顏建軍，顧杰

(啟東中遠(yuǎn)海運(yùn)海洋工程有限公司,江蘇 啟東 226200)

船用發(fā)電機(jī)的輸出功率約為燃油總能量的50%，排煙的熱量占了約25%，若排煙所擁有的熱能得到有效的回收利用，將對降低燃油消耗及減少排放產(chǎn)生積極影響和推進(jìn)。廢熱回收系統(tǒng)的設(shè)備成本較高，當(dāng)船舶主機(jī)或者船舶發(fā)電機(jī)達(dá)到約18 000 kW的情況下能才產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)型。目前廢熱回收系統(tǒng)在商船上面應(yīng)用較多，海工船舶由于其系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特殊性，艙室布置的空間性等應(yīng)用相對較少，但考慮到海工船舶使用的燃油幾乎全部為輕油或LNG等新型燃料，成本較高且廢熱系統(tǒng)的愈加成熟，一套廢熱回收系統(tǒng)的輸出功率完全可以取代輔助發(fā)電機(jī)或減少主發(fā)電機(jī)的油耗，為降低排放，降低船東運(yùn)行成本提供一個(gè)可選方案。

1 主動(dòng)力設(shè)備及相關(guān)參數(shù)

該項(xiàng)目配置有4臺(tái)雙燃料發(fā)電機(jī)作為主發(fā)電機(jī)，主發(fā)電機(jī)的參數(shù)見表1。

表1 雙燃料發(fā)電機(jī)參數(shù)相關(guān)參數(shù)

根據(jù)主發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)廠家的相關(guān)參數(shù)信息，不同燃料，不同負(fù)載下原動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷信息見表2。

表2 雙燃料發(fā)電機(jī)柴油及燃?xì)饽Ｊ较聼嶝?fù)荷計(jì)算

該項(xiàng)目雙燃料發(fā)電機(jī)排煙量較大，排煙溫度較高且高溫水側(cè)的散熱量較大，基于此種情況，配置了排煙廢熱回收系統(tǒng)[1]。

2 雙燃料發(fā)電機(jī)排煙廢熱回收設(shè)備選型及實(shí)例解析

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

根據(jù)規(guī)范及動(dòng)力定位船舶的相關(guān)要求，當(dāng)所有的4臺(tái)主發(fā)電機(jī)排煙都經(jīng)過廢氣經(jīng)濟(jì)器，廢氣經(jīng)濟(jì)器必須裝有旁通管路，當(dāng)經(jīng)濟(jì)器需要定期維修保養(yǎng)時(shí)即可關(guān)閉經(jīng)濟(jì)器管路，走旁通管路，即主閥門和旁通閥門不可同時(shí)關(guān)閉也不可同時(shí)打開，連鎖設(shè)計(jì)[2]。雙燃料發(fā)電機(jī)的負(fù)荷對于排煙量及排煙溫度有較大影響，從而影響到經(jīng)濟(jì)器所產(chǎn)生的蒸汽量，而蒸汽量的變化亦會(huì)對透平機(jī)輸出功率產(chǎn)生影響。由于經(jīng)濟(jì)器的輔助系統(tǒng)亦有相關(guān)功率消耗，若發(fā)電機(jī)低負(fù)荷，經(jīng)濟(jì)器產(chǎn)生的蒸汽量較小，透平發(fā)電機(jī)所輸出的功率尚不足以供給其輔助系統(tǒng)的運(yùn)行，所以出于船舶經(jīng)濟(jì)性的考慮，則該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意主發(fā)電機(jī)的負(fù)荷與經(jīng)濟(jì)器之間的連鎖，例如,當(dāng)發(fā)電機(jī)的負(fù)荷達(dá)到25%以上時(shí)，經(jīng)濟(jì)器及透平發(fā)電機(jī)才可啟動(dòng)運(yùn)行[3]。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理說明及設(shè)備選型

輔助蒸汽系統(tǒng)主要用于生活區(qū)熱水加熱，空調(diào)加熱及相關(guān)油艙的加熱等系統(tǒng)，排煙廢熱回收系統(tǒng)所產(chǎn)生過熱蒸汽來驅(qū)動(dòng)透平發(fā)電機(jī)，對全船的電網(wǎng)進(jìn)行供電，同時(shí)所產(chǎn)生的飽和蒸汽也提供給上述系統(tǒng)加熱使用，主系統(tǒng)設(shè)計(jì)管線圖見圖1。

