現代船舶柴油機動力系統的余熱利用新方法

大連海事大學輪機工程學院 李 斌

現代船舶柴油機動力系統的余熱利用新方法

大連海事大學輪機工程學院 李 斌

柴油機的廢氣能量利用一直是船舶動力系統節能的重要方面，介紹一種新型的余熱利用方法，并分析該系統的工作特點，計算該系統的回報及收益情況，提出在主機/船舶操作的可靠性與安全性不被影響的情況下，安裝該系統可以提高動力裝置的總體效率并獲得更低的二氧化碳排放。

余熱利用；船舶柴油機；動力系統；熱效率系統

一、引 言

柴油機動力系統的余熱主要由下面的幾部分組成：第一部分為柴油機排氣中所帶有的熱量，大約占總的廢熱的一半，同時也占總的燃油燃燒釋放能量的25%；第二部分為柴油機冷卻水帶走的熱量，對于現代的船舶動力裝置，它通常分為高溫淡水和低溫淡水兩個系統，高溫淡水的溫度通常可達90～95℃，而低溫淡水的溫度為50～70 ℃；第三部分熱量為增壓空氣的熱量，現在增壓器壓比已達到3.5以上，壓氣機出口處的溫度可達180～220 ℃，而為了增加進氣空氣的密度和降低柴油機工作循環的平均溫度，必須對增壓空氣進行冷卻；其他的廢熱主要包括潤滑油帶走的熱量和一些輻射散熱。

在柴油機動力系統的廢熱中，各種廢熱的溫度不同，可利用的價值也不同。柴油機的廢氣中帶有的熱量數量大，品質好，是最有利用價值的能量。目前通常的方法是將其部分用于驅動動力渦輪，使之盡可能地轉化成有效功，用于帶動發電機或將這部分機械功輸回到柴油機的曲軸；另外就是用來加熱一個廢氣鍋爐，使之產生蒸汽用于各處加熱。現代船舶柴油機的排氣溫度由于燃燒效率的提高而有所降低，已不再像以前那樣受到重視，但如何真正利用好這部分能量，從而降低油耗和CO2排放，仍然具有重要的意義。MAN B&W提出了一種新型的解決方案——熱效率系統（TES）。

二、系統的概念和組成

目前普遍使用的高效型柴油機渦輪后的廢氣溫度相對較低，僅夠供廢氣鍋爐產生蒸汽。新的解決方案是通過使用廢氣旁通裝置，對主機廢氣中的熱量進行重新配置，使其從大量/低溫變成少量/高溫，來提高廢氣的利用效果，雖然可能會對主機本身的效率略有影響，但可以提高整個系統的綜合效率，這樣的系統被稱為熱效率系統。

熱效率系統包括一個廢氣鍋爐、一臺蒸汽渦輪、一臺動力渦輪和一臺用于發電的普通發電機。這兩臺渦輪機和發電機在同一個底座上，如圖1所示。動力渦輪由從廢氣渦輪增壓器旁通的那一部分廢氣驅動。動力渦輪發出的功率產生電力，發電量多少取決于廢氣旁通量。

當一部分廢氣從廢氣渦輪增壓器旁通時，進入主機的空氣和從主機排出的廢氣總量會減少，由于柴油機缸內燃燒空氣量的減少，會使得各缸排氣溫度升高，以及廢氣渦輪增壓器和動力渦輪后廢氣溫度升高，并相應地提高廢氣鍋爐的蒸汽產量。當主機負荷低于最大持續功率的50%時，由于廢氣旁通閥關閉，使得主機在低于最大持續功率的50%工作時，廢氣溫度有所降低。

動力渦輪的輸出功率通過一個帶超速離合器的減速齒輪傳遞到蒸汽渦輪，并由動力渦輪和蒸汽渦輪共同驅動一臺發電機，超速離合器用于當發電機脫開時防止動力渦輪超速。熱效率系統的電量輸出可以減少船上其他發電裝置電量輸出，從而降低船舶總的燃油消耗量，提高船舶營運的經濟性，降低油耗和CO2排放。除此之外，還可以選擇由主機輸出軸帶動軸帶發電機。

圖1 熱效率系統的工作原理

熱效率系統的發電量與船舶電力負載的平衡可以通過控制蒸汽渦輪的蒸汽量來實現，如果系統的發電量大于負載需求，可以通過調速器調節單向節流閥，減少進入高壓蒸汽渦輪的過熱蒸汽量，也就是剩余的蒸汽會通過一個泄放冷凝器來釋放；而系統的發電量不能滿足負載需求時，這個發電機可以與柴油發電機并聯工作，并通過調速器的調節正確分配負載。

三、系統的收益及回報

在主機/船舶操作的可靠性與安全性不被影響的情況下，安裝熱效率系統可以提高動力裝置的總體效率并獲得更低的CO2排放。以MAN B＆W 12K98ME/MC主機（pMEP＝1 820kPa）為例，安裝熱效率系統前后柴油機的熱平衡情況如圖2所示。

圖2 安裝熱效率系統前后12K98ME/MC柴油機的熱平衡情況

當主機在最大持續功率運行時，通向廢氣旁通通道流過動力渦輪的廢氣量大約占總廢氣量的12%。進入動力渦輪的廢氣發出的功率最多可達到柴油機最大持續功率的4.6%。當主機在低于50%最大功率工作時，旁通閥截止，動力渦輪不工作；當主機在高于50%最大功率運轉時，動力渦輪發出的功率大約同主機的負荷成平方關系。12K98ME/MC型主機的動力渦輪最大可用輸出功率與主機負荷的函數關系如圖3所示。

熱效率系統的回報時間很大程度上取決于船舶主機的運轉工況（主機負荷以及周圍溫度）和主機的尺度。例如在熱帶環境條件下運行，熱效率系統的發電量高于在ISO標準環境中運行，而在ISO標準環境中運行，系統的輸出又會比在冬季環境中運行高很多。另一方面，主機越大，熱效率系統裝置越龐大，其單位輸出功率需要的投資則相對越少。

圖3 動力渦輪最大可用輸出功率與主機負荷的函數關系

以標準的12K98ME/MC主機為例，基于以下主機運行情況：85%最大持續功率為58 344 kW，每年運行280天，燃油消耗率為0.00017 t/（kW·h），燃油價格為每噸160美元（注：2005年價格）。那么標準的12K98ME/MC主機每年的燃油費用如下：

燃油費用=280天/年×24 h/天×0.000 17 t/（kW·h）×58 344 kW×160美元/t≈10 664 000美元/年

安裝熱效率系統所增加的功率如果轉換成節省燃油消耗量的話，那么有以下計算：

其中，0.086是在85%最大持續功率下TES系統的收益率，即TES系統獲得的電功率占總燃油消耗的8.6%。就12K98ME/MC主機來說，回報時間大約為5年。圖4為估算出的熱效率系統裝置的回報時間與主機的尺度之間的函數關系。

圖4 熱效率系統的回報時間與主機尺度的關系

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