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船舶柴油機(jī)余熱綜合利用發(fā)電技術(shù)研究

王學(xué)敏1，陳小雷2

（1.中船動(dòng)力研究院有限公司，上海200129；2.滬東重機(jī)有限公司，上海200129）

摘要船舶柴油機(jī)余熱綜合利用發(fā)電是遠(yuǎn)航船舶節(jié)能減排的有效措施，介紹了國(guó)外船舶柴油機(jī)余熱綜合利用研究技術(shù)發(fā)展情況。通過(guò)分析6S50ME-C8.2柴油機(jī)余熱綜合利用系統(tǒng)熱效率，裝置可回收約940 kW的發(fā)電量，使柴油機(jī)綜合熱效率提高約5.1%。

關(guān)鍵詞：船舶柴油機(jī)余熱綜合利用熱效率

來(lái)稿日期：2015-04-03

1　引言

隨著能源危機(jī)及環(huán)境保護(hù)科學(xué)的深入研究，船舶的節(jié)能減排已受到航運(yùn)行業(yè)的普遍關(guān)注，它關(guān)系到節(jié)約燃料資源、環(huán)境保護(hù)以及船舶運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)效益等。眾所周知，當(dāng)前優(yōu)良的柴油機(jī)熱效率一般為45%~50%，燃料25%~30%的熱量被排煙廢氣帶走，冷卻水帶走約20%~25%[1]，而柴油機(jī)燃料費(fèi)占船舶總運(yùn)營(yíng)成本的33%~60%[2]。因此，當(dāng)前船舶節(jié)能減排的重點(diǎn)在于，柴油機(jī)廢氣和冷卻水熱量的綜合利用。

上世紀(jì)70年代，由于國(guó)際油價(jià)高漲，國(guó)外就已經(jīng)開(kāi)始針對(duì)柴油機(jī)余熱綜合利用開(kāi)展研究，并提供成套設(shè)備。在我國(guó)，柴油機(jī)余熱利用技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用相對(duì)較晚，尚處于起步階段。隨著能源供應(yīng)日益緊張、溫室氣體排放法規(guī)開(kāi)始執(zhí)行，節(jié)能減排、提高能源利用率，越來(lái)越引起人們的重視，余熱綜合利用發(fā)電技術(shù)的推廣是必然趨勢(shì)。

2　國(guó)外船舶柴油機(jī)余熱綜合利用的發(fā)展

日本三菱重工、MAN B&W、瓦錫蘭（Wartsila）等世界著名的柴油機(jī)及動(dòng)力設(shè)備成套公司，均積極開(kāi)展對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)余熱綜合利用發(fā)電技術(shù)的研究。根據(jù)船舶推進(jìn)柴油機(jī)主機(jī)特性，提供不同的余熱綜合利用發(fā)電解決方案；通過(guò)系統(tǒng)流程優(yōu)化，柴油主機(jī)80%余熱可以被利用。一般而言，柴油機(jī)主機(jī)功率越大，余熱回收綜合利用裝置可回收的發(fā)電總量占比越大。

2.1日本三菱重工余熱綜合利用方案[3]

7450TEU集裝箱運(yùn)貨船采用日本三菱重工的余熱利用裝置，流程如圖1所示。柴油主機(jī)最大持續(xù)功率為45 740 kW，轉(zhuǎn)速78 r/min。柴油主機(jī)排氣旁通13%煙氣，用以驅(qū)動(dòng)動(dòng)力渦輪，然后與增壓器的排氣混合后進(jìn)入雙壓余熱鍋爐。鍋爐的給水先經(jīng)過(guò)缸套水換熱器加熱到75℃，再由兩段式空冷器加熱到135℃分別進(jìn)入鍋爐的高、低壓鍋筒中，低壓蒸發(fā)器、高壓蒸發(fā)器經(jīng)強(qiáng)制循環(huán)與煙氣換熱分別產(chǎn)生壓力為0.35 MPa(a)的飽和蒸汽，以及壓力為0.65 MPa(a)和溫度為265℃的過(guò)熱蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。為了防止動(dòng)力渦輪失電后超速，動(dòng)力渦輪與汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組通過(guò)減速齒輪箱和高速離合器直接連接，整裝在一個(gè)平臺(tái)上。