圖1 廢熱回收系統(tǒng)原理

主發(fā)電機(jī)排煙廢氣經(jīng)過經(jīng)濟(jì)器所釋放的熱量主要是用來產(chǎn)生過熱蒸汽及飽和蒸汽，此排煙廢氣熱量的輸出初始計(jì)算依據(jù)是圖1的數(shù)據(jù)及如下熱力學(xué)[4]公式。

Q=Cp·qm·ΔT

(1)

式中：Q為熱量的變化，kJ/min；qm為排煙廢氣的質(zhì)量流量，kg/min；Cp為廢氣的比定壓熱容，(kJ/kg·K)；ΔT為廢氣進(jìn)經(jīng)濟(jì)器和出經(jīng)濟(jì)器時(shí)的溫差，K。備注：經(jīng)濟(jì)器出口處廢氣的溫度由經(jīng)濟(jì)器廠家計(jì)算提供。

由式(1)可以計(jì)算出排煙廢熱所釋放的熱量，根據(jù)透平發(fā)電機(jī)的過熱蒸汽的恒定工作壓力，結(jié)合式(2)計(jì)算主發(fā)電機(jī)不同負(fù)荷下所產(chǎn)生的過熱蒸汽量和溫度。

Y=-34.819X4+98.568X3-99.607X2+

44.062X-4.504 3

(2)

式中：Y為單臺(tái)廢熱經(jīng)濟(jì)器所產(chǎn)生的過熱蒸汽量，t/h；X為單臺(tái)雙燃料發(fā)電機(jī)的負(fù)荷。

計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 過熱蒸汽與主發(fā)電機(jī)負(fù)荷關(guān)系

根據(jù)實(shí)船操作情況及設(shè)計(jì)工況分析，列舉以下船舶正常運(yùn)行時(shí)主發(fā)電機(jī)的功率及發(fā)電機(jī)在線的狀態(tài)用以計(jì)算透平機(jī)發(fā)電機(jī)的輸出功率。

由表4數(shù)據(jù)換算出船舶在正常營運(yùn)過程中，當(dāng)把各種工況下主發(fā)電機(jī)在線的狀態(tài)折合成4臺(tái)主發(fā)電機(jī)長期在線時(shí)的狀態(tài)，根據(jù)該設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算，則平均每臺(tái)機(jī)的負(fù)荷約為35%，在同時(shí)保證系統(tǒng)恒定壓力6.3 bar的情況下，根據(jù)公式(2)計(jì)算可得出該狀態(tài)下產(chǎn)生的過熱蒸汽量為9.6 t/h，過熱蒸汽的溫度為303 ℃，此時(shí)蒸汽的熱力學(xué)焓值為3 064.99 kJ/kg(根據(jù)工程熱力學(xué)焓熵表所得)，根據(jù)以下熱力學(xué)公式。

表4 主發(fā)電機(jī)運(yùn)行負(fù)載

ms=3 600·P/he

(3)

式中：ms為蒸汽量，kg/h；P為蒸汽吸收熱量，kW；he為熱力學(xué)焓，kJ/kg。

計(jì)算出蒸汽此時(shí)具有的熱量為8 173.3 kW,根據(jù)透平發(fā)電機(jī)廠家所提供的主發(fā)電機(jī)負(fù)荷與透平發(fā)電機(jī)輸出功率的如下計(jì)算公式。

W=-9 493.3V4+29 429V3-

33 583V2+16 673V-1 426

(4)

式中：W為透平發(fā)電機(jī)輸出功率，kW；V為4臺(tái)主發(fā)電機(jī)的平均負(fù)荷。

通過式(4)可以計(jì)算出，此時(shí)透平機(jī)發(fā)電機(jī)的輸出功率約為1 405 kW，此狀態(tài)能下電能回收占到17.2%(η=1405/8 173.3)，根據(jù)式(4)繪制出雙燃料發(fā)電機(jī)與透平發(fā)電機(jī)輸出功率關(guān)系圖，見圖2。

