船舶柴油機余熱回收系統建模仿真及分析

梁 傲, 管 聰, 周 科, 陳 輝

(武漢理工大學 能源與動力工程學院， 武漢 430063)

船舶柴油機余熱回收系統建模仿真及分析

梁 傲, 管 聰, 周 科, 陳 輝

(武漢理工大學 能源與動力工程學院， 武漢 430063)

Abstract: Taking 4 500 TEU container ships as the object of study, the load and water temperature of different diesel engines are investigated through simulation of the marine diesel engine waste heat recovery system, to find out the operational parameters of each device and the economic benefit of the waste heat recovery at steady state. The exergy analysis is carried out to find out the exergy efficiency, the exergy loss rate and the exergy loss coefficient of each device, which comprehensively reveals the energy-saving potential of each part composing the system. The result based on the simulation shows that 6%～9% deduction of fuel consumption can be achieved with this waste heat recovery system. The refinement of the evaporator，the economizer and the steam turbine will substantially improve the performance of the waste heat recovery system.

Keywords: ship engineering; marine diesel engine; waste heat recovery system; modeling and simulation; exergy analysis

船舶遠洋航行時其柴油機會定負荷穩定運行很長時間，進而消耗大量燃油。[1-2]采用船舶柴油機余熱回收系統對柴油機排氣及增壓渦輪壓縮空氣中的余熱進行回收可降低空冷器的散熱損失，產生的大量蒸汽滿足船舶供熱和電力需求，不僅能降低航行成本，提高經濟效益，還能減少溫室氣體排放、緩和能源危機，符合國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)提出的船舶能效設計指數(Energy Efficiency Design Index,EEDI)和船舶能效運營指數(Energy Efficiency Operational Index,EEOI)新標準[3-4]，有利于提高船舶能效和打造綠色船舶。

船舶柴油機余熱回收系統作為一種有效的節能裝置，廣泛應用于大型遠洋船舶中。大部分學者僅從量的角度用熱平衡法對該系統進行分析，難以反映出能量的品質差別和利用的完善程度;而分析法可從質與量2個方面進行綜合評價，很好地反映余熱回收系統中各設備的節能潛力。對此,建立船舶柴油機余熱回收系統仿真模型，不僅考慮柴油機的不同負荷，還考慮柴油機進氣被增壓渦輪壓縮后的余熱，并對余熱回收系統中的各設備進行分析，以找出節能潛力最大的設備，從而優化余熱回收系統，進一步提高其余熱回收效率。

1 船舶柴油機余熱回收系統構成

以4 500 TEU集裝箱船為研究對象，其主機為MAN 12K98ME/MC柴油機，配套的余熱回收系統示意見圖1。廢氣鍋爐主要包括經濟器、蒸發器和過熱器等3個換熱器，其中:經濟器和過熱器采用逆流形式換熱;蒸發器采用順流形式換熱。熱井給水可首先與增壓渦輪壓縮的空氣換熱，然后進入到預熱器中與經濟器循環水換熱,最后進入到汽包中。經濟器循環水經過預熱器換熱后進入到經濟器中，與廢氣換熱后變為飽和水進入到汽包中。蒸發器循環水進入到蒸發器后與廢氣換熱，變為飽和水后與飽和蒸汽在汽包內進行汽水分離。蒸發器內產生的飽和蒸汽一部分用來滿足船舶的供熱需求，變為飽和水后回到熱井中;另一部分進入到過熱器中與廢氣換熱變為過熱蒸汽，進入到汽輪機中推動汽輪機驅動發電機發電。做功后的蒸汽進入到冷凝器中被海水冷卻，最后回到熱井中構成整個閉合循環。

2 船舶柴油機余熱回收系統建模仿真

2.1船舶柴油機余熱回收系統數學模型

2.1.1船舶柴油機數學模型

在建立柴油機數學模型時，將柴油機氣缸視為開口系統，考慮工質在容器內的累積效應，采用容積法建模。[5]

采用質量守恒定律和熱力學第一定律對氣缸中工質的變化進行分析，可得出

(1)

柴油機每循環噴油總量的計算式為

(2)

式(2)中：Pe為臺架試驗數據中的有效功率，W；ge為有效油耗率，kg/s；NE為轉速，r/s。

氣缸掃氣口和排氣閥的氣體流動可看作一維等熵絕熱過程，流經氣缸的空氣質量流量計算式為

(3)

式(3)中：μ為流量系數；AVeq為幾何流通截面積；Ψ為流動函數。

空氣冷卻器出口的增壓空氣溫度的計算式為

TAC=TC(1-ηAC)+ηACTW

(4)

式(4)中：ηAC為空氣冷卻器效率；TW為冷卻水進口溫度，K。

渦輪機廢氣質量流量的求解與流經氣缸的增壓空氣的求解類似。將廢氣流經渦輪的過程等效為流經一個圓孔的過程，可得廢氣質量流量的計算式為

(5)

式(5)中：CT為廢氣流經圓孔的阻力系數；ATeq為渦輪等效圓孔當量有效面積，m2；TER為排氣管內廢氣的溫度，K；PER為排氣管內廢氣的壓力，Pa；Pamb為機艙環境壓力，Pa；Re為廢氣氣體常數，J/(kg·K)；γe為廢氣絕熱指數。

