大型低速船用柴油機余熱回收裝置的平衡分析

溫 朋，黃 加亮，吳鵬舉

(1.集美大學輪機工程學院，福建 廈門 361021；2.江南造船(集團)有限責任公司，上海 201913)

溫 朋1，黃 加亮1，吳鵬舉2

(1.集美大學輪機工程學院，福建 廈門 361021；2.江南造船(集團)有限責任公司，上海 201913)

介紹了當前一般船用柴油機的余熱回收裝置，對特定型號主機廢氣余熱回收裝置進行平衡分析，通過計算求出了該裝置的分配及利用情況，以及各裝置效率的潛在提高程度.結果表明，該余熱回收裝置具有較高的效率和較好的經濟性.分析的結果可以指導人們合理的提高的利用效率.

船舶柴油機；余熱回收裝置；平衡分析

0 引言

現代大型船舶柴油機推進裝置熱效率一般為45%～50%，廢氣帶走的熱量占燃料總發熱量的25%～30%，廢氣溫度較高，熱能品質較高，具有很大的做功潛力[1]，主機廢氣熱能回收利用為船舶動力裝置節能的重要途徑.2009年7月國際海事組織(IMO)海上環境保護委員會(MEPC)第59次會議上“新船能效設計指數”(EEDI)公式獲得正式通過后[2]，新造船舶CO2設計指數采用的排放與效益之比改為節能、減排和效益之比，進一步強調了國際船舶的節能減排增效目標.

在給定的環境條件下，熱量中最大可能轉變為有用功的部分稱為熱量.平衡分析的本質是結合熱力學第一、第二定律，從能量的數量和質量相結合的角度出發，分析揭示裝置或設備在能量中的的轉換、傳遞、利用和損失情況，其主要計算是對裝置或設備進行平衡的計算.分析依據平衡方程式，其內容包括對系統進行平衡計算，求整個裝置及其組成部分的損失和效率以及繪制裝置的流圖[3].分析的意義包括：1)采用效率可以正確、全面地評價設備、裝置的能源利用率，對節能潛力做出正確的判斷；2)依據各設備的損失占投入總的比例大小，可以科學地診斷出整個裝置節能的薄弱環節，指導人們合理的提高的利用效率；3)平衡分析得到的數據將作為熱經濟學分析、能級分析的基礎.

1 船舶動力系統余熱回收裝置介紹

圖1為瓦錫蘭Sulzer 12RT-flex96C系列大型船用低速柴油機余熱回收裝置簡圖.該裝置由廢氣經濟器、蒸汽透平、廢氣透平、由蒸汽透平和廢氣透平共同驅動的交流發電機、給水預熱系統以及軸帶發電機、電動機系統組成[4-5].其工作原理如圖2所示.

從圖2可看出，給水經主機缸套冷卻水加熱后分為兩部分，一部分經低壓汽水分離器送入低壓蒸發器吸熱后，又回入低壓汽水分離器，所分離的低壓飽和蒸汽經低壓過熱器吸熱后送入蒸汽透平低壓級中做功發電，另一部分給水經主機空冷器吸熱后進入高壓汽水分離器，由循環泵泵入高壓蒸發器吸熱后再回到高壓汽水分離器，所產生的高壓飽和蒸汽一部分用于全船加熱，另一部分經高壓過熱器吸熱后送入蒸汽透平高壓級做功發電[6-8].

2 船舶主機余熱回收裝置的平衡計算

圖3、圖4所示分別為Sulzer 12RT-flex96C大型低速柴油機余熱回收裝置的朗肯循環簡化圖和T-s圖.

基于工業用水和水蒸汽熱力學特性IAPWS及公式e=(h-h0)-T0(s-s0) (式中：e為值；h為焓值；s為熵值；T0為參考點溫度)，計算出各狀態點的值，見表1.

表1 朗肯循環各狀態點的參數值

通過實驗采集各狀態點的參數值，設定的計算條件如下：主機功率為68640 kW，燃油消耗率(SFOC)為172 g/(kW·h)，排氣比流量為7.76 kg/(kW·h)，船舶所需的高壓飽和蒸汽量為1500 kg/(kW·h)；廢氣鍋爐排氣進口溫度t1為310 ℃；出口溫度t2為160 ℃、低壓過熱器進口溫度tmid為199 ℃，而蒸汽在低壓蒸汽乏汽中的飽和溫度為t3L為194 ℃；高壓蒸發器中飽和溫度t3H為181.9 ℃；高壓過熱器出口溫度t4H為289.4 ℃；大氣環境溫度t0為25 ℃.假設船舶柴油機運行在最大功率，廢氣為理想氣體，鍋爐工況穩定，同時不考慮泄漏損失等情況[6].

2.1 廢氣鍋爐

鍋爐廢氣余熱系統中余熱鍋爐的過熱蒸汽產量msu(不考慮飽和蒸汽產量)在穩定工況且不考慮泄露損失時等于鍋爐的給水量mfw.根據余熱鍋爐的熱平衡，當只產生過熱蒸汽時的過熱蒸汽余量為：

(1)

(2)

式中：mgas為排氣流量(kg/h)；msat為飽和蒸汽量(kg/h)；h″sat為飽和蒸汽的焓值(kJ/kg)；

ΔE1,B=mg(e1-e2)ηB-msu(e4-e8)-msat(e3-e8).

