大型商船燃蒸柴聯合循環動力系統設計與分析

張曉榮， 李博洋

(1.青島遠洋船員職業學院 機電系， 山東 青島 266071； 2.中遠海運集團技術中心 青島船院分中心，山東 青島 266071； 3.青島科技大學 機電工程學院， 山東 青島 266061)

國際海事公約針對船舶動力裝置尾氣排放等污染問題的要求日趨嚴苛，因此，急需尋求低污染、高效率的替代船舶動力裝置。燃氣輪機具有低排放、高可靠性和單機功率大等優點，但也存在對燃料的要求高、熱效率低等缺點，目前主要應用于軍用艦船，國內外關于燃氣輪機大型商船應用的研究較少。[1-4]基于上述背景，本文主要研究燃氣輪機在大型商船上的應用。燃氣輪機的熱效率較低，可利用其排氣余熱，提高系統的整體效率。[5-7]將燃氣輪機作為大型商船的主動力裝置，并與蒸汽輪機和柴油機聯合使用，考慮采用多種動力裝置聯合的電力推進系統，提高燃氣輪機的性能和效率。

1 母型船的選擇

燃氣輪機對燃料要求高，需要燃用輕油或天然氣，而液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)運輸船有充足的閃蒸汽(Boiled Off Gas,BOG)和LNG，可滿足燃氣輪機的燃料需求。因此，有針對性地選取LNG運輸船作為本研究的母型船，其相關參數見表1。

表1 LNG運輸船相關參數

2 系統設計

2.1 設計思路

由于母型船的蒸汽動力裝置效率低，有害物體排放量高，選用以船用燃油或LNG為燃料，單機功率大、低排放的燃氣輪機作為系統的主動力[8]，驅動發電機發電。考慮燃氣輪機的排氣溫度與蒸汽輪機的進汽溫度相當(約550 ℃)[9-10]，可在余熱鍋爐中利用燃氣輪機的排氣余熱產生蒸汽，將蒸汽供給至蒸汽輪機，驅動蒸汽輪機發電，這樣就能提高動力裝置的系統效率。為提高船舶動力系統冗余和保證系統的可靠性，可增加雙燃料柴油機。燃氣輪機、蒸汽輪機和柴油機等動力設備共同向船舶的電網供電，以提供推進動力和滿足電力需求。燃蒸柴聯合循環動力系統見圖1。

圖1 燃蒸柴聯合循環動力系統

2.2 系統方案設計

1)LNG貨艙為動力系統提供充足的LNG燃料，使燃氣輪機和柴油機能夠驅動發電機發電。由于柴油機和燃氣輪機的燃料進機壓力不同，考慮分路供應，一路經換熱器1由柴油機缸套冷卻水加熱至柴油機要求的燃料進機溫度，另一路經換熱器2和換熱器3分別由冷庫和柴油機缸套冷卻水加熱至燃氣輪機要求的燃料進機溫度。在燃氣輪機和柴油機的排煙管處加入余熱鍋爐，用來回收動力裝置的排氣余熱。余熱鍋爐與鍋爐補給水、蒸汽輪機形成回路，利用燃氣輪機排氣余熱溫度較高且具有較多能量的特點，余熱鍋爐中的高溫排氣與鍋爐補給水充分換熱后，產生的蒸汽供給至蒸汽輪機，蒸汽做功后驅動蒸汽輪機的發電機發電。燃氣輪機、蒸汽輪機和柴油機的發電機共同向船舶電網供電，形成燃-蒸-柴聯合的電力推進系統。

2)系統增加兩臺W?rtsil? 12V34DF雙燃料柴油機來保證系統的可靠性，在船舶機動航行工況下，燃氣輪機負荷較低，系統穩定性差，此時柴油機運行，提高系統冗余，使系統更安全可靠。柴油機驅動發電機發電的同時，將排氣余熱供給至鍋爐，可提高系統熱。在船舶靠泊工況下，燃氣輪機停用，利用柴油機可保證船舶的電力需求,提高系統效率。由于本系統選取通用公司LM2500燃氣輪機作為推進動力裝置的主動力，燃氣輪機支路供應的燃料需求量較大，將船舶冷庫設置于燃氣輪機的燃料供應管路中，可利用LNG燃料含有的巨大冷能，以省去制冷設備，節省船舶電能，提高能量利用率。設計的燃蒸柴聯合的循環動力系統見圖2。

3 系統效率計算與分析

wc=cpaΔTc

(1)

wo=cpgΔTo

(2)

wi=(1+f)wo-wc

(3)

(4)

(5)