渦輪出口廢氣溫度的計算式為

(6)

式(6)中:ηT為廢氣渦輪的效率。

2.1.2船舶余熱回收系統數學模型

在穩態下運用質量守恒定律和能量守恒定律對船舶柴油機余熱回收系統進行分析，建立數學模型。

柴油機排出的廢氣在廢氣鍋爐中分別與過熱器、蒸發器和經濟器換熱，換熱量總和為廢氣進入及排出廢氣鍋爐時的能量改變量。運用廢氣的比熱容和溫降,根據能量守恒定律進行分析，可得換熱量的計算式為

(7)

同理，由于廢氣鍋爐的經濟器出口循環水為汽包壓力下的飽和水，因此運用被加熱工質的焓變,根據能量守恒定律進行分析，可得換熱量的計算式為

(8)

同理，由換熱器的換熱面積、換熱系數及平均對數溫差，對廢氣鍋爐換熱量根據能量守恒定律進行分析，可得各個換熱器的換熱量的計算式為

(9)

式(9)中：k為換熱系數，J/(m2·K)，對于水管鍋爐,可近似為廢氣流量的0.6次方[6]；Ai為換熱器換熱面積，m3；Δti為對數平均溫差，K；i=ec為經濟器，i=ev為蒸發器，i=sh為過熱器。

對于船舶柴油機余熱回收系統中的水泵，因其消耗的功等于水在泵中的焓值增加量，可得各個水泵的功率計算式為

(10)

對熱井運用能量守恒定律進行分析，可得

(11)

式(11)中：hc_pd為冷凝水排出冷凝水泵進入到熱井中時的焓值，kJ/kg；hw_hs為冷凝的船舶加熱用水進入到熱井中時的焓值，kJ/kg。

過熱器中產生的過熱蒸汽進入到汽輪機中推動汽輪機驅動發電機發電，假設過熱蒸汽在汽輪機中的膨脹過程為等熵膨脹，可得發電機發電量的計算式為

(12)

式(12)中：hST_i為過熱蒸汽進入蒸汽輪機時的焓值，kJ/kg；hST_o_is為過熱蒸汽在蒸汽輪機中等熵膨脹后排出時的焓值，kJ/kg；ηTG為汽輪發電機的效率；fb,fT和fL分別為蒸汽輪機背壓、蒸汽溫度及蒸汽輪機負載的修正系數。[7]

在計算給水質量流量時，首先假設過熱蒸汽的產生過程為理想朗肯循環，忽略各個泵的做功。根據能量守恒與質量守恒定律對余熱回收系統進行分析，先選取一個初始值作為給水質量流量迭代運算的輸入量，經過多次迭代運算滿足條件后，可得給水質量流量的計算式為

(13)

式(13)中：hfw為熱井給水焓值，kJ/kg。

船舶柴油機余熱回收系統回收的余熱用來滿足船舶航行時的的電能與供熱需求，除去各個水泵消耗的功，可得船舶系統能量效率增加量的計算式為

(14)

2.2船舶柴油機余熱回收系統仿真模型

2.2.1船舶柴油機仿真模型及驗證

在建立船舶柴油機仿真模型時，以7K98MC[8]柴油機為主機，其主要技術參數見表1。根據柴油機的數學模型，在合理假設的基礎上對柴油機的各個模塊進行仿真建模，構成整個柴油機的仿真模型。

表1 7K98MC型柴油機主要技術參數

為驗證該柴油機仿真模型的可靠性，通過調節設定仿真模型的轉速，使主機依次穩定在50%,75%,85%和100%負荷下。將仿真結果與臺架試驗結果進行對比，其誤差在可接受的范圍內，因此仿真模型具有較高的可靠性，可進行后續的余熱回收系統仿真分析。

2.2.2船舶柴油機余熱回收系統仿真模型

在建立船舶柴油機余熱回收系統時，以4 500 TEU集裝箱船上的余熱回收系統為原型，根據船舶柴油機余熱回收系統的數學模型，在假設的基礎上建立仿真模型，仿真時采用多個循環，其流程見圖2。在計算過熱器、蒸發器及經濟器的相關參數時，根據能量與質量守恒定律對其進行分析，聯立式(7)～式(9)，求得3個換熱器的6個參數。

1)仿真輸入的參數包括：柴油機排出廢氣的質量流量、溫度及成分；柴油機消耗燃油的低熱值、過量空氣系數及空氣被渦輪增壓器壓縮后的溫度；汽包、熱井及冷凝器內的壓力；余熱回收系統中工質在管道內的壓力及溫度損失；經濟器、蒸發器及過熱器的換熱面積；船舶供熱所需的飽和蒸汽質量流量；余熱鍋爐、泵及預熱器的效率；汽輪發電機額定功率。

2)仿真輸出參數包括：過熱蒸汽、給水的質量流量及溫度；余熱回收系統中各個換熱器出口和入口水或蒸汽的溫度；余熱回收系統各個換熱器出口廢氣的溫度；蒸汽循環效率、發電機產生的電能及效率增加量；余熱回收系統中各個設備的效率、損率及損失系數。

