船舶主機余熱利用技術探究

孫長江，張金釗

（1.海軍駐大連船舶重工集團有限公司軍事代表室，大連 116000；2.中國船舶重工集團公司第七〇四研究所，上海 200031）

船舶主機余熱利用技術探究

孫長江1，張金釗2

（1.海軍駐大連船舶重工集團有限公司軍事代表室，大連 116000；2.中國船舶重工集團公司第七〇四研究所，上海 200031）

闡述了船舶余熱利用必要性，并通過介紹船舶主機余熱回收利用的主要技術手段，結合MAN公司大功率低速船用柴油機加裝余熱利用裝置的經(jīng)濟性分析，探究我國船舶主機余熱回收利用的可行性。

船舶主機；余熱利用；經(jīng)濟性分析

0 引言

能源問題已經(jīng)成為經(jīng)濟發(fā)展中一個非常重要問題。船舶作為能源消耗量巨大的運輸工具，較高的能耗一方面使船舶運行成本增加，另一方面也造成了嚴重的環(huán)境問題。因此，如何有效降低船舶能耗是一個現(xiàn)實而又重大的課題。國際海事組織IMO已將新船能效設計指數(shù)（Energy Efficiency Design Index，EEDI）作為考核船舶運行能耗高低的一個指標。船舶主機低效率運行，除了將面對高額的燃料費用外，還將支付額外的罰金，以補償對環(huán)境的破壞。

船舶直接耗用燃料的設備是船舶主機、輔機以及輔助鍋爐。其中，主機所耗能量占總輸入能量的70%～90%。因此，占船舶耗能絕大部分的主機，其能量利用效率將是影響船舶能效的關鍵因素。提高船舶主機熱效率最本質的方法就是提高發(fā)動機燃燒溫度，但是隨著燃燒溫度的升高將大大增大船舶NOx等有害物的排放量，因此單純采用提高發(fā)動機燃燒溫度來提高熱效率是不可行的。為了提升船舶航運的經(jīng)濟性指標并滿足相應的環(huán)境指標要求，必須另辟新徑。船舶主機余熱大約占燃燒總能量的50%，若充分利用這部分余熱，將明顯降低船舶總燃油消耗，同時也不會增加船舶NOx等有害物質排放，達到節(jié)能和減排雙贏的效果，將具有極大的理論研究價值和實際應用前景[1,2]。

1 船舶柴油機余熱利用研究思路

船舶上加裝余熱回收裝置，就是將船舶上本來浪費掉的熱量集中起來再利用做功，這需要通過不同的熱力設備才能夠實現(xiàn)。在系統(tǒng)設計的過程當中，需要分別對各個熱力設備進行設計，得到有效合理的余熱利用方案。詳細的設計流程大致可以按下列步驟展開：

1）熱力學理論的研究。熱力學理論研究就是運用熱力學與傳熱學等相關的理論對余熱利用系統(tǒng)進行熱力分析，不斷地進行優(yōu)化以選取最合適的參數(shù)。最終達到余熱源熱力參數(shù)與余熱系統(tǒng)各熱力設備結構設計參數(shù)的一種最優(yōu)匹配，為之后的余熱系統(tǒng)計算機仿真研究和試驗研究提供必要的理論支撐。

2）計算模擬仿真研究。計算機仿真研究就是結合熱力學理論分析和相應的熱力學計算，建立余熱回收設備的計算機仿真模型。利用計算機軟件去模擬實際的運行工況和外界環(huán)境，對預熱系統(tǒng)進行仿真計算。通過對仿真模型的改進和優(yōu)化，設計出不同側重點的新模型，為之后的試驗研究提供有效的支撐和參考。計算機輔助設計大大地節(jié)省了研究的周期和經(jīng)費，同時也減少試驗研究階段的工作量，是一種非常有效的設計手段。

3）試驗研究。對系統(tǒng)進行試驗研究，就是通過理論分析并結合工程實際，設計合理的試驗步驟，搭建試驗臺架，進行系統(tǒng)的聯(lián)調試驗，模擬系統(tǒng)的實際運行過程。通過調節(jié)試驗裝置，進行不同工況的分析模擬，分別得到每個設備實際運行中的數(shù)據(jù)參數(shù)。通過對試驗參數(shù)的比較分析，既可以對理論計算進行驗證，還能對數(shù)值仿真的結果進行驗證。試驗階段是產(chǎn)品設計的必須步驟，可以為理論設計以及之后的實際生產(chǎn)提供最有力的參考。

4）熱經(jīng)濟性分析研究。熱經(jīng)濟性分析研究就是結合相關的試驗數(shù)據(jù)，通過理論分析并加以計算機輔助計算，對余熱利用系統(tǒng)的不同設計方案進行熱經(jīng)濟性的分析。通過對不同設計方案進行比對研究，得出最優(yōu)化的經(jīng)濟型方案，與此同時，考慮相應的工程實際，設計出滿足不同需要的建造方案并提供報價，保證產(chǎn)品的經(jīng)濟性[2]。

