陶加銀，趙 武，李向輝，楊 巍

(1.航天推進(jìn)技術(shù)研究院 系統(tǒng)工程部研發(fā)中心，陜西 西安 710100；2.中國長(zhǎng)江動(dòng)力集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430205)

隨著現(xiàn)代能源和環(huán)保問題的發(fā)展，船舶主柴油機(jī)的節(jié)能環(huán)保問題日益受到國內(nèi)外船舶廠家乃至用戶的關(guān)注，尤其是當(dāng)下國際海事組織制定了新的EEDI(船舶能效指數(shù))，進(jìn)一步提高了船舶主機(jī)能效要求[1]。目前國外先進(jìn)的船舶主機(jī)效率可達(dá)50%，進(jìn)一步提高柴油機(jī)效率已經(jīng)沒有太大空間，但是依然有一半的燃料能量通過廢氣、冷卻水等排入環(huán)境，因此提高船舶能效愈加有賴于高效回收主柴油機(jī)余熱。國外諸如三菱重工、MAN、瓦錫蘭、WinGD等柴油機(jī)及動(dòng)力設(shè)備成套公司，都針對(duì)船舶柴油機(jī)開發(fā)相應(yīng)的余熱回收裝置[2]。

Shu[3]全面梳理了目前在船舶主機(jī)余熱利用領(lǐng)域的技術(shù)路徑和相關(guān)裝置，包括動(dòng)力渦輪、朗肯循環(huán)的汽輪機(jī)、吸收式和吸附式制冷回收、海水淡化等，經(jīng)過分析和對(duì)比指出聯(lián)合回收系統(tǒng)效果最好。Hossain[4]針對(duì)某柴油機(jī)采取朗肯循環(huán)回收系統(tǒng)，可以提高額外11%的功率輸出，顯著提升柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。Song[5]等人針對(duì)某型柴油機(jī)研究采用布雷頓循環(huán)回收余熱，結(jié)果表明布雷頓循環(huán)對(duì)船舶主機(jī)在較低工況下的回收效果更好。Leontaritis1[6]等人研究采用ORC系統(tǒng)回收船舶輔助柴油機(jī)缸套水余熱。

目前國內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)針對(duì)船舶柴油機(jī)余熱回收也進(jìn)行了大量研究。趙富國[7]等針對(duì)某型船用柴油機(jī)提出了引擎排放內(nèi)部技術(shù)、排氣后的處理技術(shù)和集成能源綜合利用技術(shù)等，可有效滿足海事組織對(duì)船舶主機(jī)能效和排放的要求。劉長(zhǎng)鋮[8]等針對(duì)MAN公司的某型船用低速柴油機(jī)，自主設(shè)計(jì)余熱綜合回收利用系統(tǒng)，分析了環(huán)境溫度和主機(jī)負(fù)荷對(duì)余熱利用系統(tǒng)的影響。梁傲[9]等針對(duì)4500TEU型集裝箱船的主柴油機(jī)余熱系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真分析，研究了余熱回收系統(tǒng)各設(shè)備的節(jié)能潛力。張紅光[10]等針對(duì)某六缸柴油機(jī)設(shè)計(jì)一套雙有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，研究表明可顯著降低柴油機(jī)的燃油消耗率。朱軼林[11]等設(shè)計(jì)一套有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)回收船舶柴油機(jī)廢氣余熱，研究了蒸發(fā)溫度和膨脹比對(duì)系統(tǒng)性能的影響。王學(xué)敏[12-13]介紹了滬東重機(jī)船舶余熱綜合利用系統(tǒng)，包括汽輪機(jī)、動(dòng)力渦輪和ORC機(jī)組，該系統(tǒng)可充分利用船舶主柴油機(jī)的排氣余熱、旁通煙氣能量和缸套水的余熱。尹治欽[14]采用動(dòng)力渦輪、蒸汽朗肯循環(huán)和有機(jī)朗肯循環(huán)聯(lián)合應(yīng)用對(duì)二沖程船舶柴油機(jī)廢熱進(jìn)行回收，研究了相關(guān)的熱力方案優(yōu)化及主機(jī)調(diào)制等問題。

