船用柴油机废气涡轮发电机经济性分析.pdf

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1、第39卷第3期2010年6月船海工程SHIP&OCEANENGINEERINGVoL39No．3JurL2010DOI：10．3963／j．issn．1671—7953．2010．03．033船用柴油机废气涡轮发电机经济性分析逄守文，戚海舰，程向新。任威(山东交通学院海运学院，山东威海264200)摘要：分析船用柴油机废气涡轮发电机系统中废气锅炉和汽轮机的工作原理；对比船舶在配备废气涡轮发电机系统前后的运营成本，指出采用废气涡轮发电机系统可以使船舶在长期运营中获得更高的经济效益。关键词：柴油机；废气；发电机；经济性中图分类号：U664．121文献标志码：A文章编号：1671—

2、7953(2010)03—0115一03目前，大部分船舶均以柴油机作为主推动装置和电力发动机。在船舶航行或靠港装卸货期间，大型船舶主机及发电柴油机的排烟温度在经过废气涡轮增压器及废气锅炉后仍然高达300℃；其中含有大量废热，约占燃油发热量的30％。回收并利用这部分余热是船舶动力装置节能的重要任务。主机排气废热回收的最佳的方式是驱动废气涡轮发电机产生电能。1系统构成船用柴油机废气涡轮发电机系统组成，见图1。废气锅炉图I柴油机废气发电机系统组成热井中的热水被给水泵泵至废气锅炉预热器中进行预加热，然后进入汽水分离器(汽包)中。汽水分离器中的热水在循环泵的作用下送至废气收稿日期：20

3、10-03-01修回日期：2010-03—29作者简介：逢守文(1980一)，男，硕士，助教。研究方向：轮机仿真技术。E-mail：shwpang@126．com锅炉的蒸发器中产生蒸汽和水，然后回到汽水分离器中。在汽水分离器中，蒸汽和水分离开来，大部分的饱和蒸汽进人废气锅炉的过热器中被加热成过热蒸汽。从过热器出来的过热蒸汽进入汽轮机，推动汽轮机旋转带动发电机发电。发电机发出的电能并入全船电网，带动负载。1．1废气锅炉废气的温度取300℃，环境温度取25℃，热能的品味(p为：9=I—zTo(1)式中：T0——环境绝对温度；T，——废气绝对温度。由公式(1)可知，废气热能的品味为

4、0．48，废气热能的品味比较高，可以回收。废气锅炉产生的最大饱和蒸汽量Q一为[1]：Q眦一Qr业掣(2)式中：Qr——柴油机产生的废气量，kg／h；C——废气比热容，kJ／kg·K；tl——废气进锅炉温度，℃；，t2——废气出锅炉温度，℃；r锅炉散热损失，取5％；i1——锅炉给水对应热焓，kJ／kg；i2——饱和蒸汽对应热焓，kJ／kg。以MANB&W12K98ME—C柴油机为例，对应不同负荷下，柴油机产生的废气量和废气温度见图2。考虑到低温腐蚀和废气锅炉受热面设计的合理性，取t2>165℃。由图2可知，柴油机50％负荷的废气量比45％时有所下降，而废气温度却大幅度提高。这是

5、由于在50％负荷时打开了废气到动力涡轮的旁通管1】5第3期船海工程第39卷f々堂苔商扩毽柴油机负荷舶+废气量+废气温度图2废气产生量和温度图p越赠F避路，根据MANB&w的研究报告[2

6、，在主机额定工况时，动力涡轮的输出功率是主机额定功率的4．6％，总的废气量将减少13％，混合后废气的温度将增加50℃，主机燃油消耗量将增加o～1．8％。废气锅炉产生的过热蒸汽(0．6MPa，270℃)量Q为：Q。一(Q肌。+Qv)(i。--i，)(3)式中：Q。——废气锅炉产生的最大饱和蒸汽量，kg／h；Qv——全船蒸汽消耗量，kg／h；i。——o．6MPa饱和蒸汽热焓，kJ／kg；i，——O

7、．6MPa、270℃过热蒸汽热焓，kJ／kg。由式(2)和(3)计算出柴油机在不同负荷下产生的最大过热蒸汽量见图3。．2600影22o函18嚣一4赣10捌50556065707580859095柴油机负荷，％图3柴油机不同负荷产生的过热蒸汽■1．2汽轮机废气锅炉产生0．6MPa、270℃的过热蒸汽直接驱动汽轮机，可以认为该过程为等熵绝热过程，经汽轮机之后，过热蒸汽变成36℃的湿蒸汽，则汽轮机的热效率呀为‘1]：呀：1H了1--H2(4)叩2瓦iF04)式中：H。——汽轮机进口过热蒸汽热焓；Hz——汽轮机出口蒸汽热焓；^。——废气锅炉出口过热蒸汽热焓；^r——废气锅炉给水热焓。

8、116不计人过热蒸汽输送管路的热损失，废气锅炉出口过热蒸汽热焓应等于汽轮机进口过热蒸汽热焓。汽轮机出口热焓取决于汽轮机的排气背压，排气背压越低，热效率越高，一般取排气背压为6～15kPa。根据水和蒸汽的热力学性质，可以计算出其焓等于2212．2kJ／kg、熵等于7．1866kJ／(kg·℃)、压力等于6kPa。这样就可以得到MANB&W12K98ME～C柴油机在不同负荷下蒸汽涡轮输出的功率，见图4。≥芒哥誊丑蜂斗蜊妃糕柴油机负葡％图4柴油机不同负荷下蒸汽涡轮输出功率假定减速齿轮箱的效率为97％，发电机效