畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）安裝動(dòng)力渦輪的船舶主機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)性能研究

1、安裝動(dòng)力渦輪的船舶主機(jī)余熱發(fā)電系統(tǒng)性能研究摘 要：木文設(shè)汁了以動(dòng)力渦輪、余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)組、外部預(yù)熱器、凝汽器為主要組成部分的 船舶柴油機(jī)排煙余熱回收通用系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上以4250teu集裝箱船為例，分析了不同工況下該排煙 余熱利用系統(tǒng)的熱力性能參數(shù)、余熱發(fā)電功率、節(jié)油量等系統(tǒng)性能參數(shù)。分析結(jié)果表明，100%工況下, 4250teu集裝箱船在不開(kāi)啟動(dòng)力渦輪時(shí)，系統(tǒng)余熱回收總量為7714kw,發(fā)電功率可達(dá)1833kw,完全能 滿足船舶正常航行用電需求，此時(shí)節(jié)省燃油量為367. 7kg/h,系統(tǒng)節(jié)油率故高能達(dá)到3. 56%,開(kāi)啟動(dòng)力 渦輪后，動(dòng)力渦輪提供的發(fā)電量最大，為142rw,但是此時(shí)動(dòng)力

2、渦輪捉供的發(fā)電呈對(duì)于1250teu集裝 箱船整體的節(jié)能性能提升并不大。當(dāng)船舶處于動(dòng)力渦輪最大發(fā)電戢的工況下時(shí)，動(dòng)力渦輪僅僅為船舶 提供了最人11. 8%的發(fā)電比，節(jié)油量?jī)H為28.5kg/h、節(jié)油率僅為0.86%,效果并不明顯。關(guān)鍵詞：船舶柴油機(jī)；余熱發(fā)電；動(dòng)力渦輪；節(jié)能性能0前言能源問(wèn)題已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展屮一個(gè)頭等重要問(wèn)題。船舶是能源消耗量巨大的運(yùn)輸工 具，高能耗一方面使船舶運(yùn)行成本增加，另一方面也帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。如何有效 降低船舶能耗是一個(gè)現(xiàn)實(shí)而又重大的課題。國(guó)際海事組織imo已將eedi（energy efficiency design index,新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)）作為考核船舶運(yùn)行能

3、耗高低的一個(gè)指標(biāo)，倘 若船舶處丁能量利用效率較低的狀況，除了將面對(duì)高額的燃料費(fèi)用外，還將面對(duì)額外的 罰金，以補(bǔ)償對(duì)環(huán)境的破壞。船舶節(jié)能就是以最小的能量消耗取得最大的運(yùn)輸效益。船舶的能量來(lái)自于燃料，燃料費(fèi)用在運(yùn)輸成本中占有很大的比例，大約占船舶總營(yíng) 運(yùn)費(fèi)用的3360%,隨著油價(jià)的上漲，這比例也將愈來(lái)愈大叫 船舶直接耗用燃料的設(shè) 備是柴油主機(jī)、輔機(jī)和輔助鍋爐。其中，主機(jī)所耗能量占總輸入能量的7090%。燃料 在柴油機(jī)氣缸中燃燒所發(fā)出的全部熱量，只有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功，其余部分則分別通 過(guò)排氣、冷卻介質(zhì)和輻射而排入大氣和海水。燃料燃燒放出的熱量除了轉(zhuǎn)變?yōu)橛行ЧΦ?部分外，其余都是廢熱，也即余熱。i比

4、界油價(jià)的不斷上升，以及tl益緊迫的要求船舶控制co?排放的壓力，迫使船舶需 要進(jìn)一步提高能量利用效率。作為占船舶油耗大部分的主機(jī)，其能量利用效率是提高船 舶能效的關(guān)鍵因素。提高船舶主機(jī)熱效率最本質(zhì)的方法就是提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度，但市 于燃燒溫度和船舶nox排放的密切關(guān)系，決定了單純采用提尚發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度來(lái)提高 熱效率是不可行的。為此必須另辟新徑，解決提高熱效率和降低nox排放的矛盾。目 前，最先進(jìn)的船用二沖程柴油機(jī)主機(jī)有效熱效率已接近50%，擁有所有熱機(jī)中最高的 效率，但仍有一半以上的燃料能量沒(méi)有被利用，隨廢氣和冷卻水排入環(huán)境，既造成了污 染，又浪費(fèi)了大量的資源。目前由于廢氣渦輪增壓器效率的提高

