LNG船蒸汽輪機熱效率的分析計算

王忠誠，周瑞佳

(上海海事大學 商船學院，上海201306)

自LNG船誕生之日起，其動力推進就采用了蒸汽透平裝置。這是因為蒸汽透平裝置可有效地利用液化天然氣的蒸發氣體。通過鍋爐燃燒蒸發氣體，加熱水后產生蒸汽，從而驅動透平產生動力。液化天然氣的儲運必須在零下-163℃，但受熱蒸發是不可避免的，雖然透平裝置的低效性是眾所周知的，遠低于柴油機動力裝置的效率，但它確是迄今為止最為有效和經濟地解決和利用蒸發氣體的最佳方案［1］。制約蒸汽輪機發展的主要因素是效率不高，如何提高熱效率，降低運營成本，減少污染，已經成為研究的重點課題。

1 (火用)平衡方程和(火用)效率

1.1 (火用)分析模型和平衡方程

將系統輸入(火用)，輸出(火用)和系統內部(火用)三類(火用)在一個以系統邊界的方框上表示出來，構成(火用)分析模型，見圖1。

圖1 (火用)分析模型

根據分析模型，可以得到研究對象的(火用)平衡方程［2］:

式中:Exbr——外界帶給系統的(火用);

Exlout——流出(火用);

Exlin——流進(火用);

Exefc——有效(火用);

Exsup——水蒸氣供給(火用);

Exeft——有效輸出(火用)

令Exef=Exeft+Exefc–Exbr，則可得到(火用)平衡方程:

1.2 (火用)效率

作為工程經濟性分析方法的一種，(火用)分析法有相應的分析和評價準則。工程上采用(火用)效率ηex作為評價系統或單元設備的準則。

(火用)效率ηex為有效(火用)占供給(火用)的百分比，其定義式為

2 蒸汽輪機的(火用)效率

忽略蒸汽管道的(火用)損失影響，利用蒸汽輪機的過熱水蒸汽供給(火用)Exsup和輸出軸上的有效輸出(火用)Exeft，建立(火用)平衡方程和計算(火用)效率。

設過熱蒸汽在蒸汽輪機入口處的溫度為Tin，壓力為pin，比焓和比熵分別為hin和sin，進入蒸汽輪機的過熱蒸汽量為Ga，環境狀態下水的溫度T0，比焓h0，比熵s0。

設定環境溫度20℃，環境壓力0.1 MPa，即T0=20℃。查未飽和水與過熱水蒸氣的熱力性質表［3］可以得到，在T0=20℃環境壓力為0.1 MPa時，未飽和水的比焓為h0=84 kJ/kg，比熵為s0=0.296 3 kJ/(kg·℃)。

根據“大鵬昊”設計制造的相關資料，其蒸汽輪機采用日本川崎重工制造的UA400型蒸汽輪機。查閱相關資料，其設備的主要參數［3-4］如下。

最大輸出功率28 119 kW，

進口蒸汽壓力6.0 MPa，

高壓汽輪機轉速4 777 r·min-1，

最大連續額定輸出功率24 570 kW，

進口蒸汽溫度510℃，

低壓汽輪機轉速3 153 r·min-1。

根據未飽和水與過熱水蒸氣的熱力性質表［5］可以得到，在tin=510℃，pin=6.0 MPa時，

hin=3 445.76 kJ/kg，sin=6.917 7 kJ/(kg·℃)。

則進入蒸汽輪機的過熱蒸汽量(火用)可根據式(4)求得。

式中:Gin——每小時輸入蒸汽輪機的過熱蒸汽量，kg/h。

“大鵬昊”采用日本三菱重工提供的MB-4E型雙燃料主鍋爐［6］。最大蒸發量65 000 kg·h-1，正常蒸發量55 000 kg·h-1。

此外，根據給水(火用)的計算式(5)求得。

根據式(3)、(4)、(5)可得UA400型蒸汽輪機在主鍋爐正常蒸發量和最大蒸發量的情況下，分別輸出最大輸出功率和最大連續額定輸出功率時候的(火用)效率。計算結果見表1。

