船上的節能減排—汽輪機發電機組

摘 要：船舶柴油機一般只有40%～55%的熱量轉化成有效功，其余45%～60%的熱量轉化為各種形式的損失。船舶柴油機的余熱主要包括柴油機排氣余熱和柴油機冷卻水余熱。本文主要探討了采用超低溫排煙余熱鍋爐、汽輪機發電機組組成余熱利用系統，對柴油機的余熱進行回收利用，以提高柴油機總體熱效率，減少船舶排放。

關鍵詞：節能減排；CCS；汽輪機發電機組

船用柴油機一般只有40%～55%的熱量轉化成有效功，其余45%～60%的熱量轉化為各種形式的損失。船舶柴油機的余熱主要包括柴油機排氣余熱和柴油機冷卻水余熱。

目前船舶柴油機的排氣余熱利用主要途徑有：

1）利用排氣能量驅動渦輪增壓器。

2）安裝余熱鍋爐。

3）余熱蒸汽驅動汽輪機發電裝置。

4）利用排氣能量驅動動力渦輪發電。

國際上船舶柴油機余熱利用系統常用有兩種基本方式，一種是利用排氣直接驅動動力渦輪發電，另一種是通過余熱鍋爐回收排氣中的熱能，用以產生蒸汽來發電供船舶設備使用。到目前為止，所有有關船舶動力系統排氣余熱利用的方案都是這兩種基本方式的組合和改進。

在上個世紀七十年代，國外許多主機公司就開展了船舶柴油機余熱利用技術的研究。目前MAN、Wartsila、三菱、西門子等公司已經推出柴油機余熱利用產品，深受船舶運營商的喜愛。

國內此前尚無這方面的研究。在2012年滬東重機與哈爾濱工程大學牽頭開展船舶柴油機動力系統余熱利用技術的研究工作，研究目標柴油機總體熱效率提高6%～8%，采用余熱利用系統后機艙體積變化小于10%，減少船舶CO2排放，應對新船能效設計指數。

其以9000KW柴油機為研究對象確定余熱利用技術方案。余熱利用系統由動力渦輪、超低溫排煙余熱鍋爐、汽輪機發電機組、有機工質汽輪機發電機組組成。柴油機排氣分別流經渦輪增壓器和動力渦輪，兩部分排氣混合后，依次流經余熱鍋爐的高壓過熱器、高壓蒸發器、低壓蒸發器和熱水器，并經鍋爐出口煙道排入大氣。

本文主要對在余熱利用系統里發電量最大的汽輪機發電機組技術進行探討。

1 汽輪機發電機組技術方案

在整個柴油機的余熱利用系統里，柴油機排氣通過渦輪增壓器或動力透平進入余熱鍋爐，余熱鍋爐產生的蒸汽，通過汽輪機來發電。

此項目余熱鍋爐產生的蒸汽參數見表1，此項目汽輪機為補汽凝汽式汽輪機，鍋爐產生的過熱蒸汽通過速關閥進入汽輪機里做功發電，鍋爐產生的飽和蒸汽通過補汽口進入汽輪機里做功發電。蒸汽通過汽輪機做功后進入冷凝器，凝結成水，再通過凝結水泵進入除氧器，除氧之后進入鍋爐中加熱，生成蒸汽，如此循環。

汽輪機設計是以25℃環境下的100%負荷時的參數作為設計工況。本機組通流采用單列調節級加四個壓力級，主軸采用轉轂結構，增加了主軸剛性，保證了機組在船上運行時的穩定性。機組設計為汽輪機+減速箱+發電機。汽輪機轉速9000rpm，此設計不僅提高了機組效率，也節省了機組占用的空間。