當(dāng)主機(jī)工況大于35%時(shí)，汽輪機(jī)起動(dòng)；當(dāng)主機(jī)工況大于45%時(shí)，動(dòng)力渦輪介入；當(dāng)主機(jī)工況小于30%時(shí)，由于排煙溫度過(guò)低，為防止煙氣中凝冷水產(chǎn)生酸露點(diǎn)腐蝕，煙氣通過(guò)余熱鍋爐的旁通閥直接排空。系統(tǒng)可回收的額定發(fā)電量約為4 000 kW，占柴油主機(jī)功率的8.7%。

2.2 MAN B&W余熱綜合利用方案[4]

圖2為MAN B&W公司的柴油機(jī)余熱綜合利用示意圖，10S90ME-C9.2柴油主機(jī)功率為48 510 kW，轉(zhuǎn)速為84 r/min。主機(jī)排煙11.6%廢氣驅(qū)動(dòng)動(dòng)力渦輪聯(lián)合發(fā)電機(jī)組后，與增壓器出口煙氣混合，進(jìn)入五段式強(qiáng)化換熱器的強(qiáng)制循環(huán)余熱鍋爐。

經(jīng)缸套水換熱器和空冷器預(yù)熱后，144℃熱水全部進(jìn)入余熱鍋爐低壓鍋筒。低壓蒸發(fā)器循環(huán)水一路經(jīng)過(guò)低壓預(yù)熱器再加熱后，作為余熱鍋爐高壓鍋筒給水，另一路回低壓鍋筒。煙氣經(jīng)余熱鍋爐高壓過(guò)熱器和低壓過(guò)熱器換熱分別產(chǎn)生壓力和溫度分別為1.0 MPa(a)、259℃過(guò)熱蒸汽和0.45 MPa (a)、148℃飽和蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，驅(qū)動(dòng)減速齒輪箱帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。系統(tǒng)裝置可回收額定發(fā)電量約為4 313 kW，約占柴油主機(jī)功率的8.9%。

2.3瓦錫蘭公司余熱綜合利用方案[5]

圖1　三菱重工船舶柴油機(jī)余熱綜合利用示意圖

圖2　MAN B&W公司船舶柴油機(jī)余熱綜合利用示意圖

瓦錫蘭（Wartsila）公司12RTA96C船舶柴油主機(jī)的余熱綜合利用發(fā)電示意圖如圖3所示。柴油主機(jī)功率為68 640 kW，主機(jī)約10%的排氣驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)組。系統(tǒng)總循環(huán)水經(jīng)缸套水換熱器預(yù)熱到85℃，一路直接進(jìn)入余熱鍋爐的低壓鍋筒，另一路再經(jīng)過(guò)兩段式空冷器加熱到約150℃~160℃后，進(jìn)入余熱鍋爐高壓鍋筒。循環(huán)水流經(jīng)強(qiáng)制循環(huán)余熱鍋爐的高壓蒸發(fā)器和低壓蒸發(fā)器，被柴油機(jī)廢氣加熱，產(chǎn)生壓力和溫度為0.9 MPa(a)和260℃的高壓過(guò)熱蒸汽，0.35 MPa(a)和190℃的低壓過(guò)熱蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。該系統(tǒng)可回收的額定發(fā)電量約為7 000 kW，占柴油主機(jī)功率的10.2%。

