船舶主機(jī)余熱利用技術(shù)探究

孫長(zhǎng)江，張金釗

（1.海軍駐大連船舶重工集團(tuán)有限公司軍事代表室，大連 116000；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇四研究所，上海 200031）

船舶主機(jī)余熱利用技術(shù)探究

孫長(zhǎng)江1，張金釗2

（1.海軍駐大連船舶重工集團(tuán)有限公司軍事代表室，大連 116000；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇四研究所，上海 200031）

闡述了船舶余熱利用必要性，并通過介紹船舶主機(jī)余熱回收利用的主要技術(shù)手段，結(jié)合MAN公司大功率低速船用柴油機(jī)加裝余熱利用裝置的經(jīng)濟(jì)性分析，探究我國(guó)船舶主機(jī)余熱回收利用的可行性。

船舶主機(jī)；余熱利用；經(jīng)濟(jì)性分析

0 引言

能源問題已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展中一個(gè)非常重要問題。船舶作為能源消耗量巨大的運(yùn)輸工具，較高的能耗一方面使船舶運(yùn)行成本增加，另一方面也造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題。因此，如何有效降低船舶能耗是一個(gè)現(xiàn)實(shí)而又重大的課題。國(guó)際海事組織IMO已將新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)（Energy Efficiency Design Index，EEDI）作為考核船舶運(yùn)行能耗高低的一個(gè)指標(biāo)。船舶主機(jī)低效率運(yùn)行，除了將面對(duì)高額的燃料費(fèi)用外，還將支付額外的罰金，以補(bǔ)償對(duì)環(huán)境的破壞。

船舶直接耗用燃料的設(shè)備是船舶主機(jī)、輔機(jī)以及輔助鍋爐。其中，主機(jī)所耗能量占總輸入能量的70%～90%。因此，占船舶耗能絕大部分的主機(jī)，其能量利用效率將是影響船舶能效的關(guān)鍵因素。提高船舶主機(jī)熱效率最本質(zhì)的方法就是提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度，但是隨著燃燒溫度的升高將大大增大船舶NOx等有害物的排放量，因此單純采用提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度來提高熱效率是不可行的。為了提升船舶航運(yùn)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)并滿足相應(yīng)的環(huán)境指標(biāo)要求，必須另辟新徑。船舶主機(jī)余熱大約占燃燒總能量的50%，若充分利用這部分余熱，將明顯降低船舶總?cè)加拖模瑫r(shí)也不會(huì)增加船舶NOx等有害物質(zhì)排放，達(dá)到節(jié)能和減排雙贏的效果，將具有極大的理論研究?jī)r(jià)值和實(shí)際應(yīng)用前景[1,2]。

1 船舶柴油機(jī)余熱利用研究思路

船舶上加裝余熱回收裝置，就是將船舶上本來浪費(fèi)掉的熱量集中起來再利用做功，這需要通過不同的熱力設(shè)備才能夠?qū)崿F(xiàn)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中，需要分別對(duì)各個(gè)熱力設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到有效合理的余熱利用方案。詳細(xì)的設(shè)計(jì)流程大致可以按下列步驟展開：

1）熱力學(xué)理論的研究。熱力學(xué)理論研究就是運(yùn)用熱力學(xué)與傳熱學(xué)等相關(guān)的理論對(duì)余熱利用系統(tǒng)進(jìn)行熱力分析，不斷地進(jìn)行優(yōu)化以選取最合適的參數(shù)。最終達(dá)到余熱源熱力參數(shù)與余熱系統(tǒng)各熱力設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的一種最優(yōu)匹配，為之后的余熱系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真研究和試驗(yàn)研究提供必要的理論支撐。

2）計(jì)算模擬仿真研究。計(jì)算機(jī)仿真研究就是結(jié)合熱力學(xué)理論分析和相應(yīng)的熱力學(xué)計(jì)算，建立余熱回收設(shè)備的計(jì)算機(jī)仿真模型。利用計(jì)算機(jī)軟件去模擬實(shí)際的運(yùn)行工況和外界環(huán)境，對(duì)預(yù)熱系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算。通過對(duì)仿真模型的改進(jìn)和優(yōu)化，設(shè)計(jì)出不同側(cè)重點(diǎn)的新模型，為之后的試驗(yàn)研究提供有效的支撐和參考。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)大大地節(jié)省了研究的周期和經(jīng)費(fèi)，同時(shí)也減少試驗(yàn)研究階段的工作量，是一種非常有效的設(shè)計(jì)手段。