式(1)～式(5)中:wc為燃氣輪機壓氣機比功；cpa為空氣比熱容；ΔTc為燃氣輪機壓氣機出口溫度；wo為燃氣輪機透平比功；cpg為燃料比熱容；ΔTo為燃氣輪機透平進口溫度；wi為燃氣輪機比功；f為燃料空氣比；ηgt為燃氣輪機熱效率；Hu為天然氣熱值；ηgt-m為燃氣輪機的HYSYS模擬效率；P1為燃氣輪機發電功率；Gf為燃氣輪機燃料流量；Hf為燃氣輪機燃料比熱。

圖2 燃蒸柴聯合的循環動力系統

以燃氣輪機90%負荷為例，計算燃氣輪機的理論熱效率。在該工況下，燃氣輪機壓氣機的進口溫度為293 K,計算ΔTc=415.1 K，由式(1)得出wc=417.2 kJ/kg；該工況的燃氣初始溫度為1 623 K,ΔTo=722.7 K，由式(2)～式(4)分別得出wo=835.4 kJ/kg，wi=439.1 kJ/kg，ηgt=37.33%。

利用Aspen HYSYS軟件模擬燃氣輪機90%負荷時的燃蒸柴聯合循環動力系統流程見圖3。由圖3可得出系統主要節點的溫度、壓力和流量等參數值，見表2。由式(5)可得出ηgt-m=38.7%，ηgt與ηgt-m的相對誤差為1.26%(<2.00%)，表明燃蒸柴聯合循環動力系統的設計方案是合理的。

圖3 Aspen HYSYS模擬系統流程

表2 模擬系統主要節點參數

蒸汽輪機發電功率為

P3=Wiηgηm

(6)

式(6)中:Wi為蒸汽輪機比功；ηg為蒸汽輪機的發電機效率；ηm為蒸汽輪機的機械效率。

船舶吊艙式推進功率為

PAm=PCO·ηER·ηm

(7)

式(7)中:PCO為系統總功率；ηm為系統總機械效率。

本設計系統采用吊艙式推進系統，其電力源來自燃氣輪機、蒸汽輪機和2臺雙燃料柴油機等配置的發電機，各發電機進行整流并網后送入綜合電力推進系統。在船舶電力推進系統中，將發動機功率轉化為軸功率，必然會損失一定的功率，船舶電力推進系統功率損耗見圖4。

圖4 船舶電力推進系統功率損耗

依據表2、圖4和式(4)～式(7)，計算出在不同燃氣輪機負荷下的燃氣輪機發電效率及其系統輸出效率、燃蒸聯合發電效率及其系統輸出效率(主機至推進軸處動力裝置總效率沒有計入螺旋槳的效率)等，計算結果見表3。

表3 各燃機負荷的系統功率與效率

由式(1)和表3可得各燃氣輪機負荷下的燃氣輪機效率和燃氣輪機發電效率，繪制的關系曲線見圖5a和圖5b。

1)燃氣輪機負荷為20%～100%時，燃氣輪機效率及其發電效率分布呈現逐漸增大的趨勢。

2)燃氣輪機負荷小于60%時，燃氣輪機效率及其發電效率的增加幅度較大(分別增加29.31%和26.88%)。

3)燃氣輪機負荷大于60%時，燃氣輪機效率及其發電效率的增加幅度較小且趨于穩定。

上述結果表明：在燃氣輪機負荷為20%～100%時，燃氣輪機發電效率隨燃氣輪機效率的增大而增大，燃氣輪機在較小的負荷下其效率和發電效率較低，能耗較高，燃氣輪機不適宜長時間在低負荷工況下工作。

由表3可知:燃氣輪機功率及其發電功率、蒸汽輪機功率及其發電功率、吊艙式推進功率隨著燃氣輪機負荷的減小而減小。燃蒸聯合發電功率隨燃氣輪機負荷的增大而逐漸增大。依據表3繪制的燃蒸聯合發電效率與燃氣輪機負荷的關系曲線見圖5c。由圖5c可知:燃氣輪機負荷為20%～100%時，燃蒸聯合發電效率隨燃氣輪機負荷的增大而增大，燃氣輪機負荷小于50%，燃蒸聯合發電效率的增加幅度較大(增加32.83%)，燃氣輪機負荷大于50%，燃蒸聯合發電效率的增加幅度明顯減小。該結果表明燃蒸聯合發電效率較燃氣輪機發電效率有大幅提升。表3中的系統輸出效率隨燃氣輪機負荷的增大而逐漸增大，關系曲線見圖5d。

