船舶廢熱發(fā)電應(yīng)用研究

夏耀君，趙自兵，張 華，徐 謙

（招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海 200137）

0 引言

近年來，全球范圍內(nèi)的節(jié)能減排步伐日益加快，面對(duì)日益嚴(yán)苛的環(huán)保法規(guī)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的要求，節(jié)能減排對(duì)于船舶而言尤為重要。近年來，業(yè)內(nèi)通過采取對(duì)船體線型和螺旋槳進(jìn)行優(yōu)化等措施持續(xù)提高船舶的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，目前相關(guān)技術(shù)已較為成熟，已很難在短時(shí)間內(nèi)通過這些措施實(shí)現(xiàn)較為明顯的突破。同時(shí)，在電池能量密度等技術(shù)未取得較大突破，核動(dòng)力的安全穩(wěn)定性和維護(hù)要求未取得較大改進(jìn)之前，內(nèi)燃機(jī)仍將是主流的主動(dòng)力配置。目前，船舶四沖程柴油機(jī)的熱效率在38% ～45%，有55% ～62%的能量以廢熱的形式，通過冷卻水系統(tǒng)冷卻，或直接通過廢氣排至大氣，其中冷卻水系統(tǒng)還需通過消耗船上額外的電力驅(qū)動(dòng)海水和淡水冷水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。

目前船舶雖能通過配置廢氣經(jīng)濟(jì)器，利用其中部分廢氣中的熱量產(chǎn)生蒸汽給各加熱裝置，但在夏季工況下加熱負(fù)荷大大減少時(shí)，廢氣經(jīng)濟(jì)器產(chǎn)生的多余蒸汽反而需通過消耗船舶電力驅(qū)動(dòng)冷卻水泵來將其冷卻，特別是當(dāng)以液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）作為主燃料的船舶無需使用重油及儲(chǔ)存艙和供給管路加熱時(shí)，此矛盾極為突出。若能利用廢熱發(fā)電（可減少發(fā)電機(jī)組運(yùn)行功率）提供電力給空調(diào)機(jī)組或船上其他用戶，可獲得較可觀的經(jīng)濟(jì)效益和減排效果。由此可見，廢熱發(fā)電的巨大潛力是值得探究的。

根據(jù)國內(nèi)外廢熱發(fā)電方面的研究結(jié)果，利用內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的廢熱，通過低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)循環(huán)（朗肯循環(huán)）的透平發(fā)電裝置在利用低品位熱能方面相比半導(dǎo)體溫差發(fā)電和廢氣渦輪發(fā)電等有比較大的優(yōu)勢(shì)。因此，本文提出一種船用柴油機(jī)能利用的，對(duì)排氣和缸套冷卻水中的廢熱進(jìn)行回收，采用目前廣泛使用的環(huán)保、不易燃、低壓R245fa制冷劑作為有機(jī)循環(huán)工質(zhì)的廢熱發(fā)電系統(tǒng)。在某型船上應(yīng)用該系統(tǒng)，分析其節(jié)能效果和CO減排效果，為特定航區(qū)內(nèi)類似船型的廢熱發(fā)電系統(tǒng)選取提供參考。

1 船舶廢熱發(fā)電系統(tǒng)

1.1 有機(jī)朗肯循環(huán)

采用有機(jī)朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle，ORC）回收船用柴油機(jī)產(chǎn)生的廢熱和缸套冷卻水中的廢熱發(fā)電，ORC 主要由廢熱換熱器、膨脹機(jī)、透平發(fā)電機(jī)、冷凝器、工質(zhì)泵、冷卻水泵和控制系統(tǒng)組成。ORC 的工作原理見圖1：以低沸點(diǎn)的有機(jī)物為工質(zhì)，在換熱器中從低品位熱能廢熱熱源中吸收熱量，生成具一定壓力和溫度的蒸汽，蒸汽進(jìn)入透平機(jī)械膨脹做功，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。從透平發(fā)電機(jī)排出的蒸汽在冷凝器中向冷卻水放熱，凝結(jié)成液態(tài)，最后借助工質(zhì)泵重新回到換熱器，如此不斷地循環(huán)下去。

