安装动力涡轮的船舶主机余热发电系统性能研究

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1、安装动力涡轮的船舶主机余热发电系统性能研究摘要：本文设计了以动力涡轮、余热锅炉、汽轮发电机组、外部预热器、凝汽器为主要组成部分的船舶柴油机排烟余热回收通用系统，在此基础上以4250TEU集装箱船为例，分析了不同工况下该排烟余热利用系统的热力性能参数、余热发电功率、节油量等系统性能参数。分析结果表明，100%工况下，4250TEU集装箱船在不开启动力涡轮时，系统余热回收总量为7714kW，发电功率可达1833kW，完全能满足船舶正常航行用电需求，此时节省燃油量为367.7kg/h，系统节油率最高能达到3.56%，开启动力涡轮后，动力涡轮提供的发电量最大，为142kW，

2、但是此时动力涡轮提供的发电量对于4250TEU集装箱船整体的节能性能提升并不大。当船舶处于动力涡轮最大发电量的工况下时，动力涡轮仅仅为船舶提供了最大11.8%的发电比，节油量仅为28.5kg/h、节油率仅为0.86%，效果并不明显。关键词：船舶柴油机；余热发电；动力涡轮；节能性能0前言能源问题已经成为经济发展中一个头等重要问题。船舶是能源消耗量巨大的运输工具，高能耗一方面使船舶运行成本增加，另一方面也带来了严重的环境问题。如何有效降低船舶能耗是一个现实而又重大的课题[1]。国际海事组织IMO已将EEDI(EnergyEfficiencyDesignIndex，新船能

3、效设计指数)作为考核船舶运行能耗高低的一个指标，倘若船舶处于能量利用效率较低的状况，除了将面对高额的燃料费用外，还将面对额外的罚金，以补偿对环境的破坏。船舶节能就是以最小的能量消耗取得最大的运输效益。船舶的能量来自于燃料，燃料费用在运输成本中占有很大的比例，大约占船舶总营运费用的33～60%，随着油价的上涨，这比例也将愈来愈大[2]。船舶直接耗用燃料的设备是柴油主机、辅机和辅助锅炉。其中，主机所耗能量占总输入能量的70～90%。燃料在柴油机气缸中燃烧所发出的全部热量，只有一部分转变为机械功，其余部分则分别通过排气、冷却介质和辐射而排入大气和海水。燃料燃烧放出的热量除

4、了转变为有效功的部分外，其余都是废热，也即余热[3]。世界油价的不断上升，以及日益紧迫的要求船舶控制CO2排放的压力，迫使船舶需要进一步提高能量利用效率。作为占船舶油耗大部分的主机，其能量利用效率是提高船舶能效的关键因素。提高船舶主机热效率最本质的方法就是提高发动机燃烧温度，但由于燃烧温度和船舶NOx排放的密切关系，决定了单纯采用提高发动机燃烧温度来提高热效率是不可行的。为此必须另辟新径，解决提高热效率和降低NOx排放的矛盾。目前，最先进的船用二冲程柴油机主机有效热效率已接近50%[4]，拥有所有热机中最高的效率，但仍有一半以上的燃料能量没有被利用，随废气和冷却水排

5、入环境，既造成了污染，又浪费了大量的资源。目前由于废气涡轮增压器效率的提高，船用二冲程主柴油机废气中的能量除了供涡轮增压器使用外，还有大量剩余。如果能够利用主机废气和冷却水的热量进行发电或作为辅助设备热源提供蒸汽，则可以替代部分辅机和辅助锅炉，同时达到节能和减排的效果。因此充分回收船舶主机和冷却水的余热，意义重大[5]。船舶余热利用系统拥有较长的历史及广泛的应用范围，目前在许多类型的船舶上都运行有废气锅炉系统，利用废气能量，提供船用蒸汽。同时，由于涡轮增压器效率的提高，且大功率船舶柴油机排气能量较多，因此在涡轮增压器前分流一定量的废热供给动力涡轮，动力涡轮再将废热的

6、能量转化为机械能或电能，技术上是可行的[6]。1安装动力涡轮的船舶柴油机余热利用系统介绍本课题所采用的船舶主机余热利用系统（如图1所示）由动力涡轮、余热锅炉、汽轮发电机组、凝汽器、中冷器预热器、缸套水预热器、热井、各种泵及阀门组成[7]。图1船舶柴油机排烟余热利用系统图余热锅炉由高压过热器、蒸发器及低压过热器、蒸发器组成。该系统利用缸套水预热器和中冷器预热器依次对锅炉给水进行预热。在烟气流经路线上，柴油机排气分别流经废气涡轮和动力涡轮，进入动力涡轮的排气做功发电后与经过废气涡轮的排气混合后进入余热锅炉，依次在高压过热器、高压蒸发器、低压过热器、低压蒸发器放热降温后排

7、出余热锅炉。热井中的锅炉给水先经缸套水预热器预热，预热后部分给水又由中冷器预热器预热。经混合分配，一部分直接输入高压锅筒中，另一部分进入低压锅筒中。高、低压锅筒内饱和水由循环水泵输分别送至高、低压蒸发器，吸热后成为高压汽水混合物，汽水混合物回到锅筒进行汽水分离，分离得到的高压饱和蒸汽一部分被输送至船上蒸汽加热设备，供加热使用，另一部分被输送至过热器，在过热器中被加热成过热蒸汽后输送至汽轮发电机组，推动汽轮机发电。最后，蒸汽加热设备和凝汽器出口的冷凝水被送回至热井。2安装动力涡轮的船舶柴油机余热利用系统性能计算数学模型2.1安装动力涡轮的船舶柴油机余热利用系统数学