國(guó)內(nèi)營(yíng)運(yùn)的煤炭運(yùn)輸船余熱發(fā)電節(jié)能技術(shù)分析

王華　高漢明　籍偉　宋立國(guó)

摘 要：僅通過(guò)廢氣渦輪增壓器和廢氣鍋爐回收的船舶余熱利用方式經(jīng)濟(jì)性較低。余熱發(fā)電能夠有效提高船舶余熱利用率，提高船舶能效，減少船舶碳排放，是船公司實(shí)現(xiàn)“碳中和、碳達(dá)峰”目標(biāo)的有效途徑。在電加熱器逐漸推廣應(yīng)用的背景下，通過(guò)安裝或改造船舶余熱發(fā)電裝置將是未來(lái)船舶余熱利用的重要方式。

關(guān)鍵詞：煤炭運(yùn)輸船;余熱發(fā)電;能效提升;碳排放

中圖分類號(hào)：U674? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2022）01-0081-02

1引言

如圖 1所示，船舶柴油機(jī)的熱效率目前已到達(dá)49%以上，進(jìn)一步提升的空間很小。燃油轉(zhuǎn)化的熱量中有50%以上的能量通過(guò)各種方式釋放到環(huán)境中，造成了能源浪費(fèi)和全球氣溫升高。船舶余熱中廢氣的熱量約25.4%，冷卻掃氣約14.1%，缸套水約4.3%。其中船舶廢氣的溫度高，能量大，回收最為便捷。缸套水溫度穩(wěn)定在80℃左右，也可以通過(guò)有機(jī)朗肯循環(huán)等方式有效回收。

充分利用船舶余熱不僅可以減少燃油消耗，降低成本，提高企業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)力，還可以減少二氧化碳和其他污染物的排放，是船舶公司實(shí)現(xiàn)“碳中和、碳達(dá)峰”目標(biāo)的重要途徑。

2國(guó)內(nèi)煤炭運(yùn)輸船余熱利用現(xiàn)狀

目前，船舶廢氣熱量的主要應(yīng)用途徑為廢氣渦輪增壓器和廢氣鍋爐。某煤炭運(yùn)輸船按照表 1的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了船舶蒸汽消耗計(jì)算。

在額定速度下，國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)的某煤炭運(yùn)輸船的燃油鍋爐蒸發(fā)量為1500 kg/h，廢氣鍋爐的蒸發(fā)量為1230 kg/h。如表 2所示，冬季航行時(shí)，廢氣鍋爐的蒸發(fā)量不能滿足船舶蒸汽消耗，需加開燃油鍋爐予以補(bǔ)充。而ISO工況航行時(shí)，船舶蒸汽消耗量?jī)H為730kg/h。廢氣鍋爐產(chǎn)生的蒸汽量遠(yuǎn)大于船舶消耗。蒸汽余量為500kg/h。過(guò)量的蒸汽需冷凝降溫。這樣非但不能利用廢氣熱量，還造成了能源浪費(fèi)。

當(dāng)蒸汽壓力為7 bar時(shí)，對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度為169.6℃，熱量約為2762.9kJ/kg。1小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生的500kg蒸汽的總熱量為330166.6 kcal，相當(dāng)于383.7 kWh。按照能量利用率為20%計(jì)算，發(fā)電功率約76kW。如果考慮未來(lái)使用余熱發(fā)電替代廢氣鍋爐，則船舶余熱發(fā)電的功率預(yù)計(jì)可相當(dāng)于一臺(tái)常用發(fā)電機(jī)。國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)的煤炭運(yùn)輸船從北方港口往南方電廠運(yùn)煤的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，船舶溫度參數(shù)高于ISO工況的時(shí)長(zhǎng)超過(guò)5個(gè)月，因此具有較大余熱回收空間。

3 余熱發(fā)電技術(shù)分析

3.1船舶廢氣發(fā)電技術(shù)

船舶廢氣發(fā)電主要有三種模式，一種是廢氣直接驅(qū)動(dòng)廢氣渦輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電;另一種利用廢氣鍋爐產(chǎn)生高壓和低壓過(guò)熱蒸汽，再用蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪進(jìn)行發(fā)電;第三種是將前兩種方式聯(lián)合，廢氣渦輪和蒸汽渦輪并聯(lián)發(fā)電。典型的廢氣發(fā)電技術(shù)原理如圖 2所示。