5、，船用二沖程主柴油機(jī)廢氣屮的能量除了供渦 輪增壓器使用外，還有大量剩余。如果能夠利用主機(jī)廢氣和冷卻水的熱塑進(jìn)行發(fā)電或作 為輔助設(shè)備熱源提供蒸汽，則可以替代部分輔機(jī)和輔助鍋爐，同時(shí)達(dá)到節(jié)能和減排的效 果。因此充分回收船舶主機(jī)和冷卻水的余熱，意義重大。船舶余熱利用系統(tǒng)擁有較長(zhǎng)的歷史及廣泛的應(yīng)用范闈，目前在許多類型的船舶上都 運(yùn)行有廢氣鍋爐系統(tǒng)，利用廢氣能量，提供船用蒸汽。同時(shí)，由于渦輪增壓器效率的提 高，且大功率船舶柴油機(jī)排氣能量較多，因此在渦輪增壓器前分流一定量的廢熱供給動(dòng) 力渦輪，動(dòng)力渦輪再將廢熱的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或電能，技術(shù)上是可行的。1安裝動(dòng)力渦輪的船舶柴油機(jī)余熱利用系統(tǒng)介紹本課題所采用的

6、船舶主機(jī)余熱利用系統(tǒng)（如圖1所示）由動(dòng)力渦輪、余熱鍋爐、汽 輪發(fā)電機(jī)組、凝汽器、屮冷器預(yù)熱器、缸套水預(yù)熱器、熱井、各種泵及閥門(mén)組成。bxi圖1船舶柴油機(jī)排煙余熱利用系統(tǒng)圖余熱鍋爐由高壓過(guò)熱器、蒸發(fā)器及低壓過(guò)熱器、蒸發(fā)器組成。該系統(tǒng)利用缸套水預(yù)熱器 和中冷器預(yù)熱器依次對(duì)鍋爐給水進(jìn)行預(yù)熱。在煙氣流經(jīng)路線上，柴油機(jī)排氣分別流經(jīng)廢 氣渦輪和動(dòng)力渦輪，進(jìn)入動(dòng)力渦輪的排氣做功發(fā)電后與經(jīng)過(guò)廢氣渦輪的排氣混合后進(jìn)入 余熱鍋爐，依次在高壓過(guò)熱器、高壓蒸發(fā)器、低壓過(guò)熱器、低壓蒸發(fā)器放熱降溫后排出 余熱鍋爐。熱井中的鍋爐給水先經(jīng)缸套水預(yù)熱器預(yù)熱，預(yù)熱后部分給水又由中冷器預(yù)熱 器預(yù)熱。經(jīng)混合分配，一部分直接輸入高壓鍋

7、筒中，另一部分進(jìn)入低壓鍋筒中。高、低 壓鍋筒內(nèi)飽和水由循壞水泵輸分別送至高、低壓蒸發(fā)器，吸熱后成為高壓汽水混合物， 汽水混合物回到鍋筒進(jìn)行汽水分離，分離得到的高壓飽和蒸汽一部分被輸送至船上蒸汽 加熱設(shè)備，供加熱使用，另一部分被輸送至過(guò)熱器，在過(guò)熱器中被加熱成過(guò)熱蒸汽后輸 送至汽輪發(fā)電機(jī)組，推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。最后，蒸汽加熱設(shè)備和凝汽器出口的冷凝水被送 回至熱井。2安裝動(dòng)力渦輪的船舶柴油機(jī)余熱利用系統(tǒng)性能計(jì)算數(shù)學(xué)模型2. 1安裝動(dòng)力渦輪的船舶柴油機(jī)余熱利用系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型在已知壓氣機(jī)入口溫度、壓力、壓縮比、效率等參數(shù)的情況下，壓氣機(jī)出口溫度為:式中：42 一壓氣機(jī)出口溫度，k； tm一壓氣機(jī)入口溫度，k

8、；兀一壓氣機(jī)壓縮比; 了一空氣絕熱指數(shù)，取1.4；久一壓氣機(jī)效率。壓氣機(jī)做功為：“a龍 z 一1)/久(2-2)式中：用4壓氣機(jī)做功量，kw；,心一壓氣機(jī)空氣流量，kg/s； q空氣定壓比熱容， kj/(kg.k)«為方便計(jì)算，假定壓氣機(jī)做功量等于廢氣渦輪的輸出功，在已知廢氣渦輪廢氣入口 溫度、壓力、廢氣渦輪膨脹比、效率等參數(shù)的條件下，廢氣渦輪出口溫度為：(2-3)廢氣渦輪膨脹比;82 = sl(l + %(兄'-1)式中：如廢氣渦輪出口溫度，k；如一廢氣渦輪入口溫度，k； 卩一廢氣絕熱指數(shù)，取1.34； %廢氣渦輪效率。則需要廢氣渦輪所需的廢氣流量為：心二/(5“川(1一(

