船舶柴油機(jī)余熱利用技術(shù)研究

船舶柴油機(jī)余熱利用技術(shù)研究

0利用船舶廢氣和冷卻水的熱量能源問題已成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要問題。船舶是能源消耗量巨大的運(yùn)輸工具,高能耗一方面使船舶運(yùn)行成本增加,另一方面也給船舶運(yùn)行帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題。目前,最先進(jìn)的船用二沖程柴油機(jī)主機(jī)熱效率已接近50%,是所有熱機(jī)中效率最高的,但仍有一半以上的燃料能量沒有被利用,隨廢氣和冷卻水排入環(huán)境,既造成了污染,又浪費(fèi)了大量的資源。顯然,如果能夠利用船舶柴油機(jī)廢氣和冷卻水的熱量進(jìn)行發(fā)電或作為輔助設(shè)備熱源提供蒸汽,則可同時(shí)達(dá)到節(jié)能和減排的效果。因此充分回收船舶主機(jī)和冷卻水的余熱是一項(xiàng)先進(jìn)的船舶節(jié)能措施。在能源資源日益緊張、航運(yùn)成本日漸增長的今天,綜合利用好船舶的各類能量,提高船舶的能量利用效率,是船舶制造商、運(yùn)營商和海事組織等都十分關(guān)心的問題。1國內(nèi)外對(duì)船舶葉片殘余利用的研究1.1余熱利用系統(tǒng)上世紀(jì)70年代末,ABB公司首先提出了大型船舶上柴油機(jī)排氣能量回收技術(shù),并于1985年到1994年間在發(fā)動(dòng)機(jī)上安裝了超過130臺(tái)動(dòng)力渦輪以回收船用二沖程和四沖程柴油機(jī)排氣中剩余的能量。ABB公司2005年開出新一代PTL3200系列動(dòng)力渦輪,其帶動(dòng)發(fā)電機(jī)可以輸出1500~3200kW電能。該動(dòng)力渦輪可以單獨(dú)使用,也可以和汽輪機(jī)組成聯(lián)合動(dòng)力回收系統(tǒng)。據(jù)ABB報(bào)道,單獨(dú)使用動(dòng)力渦輪,最大可回收主機(jī)功率5%,而結(jié)合汽輪機(jī),采用聯(lián)合方式,最大可回收主機(jī)功率10%,對(duì)于大型集裝箱船,每年可以節(jié)省5000t燃油。Wartsila公司開發(fā)出一種總熱回收裝置(TotalHeatRecoveryPlant),該裝置包括一個(gè)雙壓力余熱鍋爐、一個(gè)多級(jí)雙壓力汽輪機(jī)、一個(gè)動(dòng)力渦輪、一個(gè)給水預(yù)熱系統(tǒng)和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng),并進(jìn)行了優(yōu)化布置。在該系統(tǒng)中,船舶主機(jī)排氣流經(jīng)余熱鍋爐后產(chǎn)生蒸汽,一部分驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電,從而達(dá)到回收能量的效果,另一部分供給船舶日用蒸汽使用。2005年6月Wartsila公司開始將該系統(tǒng)運(yùn)用于Sulzer12RT-flex96C發(fā)動(dòng)機(jī)上,可回收11%的主柴油機(jī)功率,降低了NOx排放,獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效果和排放效果。Siemens公司開發(fā)了一種帶有余熱利用系統(tǒng)的推進(jìn)裝置。該裝置可以回收船舶主機(jī)的余熱能量,并將其輸送到船舶能量供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中,從而明顯提高船舶系統(tǒng)的推進(jìn)性能和電力性能。該裝置已經(jīng)應(yīng)用于貨船,最大回收了約12%的主機(jī)功率,并可以減少船舶主機(jī)和輔助發(fā)電機(jī)的維護(hù),節(jié)省貨船空間,提高船舶的貨物運(yùn)輸能力,獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。近期,日本三菱重工成功開發(fā)了一種船用高效聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)——超級(jí)渦輪發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含一個(gè)動(dòng)力渦輪,一個(gè)余熱鍋爐,一個(gè)汽輪機(jī),一個(gè)發(fā)電機(jī),一個(gè)減速齒輪箱,一個(gè)同步自動(dòng)轉(zhuǎn)換離合器和控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用船舶主機(jī)排氣余熱產(chǎn)生電能。