3）試驗(yàn)研究。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，就是通過理論分析并結(jié)合工程實(shí)際，設(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)步驟，搭建試驗(yàn)臺(tái)架，進(jìn)行系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，模擬系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過程。通過調(diào)節(jié)試驗(yàn)裝置，進(jìn)行不同工況的分析模擬，分別得到每個(gè)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中的數(shù)據(jù)參數(shù)。通過對(duì)試驗(yàn)參數(shù)的比較分析，既可以對(duì)理論計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，還能對(duì)數(shù)值仿真的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)階段是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的必須步驟，可以為理論設(shè)計(jì)以及之后的實(shí)際生產(chǎn)提供最有力的參考。

4）熱經(jīng)濟(jì)性分析研究。熱經(jīng)濟(jì)性分析研究就是結(jié)合相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過理論分析并加以計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算，對(duì)余熱利用系統(tǒng)的不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)性的分析。通過對(duì)不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比對(duì)研究，得出最優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)型方案，與此同時(shí)，考慮相應(yīng)的工程實(shí)際，設(shè)計(jì)出滿足不同需要的建造方案并提供報(bào)價(jià)，保證產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性[2]。

2 船舶主機(jī)余熱利用主要技術(shù)手段

2.1 動(dòng)力渦輪余熱回收技術(shù)

動(dòng)力渦輪回收船舶主機(jī)余熱的裝置，是區(qū)別于渦輪增壓器中的廢氣渦輪的一種裝置。動(dòng)力渦輪是從主機(jī)排氣中直接旁通部分流量（一般為10%左右），推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生軸功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電用以保證船舶電力供應(yīng)或者直接輸出。同時(shí)，動(dòng)力渦輪輸出的軸功也可以通過軸系傳動(dòng)裝置與蒸汽輪機(jī)相連共同對(duì)外輸出有用功。船舶主機(jī)加裝動(dòng)力渦輪后需要重新調(diào)制和匹配渦輪增壓器，一般情況下當(dāng)主機(jī)高工況運(yùn)行時(shí)，排氣旁通閥打開，排氣分成兩股不同大小的流量分別流經(jīng)增壓器渦輪以及動(dòng)力渦輪。當(dāng)主機(jī)處于低工況時(shí)，排氣具有的能量不高，將關(guān)閉排氣旁通閥，只利用渦輪增壓器做功，不再通過動(dòng)力渦輪。圖1為ABB公司設(shè)計(jì)的加裝動(dòng)力渦輪的余熱利用系統(tǒng)示意圖。

圖1 ABB公司加裝動(dòng)力渦輪的余熱利用系統(tǒng)

2.2 余熱鍋爐余熱回收技術(shù)

余熱鍋爐余熱回收技術(shù)，是利用余熱鍋爐回收主機(jī)排氣的余熱，將鍋爐中的熱水加熱成為過熱蒸汽，通入蒸汽輪機(jī)當(dāng)中推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，實(shí)現(xiàn)在不消耗主機(jī)發(fā)出的有用功的基礎(chǔ)上，為船舶提供電力供應(yīng)和蒸汽供應(yīng)。當(dāng)船舶低工況運(yùn)行時(shí)，余熱鍋爐產(chǎn)生的電量不能提供足夠的電力供應(yīng)，就需要借助其他的技術(shù)手段予以補(bǔ)充，此時(shí)余熱鍋爐只為船舶提供必要的蒸汽。圖2為W?rtsil?公司開發(fā)的帶余熱鍋爐的余熱回收系統(tǒng)示意圖。

圖2 W?rtsil?公司帶余熱鍋爐的余熱利用系統(tǒng)

2.3 蒸汽輪機(jī)余熱回收技術(shù)

