船舶主機(jī)雙壓余熱利用系統(tǒng)仿真及分析

袁勤輝，孫 俊，管 聰，葉樹璞

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

由于海運的巨大優(yōu)勢，使得海運的運輸量已經(jīng)占到國際貿(mào)易總體量的90%[1]，而大型遠(yuǎn)洋船舶主機(jī)的能耗最高可達(dá)到全船能耗的90%[2]，因此提升主機(jī)的能量利用效率可有效增加船舶能效指數(shù)。目前，柴油機(jī)的熱效率可達(dá)到50%，但仍有大部分能量以多種形式進(jìn)入外界環(huán)境[3]，既造成能量浪費還會造成環(huán)境污染，通過余熱回收技術(shù)對船舶主機(jī)余熱進(jìn)行回收利用已成為船舶節(jié)能減排的重要手段[4]。

針對船舶余熱回收技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者已開展了相應(yīng)的研究，Ulrik Larsen[5]等人對不同循環(huán)模式的余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行分析比較；王新[4]基于水蒸氣朗肯循環(huán)對船舶余熱利用系統(tǒng)進(jìn)行了研究；陳旭立[6]基于有機(jī)朗肯循環(huán)設(shè)計了新的有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)余熱回收方案。

基于水蒸氣朗肯循環(huán)的船舶余熱利用系統(tǒng)，因其安全性高、維護(hù)成本低以及可靠性好的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于船舶余熱回收。該系統(tǒng)中能量變化過程復(fù)雜，而大部分學(xué)者在研究船舶余熱利用系統(tǒng)時，采用能量分析法，從“量”的角度對系統(tǒng)中能量的利用效率進(jìn)行分析，無法真實反映系統(tǒng)中能量的差別和各環(huán)節(jié)的能量利用情況，存在一定局限性。為此，本文將搭建船舶主機(jī)雙壓余熱利用系統(tǒng)仿真模型，探尋不同主機(jī)負(fù)荷、不同給水溫度下的余熱利用系統(tǒng)回收的電能和相關(guān)參數(shù)隨主機(jī)負(fù)荷的變化規(guī)律，并采用火用分析法，對船舶主機(jī)雙壓余熱利用系統(tǒng)中各設(shè)備節(jié)能潛力進(jìn)行分析，為進(jìn)一步優(yōu)化余熱利用系統(tǒng)設(shè)計提供方向。

1 船舶余熱利用系統(tǒng)建模與仿真

1.1 雙壓余熱利用系統(tǒng)

以某4 500 TEU巴拿馬型集裝箱船為目標(biāo)船舶，主機(jī)型號為MAN 7K98MC，其搭配的雙壓余熱利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，其中點劃線表示低壓段循環(huán)，虛線表示高壓段循環(huán)，直線表示給水循環(huán)。該船用余熱利用系統(tǒng)包括柴油機(jī)、余熱鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)、系統(tǒng)泵、冷凝器、預(yù)熱器裝置和蒸汽加熱設(shè)備。

圖1 雙壓余熱利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

給水經(jīng)缸套冷卻水和壓縮空氣預(yù)熱后，分別進(jìn)入2個汽包中。汽包壓力下的飽和水在蒸發(fā)器中吸收熱量后產(chǎn)生的飽和蒸汽回流至汽包中。低壓飽和蒸汽在低壓過熱器中吸收熱量后變成低壓過熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)低壓段。高壓飽和蒸汽一部分滿足船舶日常供熱需求，另一部分在高壓過熱器中吸熱后變成高壓過熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)高壓段。過熱蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹做功帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，隨后在冷凝器中凝結(jié)成水，經(jīng)凝水泵回流至給水柜。

1.2 船舶余熱利用系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

基于質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律，建立雙壓余熱利用系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。船舶主機(jī)在運行時，柴油機(jī)廢氣一部分經(jīng)渦輪增壓機(jī)后進(jìn)入廢氣鍋爐，另一部分經(jīng)旁通管直接進(jìn)入廢氣鍋爐，在余熱鍋爐中，依次在5個換熱器中與循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行熱量交換，由質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律知，總換熱量等于5個換熱器的換熱量總和，計算公式如下：

qb=∑qi=ηbqmgcpgΔT=∑qmiΔhi,

(1)

