效率方面汽輪機和各個換熱器的火用效率較大，冷凝器的火用效率最??；在冷凝器中，循環(huán)工質(zhì)與海水進行熱量交換，能量隨海水散失到外部環(huán)境中，有效功為0，故冷凝器中的火用效率為0。火用損率方面，汽輪機和換熱器的火用損率均較高，系統(tǒng)泵的火用損率最?。辉谙到y(tǒng)泵中，所消耗的電能均用于補充工質(zhì)的壓降，故火用損率最小。綜合分析得知，在汽輪機、高壓蒸發(fā)器和低壓蒸發(fā)器中，火用效率明顯高于其他設(shè)備，火用損率和火用效率也較大，這表明在汽輪機和2個蒸發(fā)器中，雖然能量的利用率較好，但其中損失的能量與系統(tǒng)總損失的比值較高，可進一步回收利用的能量較多。因此，可針對汽輪機、高壓蒸發(fā)器和低壓蒸發(fā)器做進一步優(yōu)化，對其中損耗的能量進一步回收利用，提高系統(tǒng)整體的余熱回收效率。

3 結(jié)束語

本文以某4 500 TEU巴拿馬型集裝箱船為研究對象，建立雙壓水蒸氣朗肯循環(huán)余熱利用系統(tǒng)仿真模型。對不同工況下、給水預(yù)熱至不同溫度等多種情況進行仿真計算，探尋船舶主機余熱利用系統(tǒng)的發(fā)電功率和相關(guān)參數(shù)與主機負荷的規(guī)律；并采用火用分析法對船舶余熱利用系統(tǒng)中各設(shè)備的節(jié)能潛力進行分析。得出如下結(jié)論。

1)基于MAN 7K98MC型主機試驗數(shù)據(jù)和建立的余熱利用系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對其配套設(shè)計的雙壓余熱利用系統(tǒng)在主機不同負荷和給水預(yù)熱至不同溫度下的余熱利用系統(tǒng)的發(fā)電功率和相關(guān)參數(shù)進行仿真分析，結(jié)果表明，在主機100%負荷、給水預(yù)熱至393 K時余熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率最大，為2 428.7 kW，最大效率增加量為4.7%。

2)該船舶主機余熱利用系統(tǒng)可對壓縮空氣余熱、缸套冷卻水余熱和主機煙氣余熱等不同品級的余熱進行梯級利用，余熱利用系統(tǒng)效率最高為21.7%。

3)隨著主機負荷增加，船舶主機余熱利用系統(tǒng)性能隨給水溫度的升高而升高。

4)采用火用分析法對余熱利用系統(tǒng)進行分析，結(jié)果表明，汽輪機、高壓蒸發(fā)器和低壓蒸發(fā)器的節(jié)能潛力較高，可對這些設(shè)備進一步優(yōu)化設(shè)計，提升余熱利用系統(tǒng)性能。