2 船舶主機余熱利用主要技術手段

2.1 動力渦輪余熱回收技術

動力渦輪回收船舶主機余熱的裝置，是區(qū)別于渦輪增壓器中的廢氣渦輪的一種裝置。動力渦輪是從主機排氣中直接旁通部分流量（一般為10%左右），推動渦輪轉動產(chǎn)生軸功，帶動發(fā)電機發(fā)電用以保證船舶電力供應或者直接輸出。同時，動力渦輪輸出的軸功也可以通過軸系傳動裝置與蒸汽輪機相連共同對外輸出有用功。船舶主機加裝動力渦輪后需要重新調制和匹配渦輪增壓器，一般情況下當主機高工況運行時，排氣旁通閥打開，排氣分成兩股不同大小的流量分別流經(jīng)增壓器渦輪以及動力渦輪。當主機處于低工況時，排氣具有的能量不高，將關閉排氣旁通閥，只利用渦輪增壓器做功，不再通過動力渦輪。圖1為ABB公司設計的加裝動力渦輪的余熱利用系統(tǒng)示意圖。

圖1 ABB公司加裝動力渦輪的余熱利用系統(tǒng)

2.2 余熱鍋爐余熱回收技術

余熱鍋爐余熱回收技術，是利用余熱鍋爐回收主機排氣的余熱，將鍋爐中的熱水加熱成為過熱蒸汽，通入蒸汽輪機當中推動發(fā)電機發(fā)電，實現(xiàn)在不消耗主機發(fā)出的有用功的基礎上，為船舶提供電力供應和蒸汽供應。當船舶低工況運行時，余熱鍋爐產(chǎn)生的電量不能提供足夠的電力供應，就需要借助其他的技術手段予以補充，此時余熱鍋爐只為船舶提供必要的蒸汽。圖2為W?rtsil?公司開發(fā)的帶余熱鍋爐的余熱回收系統(tǒng)示意圖。

圖2 W?rtsil?公司帶余熱鍋爐的余熱利用系統(tǒng)

2.3 蒸汽輪機余熱回收技術

利用蒸汽輪機來實現(xiàn)余熱回收的技術，即通過蒸汽輪機裝置吸收船舶余熱鍋爐出口的過熱蒸汽，推動蒸汽輪機運轉對外輸出軸功帶動發(fā)電機發(fā)電，保證船舶上的電力供應。當主機高工況運行時，蒸汽量較大，蒸汽輪機可以通過軸系裝置與動力渦輪連接共同帶動發(fā)電機發(fā)電，可以減少船上大型發(fā)電機的布置數(shù)量，大大節(jié)省成本。當主機運行工況較低時，產(chǎn)生蒸汽量小，需要配合使用小型發(fā)電機來進行電力補充，以滿足船上供電要求。圖3為德國MAN公司開發(fā)的蒸汽輪機-動力渦輪聯(lián)合余熱回收系統(tǒng)。

圖3 MAN公司余熱利用系統(tǒng)ST-PT系統(tǒng)

2.4 有機朗肯循環(huán)余熱回收技術

有機朗肯循環(huán)余熱回收技術，就是基于朗肯循環(huán)的相關原理，利用余熱回收系統(tǒng)中的蒸發(fā)器吸收船舶主機運行時產(chǎn)生的余熱。將有機工質加熱到過熱蒸汽狀態(tài)，過熱蒸汽進入有機工質汽輪機中推動汽輪機做功并帶動發(fā)電機發(fā)電。汽輪機出口的低壓蒸汽通過海水冷卻凝結成過冷液體。經(jīng)過工質泵抽取加壓，再次輸送到蒸發(fā)器中蒸發(fā)，形成一個循環(huán)的回路，實現(xiàn)了從余熱能量到電能的轉化，可以為船舶用電提供支持。圖4為日本三菱公司開發(fā)的有機朗肯循環(huán)余熱利用系統(tǒng)示意圖[3,4]。

圖4 三菱公司有機朗肯循環(huán)余熱利用系統(tǒng)

3 船用主機余熱利用經(jīng)濟性分析

目前，最先進的船用二沖程柴油機主機擁有所有熱機中最高的效率，其熱效率僅在 50%左右，仍然有一半的燃燒能量沒有被利用，廢熱隨廢氣和冷卻水排入環(huán)境，既造成了污染，又浪費了大量的能量。目前由于廢氣渦輪增壓器效率的提高，船用主機廢氣中的能量除了供渦輪增壓器使用外，還有大量剩余。圖5為MAN 12K98ME/MC型船用柴油機主機的能量利用圖，此款主機只將49.3%的燃料能量轉變?yōu)橛杏霉Γ溆?0.7%的能量沒有被主機利用，最終作為廢熱以各種形式排入大氣環(huán)境。