總體而言，國內(nèi)針對(duì)船舶余熱回收多集中于系統(tǒng)分析和理論研究，而國外已經(jīng)有比較成熟的產(chǎn)品。目前中船動(dòng)力研究院與航天六院承接工信部 “余熱利用(WHR)裝置應(yīng)用研究”項(xiàng)目，針對(duì)船舶柴油機(jī)開發(fā)WHR聯(lián)合機(jī)組進(jìn)行余熱回收，首先在十二五項(xiàng)目基礎(chǔ)上研制試驗(yàn)樣機(jī)，重點(diǎn)研究聯(lián)合機(jī)組的耦合運(yùn)行特性，檢驗(yàn)聯(lián)合機(jī)組的控制策略，為后續(xù)工程樣機(jī)的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 機(jī)組開發(fā)

圖1給出本項(xiàng)目WHR余熱回收系統(tǒng)，以回收柴油機(jī)的排氣余熱、缸套水余熱、空冷器余熱，產(chǎn)生的電力可以補(bǔ)充到船舶電網(wǎng)，以降低船舶主發(fā)電機(jī)的消耗。WHR系統(tǒng)包括余熱鍋爐、缸套水換熱器、進(jìn)氣換熱器以及聯(lián)合機(jī)組動(dòng)力單元。聯(lián)合機(jī)組包括煙氣透平、汽輪機(jī)、離合器、減速箱以及雙軸伸發(fā)電機(jī)。經(jīng)過缸套水和空壓機(jī)熱空氣加熱的給水進(jìn)入余熱鍋爐，主柴油機(jī)排煙經(jīng)過渦輪增壓器后進(jìn)入余熱鍋爐換熱，產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出電力。當(dāng)主柴油機(jī)運(yùn)行工況高于50%時(shí)，經(jīng)過對(duì)主柴油機(jī)的調(diào)制，將一部分排煙旁通進(jìn)入煙氣動(dòng)力渦輪，升速后通過離合器嚙合實(shí)現(xiàn)與汽輪機(jī)共同輸出電功率。

圖1 WHR余熱回收系統(tǒng)

本機(jī)組針對(duì)6S50ME-C8.2柴油機(jī)進(jìn)行余熱回收，85%工況設(shè)計(jì)下的參數(shù)如表1所示。

表1 聯(lián)合機(jī)組汽輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

參數(shù)汽輪機(jī)動(dòng)力渦輪進(jìn)口壓力/MPa0.650.418進(jìn)口溫度/℃270481補(bǔ)汽壓力/MPa0.4補(bǔ)汽溫度/℃143.5排氣壓力/MPa0.0070.105設(shè)計(jì)功率/kW490260轉(zhuǎn)速/r·min-19 00024 000

2 試驗(yàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)工作

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖2為配合本項(xiàng)目WHR聯(lián)合機(jī)組所搭建的試驗(yàn)系統(tǒng)，包括蒸汽鍋爐、聯(lián)合機(jī)組本體、試驗(yàn)臺(tái)旁通凝汽器、負(fù)載裝置、壓縮空氣以及工藝閥門、管路等。試驗(yàn)站鍋爐提供參數(shù)要求的蒸汽，分兩路進(jìn)入汽輪機(jī)和動(dòng)力渦輪。經(jīng)汽輪機(jī)做功后的乏汽，進(jìn)入汽輪機(jī)凝汽器，凝結(jié)后通過水泵排出。動(dòng)力渦輪的排汽經(jīng)節(jié)流進(jìn)入試驗(yàn)臺(tái)冷凝器，凝結(jié)后排出。動(dòng)力渦輪設(shè)計(jì)所用為柴油機(jī)排煙，試驗(yàn)中采用過熱蒸汽替代。

為保證機(jī)組安全運(yùn)行，在汽輪機(jī)和動(dòng)力渦輪上均設(shè)置有蒸汽旁路。蒸汽對(duì)汽輪機(jī)和動(dòng)力渦輪單獨(dú)或聯(lián)合做功后，經(jīng)發(fā)電機(jī)輸出功率，由水冷式電阻加熱器對(duì)功率進(jìn)行消耗，充當(dāng)電力負(fù)載，加熱器名義功率315 kW。同時(shí)，試驗(yàn)站提供各路壓縮空氣，用于動(dòng)力渦輪進(jìn)、排汽閥門的動(dòng)力源和密封氣源。

圖2 WHR聯(lián)合機(jī)組試驗(yàn)系統(tǒng)