圖2 雙燃料發(fā)電機(jī)負(fù)荷與透平發(fā)電機(jī)輸出功率關(guān)系

在以上所述主發(fā)電機(jī)的負(fù)荷狀態(tài)下，根據(jù)經(jīng)濟(jì)器廠家所提供的如下計(jì)算公式可以得出飽和蒸汽量。

Q=-87.06V4+224.48V3-

195.24V+68.629V-6.501 9

(5)

式中：Q為4臺(tái)機(jī)同時(shí)在線時(shí)所產(chǎn)生的飽和蒸汽量，t/h；V為4臺(tái)主發(fā)電機(jī)的平均負(fù)荷。

根據(jù)式(5)計(jì)算出飽和蒸汽量約為1.92 t/h。該項(xiàng)目飽和蒸汽系統(tǒng)主要用于空調(diào)加熱系統(tǒng)及生活區(qū)熱水供應(yīng)系統(tǒng)，通過計(jì)算空調(diào)加熱系統(tǒng)所需要的蒸汽量約為5.4 t/h,生活區(qū)熱水加熱所需要的蒸汽量約為1.2 t/h，由此可見，在夏季時(shí)令，空調(diào)加熱系統(tǒng)無需運(yùn)行的狀況下，每臺(tái)主發(fā)電機(jī)在35%的負(fù)荷時(shí)所產(chǎn)生的飽和蒸汽量在不使用燃油鍋爐的狀態(tài)下完全能滿足生活區(qū)熱水系統(tǒng)熱量需求。根據(jù)式(5)繪制出主發(fā)電機(jī)負(fù)荷與經(jīng)濟(jì)器飽和蒸汽量關(guān)系圖表，見圖3。

圖3 雙燃料發(fā)電機(jī)負(fù)荷與經(jīng)濟(jì)器飽和蒸汽量關(guān)系

結(jié)合圖2得出當(dāng)主發(fā)電機(jī)的負(fù)荷達(dá)到50%及以上時(shí)，透平發(fā)電機(jī)的輸出功率隨主發(fā)電機(jī)負(fù)荷的變化較小，根據(jù)式(4)計(jì)算可以得出在主發(fā)電機(jī)負(fù)荷在50%的時(shí)候，此時(shí)透平發(fā)電機(jī)的輸出功率約為1 600 kW。根據(jù)圖3明確出，在主發(fā)電機(jī)的負(fù)荷達(dá)到60%及以上時(shí)，所產(chǎn)生的飽和蒸汽量與發(fā)電機(jī)的負(fù)荷幾乎成正比增長，而在主發(fā)電機(jī)50%負(fù)荷以下時(shí)，所產(chǎn)生的飽和蒸汽量隨主發(fā)電機(jī)負(fù)荷的變化較小，但此時(shí)所產(chǎn)生的飽和蒸汽量亦能滿足夏季時(shí)令下生活區(qū)熱水系統(tǒng)的熱量需求。當(dāng)透平發(fā)電機(jī)不在網(wǎng)時(shí)，由于過熱蒸汽量的需求降低，則此時(shí)所產(chǎn)生的飽和蒸汽量會(huì)有顯著提高，足以滿足通風(fēng)系統(tǒng)，生活區(qū)熱水，油艙等其他輔助系統(tǒng)的加熱。

2.3 系統(tǒng)實(shí)船應(yīng)用分析

根據(jù)上述及結(jié)合透平發(fā)電機(jī)及經(jīng)濟(jì)器廠家的成熟產(chǎn)品，選擇了以下產(chǎn)品作為該項(xiàng)目廢熱回收系統(tǒng)主組成設(shè)備。

1)蒸汽透平。三菱/AT42CLN3。

2)透平發(fā)電機(jī)。2 000 kVA/現(xiàn)代/HFJ7 636-04P。

3)廢氣經(jīng)濟(jì)器。歐寶/XW-TG。

上述計(jì)算分析基于雙燃料發(fā)電機(jī)燃?xì)饽Ｊ较仑?fù)載所得，若在船舶長期處于動(dòng)力定位狀態(tài)下，主發(fā)電機(jī)的負(fù)荷會(huì)超過以上所述負(fù)荷的要求，燃?xì)饽Ｊ较掠捎谔烊粴獾臒嶂蹈哂谌加?，所以在同等?fù)荷下經(jīng)濟(jì)器所產(chǎn)生的蒸汽量較多，透平發(fā)電機(jī)所輸出的電功率會(huì)較大，表5為透平發(fā)電機(jī)負(fù)載試驗(yàn)時(shí)的實(shí)船數(shù)據(jù)記錄。