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),該系統(tǒng)可以降低10%的船舶燃料費(fèi)用,有效地回收了主機(jī)廢氣能量。MAN公司開發(fā)出一種新型的余熱利用系統(tǒng)——熱效率系統(tǒng)(ThermoEfficiencySystems,TES)。該系統(tǒng)以船舶主機(jī)為核心,包括余熱鍋爐、動(dòng)力渦輪和汽輪機(jī)等,考慮到大型二沖程柴油機(jī)排氣溫度較低,該系統(tǒng)通過調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī),使排氣從“大流量/低溫”變?yōu)椤靶×髁?高溫”,以提高排氣溫度。在85%工況主機(jī)排溫大約提高55℃,達(dá)到280℃,解決了船舶二沖程柴油機(jī)排溫過低的問題。根據(jù)汽輪機(jī)和余熱鍋爐使用蒸汽壓力情況,TES系統(tǒng)分為單壓TES系統(tǒng)和雙壓TES系統(tǒng)方案。在主機(jī)正常工作負(fù)荷范圍內(nèi),單壓TES系統(tǒng)最大可以回收7%~10%的主機(jī)軸功率,且主機(jī)功率越大,負(fù)荷越高,回收的主機(jī)功率越多,相當(dāng)與節(jié)省的燃油越多;而雙壓TES系統(tǒng)最大可回收9%~12%的主機(jī)軸功率。TES系統(tǒng)整體熱效率可達(dá)55%以上。此外,Cummins公司、JohnDeere公司和BBTurbo等公司分別開發(fā)出利用柴油機(jī)廢氣的余熱利用系統(tǒng),主機(jī)系統(tǒng)效率提高10%以上,取得了良好的經(jīng)濟(jì)性。為提高船舶主機(jī)能量利用率,應(yīng)對(duì)IMO新標(biāo)準(zhǔn),各大船舶生產(chǎn)商、柴油機(jī)制造商都在致力于新型余熱系統(tǒng)的開發(fā),并開發(fā)出了多種不同的余熱利用系統(tǒng),且部分已經(jīng)裝船使用,取得了良好的效果。1.2tsila余熱回收技術(shù)2008年12月8日,大連船用柴油機(jī)有限公司生產(chǎn)了國內(nèi)第一臺(tái)帶廢熱回收系統(tǒng)的7RTA84TD柴油機(jī),該機(jī)單機(jī)功率為29400kW,安裝在渤船重工為新加坡環(huán)球航運(yùn)公司建造的32萬噸VLCC上。該型發(fā)動(dòng)機(jī)采用Wartsila余熱回收技術(shù),在此基礎(chǔ)上作了簡化,取消了Wartsila方案中的動(dòng)力渦輪,只是利用廢氣余熱鍋爐蒸汽發(fā)電或供船舶使用。該系統(tǒng)采用雙壓余熱鍋爐,包括低壓蒸發(fā)器、高壓蒸發(fā)器和高壓過熱器三部分。在負(fù)荷大于55%時(shí),可以產(chǎn)生1100kW電量。到目前為止,該廠已在為新加坡環(huán)球航運(yùn)公司建造的二艘32萬噸VLCC上安裝了該余熱利用系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代初,廣東較早開展了陸用柴油機(jī)余熱發(fā)電綜合改造。工程完工后,余熱發(fā)電功率約為柴油發(fā)電機(jī)組功率的4%左右。此外,還利用柴油機(jī)余熱鍋爐產(chǎn)生的蒸汽,采用溴化鋰吸收式制冷機(jī)組進(jìn)行集中空調(diào)工程,可滿足辦公樓、餐廳、酒樓、超級(jí)市場等集中空調(diào)的需求,實(shí)現(xiàn)了利用柴油機(jī)余熱進(jìn)行發(fā)電、供熱、制冷的三聯(lián)供。2雙壓蒸汽機(jī)系統(tǒng)如圖1所示,6S50ME-C8型柴油機(jī)余熱利用系統(tǒng)。該系統(tǒng)由超低溫排煙余熱鍋爐、動(dòng)力渦輪、多級(jí)雙壓蒸汽輪機(jī)、有機(jī)工質(zhì)循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)、交流發(fā)電機(jī)和給水預(yù)熱系統(tǒng)組成。為充分利用柴油機(jī)的余熱,該裝置利用缸套冷卻水和空冷器的能量對(duì)鍋爐給水進(jìn)行預(yù)熱,回收排氣的低溫能量作為有機(jī)工質(zhì)循環(huán)的熱源,同時(shí)主機(jī)排氣有一部分送往動(dòng)力渦輪(與蒸汽輪機(jī)和有機(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)聯(lián)動(dòng))發(fā)電,獲得的電能足以補(bǔ)償增加的油耗。