9、1/小)(2-4)式中：廢氣渦輪做功量，kw； m,廢氣渦輪廢氣流量，kg/s； q廢氣定壓比熱 容，kj/(kg.k)o由此可確定船舶的旁通流量：tnc = mt 一 mb(2-5)式中：旁通的廢氣流量，kg/s；州一船舶柴油機(jī)排氣管內(nèi)初始廢氣流量，kg/so在以上計(jì)算的基礎(chǔ)上，倘若有廢氣旁通流量，規(guī)定動(dòng)力渦輪入口廢氣溫度、壓力、動(dòng)力渦輪膨脹比等計(jì)算參數(shù)與廢氣渦輪對(duì)應(yīng)的計(jì)算參數(shù)相等，則動(dòng)力渦輪輸出功為：wc匕仇？ -1)/1000(2-6)式中：1絡(luò)動(dòng)力渦輪做功量，kw； %動(dòng)力渦輪效率;一動(dòng)力渦輪機(jī)械效率。 余熱鍋爐由高壓過(guò)熱器、蒸發(fā)器及低壓過(guò)熱器、蒸發(fā)器組成，在這里不進(jìn)行詳細(xì)介紹， 其數(shù)

10、學(xué)模型參照船舶柴油機(jī)排煙余熱回收系統(tǒng)熱力性能研究?jī)住?. 2余熱發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排性能參數(shù)計(jì)算數(shù)學(xué)模型通過(guò)對(duì)余熱發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)設(shè)備的熱平衡分析，我們得出了系統(tǒng)的余熱發(fā)電功率和 加熱蒸汽消耗量等熱力參數(shù)。為了考察系統(tǒng)的運(yùn)行情況，我們還要進(jìn)一步分析余熱發(fā)電 系統(tǒng)的性能指標(biāo)。系統(tǒng)的節(jié)能減排性能參數(shù)主要包括余熱發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)節(jié)油量、系統(tǒng) 節(jié)油率、發(fā)電比和sox等污染物排放減少量。假定船舶耗汽設(shè)備出口為飽和水。2. 2. 1系統(tǒng)節(jié)油量余熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電供給船舶電網(wǎng)使用。如果未安裝余熱發(fā)電系統(tǒng)，則這部分電 功率是由船舶輔機(jī)通過(guò)消耗燃油，供給船舶電網(wǎng)的。因此，系統(tǒng)節(jié)油量是指利用余熱發(fā) 電系統(tǒng)后船舶輔機(jī)減少的

11、油耗。(2-31)，wfmaeae 1000式小:g船舶柴油主機(jī)和輔機(jī)的燃油消耗率，g/(kw-h)o2. 2. 2系統(tǒng)節(jié)油率系統(tǒng)節(jié)油率指利用余熱發(fā)電系統(tǒng)后船舶輔機(jī)減少的油耗總能量與未安裝余熱發(fā)電 系統(tǒng)時(shí)全船耗油總能量的比值。=閃宀eqaex 00%(2-32)mme meqme + m ae aeqae式中：g主機(jī)輸出功率，kw；輔機(jī)輸出電功率，kw；加碇、叫£船舶柴油主機(jī)和輔機(jī)的燃油消耗率，g/(kw.h)； q“e、qae -船舶主機(jī)燃油和輔機(jī)燃油的低位 發(fā)熱值，kj/kgo2. 2. 3發(fā)電比(2-33)發(fā)電比是指余熱系統(tǒng)發(fā)電功率占船舶電站總功率的百分比。77, =xloo%

12、3叫式屮：光一船舶電站總功率，kwo2. 2.4污染物排放減少量已知二氧化碳，氮氧化物的原始排放因子，可知co2污染物排放減少量為:mc = 4.1868$加aeqwe1° 6 1p(2-34)式中：mcco2污染物排放減少量,kg/s；co2原始排放因子,kg/tj； p 船舶主機(jī)燃油密度，kg/m3。nox污染物排放減少量為：mn= 4.1868d%qwj0" / p(厶35)式中：mh nox污染物排放減少量，kg/s；二nox原始排放因子，kg/tjsox污染物排放減少量為：ms = 2niaea /100(2-36)式屮：ms sox污染物排放減少量，kg/s；

13、a燃料屮的硫元素含量。3計(jì)算實(shí)例及結(jié)果分析3. 1計(jì)算實(shí)例4250teu集裝箱船船舶主機(jī)排煙溫度、排煙流量、如表3所示。表348000dwt油船在不同主機(jī)工況下的初始熱力參數(shù)主機(jī)功率(kw)排煙溫度(°c)排煙流量(kg/h)主機(jī)工況100%集裝箱36560集裝箱25990%3290424231609080%2924023528097570%2489022124584060%2093622920073150%1814224016712040%1462425712548330%1096826696365對(duì)上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。分別計(jì)算主機(jī)了 100%、70%和50%工況下動(dòng)力渦輪的 節(jié)

