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船舶柴油機余熱綜合利用發(fā)電技術(shù)研究

王學敏1，陳小雷2

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

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

關(guān)鍵詞：船舶柴油機余熱綜合利用熱效率

來稿日期：2015-04-03

1　引言

隨著能源危機及環(huán)境保護科學的深入研究，船舶的節(jié)能減排已受到航運行業(yè)的普遍關(guān)注，它關(guān)系到節(jié)約燃料資源、環(huán)境保護以及船舶運營經(jīng)濟效益等。眾所周知，當前優(yōu)良的柴油機熱效率一般為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]，而柴油機燃料費占船舶總運營成本的33%~60%[2]。因此，當前船舶節(jié)能減排的重點在于，柴油機廢氣和冷卻水熱量的綜合利用。

上世紀70年代，由于國際油價高漲，國外就已經(jīng)開始針對柴油機余熱綜合利用開展研究，并提供成套設(shè)備。在我國，柴油機余熱利用技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用相對較晚，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)開始執(zhí)行，節(jié)能減排、提高能源利用率，越來越引起人們的重視，余熱綜合利用發(fā)電技術(shù)的推廣是必然趨勢。

2　國外船舶柴油機余熱綜合利用的發(fā)展

日本三菱重工、MAN B&W、瓦錫蘭（Wartsila）等世界著名的柴油機及動力設(shè)備成套公司，均積極開展對柴油機動力系統(tǒng)余熱綜合利用發(fā)電技術(shù)的研究。根據(jù)船舶推進柴油機主機特性，提供不同的余熱綜合利用發(fā)電解決方案；通過系統(tǒng)流程優(yōu)化，柴油主機80%余熱可以被利用。一般而言，柴油機主機功率越大，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。柴油主機最大持續(xù)功率為45 740 kW，轉(zhuǎn)速78 r/min。柴油主機排氣旁通13%煙氣，用以驅(qū)動動力渦輪，然后與增壓器的排氣混合后進入雙壓余熱鍋爐。鍋爐的給水先經(jīng)過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℃的過熱蒸汽驅(qū)動汽輪機發(fā)電機組。為了防止動力渦輪失電后超速，動力渦輪與汽輪機發(fā)電機組通過減速齒輪箱和高速離合器直接連接，整裝在一個平臺上。

當主機工況大于35%時，汽輪機起動；當主機工況大于45%時，動力渦輪介入；當主機工況小于30%時，由于排煙溫度過低，為防止煙氣中凝冷水產(chǎn)生酸露點腐蝕，煙氣通過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公司的柴油機余熱綜合利用示意圖，10S90ME-C9.2柴油主機功率為48 510 kW，轉(zhuǎn)速為84 r/min。主機排煙11.6%廢氣驅(qū)動動力渦輪聯(lián)合發(fā)電機組后，與增壓器出口煙氣混合，進入五段式強化換熱器的強制循環(huán)余熱鍋爐。

經(jīng)缸套水換熱器和空冷器預(yù)熱后，144℃熱水全部進入余熱鍋爐低壓鍋筒。低壓蒸發(fā)器循環(huán)水一路經(jīng)過低壓預(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)余熱鍋爐高壓過熱器和低壓過熱器換熱分別產(chǎn)生壓力和溫度分別為1.0 MPa(a)、259℃過熱蒸汽和0.45 MPa (a)、148℃飽和蒸汽進入汽輪機，驅(qū)動減速齒輪箱帶動發(fā)電機發(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余熱綜合利用示意圖

圖2　MAN B&W公司船舶柴油機余熱綜合利用示意圖

瓦錫蘭（Wartsila）公司12RTA96C船舶柴油主機的余熱綜合利用發(fā)電示意圖如圖3所示。柴油主機功率為68 640 kW，主機約10%的排氣驅(qū)動渦輪發(fā)電機組。系統(tǒng)總循環(huán)水經(jīng)缸套水換熱器預(yù)熱到85℃，一路直接進入余熱鍋爐的低壓鍋筒，另一路再經(jīng)過兩段式空冷器加熱到約150℃~160℃后，進入余熱鍋爐高壓鍋筒。循環(huán)水流經(jīng)強制循環(huán)余熱鍋爐的高壓蒸發(fā)器和低壓蒸發(fā)器，被柴油機廢氣加熱，產(chǎn)生壓力和溫度為0.9 MPa(a)和260℃的高壓過熱蒸汽，0.35 MPa(a)和190℃的低壓過熱蒸汽，驅(qū)動汽輪機發(fā)電機組發(fā)電。該系統(tǒng)可回收的額定發(fā)電量約為7 000 kW，占柴油主機功率的10.2%。