式中，qb為總換熱流量，kJ/s；qi為各換熱器的換熱流量，kJ/s；qmi為水或水蒸氣的質(zhì)量流量，kg/s；qmg為余熱鍋爐中廢氣的質(zhì)量流量，kg/s；Δhi為換熱器進(jìn)出口處工質(zhì)的焓差，kJ/kg；ηb為鍋爐的熱效率，取98%～99%；cpg為余熱鍋爐中廢氣的比熱容，kJ/(kg·K)；ΔT為余熱鍋爐進(jìn)出口處廢氣的溫差，K；i代表不同換熱器段。

在余熱鍋爐中，柴油機(jī)廢氣經(jīng)換熱器與循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行換熱，余熱鍋爐中的換熱器為板式換熱器，其換熱量與質(zhì)量流量、換熱器面積大小以及對數(shù)平均溫差有關(guān)，即換熱流量的計算公式如下：

qi=kAiΔTi，

(2)

式中，k為傳熱系數(shù)，在余熱鍋爐中等于廢氣質(zhì)量流量的0.6次方，J/(m2·K)；Ai為換熱器換熱面積，m2；ΔTi為對數(shù)平均溫差，K。

在余熱利用系統(tǒng)中，系統(tǒng)泵消耗電能對工質(zhì)做的功等于工質(zhì)增加的焓，計算公式如下：

Pi=qmiΔhp=(qmiΔpi)/(δiρi),

(3)

式中，Pi為系統(tǒng)泵消耗的電能，kW；Δhp為系統(tǒng)泵進(jìn)出口處工質(zhì)的焓差；kJ/kg；Δpi為工質(zhì)經(jīng)泵做功后壓力增加量，MPa；δi為泵的機(jī)械效率；ρi為給水的密度，kg/m3。

在計算高壓過熱蒸汽質(zhì)量流量時，將過熱蒸汽的產(chǎn)生過程視為理想朗肯循環(huán)過程，經(jīng)過多次迭代計算，滿足迭代誤差條件后，可得高壓過熱蒸汽的質(zhì)量流量，計算公式如下：

通過采取以上的教學(xué)措施和教學(xué)內(nèi)容的選取，所擔(dān)任的班級在最后的一次考試實驗過程中，絕大多數(shù)都能規(guī)范、順利完成實驗內(nèi)容，并能對實驗現(xiàn)象做出合理的分析，為有機(jī)化學(xué)實驗課畫上了圓滿句號的同時，為以后的學(xué)習(xí)和科研奠定了一定的基礎(chǔ)。

(4)

高壓過熱蒸汽在汽輪機(jī)高壓段做功后，在汽輪機(jī)低壓段入口與低壓過熱蒸汽混合后進(jìn)入汽輪機(jī)低壓段做功，將過熱蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)做功的過程視為等熵膨脹過程，則汽輪發(fā)電機(jī)的計算公式如下：

(5)

船舶余熱利用系統(tǒng)回收的余熱，除去系統(tǒng)泵消耗的電能，其余的能量用于滿足船舶日常供熱和供電需求，則船舶效率增加量的計算公式如下：

Δμ=(Pel-∑Pi)/qmf/HL,

(6)

式中，Δμ為船舶效率增加量；qmf為燃料的質(zhì)量流量，kg/s；HL為燃料的熱值，kJ/kg。

1.3 仿真研究方法

為了研究不同工況下的船舶余熱利用系統(tǒng)的性能，基于主機(jī)負(fù)荷為50%～100%之間的主機(jī)試航數(shù)據(jù)，計算出給水不預(yù)熱、預(yù)熱至353 K、預(yù)熱至393 K這3種情況下的船舶余熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率以及其他相關(guān)參數(shù)。依據(jù)MAN 7K98MC型二沖程柴油機(jī)的試驗數(shù)據(jù)，主機(jī)負(fù)荷在50%～100%之間主機(jī)廢氣的溫度與質(zhì)量流量隨負(fù)荷變化如圖2所示，其它如換熱效率、壓降、機(jī)械效率等參數(shù)，均取值于參考文獻(xiàn)[7]。

圖2 主機(jī)廢氣的溫度和質(zhì)量流量隨負(fù)荷變化圖

圖3 雙壓余熱利用系統(tǒng)計算流程示意圖

在計算高壓過熱蒸汽質(zhì)量流量時，先給定初始參數(shù)，忽略系統(tǒng)泵做功，計算出高壓過熱蒸汽質(zhì)量流量的初值，隨后計算出相關(guān)參數(shù)，再考慮系統(tǒng)泵做功，計算出高壓過熱蒸汽質(zhì)量流量的實際值，經(jīng)過多個迭代計算，直到迭代誤差小于0.01%。