在進行船舶柴油機余熱回收系統仿真計算時，應注意以下幾點：

(1)經濟器入口循環水的溫度應高于廢氣中硫酸的露點溫度，防止產生低溫腐蝕；

(2)蒸發器內循環水量應為所產生飽和蒸汽量的2～4倍，防止蒸發器管道中發生惡化沸騰現象；

(3)汽輪機出口蒸汽干度應≥90%，防止液滴對汽輪機葉片造成沖蝕；

(4)余熱鍋爐的夾點溫差取值應為10～15 K，保證換熱器面積合理的同時有較高的效率[9]；

(5)過熱器入口于余熱鍋爐入口的廢氣溫度，且兩種流體的換熱溫差應≥20 K。[7]

3 船舶柴油機余熱回收系統仿真分析

采用的船舶柴油機機型為7K98MC，當柴油機在50%,75%,85%和100%等4個不同負荷下穩定工作時，由仿真模型得到其廢氣溫度及質量流量見圖3。

當柴油機在以上4種負荷下穩定工作時，對增壓渦輪壓縮空氣不加熱給水、加熱到80 ℃和120 ℃等情況下的船舶柴油機余熱回收系統進行仿真分析，得出余熱回收系統各參數值見圖4。

由圖4可知：船舶柴油機余熱回收系統回收的電能、廢氣余熱回收率及廢氣鍋爐出口廢氣溫度均隨著柴油機負荷和給水被加熱溫度的增大而增大，其中回收的電能有較大改變，變化范圍為1 060～2 345 kW；廢氣余熱回收率為廢氣余熱回收裝置產生的電能與廢氣在廢氣鍋爐中放出熱量的比值，其變化范圍為14%～19%；廢氣鍋爐出口廢氣溫度改變較小，其變化范圍為168～174 ℃。效率增加量、夾點溫度、過熱器出口蒸汽溫度、蒸發器入口廢氣溫度及經濟器入口廢氣溫度隨著柴油機負荷的增大而先增大后減小，其中:夾點溫度、經濟器入口廢氣溫度及過熱器出口蒸汽溫度隨給水被壓縮空氣加熱后溫度的升高而減小，其變化范圍分別為10～26 ℃,183～199 ℃和236～262 ℃；蒸發器入口廢氣溫度隨給水被加熱溫度的升高基本保持不變，其變化范圍為267～300 ℃；效率增加量隨給水被加熱溫度的升高而增大，其變化范圍為2.7%～4.1%，相當于節省所消耗掉燃油量的6%～9%，具有較好的經濟效益。

圖4 船舶柴油機余熱回收系統相關參數仿真結果

船舶柴油機在某一負荷下穩定運行時，隨著給水被加熱溫度升高，進入經濟器中的循環水溫度升高，而出口水狀態保持不變，使得經濟器需要的熱量減少，蒸發器和過熱器回收的熱量增多，從而使得夾點溫度、經濟器入口廢氣溫度及廢氣鍋爐出口廢氣溫度都降低。過熱器因換熱面積很小且其中的質量流量不大而使得回收的熱量基本不變，因此廢氣進入蒸發器的溫度基本不變，蒸發器回收的熱量增大，產生的蒸汽量增多。船舶柴油機余熱回收系統在柴油機負荷越大、給水被加熱溫度越高時，回收的電能越多，蒸汽循環效率越大，這表明余熱回收系統在柴油機高負荷、高給水溫度下運行時具有更好的效果。

為了從能量“質”的角度對船舶柴油機余熱回收系統進行分析，反映出系統各設備的節能潛力，有效地找出提高余熱回收效率的方向[10-11]，對柴油機長時間運行的85%負荷、給水不加熱的情況進行分析，得出余熱回收系各設備的效率、損率和損失系數值見圖5。

4 結束語

描述船舶柴油機余熱回收系統的工作原理，在各種假設的基礎上以4 500 TEU集裝箱船為研究對象建立仿真模型，并對柴油機50%,75%,85%和100%等4個不同負荷下增壓渦輪壓縮空氣不加熱給水及加熱到80 ℃與120 ℃等情況進行仿真，得出余熱回收系統中各設備參數的曲線，并對曲線的變化進行分析；同時,利用仿真的參數從能量“質”的角度對系統中各個設備進行分析，并繪出效率、損率及損失系數圖。仿真結果表明：對于該仿真模型，余熱回收系統在柴油機高負荷、高給水溫度下運行時具有更好的余熱回收效果，可節省所消耗燃油量的6%～9%，具有較好的經濟效益；蒸發器、經濟器和汽輪機等3個設備的損率及損失系數較大，具有較大的節能潛力，應重點優化這些設備。

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SimulationandAnalysisofMarineDieselEngineWasteHeatRecoverySystem

LIANGAo,GUANCong,ZHOUKe,CHENHui

(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

U664.121

A

2016-11-18

梁 傲(1992—),男,湖北武漢人,碩士生,從事系統仿真與控制研究。E-mail:316828130@qq.com

1000-4653(2017)01-0026-06