2.1煙余熱鍋爐常規(guī)段酸腐蝕及凝結(jié)液回收技術(shù)超低溫排煙余熱鍋爐為由余熱鍋爐常規(guī)段與超低溫排煙段組成的帶有旁通煙道的立式煙道,水平放置強(qiáng)化換熱受熱面(高壓過熱器、高壓蒸發(fā)器、低壓蒸發(fā)器和熱水器)的水管式強(qiáng)制循環(huán)鍋爐,考慮到可能產(chǎn)生的凝結(jié)液對(duì)超低溫排煙余熱鍋爐常規(guī)段產(chǎn)生的酸腐蝕及凝結(jié)液的回收,采用雙段折線形式布置或有利于蒸發(fā)器傳熱和凝結(jié)液回收的布置形式。主機(jī)排氣分別向動(dòng)力渦輪和廢氣渦輪增壓器做功,做功后的廢氣混合后進(jìn)入超低溫排煙余熱鍋爐,煙氣出口溫度為95℃。給水從集水槽經(jīng)給水泵增壓后分別流經(jīng)主機(jī)缸套水換熱器和兩級(jí)空冷器的高溫段加熱至160℃,一沖部分直接進(jìn)入高壓鍋筒,別一部分與缸套水換熱器出來的給水混合后進(jìn)入低壓鍋筒。高壓部分:蒸發(fā)器飽和壓力為0.7MPa,飽和溫度為165℃,經(jīng)過熱器加熱至300℃,進(jìn)入蒸汽輪機(jī)做功。低壓部分:蒸發(fā)器飽和壓力0.4MPa,飽和溫度143.6℃,一部分供主機(jī)燃油加熱用,另一部分作為蒸汽輪機(jī)的補(bǔ)汽進(jìn)入蒸汽輪機(jī)做功。2.2蒸汽進(jìn)口壓力使用轉(zhuǎn)速為6750(r·min-1)的雙壓蒸汽輪機(jī)。蒸汽進(jìn)口壓力:高壓部分0.7MPa,低壓部分0.4MPa。蒸汽輪機(jī)經(jīng)過減速齒輪箱與發(fā)電機(jī)連接,其轉(zhuǎn)速降至發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速(1800(r·min-1))。2.3發(fā)電機(jī)跳電工況動(dòng)力渦輪利用大約10%的主機(jī)排氣能量,與蒸汽輪機(jī)共同驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。動(dòng)力渦輪的扭矩通過減速齒輪和超速離合器傳遞給蒸汽渦輪,以保護(hù)動(dòng)力渦輪在發(fā)電機(jī)跳電時(shí)免于超速。當(dāng)主機(jī)負(fù)荷大于55%時(shí),切入動(dòng)力渦輪,廢氣能量同時(shí)用于渦輪增壓器和動(dòng)力渦輪,排氣流量由排氣總管出口處的節(jié)流孔板控制。主機(jī)負(fù)荷低于55%時(shí),排氣能量過低,主機(jī)排氣只用于渦輪增壓器,不再用于驅(qū)動(dòng)動(dòng)力渦輪。2.4凝汽器、發(fā)電機(jī)有機(jī)工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)由儲(chǔ)液罐、蒸發(fā)器、有機(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)、凝汽器和發(fā)電機(jī)組成。由余熱鍋爐熱水器加熱到140℃的熱水流經(jīng)蒸發(fā)器,產(chǎn)生高溫高壓的有機(jī)工質(zhì)蒸汽,進(jìn)入有機(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)做功,驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。工質(zhì)采用異丁烷。3理論分析計(jì)算結(jié)果結(jié)合6S50ME-C8型柴油機(jī)特性和船舶柴油機(jī)余熱利用技術(shù)研究方案,對(duì)余熱利用系統(tǒng)的性能進(jìn)行了理論分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表1所示。從表中可以看出,采用余熱利用系統(tǒng)后可以發(fā)出897kW的電力,相當(dāng)于主機(jī)功率的12.5%,余熱利用系統(tǒng)熱效率提高6.03%。4燃油消耗率余熱回收系統(tǒng)投資回報(bào)時(shí)間不應(yīng)超過五年。以上述計(jì)算結(jié)果為依據(jù),對(duì)6S50ME-C8型柴油機(jī)余熱利用系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。設(shè):主機(jī)工作負(fù)荷為90%=7153kW;年運(yùn)行天數(shù)為280天;燃油消耗率為170(g·(kW·h)-1);重油價(jià)格為4500元/噸。每年節(jié)省的燃油費(fèi)用為:A=897×0.171000×280×24×4500=4611297.6A=897×0.171000×280×24×4500=4611297.6元余熱利用系統(tǒng)按960萬元算,投資年利息按6%,投資回收期為:n=lg(461.12976(461.12976?960×6%)lg(1+6%)=3n=lg(461.12976(461.1