利用蒸汽輪機(jī)來實(shí)現(xiàn)余熱回收的技術(shù)，即通過蒸汽輪機(jī)裝置吸收船舶余熱鍋爐出口的過熱蒸汽，推動(dòng)蒸汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)外輸出軸功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，保證船舶上的電力供應(yīng)。當(dāng)主機(jī)高工況運(yùn)行時(shí)，蒸汽量較大，蒸汽輪機(jī)可以通過軸系裝置與動(dòng)力渦輪連接共同帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，可以減少船上大型發(fā)電機(jī)的布置數(shù)量，大大節(jié)省成本。當(dāng)主機(jī)運(yùn)行工況較低時(shí)，產(chǎn)生蒸汽量小，需要配合使用小型發(fā)電機(jī)來進(jìn)行電力補(bǔ)充，以滿足船上供電要求。圖3為德國(guó)MAN公司開發(fā)的蒸汽輪機(jī)-動(dòng)力渦輪聯(lián)合余熱回收系統(tǒng)。

圖3 MAN公司余熱利用系統(tǒng)ST-PT系統(tǒng)

2.4 有機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收技術(shù)

有機(jī)朗肯循環(huán)余熱回收技術(shù)，就是基于朗肯循環(huán)的相關(guān)原理，利用余熱回收系統(tǒng)中的蒸發(fā)器吸收船舶主機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的余熱。將有機(jī)工質(zhì)加熱到過熱蒸汽狀態(tài)，過熱蒸汽進(jìn)入有機(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)中推動(dòng)汽輪機(jī)做功并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。汽輪機(jī)出口的低壓蒸汽通過海水冷卻凝結(jié)成過冷液體。經(jīng)過工質(zhì)泵抽取加壓，再次輸送到蒸發(fā)器中蒸發(fā)，形成一個(gè)循環(huán)的回路，實(shí)現(xiàn)了從余熱能量到電能的轉(zhuǎn)化，可以為船舶用電提供支持。圖4為日本三菱公司開發(fā)的有機(jī)朗肯循環(huán)余熱利用系統(tǒng)示意圖[3,4]。

圖4 三菱公司有機(jī)朗肯循環(huán)余熱利用系統(tǒng)

3 船用主機(jī)余熱利用經(jīng)濟(jì)性分析

目前，最先進(jìn)的船用二沖程柴油機(jī)主機(jī)擁有所有熱機(jī)中最高的效率，其熱效率僅在 50%左右，仍然有一半的燃燒能量沒有被利用，廢熱隨廢氣和冷卻水排入環(huán)境，既造成了污染，又浪費(fèi)了大量的能量。目前由于廢氣渦輪增壓器效率的提高，船用主機(jī)廢氣中的能量除了供渦輪增壓器使用外，還有大量剩余。圖5為MAN 12K98ME/MC型船用柴油機(jī)主機(jī)的能量利用圖，此款主機(jī)只將49.3%的燃料能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Γ溆?0.7%的能量沒有被主機(jī)利用，最終作為廢熱以各種形式排入大氣環(huán)境。

圖5 12K98ME/MC型主機(jī)能量利用圖

船舶為了維持正常運(yùn)行，需要配置輔助柴油機(jī)和輔助鍋爐，同樣要消耗燃料以提供足夠的電力和蒸汽。顯然，如果能夠利用主機(jī)余熱（即廢氣熱量和冷卻水的熱量）進(jìn)行發(fā)電或作為輔助設(shè)備熱源提供蒸汽，則可以替代部分輔機(jī)和輔助鍋爐，減少輔助設(shè)備數(shù)量的同時(shí)達(dá)到節(jié)能減排效果。

據(jù)研究，當(dāng)主機(jī)功率在15000kW以上時(shí)，采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)和設(shè)備，充分回收其排氣及冷卻水余熱用于發(fā)電及輔助設(shè)備供熱，余熱發(fā)電量可滿足全船航行用電要求。著名船用主機(jī)廠商 W?rtsil?公司在其12RT-flex96C型柴油機(jī)主機(jī)(MCR：68640kW)，在85%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)(58344kW)上加裝余熱回收裝置，可發(fā)出6650kW的電力(發(fā)電機(jī)效率95%)。由此可見，選擇和設(shè)計(jì)合理的余熱利用系統(tǒng)，是有效利用主柴油機(jī)余熱，解決航行所需電量、熱源的重要途徑。表1為W?rtsil?公司12RT-flex96C型柴油機(jī)主機(jī)使用余熱利用系統(tǒng)前后的熱平衡比較。