表1 輸出軸輸出功率

為了完成系統循環過程，必須消耗有效損耗(火用)Exefc，故在最大連續額定輸出功率時均取12%Exsup，最大輸出功率時取15%Exsup。

3 鍋爐系統熱效率和(火用)效率

“大鵬昊”天然氣船上的鍋爐最大過熱蒸汽蒸發量為65 t/h，正常蒸發量為56 t/h。分兩種情況討論其(火用)效率［7］。

取環境條件:p0=101.17 kPa，T0=294.8℃，相對濕度φ=79%。查濕空氣焓h0-ω圖得h0=55 kJ/kg，查水和過熱蒸汽熱力性質表得h1=1 320 kJ/kg;過熱蒸汽出口焓h2=3 420 kJ/kg。

3.1 鍋爐熱效率

鍋爐熱效率的基本參數表2。

表2 65 t/h時鍋爐基本參數

鍋爐有效利用熱為

式中:GPW——排污水流量，kg/h;

h1——汽包壓力下飽和水焓，kJ/kg。

鍋爐熱效率為

給水(火用)效率計算為

蒸汽(火用)效率計算為

燃料(火用)包括燃料顯熱(火用)、化學(火用)及燃燒產物在標準狀態空氣中的擴散(火用)，由于擴散(火用)在實際過程中很難被采用，通常不予考慮，顯熱(火用)亦因為燃料溫度與環境溫度相近予以忽略，因此得出燃料的(火用)為

式中:H，C，O，N——收到基氫、收到基碳、收到基氧、收到基氮。

(火用)效率為

3.2 正常蒸發量為56 t/h時的鍋爐熱效率及

(火用)效率

56 t/h時鍋爐的基本參數見表3。

表3 56t/h時鍋爐基本參數

3.2.1 鍋爐的熱效率

鍋爐熱效率的基本參數表4。

同理，由3.1中的各計算公式可得鍋爐有效利用熱為

鍋爐的熱效率為

3.2.2 鍋爐(火用)效率

給水(火用)為

蒸汽(火用)為

鍋爐重油的燃料(火用)為52 706.4 kW;

(火用)效率為

由3.1和3.2的計算數據列出表4。

表4 鍋爐在65 t/h和56 t/h兩種工況下的參數

4 結論

1)在輸入過熱蒸汽溫度和壓強相同時，(火用)效率與進氣量有關。蒸汽輪機在額定正常蒸汽量情況下的(火用)效率要高于最大蒸汽量情況下的(火用)效率，這說明不是蒸汽量越多汽輪機的(火用)效率就會越高。需要通過實驗測得一個和汽輪機相匹配的蒸汽量，才能獲得較高的(火用)效率，這與船舶建造時設備選型有著重要的關系。

2)在輸入蒸汽量、溫度和壓強相同的情況下，(火用)效率與輸出功率有關。輸出功率提高時，雖然有效損耗(火用)有所增加，但(火用)效率仍有較明顯的提高。

3)本研究采用的是朗肯循環，需要考慮回熱循環和中間再熱循環。如果僅采用朗肯循環，汽輪機對外做功的(火用)效率不高，說明在蒸汽輪機出口端的蒸汽仍有一定的做功能力，所以采用回熱循環和中間再熱循環，可以進一步提高系統能量的利用率。

總之，作為考量蒸汽輪機效率的關鍵參數，(火用)效率的價值要遠遠大于熱效率，因為它更能反映能量在各個設備間做功能力的大小。對提高整個系統的做功能力，合理利用能量，提高經濟性都有巨大的指導作用。所以，通過提高蒸汽輪機的(火用)效率是進一步提高蒸汽輪機熱效率的必經之路，也是關鍵所在。

［1］趙興銳.LNG船蒸汽輪機動力裝置及其管道振動分析［D］.上海:上海交通大學，2005.

［2］馬建坤.300 MW凝汽式機組汽輪機熱力系統變工況(火用)分析［D］.唐山:華北電力大學，2007.

［3］MERCER M.Gearboxes designed for changing LNG Carrier needs［J］.Diesel＆Gas Turbine Worldwide，2005，37(9):38-42.

［4］TSUTOMUMIZUMOTO.The Characteristics of KHImarine main turbine for LNG［J］.Joumal of the JIME，2005，40(3):25-30.

［5］沈維道，童鈞耕.工程熱力學［M］.北京:高等教育出版社，2007.

［6］吳 窮，王建豐，王 沖，等.LNG運輸船的主動力裝置［J］.熱能動力工程，2009(24):7-10.

［7］胡智慧，郭曉翔.600 MW機組超臨界鍋爐的效率分析［J］.廣西電力學報，2007(6):54-57.