3　船舶柴油機(jī)余熱綜合利用發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我公司設(shè)計(jì)的6S50ME-C8.2船舶柴油機(jī)余熱綜合利用發(fā)電系統(tǒng)裝置系統(tǒng)示意圖如圖4所示。主機(jī)采用MAN公司，其主要參數(shù)如下：最大持續(xù)功率為9 960 kW，轉(zhuǎn)速127 r/min，目前該系統(tǒng)裝置正處于調(diào)試階段。主要目的在于開(kāi)展船舶柴油機(jī)余熱綜合利用技術(shù)研究，為遠(yuǎn)航船舶用戶(hù)提供船舶柴油機(jī)余熱綜合利用發(fā)電的解決方案。

3.1煙氣余熱鍋爐給水系統(tǒng)

超低溫?zé)煔庥酂徨仩t為余熱鍋爐常規(guī)段和超低溫排煙段組成的帶有煙氣旁通煙道的立式鍋爐，采用強(qiáng)化換熱的蛇形管受熱面（過(guò)熱器、高壓蒸發(fā)器、低壓蒸發(fā)器和換熱器）強(qiáng)制循環(huán)。柴油機(jī)排氣中約10%煙氣進(jìn)入動(dòng)力渦輪發(fā)電機(jī)組，與增壓器做功后的廢氣混合后進(jìn)入超低溫余熱鍋爐，余熱鍋爐出口煙氣溫度設(shè)計(jì)為100℃左右。為了防止排煙溫度低于煙氣酸露點(diǎn)溫度造成余熱鍋爐熱水器段低溫腐蝕，熱水器段采用特殊材料的防腐處理。當(dāng)柴油機(jī)主機(jī)低于30%工況時(shí)，煙氣全部通過(guò)余熱鍋爐旁通煙道。

系統(tǒng)循環(huán)水經(jīng)水泵增壓后全部通過(guò)缸套水換熱器預(yù)熱到80℃，一路再經(jīng)高溫段空冷器加熱到160℃，一部分直接進(jìn)入余熱鍋爐的高壓鍋筒，另一部分與80℃熱水混合后進(jìn)入余熱鍋爐低壓鍋筒，保證進(jìn)水溫度為140℃，其余一路全部進(jìn)入熱水器產(chǎn)生140℃熱水作為有機(jī)工質(zhì)循環(huán)的蒸發(fā)器熱源。

圖3　瓦錫蘭公司船舶柴油機(jī)余熱綜合利用示意圖

圖4　6S50ME-C8.2船用柴油機(jī)余熱綜合利用示意圖

表16　S50ME-C8.2柴油機(jī)余熱綜合利用計(jì)算結(jié)果

3.2發(fā)電單元系統(tǒng)

發(fā)電單元系統(tǒng)由動(dòng)力渦輪、補(bǔ)凝汽式汽輪機(jī)和有機(jī)工質(zhì)膨脹機(jī)發(fā)電機(jī)組組成，發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min。

動(dòng)力渦輪采用兩級(jí)向心徑－軸流式葉輪帶平行齒輪減速箱設(shè)計(jì)，額定轉(zhuǎn)速為18 000 r/min。當(dāng)主機(jī)功率大于45%時(shí)，動(dòng)力渦輪切入發(fā)電；當(dāng)主機(jī)功率小于45%，主機(jī)排氣只用于自身的渦輪增壓器。當(dāng)動(dòng)力渦輪不投入使用時(shí)，旁通排氣流量由節(jié)流孔板控制。

汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組采用雙進(jìn)汽兩級(jí)調(diào)節(jié)補(bǔ)凝汽式撬裝設(shè)計(jì)，額定轉(zhuǎn)速9 000 r/min，經(jīng)減速齒輪箱減速至1 800 r/min，并通過(guò)聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)相連。汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)：高壓部分壓力0.65 MPa(a)，溫度270℃，補(bǔ)汽壓力0.4 MPa(a)，溫度143.5℃。