2.2 試驗(yàn)臺(tái)搭建

聯(lián)合機(jī)組試驗(yàn)臺(tái)如圖3，圖中從左往右分別是汽輪機(jī)、汽輪機(jī)減速箱、發(fā)電機(jī)、動(dòng)力渦輪減速箱及動(dòng)力渦輪, 其中汽輪機(jī)為補(bǔ)汽凝汽式，動(dòng)力渦輪為單級(jí)向心式煙氣透平，汽輪機(jī)通過減速箱與發(fā)電機(jī)一側(cè)連接，發(fā)電機(jī)另一側(cè)則通過離合器連接動(dòng)力渦輪減速箱的低速軸，動(dòng)力渦輪懸掛于減速箱高速軸端。聯(lián)合機(jī)組控制、調(diào)節(jié)、安保系統(tǒng)是為本次試驗(yàn)專門研制的，由底層傳感器和上層的TSI、DEH、ETS等系統(tǒng)共同構(gòu)成。從結(jié)構(gòu)上包括三個(gè)層次，機(jī)組本體上的測(cè)點(diǎn)傳感器、閥門等，從測(cè)點(diǎn)引線匯集到接線盒和前置箱，再從接線盒接到相應(yīng)的控制柜。

圖3 WHR聯(lián)合機(jī)組試驗(yàn)臺(tái)

動(dòng)力渦輪的測(cè)點(diǎn)信號(hào)和閥門控制、反饋全部引到DCS系統(tǒng)，與汽輪機(jī)DCS系統(tǒng)集成在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)合機(jī)組的監(jiān)控和耦合控制。圖4給出操作員站聯(lián)合機(jī)組控制系統(tǒng)界面圖，包括汽輪機(jī)和動(dòng)力渦輪各自運(yùn)行監(jiān)控界面、聯(lián)合機(jī)組汽水流程界面、連鎖報(bào)警保護(hù)界面等，可以實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)單獨(dú)運(yùn)行和汽輪機(jī)與動(dòng)力渦輪耦合運(yùn)行的多種運(yùn)行狀態(tài)。

按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，在主柴油機(jī)10%以上工況即可啟動(dòng)汽輪機(jī)，但只有在50%以上工況才會(huì)啟用動(dòng)力渦輪。所以聯(lián)合機(jī)組運(yùn)行以汽輪機(jī)為主，根據(jù)工況變化動(dòng)力渦輪通過離合器實(shí)現(xiàn)嚙合與退出。

圖4 聯(lián)合機(jī)組控制系統(tǒng)界面

3 試驗(yàn)分析

WHR聯(lián)合機(jī)組進(jìn)行多次帶負(fù)載試驗(yàn)，本節(jié)以某次帶全部加熱器負(fù)載試驗(yàn)進(jìn)行分析，由于本次試驗(yàn)從起動(dòng)系統(tǒng)循環(huán)到開機(jī)調(diào)試到各種運(yùn)行測(cè)試，耗時(shí)很長(zhǎng)，數(shù)據(jù)記錄太多，下文將數(shù)據(jù)分析的時(shí)間起點(diǎn)選為14：30：00，橫軸全部為無量綱時(shí)間。

圖5給出大負(fù)載試驗(yàn)聯(lián)合機(jī)組全部運(yùn)行歷程，SE715為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，ST107為動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速，0801-CV為汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開度，302-CV則為動(dòng)力渦輪調(diào)節(jié)閥開度。聯(lián)合機(jī)組運(yùn)行過程包括汽輪機(jī)的暖機(jī)、升速、單獨(dú)加載，而后動(dòng)力渦輪的暖機(jī)、升速、空載嚙合，聯(lián)合機(jī)組實(shí)現(xiàn)耦合運(yùn)行時(shí)動(dòng)力渦輪兩次增加負(fù)載分配，兩次給聯(lián)合機(jī)組加載。汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥由高壓調(diào)節(jié)油通過油動(dòng)機(jī)控制，采用PID自動(dòng)控制維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

圖5 聯(lián)合機(jī)組運(yùn)行歷程

圖6給出動(dòng)力渦輪與汽輪機(jī)嚙合、耦合運(yùn)行過程轉(zhuǎn)速與閥門開度變化。圖中ST_couple表示根據(jù)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算的理論的動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速,用于判斷動(dòng)力渦輪嚙合狀態(tài)，當(dāng)動(dòng)力渦輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速達(dá)到或超過ST_couple時(shí)可以認(rèn)為動(dòng)力渦輪開始或進(jìn)入嚙合狀態(tài)。從16:00:24開始動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速超過理論嚙合轉(zhuǎn)速，大約30 s左右動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速曲線波動(dòng)規(guī)律與汽輪機(jī)相同，表明兩者實(shí)現(xiàn)耦合運(yùn)行，離合器表現(xiàn)為聯(lián)軸器。從數(shù)據(jù)來看，動(dòng)力渦輪保持耦合時(shí)平均轉(zhuǎn)速約24 200 r/min，比理論的24 000 r/min要高。