14、能性能指標(biāo)，如表3.2所示。主機(jī)了 100%、70%和50%工況下汽輪機(jī)的節(jié)能性能指標(biāo), 如表3.3所示。表3.2 4250teu集裝箱船不同工況下動(dòng)力渦輪的節(jié)能性能指標(biāo)序號(hào)名稱單位100%70%50%1動(dòng)力渦輪發(fā)電量kw14299.272.1%4.83.362.502動(dòng)力渦輪發(fā)電比%11.87.995.963動(dòng)力渦輪節(jié)油量kg/h28.5020.1715.20%0.860.75().534動(dòng)力渦輪節(jié)油率%0.330.290.225二氧化碳排放減少量kg/s11592.567.86二氧化硫排放減少量kg/s07050l7氮氧化物排放減少量kg/s2.811.951.83表3.3 4250teu

15、集裝箱船不同工況下汽輪機(jī)節(jié)能性能指標(biāo)序號(hào)名稱單位100%70%50%1汽輪機(jī)發(fā)電量kw1833.41283.81000.7%152106.462.52汽輪機(jī)發(fā)電比%61.9842.725.73汽輪機(jī)發(fā)電率%9.0210.211.894汽輪機(jī)節(jié)油量kg/h367.7257.39170.5汽輪機(jī)節(jié)油率%3.962.741.905%2.822.151.546二氧化碳排放減少量kg/s149310077327二氧化硫排放減少量kg/s2.221.551.058氮氧化物排放減少量kg/s36.223.8419.8船舶柴油機(jī)排煙余熱利用系統(tǒng)屮動(dòng)力渦輪回收的是旁通廢氣能量，通過(guò)數(shù)學(xué)模型熱 平衡計(jì)算可知，42

16、50teu集裝箱船廢氣渦輪的廢氣質(zhì)量流量為3.83kg/s,廢氣渦輪入口 廢氣溫度為685.7k,廢氣渦輪出口溫度為554.31k。20co-1800-16co-14c0-1200-10co-sco-6004co-2,壬矽逖$:2=一三盅 wi90 »況 « x 504030圖3.1啟用動(dòng)力渦輪前后系統(tǒng)發(fā)電量對(duì)比圖3.2啟用動(dòng)力渦輪前后系統(tǒng)節(jié)油量對(duì)比圖3.1、圖3.2為4250teu集裝箱船啟用動(dòng)力渦輪前后系統(tǒng)發(fā)電量、節(jié)油量対比圖。 由對(duì)比圖可知當(dāng)動(dòng)力渦輪處于100%工況時(shí)，動(dòng)力渦輪提供的發(fā)電量最大，為142kw, 但是此時(shí)動(dòng)力渦輪提供的發(fā)電量對(duì)于4250teu集裝箱船整體

17、的節(jié)能性能提升并不大。 當(dāng)船舶處于動(dòng)力渦輪最大發(fā)電量的工況下時(shí)，動(dòng)力渦輪僅僅為船舶提供了最大11.8%的 發(fā)電比，節(jié)油量?jī)H為28.5kg/h、節(jié)油率僅為0.86%。結(jié)論1、對(duì)于4250teu集裝箱船，隨著主機(jī)功率的提升，余熱回收系統(tǒng)的發(fā)電量，節(jié)油率不 斷提升，另外，柴油機(jī)排煙余熱利用系統(tǒng)中二氧化碳排放減少暈、二氧化硫排放減 少量、氮氧化物排放減少量與系統(tǒng)節(jié)油量呈正比2、4250teu集裝箱船采用該套余熱回收系統(tǒng)時(shí)，100%工況下系統(tǒng)節(jié)電比達(dá)到了 152%, 70%工況下系統(tǒng)節(jié)電比達(dá)到了 106.4%,節(jié)能效果顯著。3、當(dāng)動(dòng)力渦輪處于100%工況時(shí)，動(dòng)力渦輪提供的發(fā)電量最大，為142kw,僅為船舶 提供了最大11.8%的發(fā)電比，節(jié)油量?jī)H為28.5kg/h、節(jié)油率僅為0.86%。上所述，強(qiáng) 烈建議4250teu集裝箱船使用該套余熱冋收系統(tǒng)，但系統(tǒng)中動(dòng)力渦輪設(shè)備不工作。參考文獻(xiàn)1 姚壽廣.船舶熱力系統(tǒng)分析w.北京:科學(xué)出版社,2003:168-212.2 任文江，施潤(rùn)華.船舶動(dòng)力裝置節(jié)能h.上海:上海交通大學(xué)出版社，1991:38-80.3 趙欽新，周屈蘭等.余熱鍋爐研究與設(shè)計(jì)m.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2010:242-321.4 劉紀(jì)福.翅片管換熱器的原理與設(shè)計(jì)m哈爾濱:哈爾濱工業(yè)出版社,2013:1-213.5 張志華等.船舶動(dòng)力裝置概率m.