表5 不同介質(zhì)不同負(fù)荷下透平發(fā)電機(jī)的輸出功率

由表5可見，當(dāng)主發(fā)電機(jī)在燃?xì)饽Ｊ角邑?fù)荷在25%的狀態(tài)下，透平發(fā)電機(jī)的輸出功率約為1 496 kW，根據(jù)廠家理論計(jì)算，當(dāng)主發(fā)電機(jī)在該狀態(tài)時(shí)透平機(jī)ISO模式下的輸出功率為1 247 kW(見表6)，由此可見，廢氣經(jīng)濟(jì)器在燃?xì)饽Ｊ较庐a(chǎn)生的蒸汽量遠(yuǎn)超理論計(jì)算值，透平發(fā)電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用效率超過預(yù)想情況。

表6 主發(fā)電機(jī)燃?xì)饽Ｊ讲煌?fù)荷下透平機(jī)輸出功率預(yù)測

由實(shí)驗(yàn)所測數(shù)據(jù)分析可見，當(dāng)3臺(tái)主發(fā)電機(jī)燃?xì)饽Ｊ皆诰€時(shí)，當(dāng)每臺(tái)主發(fā)電機(jī)的平均負(fù)荷達(dá)到65%時(shí)，則此時(shí)透平機(jī)發(fā)電機(jī)已經(jīng)可以滿功率輸出，而此種工況是該船舶在動(dòng)力定位時(shí)的常規(guī)工況，由此可見，以上計(jì)算所得的透平機(jī)發(fā)電機(jī)的選型比較切合該項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)用。

2.4 經(jīng)濟(jì)性分析

透平機(jī)輔助設(shè)備所消耗的功率約200 kW，則透平機(jī)能給主電網(wǎng)提供的功率達(dá)到1 400 kW，同時(shí)也可產(chǎn)生約2 t/h的飽和蒸汽。按照廠家資料主發(fā)電機(jī)的燃油消耗量185 g/(kW·h)，燃油鍋爐的每噸蒸汽燃油消耗量約70 kg計(jì)算，每天可以節(jié)省柴油約8.688 t，根據(jù)全球海上風(fēng)電市場分析，風(fēng)電安裝船平均每年250 d的運(yùn)行時(shí)間計(jì)算，則平均每年可以減少約2 172 t柴油消耗，按照國際柴油價(jià)格約400美元/t計(jì)算，每年節(jié)省成本約86.88萬美元，該系統(tǒng)的一次性投資約為300萬美元，計(jì)算設(shè)備維護(hù)的成本，4年即可收回投資成本，在減少燃油消耗的同時(shí)亦減少了排放，對環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生了積極的影響[5]。

3 結(jié)論

該大型風(fēng)電安裝船不僅配置有主發(fā)電機(jī)排煙廢熱回收系統(tǒng)，還有主發(fā)電機(jī)缸套水廢熱回收系統(tǒng)，LNG冷量回收系統(tǒng)等創(chuàng)新設(shè)計(jì)。由于此類大型海工工程船在作業(yè)時(shí)，動(dòng)力定位時(shí)長會(huì)遠(yuǎn)超其航行的時(shí)間，則此系統(tǒng)在該類項(xiàng)目上的應(yīng)用可降低船東的運(yùn)行成本同時(shí)降低排放，該系統(tǒng)也有以下缺陷：①設(shè)備較多，船舶空間限制；②系統(tǒng)復(fù)雜，系統(tǒng)維護(hù)成本較高；③初期投資成本較大等。以上論證是基于ISO環(huán)境及燃?xì)饽Ｊ剑舸伴L期在寒冷的天氣及燃油模式下作業(yè)，透平發(fā)電機(jī)的發(fā)電量會(huì)減少，上述提到的燃油消耗量的降低及排放量的減少可能不能達(dá)到預(yù)期效果，在船舶初期設(shè)計(jì)階段需要做好充分的經(jīng)濟(jì)性評估及船舶空間的合理布局。