圖6 WHR聯(lián)合機(jī)組耦合運(yùn)行加載、減載和載荷分配過程

約16:01:24動(dòng)力渦輪調(diào)節(jié)閥開度從13%增加到25%，動(dòng)力渦輪的負(fù)載增加，由汽輪機(jī)DEH穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，此過程相當(dāng)于將一部分汽輪機(jī)負(fù)載分配給動(dòng)力渦輪。在16:07:15給聯(lián)合機(jī)組加105 kW負(fù)載，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速掉到8 775 r/min(瞬時(shí)波動(dòng)2.5%)，動(dòng)力渦輪保持嚙合，轉(zhuǎn)速同樣被拉低，由于此時(shí)進(jìn)氣參數(shù)低，瞬時(shí)調(diào)節(jié)閥開度達(dá)到全開，后續(xù)通過PID反饋調(diào)節(jié)將轉(zhuǎn)速重新穩(wěn)定到設(shè)定值。16:09:42左右動(dòng)力渦輪調(diào)節(jié)閥開度增加到40%，將新增加的負(fù)載部分分配給動(dòng)力渦輪。

聯(lián)合機(jī)組此時(shí)穩(wěn)定帶載315 kW運(yùn)行，然后分別卸去35 kW和105 kW負(fù)載，動(dòng)力渦輪閥門開度不變，由DEH自動(dòng)控制維持聯(lián)合機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，卸載中轉(zhuǎn)速波動(dòng)基本沒有超出穩(wěn)定波動(dòng)的范圍。隨后在16:23:54左右關(guān)小動(dòng)力渦輪閥門，使動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速迅速降低并退出，實(shí)現(xiàn)離合器的脫嚙和動(dòng)力渦輪的退出，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)整開度承擔(dān)剩余的175 kW負(fù)載。

16:27:45左右卸去140 kW負(fù)載，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速瞬時(shí)飛升到約9 102 r/min，在DEH的調(diào)節(jié)下逐漸恢復(fù)到目標(biāo)值9 000 r/min，汽輪機(jī)的瞬態(tài)甩負(fù)荷超速率1.13%，滿足設(shè)計(jì)要求。到16:30左右，汽輪機(jī)打閘停機(jī)，完成本次試驗(yàn)歷程。

圖7給出試驗(yàn)中汽輪機(jī)進(jìn)出口參數(shù)的變化，圖中PT091(a)為汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥前壓力，TE391為汽輪機(jī)閥前溫度，PT109(a)為排氣背壓，TE393則為凝汽器汽室溫度。由于試驗(yàn)臺(tái)鍋爐容量與試驗(yàn)機(jī)組不匹配，在空載和小負(fù)載時(shí)參數(shù)波動(dòng)劇烈，大負(fù)載時(shí)用汽量增加，蒸汽參數(shù)穩(wěn)定性得以改善。排氣背壓和排汽溫度則相反，在汽輪機(jī)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)比較穩(wěn)定，在動(dòng)力渦輪帶載耦合運(yùn)行時(shí)波動(dòng)變大。取汽輪機(jī)真空狀況較好的數(shù)據(jù)分析，汽輪機(jī)閥前壓力0.818 MPa、閥前溫度258℃、排汽背壓17.5 kPa、凝汽器汽室溫度56℃，估算此時(shí)汽輪機(jī)部分工況下的效率約為55%。此時(shí)汽輪機(jī)負(fù)荷大約為額定的40%。試驗(yàn)效率與原設(shè)計(jì)有較大偏差，設(shè)計(jì)效率約為65%，分析認(rèn)為是由于真空泵選擇不當(dāng)，實(shí)際運(yùn)行效果不好，另外就是汽輪機(jī)的凝汽器換熱性能偏離設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致汽輪機(jī)運(yùn)行中背壓與設(shè)計(jì)要求的7 kPa真空度偏差很大。