該系統(tǒng)將主機(jī)廢氣分兩路：一部分廢氣驅(qū)動(dòng)廢氣渦輪增壓器給空氣增壓，另一部分廢氣直接驅(qū)動(dòng)廢氣渦輪機(jī)。經(jīng)廢氣渦輪增壓器和廢氣渦輪后，廢氣進(jìn)入廢氣鍋爐加熱水產(chǎn)生蒸汽。一部分蒸汽用于日常加溫。過(guò)熱的高壓蒸汽和低壓蒸汽則進(jìn)入蒸汽透平與廢氣渦輪一起為交流發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力。

廢氣渦輪和蒸汽渦輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能可直接帶動(dòng)軸帶電動(dòng)機(jī)助推主機(jī)，也可和柴油發(fā)電機(jī)并電使用。當(dāng)主機(jī)富裕功率較多時(shí)，軸帶電機(jī)也可以作為發(fā)電機(jī)使用。其電能和渦輪發(fā)電機(jī)的電能一起匯入配電板，供日常使用。

3.2船舶余熱有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)

有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器、液體泵組成。其工作原理如圖 3所示。

過(guò)程1-2為有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中從低品位熱源吸收熱量，產(chǎn)生具有一定壓力和溫度的飽和蒸氣或過(guò)熱蒸氣;過(guò)程2-3為高溫高壓的有機(jī)工質(zhì)蒸氣在膨脹機(jī)內(nèi)膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)向外輸出電能;3-4為有機(jī)工質(zhì)在冷凝器中向低溫?zé)嵩捶艧嶙兂梢后w的過(guò)程;過(guò)程4-1利用液體泵對(duì)有機(jī)工質(zhì)液體進(jìn)行加壓，并使其重新回到蒸發(fā)器中。

有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電可利用溫度較低的熱源（如缸套水余熱，掃氣冷卻水余熱等），而且可以通過(guò)多級(jí)聯(lián)合的方式利用不同溫度的熱源。馬士基在主機(jī)功率為85697kW的集裝箱船上安裝了有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電設(shè)備，使用80℃的缸套水作為熱源，發(fā)電功率達(dá)到125kW[2]。因此有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電具有較好的船舶應(yīng)用前景[3]。

3.3渦輪增壓器液壓助推技術(shù)

渦輪增壓器液壓助推技術(shù)[4]是指利用液壓系統(tǒng)回收船舶柴油機(jī)廢氣中的富余能量用于助推螺旋槳的余熱回收技術(shù)。

如圖 4所示，渦輪增壓器液壓助推系統(tǒng)是在廢氣渦輪增壓器輸出端經(jīng)減速齒輪帶動(dòng)液壓泵，將廢氣富余能量轉(zhuǎn)換為液壓能。高壓液壓油通過(guò)管系驅(qū)動(dòng)與曲軸相連的液壓馬達(dá)，從而將液壓能轉(zhuǎn)化為助推螺旋槳旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)余熱回收。渦輪增壓器液壓助推系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠、運(yùn)行操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，適用于新造船舶或現(xiàn)有船舶發(fā)動(dòng)機(jī)改造安裝。渦輪增壓器液壓助推系統(tǒng)在低負(fù)荷時(shí)效率較低。

4結(jié)論

國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)的煤炭運(yùn)輸船具有較大余熱利用空間。通過(guò)廢氣渦輪發(fā)電、余熱有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電、渦輪增壓器液壓助推技術(shù)均可將一定量的船舶余熱回收利用。其中有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)可以利用不同溫度的熱源，具有較好的船舶應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] https：//mfame.guru/heat-recovery-system-operation-and-experience/.

[2] https：//www.calnetix.com/sites/default/files/Hydrocurrent-Commissioning-and-Operation-on-Arnold-Maersk.pdf.

[3]葉文祥，柳長(zhǎng)昕，劉健豪， 等. 采用溫差發(fā)電-有機(jī)朗肯循環(huán)聯(lián)合系統(tǒng)的船舶余熱利用實(shí)驗(yàn)研究[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2020， 54（08）： 50-57.

[4] https：//www.boschrexroth.com/en/xc/industries/machinery-applications-and-engineering/engines/products-and-solutions/turbo-hydraulic-system-components/ths-1.

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)資助項(xiàng)目（51709029）;富興海運(yùn)有限公司煤炭運(yùn)輸船能效提升技術(shù)及策略研究項(xiàng)目。