圖1 ORC的工作原理

1.2 典型的船舶廢熱發(fā)電系統(tǒng)

典型的船舶廢熱利用發(fā)電系統(tǒng)見圖2，將柴油機(jī)排氣管路中的廢氣熱交換器和缸套水作為ORC 工質(zhì)的熱源，同時(shí)提供冷卻海水作為冷凝工質(zhì)的冷源。冷凝器、膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)和工質(zhì)循環(huán)泵等ORC 主要設(shè)備可組合在1 個(gè)單元模塊中，冷卻水取用船舶原有的海水冷卻系統(tǒng)中的部分流量引入冷凝器中。圖3 為國外某廠家的ORC發(fā)電裝置總成（100 kW）。從圖3 中可看出，該總成占用空間不大，比較適合在船上安裝。

圖2 典型的船舶廢熱利用發(fā)電系統(tǒng)

圖3 國外某廠家的ORC發(fā)電裝置總成

2 某船型廢熱發(fā)電應(yīng)用分析

本文以某型處于研發(fā)階段的高端客滾船為研究對(duì)象，通過船舶柴油機(jī)廠家提供的廢熱參數(shù)匹配基于ORC系統(tǒng)的循環(huán)發(fā)電裝置，從而對(duì)比分析采用ORC的廢熱發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能效果和CO減排效果。

該船正常航行時(shí)由2 臺(tái)瓦錫蘭（W?rtsil?）6L46 四沖程柴油機(jī)提供推進(jìn)動(dòng)力，經(jīng)濟(jì)工況點(diǎn)在85%MCR附近。圖4 為該船的廢熱利用發(fā)電系統(tǒng)，其中2 臺(tái)主機(jī)的缸套水和排氣產(chǎn)生的廢熱通過中間熱水循環(huán)為ORC 系統(tǒng)提供能量，同時(shí)海水為其提供冷凝所需的冷卻量，溫度約為95 ℃缸套水進(jìn)入ORC 系統(tǒng)預(yù)熱，溫度為90 ～125 ℃的缸套水經(jīng)過排氣換熱器之后吸收排氣廢熱對(duì)有機(jī)工質(zhì)加熱，最終ORC發(fā)電裝置輸出電力至船舶電網(wǎng)。

圖4 目標(biāo)船的廢熱利用發(fā)電系統(tǒng)

當(dāng)船舶加熱負(fù)荷較大、環(huán)境溫度較低時(shí)，優(yōu)先考慮將熱量輸出給加熱用戶，若有多余廢熱，則可通過ORC 系統(tǒng)輸出電力；反之，在夏季或當(dāng)制冷負(fù)荷較大時(shí)，優(yōu)先考慮采用ORC輸出電力。通過上述設(shè)置，可靈活地處理氣候差異和環(huán)境溫度差異帶來的熱負(fù)荷與冷負(fù)荷之間的切換，從而達(dá)到最優(yōu)的節(jié)能效果，減少燃油消耗和碳排量，降低船舶的運(yùn)營成本。

該船的基本參數(shù)見表1；主機(jī)負(fù)荷在經(jīng)濟(jì)工況（85%MCR）下，在3 種典型環(huán)境溫度下的廢熱產(chǎn)生量見表2。從表2 中可看出，排氣溫度和缸套水熱量隨著環(huán)境溫度的升高而升高或增加，從而使總廢熱量增加。

表1 目標(biāo)船基本參數(shù)