燃氣輪機負荷在20%～50%時系統輸出效率增加幅度較大(增加32.83%)，在50%～100%時系統輸出效率增加幅度明顯減小(增加7.46%)。

4 系統分析

4.1 系統輸出效率對比

目前，船舶動力裝置以柴油機為主，在所有熱機中，柴油機的熱效率最高(約50%)。因此，選取MAN 12K98ME/MC柴油機作為比較對象，將設計系統與該柴油機系統的系統輸出效率進行對比，其結果見表4。

a)燃氣輪機效率

b)燃氣輪機發電效率

圖5 燃氣輪機負荷與系統參數關系

1)在理想工況下，設計系統的燃氣輪機負荷為100%，由表4可知：模擬計算的系統輸出效率為47.39%；柴油機的理想工況下，轉速為94 r/min，功率為68 640 kW，油耗率為171 g/(kW·h)，燃油消耗率為100%，軸功率為49.3%，軸系效率為97%～98%(大型商船主要采用尾機型)，計算得出系統輸出效率為47.82%～48.31%。

2) 在船舶營運中，定速航行工況的運行時間最多，該設計系統的燃氣輪機在定速航行工況(燃氣輪機負荷70%～90%)下的效率最高，由表4可知:系統輸出效率為44.37%～45.58%。在定速航行工況下，柴油機軸功率一般為47%，系統輸出效率為45.59%～46.06%。兩種系統的系統輸出效率對比見表4。

表4 兩種系統輸出效率對比 %

由表4可知:在理想工況下，兩種系統的輸出效率相當；在定速航行工況下，設計系統比傳統柴油機系統的輸出效率略低一些。

4.2 經濟性與安全性分析

燃蒸柴聯合循環系統初投資約為2 535萬美元(燃氣輪機950萬美元、蒸汽輪機120萬美元、2臺柴油機240萬美元、電力推進裝置1 050萬美元、鍋爐175萬美元等)，而同功率的傳統柴油機動力裝置初投資約為1 750萬美元。該系統燃氣輪機的潤滑油消耗量為柴油機的1%，其年潤滑油成本僅約為柴油機的6%，而且NOx排放量減少80%～90%，無SOx，無需安裝價格昂貴的尾氣處理裝置(約220萬美元)。燃氣輪機檢修周期可調，檢修時不耽誤船期，不會影響船舶營運收益，如果該系統滿負荷運行超25 000 h，每年比傳統柴油機動力系統節省運行費用147萬美元。綜上可述:應用該系統約6 a可回收初始多投入的投資成本，經濟效益較好。

由于不同的發電機對磁場的要求不同，該動力系統設計勵磁控制系統向各個發電機組輸出勵磁電流，根據不同的電網負載，調節勵磁電流就能夠保證發電機兩端電壓穩定。當燃氣輪機、蒸汽輪機和柴油機的發電機組并電運行時，勵磁控制系統可調節發電機組的功率分配，使發電機組更穩定。如果發生短路等故障時，勵磁控制系統可切斷發電機組的勵磁電流，避免事故發生以降低經濟損失。

5 結束語

1)選取17萬m3LNG運輸船為母型船，以1臺LM2500燃氣輪機、1臺蒸汽輪機和2臺W?rtsil? 12V34DF雙燃料柴油機為動力，設計出1套燃蒸柴聯合的循環動力系統。

2)用Aspen HYSYS軟件模擬系統，通過理論值與模擬值的計算對比，論證該循環動力系統的設計方案是合理可行的。經計算得出各個燃氣輪機負荷下的系統功率和效率，各值隨燃氣輪機負荷的增大呈現不同的增大幅度。系統應該保持燃氣輪機負荷在60%以上，保證系統正常運轉和系統穩定。在燃氣輪機負荷20%～50%時，燃蒸聯合發電效率和系統輸出效率的提升速度較快，變化幅度較大，為保證船舶動力系統的可靠性，應保持燃氣輪機負荷在50%以上。在船舶機動航行和靠泊時，燃氣輪機負荷較低(50%以下)，雙燃料柴油機可為系統提供所需動力，在節能減排的同時，可有效提高系統效率。

3)由系統輸出效率對比分析可知:在理想工況下，燃蒸柴聯合循環系統與傳統柴油機的系統輸出效率相當；在定速航行工況下，雖然該設計系統比柴油機的系統輸出效率略低一些，但燃氣輪機與柴油機相比，單機功率大、初投資費用低(20 mW以上)，特別是NOx排放符合TierⅢ排放標準，SOx排放滿足2020年全球限硫新規。結果表明:該系統應用于大型商船有很大的市場競爭優勢和較大的實際應用價值。