國內營運的煤炭運輸船余熱發電節能技術分析

王華　高漢明　籍偉　宋立國

摘 要：僅通過廢氣渦輪增壓器和廢氣鍋爐回收的船舶余熱利用方式經濟性較低。余熱發電能夠有效提高船舶余熱利用率，提高船舶能效，減少船舶碳排放，是船公司實現“碳中和、碳達峰”目標的有效途徑。在電加熱器逐漸推廣應用的背景下，通過安裝或改造船舶余熱發電裝置將是未來船舶余熱利用的重要方式。

關鍵詞：煤炭運輸船;余熱發電;能效提升;碳排放

中圖分類號：U674? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2022）01-0081-02

1引言

如圖 1所示，船舶柴油機的熱效率目前已到達49%以上，進一步提升的空間很小。燃油轉化的熱量中有50%以上的能量通過各種方式釋放到環境中，造成了能源浪費和全球氣溫升高。船舶余熱中廢氣的熱量約25.4%，冷卻掃氣約14.1%，缸套水約4.3%。其中船舶廢氣的溫度高，能量大，回收最為便捷。缸套水溫度穩定在80℃左右，也可以通過有機朗肯循環等方式有效回收。

充分利用船舶余熱不僅可以減少燃油消耗，降低成本，提高企業綜合競爭力，還可以減少二氧化碳和其他污染物的排放，是船舶公司實現“碳中和、碳達峰”目標的重要途徑。

2國內煤炭運輸船余熱利用現狀

目前，船舶廢氣熱量的主要應用途徑為廢氣渦輪增壓器和廢氣鍋爐。某煤炭運輸船按照表 1的環境參數進行了船舶蒸汽消耗計算。

在額定速度下，國內運營的某煤炭運輸船的燃油鍋爐蒸發量為1500 kg/h，廢氣鍋爐的蒸發量為1230 kg/h。如表 2所示，冬季航行時，廢氣鍋爐的蒸發量不能滿足船舶蒸汽消耗，需加開燃油鍋爐予以補充。而ISO工況航行時，船舶蒸汽消耗量僅為730kg/h。廢氣鍋爐產生的蒸汽量遠大于船舶消耗。蒸汽余量為500kg/h。過量的蒸汽需冷凝降溫。這樣非但不能利用廢氣熱量，還造成了能源浪費。

當蒸汽壓力為7 bar時，對應的飽和蒸汽溫度為169.6℃，熱量約為2762.9kJ/kg。1小時內產生的500kg蒸汽的總熱量為330166.6 kcal，相當于383.7 kWh。按照能量利用率為20%計算，發電功率約76kW。如果考慮未來使用余熱發電替代廢氣鍋爐，則船舶余熱發電的功率預計可相當于一臺常用發電機。國內運營的煤炭運輸船從北方港口往南方電廠運煤的運營過程中，船舶溫度參數高于ISO工況的時長超過5個月，因此具有較大余熱回收空間。

3 余熱發電技術分析

3.1船舶廢氣發電技術

船舶廢氣發電主要有三種模式，一種是廢氣直接驅動廢氣渦輪機進行發電;另一種利用廢氣鍋爐產生高壓和低壓過熱蒸汽，再用蒸汽驅動蒸汽渦輪進行發電;第三種是將前兩種方式聯合，廢氣渦輪和蒸汽渦輪并聯發電。典型的廢氣發電技術原理如圖 2所示。

該系統將主機廢氣分兩路：一部分廢氣驅動廢氣渦輪增壓器給空氣增壓，另一部分廢氣直接驅動廢氣渦輪機。經廢氣渦輪增壓器和廢氣渦輪后，廢氣進入廢氣鍋爐加熱水產生蒸汽。一部分蒸汽用于日常加溫。過熱的高壓蒸汽和低壓蒸汽則進入蒸汽透平與廢氣渦輪一起為交流發電機提供動力。

廢氣渦輪和蒸汽渦輪驅動發電機產生的電能可直接帶動軸帶電動機助推主機，也可和柴油發電機并電使用。當主機富裕功率較多時，軸帶電機也可以作為發電機使用。其電能和渦輪發電機的電能一起匯入配電板，供日常使用。

3.2船舶余熱有機朗肯循環發電技術

有機朗肯循環發電系統主要由蒸發器、膨脹機、冷凝器、液體泵組成。其工作原理如圖 3所示。

過程1-2為有機工質在蒸發器中從低品位熱源吸收熱量，產生具有一定壓力和溫度的飽和蒸氣或過熱蒸氣;過程2-3為高溫高壓的有機工質蒸氣在膨脹機內膨脹做功，帶動發電機向外輸出電能;3-4為有機工質在冷凝器中向低溫熱源放熱變成液體的過程;過程4-1利用液體泵對有機工質液體進行加壓，并使其重新回到蒸發器中。

有機朗肯循環發電可利用溫度較低的熱源（如缸套水余熱，掃氣冷卻水余熱等），而且可以通過多級聯合的方式利用不同溫度的熱源。馬士基在主機功率為85697kW的集裝箱船上安裝了有機朗肯循環發電設備，使用80℃的缸套水作為熱源，發電功率達到125kW[2]。因此有機朗肯循環發電具有較好的船舶應用前景[3]。

3.3渦輪增壓器液壓助推技術

渦輪增壓器液壓助推技術[4]是指利用液壓系統回收船舶柴油機廢氣中的富余能量用于助推螺旋槳的余熱回收技術。

如圖 4所示，渦輪增壓器液壓助推系統是在廢氣渦輪增壓器輸出端經減速齒輪帶動液壓泵，將廢氣富余能量轉換為液壓能。高壓液壓油通過管系驅動與曲軸相連的液壓馬達，從而將液壓能轉化為助推螺旋槳旋轉的機械能，實現余熱回收。渦輪增壓器液壓助推系統具有結構緊湊、性能可靠、運行操作簡便等特點，適用于新造船舶或現有船舶發動機改造安裝。渦輪增壓器液壓助推系統在低負荷時效率較低。

4結論

國內運營的煤炭運輸船具有較大余熱利用空間。通過廢氣渦輪發電、余熱有機朗肯循環發電、渦輪增壓器液壓助推技術均可將一定量的船舶余熱回收利用。其中有機朗肯循環發電技術可以利用不同溫度的熱源，具有較好的船舶應用前景。

參考文獻：

[1] https：//mfame.guru/heat-recovery-system-operation-and-experience/.

[2] https：//www.calnetix.com/sites/default/files/Hydrocurrent-Commissioning-and-Operation-on-Arnold-Maersk.pdf.

[3]葉文祥，柳長昕，劉健豪， 等. 采用溫差發電-有機朗肯循環聯合系統的船舶余熱利用實驗研究[J]. 西安交通大學學報， 2020， 54（08）： 50-57.

[4] https：//www.boschrexroth.com/en/xc/industries/machinery-applications-and-engineering/engines/products-and-solutions/turbo-hydraulic-system-components/ths-1.

基金項目：國家級資助項目（51709029）;富興海運有限公司煤炭運輸船能效提升技術及策略研究項目。