1)輸入?yún)?shù)。包括余熱鍋爐中換熱器的面積，煙氣的組成成分、溫度、質(zhì)量流量和空燃比，重油的低燃值，高壓汽包壓力、低壓汽包壓力和冷凝器壓力，系統(tǒng)內(nèi)各管道中工質(zhì)的壓降和溫降，換熱效率、機(jī)械效率，汽輪機(jī)的額定負(fù)載及相關(guān)修正系數(shù)，船舶日常供暖所需飽和蒸汽的質(zhì)量流量。

2)輸出參數(shù)。包括余熱發(fā)電系統(tǒng)(余熱利用系統(tǒng)的子系統(tǒng))的發(fā)電功率，余熱利用系統(tǒng)的蒸汽循環(huán)效率，效率增加量，高壓過熱器出口的過熱蒸汽溫度，余熱鍋爐中各段節(jié)點溫度，余熱利用系統(tǒng)中各設(shè)備的火用效率、火用損率和火用損系數(shù)。

為保證仿真結(jié)果的精度，對船舶主機(jī)余熱利用系統(tǒng)進(jìn)行仿真計算時需加入以下限定環(huán)節(jié)：①為避免低溫腐蝕，余熱鍋爐出口段的煙氣溫度應(yīng)高于煙氣的露點溫度10 K以上；②為避免蒸汽凝結(jié)對汽輪機(jī)造成的沖蝕，過熱蒸汽的干度應(yīng)大于88%；③為防止管道內(nèi)的沸騰現(xiàn)象，給水的質(zhì)量流量至少為飽和蒸汽的質(zhì)量流量的2倍；④雙壓余熱鍋爐存在2個夾點溫差，低壓過熱器出口段的夾點溫差應(yīng)大于15 K，余熱鍋爐出口段的夾點溫差應(yīng)大于10 K；⑤高壓過熱器入口處的飽和蒸汽和煙氣的溫差在25～35 K之間。

2 船舶余熱利用系統(tǒng)仿真分析

對主機(jī)不同負(fù)荷工況下，對給水不加熱、預(yù)熱至353 K和預(yù)熱至393 K這3種情況進(jìn)行仿真計算，雙壓余熱利用系統(tǒng)仿真結(jié)果見圖4。從圖4可知，余熱發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能、余熱回收效率和余熱鍋爐出口廢氣溫度均隨主機(jī)負(fù)荷和給水溫度的升高而增大。其中余熱發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能變化在主機(jī)高負(fù)荷狀況下變化較大，總體在1 021.3～2 428.7 kW之間；余熱回收效率在15.02%～21.14%之間；余熱鍋爐出口廢氣溫度變化趨勢不明顯，在441.65～447.25 K之間。高壓過熱器出口的高壓過熱蒸汽溫度和效率增加量以85%主機(jī)負(fù)荷為拐點，隨主機(jī)負(fù)荷的增大而先升高后降低，其中效率提升量在3.3%～4.7%之間，高壓過熱蒸汽溫度在528.75～562.95 K之間。余熱鍋爐出口段的夾點溫差也隨主機(jī)負(fù)荷的增加而先升高后降低，在286.45～306.15 K之間。

圖4 雙壓余熱利用系統(tǒng)仿真結(jié)果

在余熱鍋爐中，船舶主機(jī)廢氣依次在5個換熱器中與循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行熱量交換，由公式(2)可知，換熱器中熱量交換的量與換熱器的面積有關(guān)。在余熱利用系統(tǒng)中，飽和水吸熱產(chǎn)生飽和蒸汽的過程需要大量熱量，所以高壓蒸發(fā)器和低壓蒸發(fā)器的換熱面積最大，煙氣在經(jīng)過蒸發(fā)器后溫度變化最為明顯，在高壓蒸發(fā)器段，煙氣溫降在346.65～376.55 K之間；在低壓蒸發(fā)器段，煙氣溫降在287.75～299.75 K之間。在高壓經(jīng)濟(jì)器中，煙氣將給水加熱至高壓汽包壓力下的飽和水，由于給水經(jīng)過預(yù)熱裝置預(yù)熱，所以給水所需的熱量較少，故煙氣在該換熱器段溫降較小；在過熱器中，煙氣將飽和蒸汽加熱至過熱蒸汽，由于蒸汽比熱容較水小的多，所以飽和蒸汽所需的熱量相對較小，故煙氣在高壓過熱器和低壓過熱器中的溫降不明顯。