表1 12RT-flex96C主機(jī)加裝余熱利用系統(tǒng)前后熱平衡對(duì)比

從表中可見，采用余熱利用系統(tǒng)以后，雖然軸功率減少了 0.3%，但余熱利用系統(tǒng)發(fā)出了占燃料總能5.9%的電能，整個(gè)動(dòng)力裝置(柴油機(jī)加上余熱利用系統(tǒng))的能量利用效率從49.3%提高到54.9%，整體的能量利用效率有顯著地提升。因此，船舶主機(jī)余熱利用系統(tǒng)將大大提高船舶能量利用效率。據(jù)W?rtsil?和MAN等公司估算，在油價(jià)為450美元/噸時(shí)，不到4年時(shí)間就可全部回收余熱利用系統(tǒng)的投資，而且隨著油價(jià)的上升，投資回收期急劇縮短，圖6為根據(jù)MAN公司設(shè)計(jì)的余熱利用方案計(jì)算的投資回收年限與油價(jià)的關(guān)系。

圖6 不同燃油價(jià)格下資金回收期

余熱利用系統(tǒng)的投資回收年限還和船舶主機(jī)的功率有很大關(guān)系，功率越大，可回收的能量也越多。圖7為MAN公司給出的油價(jià)在每噸160美元時(shí)，余熱利用系統(tǒng)投資回收期與主機(jī)運(yùn)行功率的關(guān)系。

圖7 投資回收期與船舶主機(jī)運(yùn)行功率的關(guān)系

由圖6看出，隨著油價(jià)的上漲，余熱回收裝置投資回報(bào)的周期會(huì)不斷縮短。但是油價(jià)在長(zhǎng)期內(nèi)一定是波動(dòng)的，由圖7可以看出，當(dāng)油價(jià)相對(duì)較低時(shí)，余熱回收裝置的投資回報(bào)期與主機(jī)運(yùn)行功率也存在著對(duì)應(yīng)的關(guān)系。所以，對(duì)于船舶主機(jī)加裝余熱回收裝置，存在著一定的投資回報(bào)率對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以保證余熱回收裝置的經(jīng)濟(jì)性[1,4,5]。

4 結(jié)論

綜上可知，船舶主機(jī)余熱利用系統(tǒng)可充分利用主機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的余熱，大大提高了主機(jī)的能量利用效率并降低排放，是一種先進(jìn)的船舶節(jié)能措施。在能源資源日益緊張、航運(yùn)成本逐漸增長(zhǎng)的今天，綜合利用好船上的各類能量，提高船舶的能量利用效率，不僅可以節(jié)省航運(yùn)成本，而且能夠降低主機(jī)污染物排放。

因此，船舶主機(jī)余熱回收是一個(gè)具有理論研究?jī)r(jià)值和實(shí)際應(yīng)用前景的新興領(lǐng)域。我國(guó)相關(guān)生產(chǎn)廠家及科研單位應(yīng)當(dāng)通過自主研發(fā)和創(chuàng)新，打破國(guó)外技術(shù)壟斷，逐步展示我國(guó)船用柴油機(jī)余熱回收產(chǎn)業(yè)的技術(shù)實(shí)力，提升我國(guó)船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)制定規(guī)則在國(guó)際上的話語權(quán)，為我國(guó)船用配套產(chǎn)業(yè)升級(jí)、結(jié)構(gòu)調(diào)整作出示范，帶動(dòng)我國(guó)整個(gè)船舶動(dòng)力余熱利用行業(yè)的良性發(fā)展。

[1]Waste Heat Recovery System for Reduction of Fuel Comsumption,Emissions and EEDI[OL].www.mandieselturbo.com.

[2]陳秋成.船舶動(dòng)力裝置的余熱利用分析[J].中國(guó)水運(yùn),2010(10):112-114.

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Research on Marine Main Engine Waste Heat Recovery

SUN Chang-jiang1,ZHANG Jin-zhao2
(1.Naval Military Representative Office in Dalian Shipbuilding Industry Co.Ltd.,Dalian 116000,China;2.Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031,China)

This paper expounds the importance of marine main engine waste heat recovery and introduces the main technology of WHR.By making economic analysis for the MAN’s high-power low-speed Marine main engine with WHR equipment,the feasibility of main engine with WHR in our country is explored.

marine main engine; waste heat recovery; economic analysis

X706

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.05.005

孫長(zhǎng)江（1979-），男，碩士研究生。研究方向：輪機(jī)專業(yè)。