有機(jī)工質(zhì)膨脹機(jī)發(fā)電機(jī)組由有機(jī)工質(zhì)膨脹機(jī)、減速齒輪箱、聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)、兩級(jí)蒸發(fā)器、凝汽器和有機(jī)工質(zhì)泵組成。由余熱鍋爐低溫段熱水器產(chǎn)生的140℃熱水流經(jīng)兩級(jí)蒸發(fā)器，產(chǎn)生高壓過(guò)熱有機(jī)工質(zhì)蒸汽進(jìn)入有機(jī)工質(zhì)膨脹機(jī)。膨脹機(jī)采用螺桿形式，經(jīng)內(nèi)置減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，有機(jī)工質(zhì)采用無(wú)毒無(wú)污染的R245fa。

3.3冷卻水循環(huán)系統(tǒng)

冷卻水由柴油機(jī)試車(chē)臺(tái)位外部循環(huán)水系統(tǒng)提供，系統(tǒng)所消耗的冷卻水量分別為：低溫段空冷器流量300 t/h、汽輪機(jī)冷凝器500 t/h、有機(jī)工質(zhì)膨脹機(jī)冷凝器470 t/h。

4　船舶柴油機(jī)余熱綜合利用發(fā)電效率計(jì)算

根據(jù)6S50ME-C8.2柴油機(jī)的余熱參數(shù)特性，通過(guò)熱平衡計(jì)算軟件對(duì)流程的熱效率進(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

從表中可知，6S50ME-C8.2柴油機(jī)余熱綜合利用發(fā)電系統(tǒng)減去自消耗的電功率，系統(tǒng)可回收約940.6 kW的發(fā)電量，占柴油機(jī)主機(jī)功率的9.4%，與國(guó)外公司可回收的發(fā)電比相當(dāng)。

系統(tǒng)總循環(huán)熱效率為15.8%，柴油機(jī)綜合熱效率可提高約5.1%。

5　結(jié)論

船舶柴油機(jī)余熱綜合利用發(fā)電是遠(yuǎn)航船舶節(jié)能減排的有效措施。通過(guò)分析國(guó)外柴油機(jī)余熱綜合利用發(fā)電技術(shù)，通過(guò)利用主機(jī)排煙和冷卻水能量可以回收大約主機(jī)功率的8%~10%的發(fā)電量?；?S50ME-C8.2柴油機(jī)設(shè)計(jì)的余熱綜合利用發(fā)電系統(tǒng)，可回收約940 kW的發(fā)電量，使柴油機(jī)綜合熱效率提高約5.1%。

參考文獻(xiàn)

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也是評(píng)價(jià)其熱負(fù)荷的重要指標(biāo)。因此，為了提高活塞工作的可靠性，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)性能，降低活塞的熱負(fù)荷非常關(guān)鍵。根據(jù)活塞的傳熱過(guò)程分析以及活塞溫度場(chǎng)的分布情況，可以試著從以下2點(diǎn)著手。

Research on Technology of Comprehensive Utilization of Marine Diesel Engine Waste Heat for Power Generation

Wang Xuemin1, Chen Xiaolei2

（1. China Shipbuilding Power Engineering Institute Co, Ltd, Shanghai 200129, China;

2. Hudong Heavy Machinery Co. Ltd., Shanghai 200129, China）

Abstract:Comprehensive utilization of marine diesel engine waste heat for power generation is an effective measures for sailing ship energy saving and emissions reduction. The research and development of marine diesel engine waste heat utilization technology abroad is introduced. The analysis of thermal efficiency of 6S50ME-C8.2 diesel engine waste heat comprehensive utilization system demonstrates that the system can recycle energy of 940 kW power, increasing the diesel engine comprehensive thermal efficiency by about 5.1%.

Key words:marine, diesel engine, waste heat comprehensive utilization, thermal efficiency

作者簡(jiǎn)介：王學(xué)敏（1983-），男，博士，主要研究方向?yàn)榇盁崮芟到y(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.02.006