綜合分析可得，雙壓余熱利用系統(tǒng)可對不同品級的船舶余熱進(jìn)行梯級利用，回收效率更高，依據(jù)目標(biāo)船舶的全年主機(jī)負(fù)荷分布圖和航行時間，相當(dāng)于每年減少燃油消耗7.637×106t，依據(jù)參考文獻(xiàn)[8]中重柴油的CO2排放系數(shù)3.206(燃燒1 kg重柴油產(chǎn)生3.206 kg CO2)，相當(dāng)于每年減少CO2排放5 142.02 t，具有較好的節(jié)能減排效果。

為了從能量的“質(zhì)”與“量”角度對船舶主機(jī)雙壓余熱利用系統(tǒng)中各設(shè)備的節(jié)能潛力進(jìn)行分析[8-9]，采用火用分析法，分析船舶主機(jī)余熱利用系統(tǒng)中各設(shè)備的節(jié)能潛力。依據(jù)參考文獻(xiàn)[10]中目標(biāo)船舶的全年航行數(shù)據(jù)，選用目標(biāo)船舶運行時間最長的75%負(fù)荷工況，計算給水不預(yù)熱時的余熱利用系統(tǒng)中各設(shè)備的火用效率、火用損率和火用損系數(shù)，余熱利用系統(tǒng)各設(shè)備參數(shù)計算結(jié)果如表1所示。

表1 余熱利用系統(tǒng)各設(shè)備參數(shù)計算結(jié)果

從表1可知，火用效率方面汽輪機(jī)和各個換熱器的火用效率較大，冷凝器的火用效率最小；在冷凝器中，循環(huán)工質(zhì)與海水進(jìn)行熱量交換，能量隨海水散失到外部環(huán)境中，有效功為0，故冷凝器中的火用效率為0。火用損率方面，汽輪機(jī)和換熱器的火用損率均較高，系統(tǒng)泵的火用損率最小；在系統(tǒng)泵中，所消耗的電能均用于補(bǔ)充工質(zhì)的壓降，故火用損率最小。綜合分析得知，在汽輪機(jī)、高壓蒸發(fā)器和低壓蒸發(fā)器中，火用效率明顯高于其他設(shè)備，火用損率和火用效率也較大，這表明在汽輪機(jī)和2個蒸發(fā)器中，雖然能量的利用率較好，但其中損失的能量與系統(tǒng)總損失的比值較高，可進(jìn)一步回收利用的能量較多。因此，可針對汽輪機(jī)、高壓蒸發(fā)器和低壓蒸發(fā)器做進(jìn)一步優(yōu)化，對其中損耗的能量進(jìn)一步回收利用，提高系統(tǒng)整體的余熱回收效率。

3 結(jié)束語

本文以某4 500 TEU巴拿馬型集裝箱船為研究對象，建立雙壓水蒸氣朗肯循環(huán)余熱利用系統(tǒng)仿真模型。對不同工況下、給水預(yù)熱至不同溫度等多種情況進(jìn)行仿真計算，探尋船舶主機(jī)余熱利用系統(tǒng)的發(fā)電功率和相關(guān)參數(shù)與主機(jī)負(fù)荷的規(guī)律；并采用火用分析法對船舶余熱利用系統(tǒng)中各設(shè)備的節(jié)能潛力進(jìn)行分析。得出如下結(jié)論。

1)基于MAN 7K98MC型主機(jī)試驗數(shù)據(jù)和建立的余熱利用系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對其配套設(shè)計的雙壓余熱利用系統(tǒng)在主機(jī)不同負(fù)荷和給水預(yù)熱至不同溫度下的余熱利用系統(tǒng)的發(fā)電功率和相關(guān)參數(shù)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，在主機(jī)100%負(fù)荷、給水預(yù)熱至393 K時余熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率最大，為2 428.7 kW，最大效率增加量為4.7%。

2)該船舶主機(jī)余熱利用系統(tǒng)可對壓縮空氣余熱、缸套冷卻水余熱和主機(jī)煙氣余熱等不同品級的余熱進(jìn)行梯級利用，余熱利用系統(tǒng)效率最高為21.7%。

3)隨著主機(jī)負(fù)荷增加，船舶主機(jī)余熱利用系統(tǒng)性能隨給水溫度的升高而升高。

4)采用火用分析法對余熱利用系統(tǒng)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，汽輪機(jī)、高壓蒸發(fā)器和低壓蒸發(fā)器的節(jié)能潛力較高，可對這些設(shè)備進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，提升余熱利用系統(tǒng)性能。