3　船舶柴油機余熱綜合利用發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

我公司設(shè)計的6S50ME-C8.2船舶柴油機余熱綜合利用發(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。主要目的在于開展船舶柴油機余熱綜合利用技術(shù)研究，為遠航船舶用戶提供船舶柴油機余熱綜合利用發(fā)電的解決方案。

3.1煙氣余熱鍋爐給水系統(tǒng)

超低溫煙氣余熱鍋爐為余熱鍋爐常規(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，采用強化換熱的蛇形管受熱面（過熱器、高壓蒸發(fā)器、低壓蒸發(fā)器和換熱器）強制循環(huán)。柴油機排氣中約10%煙氣進入動力渦輪發(fā)電機組，與增壓器做功后的廢氣混合后進入超低溫余熱鍋爐，余熱鍋爐出口煙氣溫度設(shè)計為100℃左右。為了防止排煙溫度低于煙氣酸露點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。當柴油機主機低于30%工況時，煙氣全部通過余熱鍋爐旁通煙道。

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℃，一部分直接進入余熱鍋爐的高壓鍋筒，另一部分與80℃熱水混合后進入余熱鍋爐低壓鍋筒，保證進水溫度為140℃，其余一路全部進入熱水器產(chǎn)生140℃熱水作為有機工質(zhì)循環(huán)的蒸發(fā)器熱源。

圖3　瓦錫蘭公司船舶柴油機余熱綜合利用示意圖

圖4　6S50ME-C8.2船用柴油機余熱綜合利用示意圖

表16　S50ME-C8.2柴油機余熱綜合利用計算結(jié)果

3.2發(fā)電單元系統(tǒng)

發(fā)電單元系統(tǒng)由動力渦輪、補凝汽式汽輪機和有機工質(zhì)膨脹機發(fā)電機組組成，發(fā)電機設(shè)計轉(zhuǎn)速為1 800 r/min。

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

汽輪機發(fā)電機組采用雙進汽兩級調(diào)節(jié)補凝汽式撬裝設(shè)計，額定轉(zhuǎn)速9 000 r/min，經(jīng)減速齒輪箱減速至1 800 r/min，并通過聯(lián)軸器與發(fā)電機相連。汽輪機進汽參數(shù)：高壓部分壓力0.65 MPa(a)，溫度270℃，補汽壓力0.4 MPa(a)，溫度143.5℃。

有機工質(zhì)膨脹機發(fā)電機組由有機工質(zhì)膨脹機、減速齒輪箱、聯(lián)軸器、發(fā)電機、兩級蒸發(fā)器、凝汽器和有機工質(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)兩級蒸發(fā)器，產(chǎn)生高壓過熱有機工質(zhì)蒸汽進入有機工質(zhì)膨脹機。膨脹機采用螺桿形式，經(jīng)內(nèi)置減速齒輪箱驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，有機工質(zhì)采用無毒無污染的R245fa。

3.3冷卻水循環(huán)系統(tǒng)

冷卻水由柴油機試車臺位外部循環(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、汽輪機冷凝器500 t/h、有機工質(zhì)膨脹機冷凝器470 t/h。

4　船舶柴油機余熱綜合利用發(fā)電效率計算

根據(jù)6S50ME-C8.2柴油機的余熱參數(shù)特性，通過熱平衡計算軟件對流程的熱效率進行了分析，計算結(jié)果如表1所示。

從表中可知，6S50ME-C8.2柴油機余熱綜合利用發(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，占柴油機主機功率的9.4%，與國外公司可回收的發(fā)電比相當。

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

5　結(jié)論

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

參考文獻

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也是評價其熱負荷的重要指標。因此，為了提高活塞工作的可靠性，進而提高發(fā)動機的整機性能，降低活塞的熱負荷非常關(guān)鍵。根據(jù)活塞的傳熱過程分析以及活塞溫度場的分布情況，可以試著從以下2點著手。

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

作者簡介：王學敏（1983-），男，博士，主要研究方向為船舶熱能系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.02.006