圖8給出動(dòng)力渦輪在試驗(yàn)過程中進(jìn)出口壓力和溫度、軸振軸位移以及軸承溫度隨時(shí)間的變化。在動(dòng)力渦輪升速和加載時(shí)進(jìn)出口溫度一直在升高，隨著動(dòng)力渦輪負(fù)荷穩(wěn)定后基本穩(wěn)定在220℃和180℃，隨著幾次調(diào)節(jié)閥開度的增加，動(dòng)力渦輪進(jìn)出口壓差在增大，在16:15至16:23之間趨于穩(wěn)定，進(jìn)口約0.45 MPa、出口約0.3 MPa，進(jìn)口溫度約220℃、出口約182℃，估算動(dòng)力渦輪絕熱效率約82%，由于蝸殼和管道散熱，動(dòng)力渦輪的出口溫度比實(shí)際氣體膨脹的出口溫度低，導(dǎo)致估算的效率比實(shí)際的渦輪效率偏高。

圖8(b)為動(dòng)力渦輪軸振和軸位移的變化曲線，在第一次升速時(shí)由于停留在臨界區(qū)導(dǎo)致軸振過高，觸發(fā)保護(hù)跳機(jī)。在正常升速以及嚙合、加載過程，軸振都不大，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行后軸振一般不超過20 μm；軸位移以靜態(tài)為參考，變化不超過0.2 mm，在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)趨于不變，只是在加減載和載荷分配時(shí)因動(dòng)力渦輪工況變動(dòng)而有較小的變化。

圖7 WHR聯(lián)合機(jī)組汽輪機(jī)進(jìn)出口參數(shù)

圖8 WHR聯(lián)合機(jī)組動(dòng)力渦輪運(yùn)行過程參數(shù)變化

圖9為聯(lián)合機(jī)組帶全部315 kW負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)負(fù)載加熱器測(cè)量的圖片，外置式測(cè)量表可以實(shí)時(shí)讀取負(fù)載端測(cè)量的三相電壓和電流，平均相電壓和相電流分別為440.8 V和511.7 A，估算負(fù)載加熱器的穩(wěn)定功率為312.5 kW。

圖9 WHR聯(lián)合機(jī)組加載315 kW時(shí)負(fù)載電壓和電流

4 結(jié)論

針對(duì)滬東重機(jī)某型船舶柴油機(jī)設(shè)計(jì)相應(yīng)的余熱回收WHR聯(lián)合機(jī)組，通過搭建試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行聯(lián)合機(jī)組的帶載運(yùn)行試驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下：

(1)本次試驗(yàn)完整實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的試驗(yàn)規(guī)程，試驗(yàn)臺(tái)負(fù)載全部成功投入。汽輪機(jī)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)率不超過0.5%，單獨(dú)加載105 kW瞬時(shí)調(diào)速率不超過1.5%，滿足船用汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

(2)汽輪機(jī)和動(dòng)力渦輪既要避開各自轉(zhuǎn)子軸系的臨界轉(zhuǎn)速，也要注意對(duì)整體機(jī)架的共振影響。

(3)動(dòng)力渦輪切入和耦合不是一瞬間完成，從轉(zhuǎn)速開始達(dá)到嚙合轉(zhuǎn)速到實(shí)現(xiàn)軸系耦合存在一個(gè)過渡過程，且試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)耦合運(yùn)行時(shí)動(dòng)力渦輪轉(zhuǎn)速高于理論嚙合轉(zhuǎn)速。

(4)從試驗(yàn)來看，動(dòng)力渦輪無需針對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，耦合后原則上可以按照余熱應(yīng)發(fā)盡發(fā)，聯(lián)合機(jī)組轉(zhuǎn)速由汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥維持。

(5)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)加減載轉(zhuǎn)速瞬態(tài)波動(dòng)不超過2.7%，穩(wěn)態(tài)波動(dòng)不超過0.55%，滿足船級(jí)社要求。

(6)動(dòng)力渦輪嚙合、載荷分配、聯(lián)合加載時(shí)軸振軸位移等有所增加，但并不顯著，對(duì)機(jī)械安全影響不大。軸承溫度隨著負(fù)載穩(wěn)定后基本不再變化。

本項(xiàng)目開發(fā)的WHR聯(lián)合機(jī)組，經(jīng)過多種工況試驗(yàn)檢驗(yàn)了聯(lián)合機(jī)組的控制策略和操作規(guī)程，深化了對(duì)動(dòng)力渦輪嚙合/退出特性的掌握，相關(guān)結(jié)論和經(jīng)驗(yàn)有助于船舶主機(jī)綜合余熱回收系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)。