汽輪機、減速箱、發電機、油站、冷凝器、水環真空泵等全部集成在同一個底盤上，保證了機組的高度集成性，也大大減少了機組占地空間。

因此機組用于船上，針對船用汽輪機的特殊性，機組在設計時考慮了以下幾點：

1）冷凝器置于排缸下方，冷凝器和排缸固定在一個底盤上。冷凝器熱井為桶狀，此結構減小船晃動對冷凝器液位的影響。

2）軸承回油口設置在底部，回油管考慮船傾斜造成的影響。

3）油站為底盤油站，油站結構上面隔開，下面連通，減小船傾斜對其液位造成的影響。油站上一個濾油器，潤滑油和調節油先經過濾油器，然后調節油直接到調節系統，潤滑油再經過冷油器去潤滑系統。

4）機組定位，前軸承座與座架通過軸向滑鍵定位，排缸與汽缸座架通過兩個徑向鍵定位，排缸與底盤通過立鍵定位。保證機組在船前后、左右晃動時，機組的定位不會變化。

5）機組的徑向軸承和推力軸承均采用可傾瓦形式，滿溢式回油，減小船晃動對軸承和耗油量的影響。

6）整體機組含輔機，全部建三維模型，以保證布置的合理性。機組所有輔機均集成在一個底盤上，保證機組布置的緊湊性，減少占地空間。

2 研究成果及其水平

1）此臺汽輪機為首臺通過中國船級社（CCS）型式認可的汽輪機，首臺在工廠內帶50%負荷試驗汽輪機。通過與CCS的溝通交流，確認了汽輪機型式認可的流程，具體如圖1。

按照CCS型式認可要求，汽輪機型式認可試驗是需要帶滿負荷的。但因蒸汽流量不足，在工廠內無法進行滿負荷試驗；通過與CCS的溝通，CCS最終同意型式認可試驗在廠內帶50%負荷。

目前國內大的汽輪機廠如哈爾濱汽輪機廠、上海汽輪機廠、東方汽輪機廠、杭州汽輪機股份有限公司等都無法在廠內進行帶負荷試驗。而且國內和國際上不論是工業用的汽輪機標準（如美國石油、化工和天然氣工業用《特種用途汽輪機》API612標準）還是發電用的汽輪機標準（如GB/T5578-2007《固定式發電用汽輪機規范》），都不要求汽輪機在工廠內做帶負荷試驗。有的只是要求廠內做空負荷機械運轉試驗，以檢驗汽輪機的超速保護裝置、汽輪機的振動、位移等參數。帶負荷試驗都是在用戶現場進行。

2）此臺機組打破了常規的汽輪機發電機組設計習慣，汽輪機設計為高轉速9000rpm，通過減速箱與發電機相連。此設計提高了汽輪機發電機組效率，像此流量、壓力、溫度的常規3000rpm汽輪機，內效率約65%，此機組采用高轉速后，汽輪機內效率達到73%，大大提高了機組的發電量。此機組發電量見表2。

此機組汽輪機、齒輪箱、發電機、冷凝器、油站、抽真空設備等全部集成在一個撬塊上，布置合理緊湊。打破了常規汽輪機發電機組的布置型式，并大大節省了空間。

3）常規的冷凝汽輪機組汽輪機主軸為撓性，此機組考慮船用汽輪機的經常起停，汽輪機主軸設計為剛性，免盤車。大大縮短了汽輪機啟停時間。

3 結語

整個余熱利用系統已在滬東重機現場完成試驗，基本達到了研究目標。但是后期還有許多需要改進完善的地方，以保證此系統在船上的適用性，為船主創造利潤。

此汽輪機需上船，需要有CCS型式認可?！朵撡|海船入級規范》中對汽輪機的型式認可要求主要是對主動力汽輪機的要求。但是這種余熱利用發電的汽輪機是否需要在工廠內進行帶負荷試驗，也是需要CCS認真考慮的一個問題。

參考文獻：

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[2] 侯曼西.工業汽輪機 [M].重慶：重慶大學出版社，1995.

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

作者簡介：侯京安（1984-），男，漢族，陜西渭南人，本科，工程師，就職于杭州中能汽輪動力有限公司，從事汽輪機的設計、研發工作。