表2 典型機(jī)艙環(huán)境溫度下單臺(tái)主機(jī)的廢熱產(chǎn)生量

船舶主機(jī)在不同機(jī)艙環(huán)境溫度下運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的廢熱量不同，在選取ORC 總裝機(jī)量時(shí)需根據(jù)船舶的運(yùn)營區(qū)域和特點(diǎn)選取，本文選取與主機(jī)在ISO（International Organization for Standardization）環(huán)境溫度（25 ℃）下的可用于發(fā)電廢熱量（總的廢熱產(chǎn)生量除去預(yù)估其他加熱用戶所需加熱量）適當(dāng)?shù)腛RC 發(fā)電裝置總裝機(jī)量進(jìn)行分析；根據(jù)國外某ORC廠家提供的數(shù)據(jù)，其設(shè)備的凈發(fā)電量與廢熱量的比值及熱電轉(zhuǎn)換效率在9.1% ～11.0%（熱交換器效率和工質(zhì)冷凝消耗的電功率、工質(zhì)效率）。基于上述條件對(duì)ORC系統(tǒng)的發(fā)電效果進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比，結(jié)果見表3 和表4，其中：節(jié)能比為因設(shè)置ORC 發(fā)電裝置而減少的船舶發(fā)電機(jī)組運(yùn)行功率與主機(jī)總功率的比值，顯示裝置的節(jié)能效果；船舶發(fā)電機(jī)組減少的運(yùn)行功率包含ORC 廢熱發(fā)電裝置的凈發(fā)電功率和缸套水冷卻所需的冷卻水泵消耗的功率。

表4 不同機(jī)艙環(huán)境溫度下廢熱發(fā)電投資回報(bào)情況

表2 和表3 中涉及的主要參數(shù)的計(jì)算方法和計(jì)算公式如下。

表3 不同機(jī)艙環(huán)境溫度下廢熱發(fā)電節(jié)能減排情況

1）可利用排氣熱量的計(jì)算公式為

式（1）中：P為可利用排氣熱量，kW；Q為排氣流量參數(shù)，kg／s；K為排氣單位熱量，kW／kg；t和t分別為排氣進(jìn)和出廢氣熱交換器的溫度，℃。

2）節(jié)能比為ORC凈發(fā)電功率與減少的發(fā)電機(jī)運(yùn)行功率之和與主機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行點(diǎn)（85%MCR）的功率的比值，即

式（2）中：R為節(jié)能比；P、P和P分別為ORC凈發(fā)電功率、減少的發(fā)電機(jī)運(yùn)行功率和主機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行點(diǎn)的功率，kW。

3）年燃油節(jié)省量和CO減排量的計(jì)算公式分別為

式（3）和式（4）中：M為年燃油節(jié)省量，t；F為發(fā)電機(jī)油耗，g／（kW·h）；H為預(yù)估的船舶年運(yùn)行時(shí)間，h；δ為船用重油與柴油的低熱值比值；M為年CO減排量，t。

由表2 ～表4 可知：節(jié)能效率隨著機(jī)艙環(huán)境溫度的升高而提高；投資回報(bào)年限隨著節(jié)能效率的提高而縮短；每年節(jié)省的燃油為440 ～535 t，每年減少的CO排放量為1421 ～1712 t，可見節(jié)能減排效果明顯。

3 結(jié)語

在經(jīng)濟(jì)工況（85%MCR）下，當(dāng)機(jī)艙環(huán)境溫度為45 ℃時(shí)，系統(tǒng)廢熱發(fā)電功率為638.6 kW，燃油節(jié)省量為535 t／a，CO減排量為1712 t／a，此時(shí)系統(tǒng)節(jié)能比相對(duì)較高，達(dá)到5.5%。

由于機(jī)艙環(huán)境溫度升高導(dǎo)致燃燒效率下降、廢熱占比增大，此時(shí)ORC 廢熱發(fā)電系統(tǒng)更能發(fā)揮節(jié)能減排作用，可見該系統(tǒng)更適用于航區(qū)環(huán)境溫度較高的船型，該系統(tǒng)的應(yīng)用能在一定程度上降低船舶的能耗和減少船舶的碳排量。