船舶柴油機主動力裝置總能系統能級模型的建立及應用

(廣州航海高等專科學校，廣州 510725)

船舶總能熱力系統由若干動力機械、熱交換設備、連接管網及相關輔助設備組成。圖1所示為采用廢氣鍋爐對主柴油機排氣余熱進行動力回收、并進行熱電聯供的典型船舶動力裝置總能熱系統[2]。

圖1 柴油機船舶余熱動力回收熱力系統簡

1 總能系統能級模型

1.1 柴油機部分能級平衡方程

Q1=W+QP+QC+QL

Ex1=W+Exp+ExC+ExL

根據能級的定義，將第二式除以Q1得

即

λ1=ηt+λPηP+λCηC+λ1ξ1

(1)

式(1)即為柴油機裝置的能級平衡方程式。式中：λ1、λP、λC分別為燃油發熱量、排氣放熱量和冷卻水散熱量的能級；ηt、ηP、ηC及ξ1分別為柴油機熱效率、排氣熱損失率、冷卻熱損失率及柴油機系統損失率。

設備的能級效率為其輸入能量的能級與輸出能量的能級之比。柴油機的輸入能級為燃燒產物的能級λ1，輸出能級為輸入各種能量的綜合能級，即λout=(W+ExP+ExC)/Q1，這樣能級效率為ηλ=λout/λ1。

1.2 余熱鍋爐部分能級平衡方程

QP1=QG+QB+QPL-QJ

EP1=EGx+EBx+EPLx-EJx

同理有：

即

λP1=λGηG+λBηB+λP1ξP-λJηJ

(2)

式(2)即為柴油機裝置的能級平衡方程式。式中：λP1、λG、λB、λJ分別為入口煙氣、過熱蒸汽、飽和蒸汽及給水的能級；ηG、ηB、ηJ及ξP分別為過熱蒸汽吸熱率、飽和蒸汽吸熱率、給水熱量與煙氣帶入熱量的比率及余熱鍋爐系統損失率。以過熱蒸汽和飽和蒸汽攜帶的能量作為其輸出能量，同樣可得到廢氣鍋爐的能級效率計算公式。

1.3 汽輪機部分能級平衡方程

QS=WS+QL+QSL

ESx=WS+ELx+ESLx

根據能級的定義有：

即

λS=ηS+λLηL+λSξS

(3)

式(3)即為汽輪機裝置的能級平衡方程式。式中：λS、λL分別為汽輪機進口處過熱蒸汽和出口處乏汽的能級；ηS、ξS分別為汽輪機熱效率及內部損失率。

式(1)、(2)、(3)分別建立了船舶動力裝置總能系統中主要設備的能級平衡方程，三者間有緊密的內在聯系，若不考慮排氣和蒸汽管道的熱損失，則有λP=λP1，λG=λS。綜合起來即可形成船舶動力裝置總能系統能級模型。

2 實例計算

下面以一使用廢氣鍋爐進行余熱動力回收的16 000 t散裝煤礦船為例進行動力裝置總能熱力系統的能級分析。其裝置熱線圖見圖2。

圖2 16 000 t散裝煤礦船動力裝置熱線

主柴油機排出的煙氣供給廢氣鍋爐，由空冷器初步預熱的給水經廢氣鍋爐經濟器后進入鍋筒，由循環泵循環爐水，在蒸發器中循環蒸發產生蒸汽，汽水工質從蒸發器出來后，至輔助鍋爐鍋筒實現汽水分離，產生的一部分飽和蒸汽(1 000 kg/h)直接去加熱用汽場所，而大部分飽和蒸汽經過熱器進行過熱，以獲得4.9 MPa的壓力及265 ℃的過熱蒸汽，經蒸汽管道適當降壓，降溫至4.4 MPa，260 ℃，至蒸汽輪機做功，排汽經冷凝由冷凝水泵排至熱水井，凝水由泵通過管道經增壓空氣(溫度約為140 ℃)加熱獲得100 ℃后進入廢氣鍋爐，構成一個金蘭循環。該裝置利用過熱蒸汽驅動蒸汽輪機可產生383 kW電量，船舶夏季最大需電量為380 kW，因而，在船舶正常運行期間，可停開副柴油機發電機和輔助燃油鍋爐。

該船主柴油機為6EDSZ76/160低速二沖程柴油機，持續功率為7 350 kW(85%MRC)，油耗率b=220 g/(kW·h)。該船所航行海域環境溫度為30 ℃，大氣壓力為一標準大氣壓，實船測得增壓器后排氣平均溫度為320 ℃，由于排氣管道散熱損失，實際進入廢氣鍋爐的廢氣溫度為315 ℃。根據低速二沖程柴油機的一般空燃比及油耗率，取排氣比流量g=8.16 m3/(kW·h)，排氣密度ρ=1.34 kg/m3,則相應的排氣流量為G=gNρ=64 320 kg/h。取廢氣鍋爐出口溫度為160 ℃。汽輪機進汽壓力為4.4 MPa，260 ℃，冷凝壓力為0.06絕壓。通過對該實例的計算，其能量分析、分析[3]及能級分析的結果見表1。

表1 船舶柴油機動力裝置總能系統計算結果及分析

3 分析與結論

由以上計算結果可看出，各設備的能級利用率都高出其熱效率和效率，這說明系統內部的能級匹配基本合理，充分利用了不同能級的能量，較大限度地發揮了能源的效能。

柴油機的能級效率遠大于其熱效率,這是因為將排氣和冷卻水余熱能量作為其輸出能量引起的，這也說明通過對這部分能量的有效回收利用對提高總能系統的綜合效率至關重要。汽輪機所耗能源的能級最低，其能級效率也很高，這是由于汽輪機中能源的能級低，為了將較低品位的熱能變成高品位的機械功，必須以更多的放熱損失作為代價，所以其熱效率很低，但其能級利用率較高，這充分說明了此裝置將所耗能質進行了充分的利用。

余熱鍋爐的能級利用率也較高，這是因為鍋爐內部進行的不是熱功轉換過程，而只是一個換熱過程，實質上它是一個以降低煙氣的能級為代價來提高水和水蒸汽能級的過程，在這里不僅進行了能量載體的轉換，也實現了能量品質的提高。

[1]彭敏俊.核動力裝置熱力系統分析[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2003.

[2] 姚壽廣.船舶熱力系統分析[M].北京:科技出版社.2003.

[3] 蔣祖星.船舶柴油機主動力裝置總能系統能質分析[J].天津航海，2006(2)：12-14.