(3)

式中：e1、e2、e3、e4、e8分別為相應的鍋爐進、出口單位質量廢氣的以及單位質量飽和蒸汽、過熱蒸汽和給水的.若以廢氣mg=1 kg/h來計算，e1-e2表示單位工質廢氣從狀態1實現穩定流動轉變到狀態2所能做出的最大有用功，若比熱Cp,g為定值，則：

E1-E2=mgCp,g[(T1-T2)-T0ln(T1/T2)].

(4)

ηe,B=msu(e4-e8)/(mg(e1-e2).

(5)

ηe,B=(msu(e4-e8)+msat(e3-e8)/(mg(e1-e2)).

(6)

低壓段吸熱過程表示，船舶主機燃油消耗率為172g/kW·h，排氣比流量為7.76kJ/kg·h，船舶所需的高壓飽和蒸汽量為1500kg/h；廢氣鍋爐排氣進口溫度t1為310 ℃、出口溫度t2為160 ℃、低壓過熱器進口溫度tmid為199 ℃.由于低壓段只產生過熱蒸汽，用以上數據及表1相關數據代入公式(1)得低壓端過熱蒸汽量msu=8678.7224 kg/h；代入公式(4)得E1-E2=7509308.366 kJ/h；代入公式(3)得損失ΔE1,B=1237649.585kJ/h；代入公式(5) 得效率ηe,B=83.5185%.

2.2 蒸汽管道

E1,pipe=E4-E5.

(7)

ηe,pipe=E5/E4.

(8)

1)低壓段管道

2)高壓段管道

2.3 汽輪機

E1,T=msu(s6-s5).

(9)

ηe,T=msu(h5-h6)/(E5-E6).

(10)

1)低壓段

由表1中相關數據及低壓段的蒸汽流量msu，代入公式(9)得損失ΔE1,T=4511599.993kJ/h；代入公式(10)得效率ξe,T=80.58%.

2)高壓段

2.4 冷凝器

2.5 給水泵

∑E1,i=E1,B+E1,T+E1,C+E1,P+E1,pipe=17847149.08 kJ/h.

2.6 各裝置的損失系數

ξe,i=E1,i/∑Ein

由上述數據得：

ξe,B=19.5424%；ξe,pipe=0.9734%；ξe,T=22.1202%；ξe,C=8.7397%；ξe,p=0.1397% .

總的損失系數為：

ξe=∑E1,i/∑Ein=51.5155% .

3 結論

船舶柴油機余熱回收是船舶柴油機節能減排的一項有效措施，本文采用熱力學第二定律分析法，利用對Sulzer12RT-flex96C大型低速柴油機廢氣回收系統的記錄參數，對余熱回收裝置進行分析，并進行了平衡計算，以便更加合理的衡量能量轉換效果，確定影響效率的不可逆因素，提高整個系統的利用程度.

[1]任文江，施潤華．船舶動力裝置節能[M]．上海：上海交通大學出版社，1991.

[2]中國船級社.船用柴油機氮氧化物排放試驗及檢驗指南[M]. 北京：人民交通出版社，2011.

[3]張學學，李桂馥，史琳．熱工基礎[M]．北京：高等教育出版社，2010：97.

[4]黃加亮，陳丹.船舶動力裝置技術管理[M].大連：大連海事大學出版社，2009：113.

[5]牛東翔，孫培延，黃飛，等．某船舶柴油機動力裝置的總熱回收[J]．航海技術，2005(5):45-47.

[6]今春日，馬捷，劉濤．大型船舶主機分期熱能回收裝置的熱平衡分析[J]．船舶工程，2009(9):39-41.

[7]甘念重．船舶主機熱平衡分析及其余熱利用[J]．船海工程，2008,37(2):66-69.

[8]周康．基于Simulink的8K90MC-C柴油機串聯廢氣發電系統的建模與仿真[D]．大連：大連海事大學，2011.

(責任編輯 陳 敏 英文審校 陳 武)

Exergy Equilibrium Analysis of Waste Heat Recovery System for Large-scale Low-speed Marine Diesel Engine

WEN Peng1,HUANG Jia-liang1,WU Peng-ju2

(1. Marine Engineering Institute,Jimei University,Xiamen 361021,China;2.Jiangnan Shipyard (Group) Co.,Ltd.,Shanghai 201913)

The status of waste heat recovery system of general marine diesel engine was introduced and analyzed. The exergy balance of waste heat recovery system for a specific type of ship was calculated. Using exergy balance analysis, the distribution and use of exergy for the main engine thermal energy recovery system were found, and the potential increase of thermal efficiency of each device was indentified. The results showed that the heat recovery system has a higher exergy and better economy. The analysis results can give us the reasonable improve the use of exergy efficiency.

marine diesel engine;waste heat recovery system;exergy equilibrium analysis

2013-07-14

[修回日期]2013-11-12 [基金項目]福建省自然科學基金資助項目(2012J01230)；福建省教育廳高校專項重點基金(JK2013025)

溫朋(1990—)，男，碩士生，從事現代輪機工程管理研究.通訊作者：黃加亮(1963—)，男，副教授，碩士生導師，從事現代輪機管理工程研究.

1007-7405(2014)02-0127-06

U 664.21

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