圖5 12K98ME/MC型主機能量利用圖

船舶為了維持正常運行，需要配置輔助柴油機和輔助鍋爐，同樣要消耗燃料以提供足夠的電力和蒸汽。顯然，如果能夠利用主機余熱（即廢氣熱量和冷卻水的熱量）進行發(fā)電或作為輔助設備熱源提供蒸汽，則可以替代部分輔機和輔助鍋爐，減少輔助設備數(shù)量的同時達到節(jié)能減排效果。

據(jù)研究，當主機功率在15000kW以上時，采用適當?shù)募夹g和設備，充分回收其排氣及冷卻水余熱用于發(fā)電及輔助設備供熱，余熱發(fā)電量可滿足全船航行用電要求。著名船用主機廠商 W?rtsil?公司在其12RT-flex96C型柴油機主機(MCR：68640kW)，在85%負荷運行時(58344kW)上加裝余熱回收裝置，可發(fā)出6650kW的電力(發(fā)電機效率95%)。由此可見，選擇和設計合理的余熱利用系統(tǒng)，是有效利用主柴油機余熱，解決航行所需電量、熱源的重要途徑。表1為W?rtsil?公司12RT-flex96C型柴油機主機使用余熱利用系統(tǒng)前后的熱平衡比較。

表1 12RT-flex96C主機加裝余熱利用系統(tǒng)前后熱平衡對比

從表中可見，采用余熱利用系統(tǒng)以后，雖然軸功率減少了 0.3%，但余熱利用系統(tǒng)發(fā)出了占燃料總能5.9%的電能，整個動力裝置(柴油機加上余熱利用系統(tǒng))的能量利用效率從49.3%提高到54.9%，整體的能量利用效率有顯著地提升。因此，船舶主機余熱利用系統(tǒng)將大大提高船舶能量利用效率。據(jù)W?rtsil?和MAN等公司估算，在油價為450美元/噸時，不到4年時間就可全部回收余熱利用系統(tǒng)的投資，而且隨著油價的上升，投資回收期急劇縮短，圖6為根據(jù)MAN公司設計的余熱利用方案計算的投資回收年限與油價的關系。

圖6 不同燃油價格下資金回收期

余熱利用系統(tǒng)的投資回收年限還和船舶主機的功率有很大關系，功率越大，可回收的能量也越多。圖7為MAN公司給出的油價在每噸160美元時，余熱利用系統(tǒng)投資回收期與主機運行功率的關系。

圖7 投資回收期與船舶主機運行功率的關系

由圖6看出，隨著油價的上漲，余熱回收裝置投資回報的周期會不斷縮短。但是油價在長期內一定是波動的，由圖7可以看出，當油價相對較低時，余熱回收裝置的投資回報期與主機運行功率也存在著對應的關系。所以，對于船舶主機加裝余熱回收裝置，存在著一定的投資回報率對應關系，可以保證余熱回收裝置的經(jīng)濟性[1,4,5]。

4 結論

綜上可知，船舶主機余熱利用系統(tǒng)可充分利用主機運行過程中產(chǎn)生的余熱，大大提高了主機的能量利用效率并降低排放，是一種先進的船舶節(jié)能措施。在能源資源日益緊張、航運成本逐漸增長的今天，綜合利用好船上的各類能量，提高船舶的能量利用效率，不僅可以節(jié)省航運成本，而且能夠降低主機污染物排放。

因此，船舶主機余熱回收是一個具有理論研究價值和實際應用前景的新興領域。我國相關生產(chǎn)廠家及科研單位應當通過自主研發(fā)和創(chuàng)新，打破國外技術壟斷，逐步展示我國船用柴油機余熱回收產(chǎn)業(yè)的技術實力，提升我國船舶能效設計指數(shù)制定規(guī)則在國際上的話語權，為我國船用配套產(chǎn)業(yè)升級、結構調整作出示范，帶動我國整個船舶動力余熱利用行業(yè)的良性發(fā)展。

[1]Waste Heat Recovery System for Reduction of Fuel Comsumption,Emissions and EEDI[OL].www.mandieselturbo.com.

[2]陳秋成.船舶動力裝置的余熱利用分析[J].中國水運,2010(10):112-114.

[3]彭斌.船舶節(jié)能技術綜述[J].艦船科學技術,2005(S1):6-9.

[4]趙欽新,王宇峰,等.我國余熱利用現(xiàn)狀與技術發(fā)展[J].工業(yè)鍋爐,2009(5):8-15.

[5]吳安民,周偉中.船舶柴油機余熱利用技術研究[J].柴油機,2012,34(5):46-49.

Research on Marine Main Engine Waste Heat Recovery

SUN Chang-jiang1,ZHANG Jin-zhao2
(1.Naval Military Representative Office in Dalian Shipbuilding Industry Co.Ltd.,Dalian 116000,China;2.Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031,China)

This paper expounds the importance of marine main engine waste heat recovery and introduces the main technology of WHR.By making economic analysis for the MAN’s high-power low-speed Marine main engine with WHR equipment,the feasibility of main engine with WHR in our country is explored.

marine main engine; waste heat recovery; economic analysis

X706

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.05.005

孫長江（1979-），男，碩士研究生。研究方向：輪機專業(yè)。