大型低速船用柴油机余热回收装置的平衡分析

温 朋，黄 加亮，吴鹏举

(1.集美大学轮机工程学院，福建 厦门 361021；2.江南造船(集团)有限责任公司，上海 201913)

温 朋1，黄 加亮1，吴鹏举2

(1.集美大学轮机工程学院，福建 厦门 361021；2.江南造船(集团)有限责任公司，上海 201913)

介绍了当前一般船用柴油机的余热回收装置，对特定型号主机废气余热回收装置进行平衡分析，通过计算求出了该装置的分配及利用情况，以及各装置效率的潜在提高程度.结果表明，该余热回收装置具有较高的效率和较好的经济性.分析的结果可以指导人们合理的提高的利用效率.

船舶柴油机；余热回收装置；平衡分析

0 引言

现代大型船舶柴油机推进装置热效率一般为45%～50%，废气带走的热量占燃料总发热量的25%～30%，废气温度较高，热能品质较高，具有很大的做功潜力[1]，主机废气热能回收利用为船舶动力装置节能的重要途径.2009年7月国际海事组织(IMO)海上环境保护委员会(MEPC)第59次会议上“新船能效设计指数”(EEDI)公式获得正式通过后[2]，新造船舶CO2设计指数采用的排放与效益之比改为节能、减排和效益之比，进一步强调了国际船舶的节能减排增效目标.

在给定的环境条件下，热量中最大可能转变为有用功的部分称为热量.平衡分析的本质是结合热力学第一、第二定律，从能量的数量和质量相结合的角度出发，分析揭示装置或设备在能量中的的转换、传递、利用和损失情况，其主要计算是对装置或设备进行平衡的计算.分析依据平衡方程式，其内容包括对系统进行平衡计算，求整个装置及其组成部分的损失和效率以及绘制装置的流图[3].分析的意义包括：1)采用效率可以正确、全面地评价设备、装置的能源利用率，对节能潜力做出正确的判断；2)依据各设备的损失占投入总的比例大小，可以科学地诊断出整个装置节能的薄弱环节，指导人们合理的提高的利用效率；3)平衡分析得到的数据将作为热经济学分析、能级分析的基础.

1 船舶动力系统余热回收装置介绍

图1为瓦锡兰Sulzer 12RT-flex96C系列大型船用低速柴油机余热回收装置简图.该装置由废气经济器、蒸汽透平、废气透平、由蒸汽透平和废气透平共同驱动的交流发电机、给水预热系统以及轴带发电机、电动机系统组成[4-5].其工作原理如图2所示.

从图2可看出，给水经主机缸套冷却水加热后分为两部分，一部分经低压汽水分离器送入低压蒸发器吸热后，又回入低压汽水分离器，所分离的低压饱和蒸汽经低压过热器吸热后送入蒸汽透平低压级中做功发电，另一部分给水经主机空冷器吸热后进入高压汽水分离器，由循环泵泵入高压蒸发器吸热后再回到高压汽水分离器，所产生的高压饱和蒸汽一部分用于全船加热，另一部分经高压过热器吸热后送入蒸汽透平高压级做功发电[6-8].

2 船舶主机余热回收装置的平衡计算

图3、图4所示分别为Sulzer 12RT-flex96C大型低速柴油机余热回收装置的朗肯循环简化图和T-s图.

基于工业用水和水蒸汽热力学特性IAPWS及公式e=(h-h0)-T0(s-s0) (式中：e为值；h为焓值；s为熵值；T0为参考点温度)，计算出各状态点的值，见表1.

表1 朗肯循环各状态点的参数值

通过实验采集各状态点的参数值，设定的计算条件如下：主机功率为68640 kW，燃油消耗率(SFOC)为172 g/(kW·h)，排气比流量为7.76 kg/(kW·h)，船舶所需的高压饱和蒸汽量为1500 kg/(kW·h)；废气锅炉排气进口温度t1为310 ℃；出口温度t2为160 ℃、低压过热器进口温度tmid为199 ℃，而蒸汽在低压蒸汽乏汽中的饱和温度为t3L为194 ℃；高压蒸发器中饱和温度t3H为181.9 ℃；高压过热器出口温度t4H为289.4 ℃；大气环境温度t0为25 ℃.假设船舶柴油机运行在最大功率，废气为理想气体，锅炉工况稳定，同时不考虑泄漏损失等情况[6].

2.1 废气锅炉

锅炉废气余热系统中余热锅炉的过热蒸汽产量msu(不考虑饱和蒸汽产量)在稳定工况且不考虑泄露损失时等于锅炉的给水量mfw.根据余热锅炉的热平衡，当只产生过热蒸汽时的过热蒸汽余量为：

(1)

(2)

式中：mgas为排气流量(kg/h)；msat为饱和蒸汽量(kg/h)；h″sat为饱和蒸汽的焓值(kJ/kg)；

ΔE1,B=mg(e1-e2)ηB-msu(e4-e8)-msat(e3-e8).

(3)

式中：e1、e2、e3、e4、e8分别为相应的锅炉进、出口单位质量废气的以及单位质量饱和蒸汽、过热蒸汽和给水的.若以废气mg=1 kg/h来计算，e1-e2表示单位工质废气从状态1实现稳定流动转变到状态2所能做出的最大有用功，若比热Cp,g为定值，则：

E1-E2=mgCp,g[(T1-T2)-T0ln(T1/T2)].

(4)

ηe,B=msu(e4-e8)/(mg(e1-e2).

(5)

ηe,B=(msu(e4-e8)+msat(e3-e8)/(mg(e1-e2)).

(6)

低压段吸热过程表示，船舶主机燃油消耗率为172g/kW·h，排气比流量为7.76kJ/kg·h，船舶所需的高压饱和蒸汽量为1500kg/h；废气锅炉排气进口温度t1为310 ℃、出口温度t2为160 ℃、低压过热器进口温度tmid为199 ℃.由于低压段只产生过热蒸汽，用以上数据及表1相关数据代入公式(1)得低压端过热蒸汽量msu=8678.7224 kg/h；代入公式(4)得E1-E2=7509308.366 kJ/h；代入公式(3)得损失ΔE1,B=1237649.585kJ/h；代入公式(5) 得效率ηe,B=83.5185%.

2.2 蒸汽管道

E1,pipe=E4-E5.

(7)

ηe,pipe=E5/E4.

(8)

1)低压段管道

2)高压段管道

2.3 汽轮机

E1,T=msu(s6-s5).

(9)

ηe,T=msu(h5-h6)/(E5-E6).

(10)

1)低压段

由表1中相关数据及低压段的蒸汽流量msu，代入公式(9)得损失ΔE1,T=4511599.993kJ/h；代入公式(10)得效率ξe,T=80.58%.

2)高压段

2.4 冷凝器

2.5 给水泵

∑E1,i=E1,B+E1,T+E1,C+E1,P+E1,pipe=17847149.08 kJ/h.

2.6 各装置的损失系数

ξe,i=E1,i/∑Ein

由上述数据得：

ξe,B=19.5424%；ξe,pipe=0.9734%；ξe,T=22.1202%；ξe,C=8.7397%；ξe,p=0.1397% .

总的损失系数为：

ξe=∑E1,i/∑Ein=51.5155% .

3 结论

船舶柴油机余热回收是船舶柴油机节能减排的一项有效措施，本文采用热力学第二定律分析法，利用对Sulzer12RT-flex96C大型低速柴油机废气回收系统的记录参数，对余热回收装置进行分析，并进行了平衡计算，以便更加合理的衡量能量转换效果，确定影响效率的不可逆因素，提高整个系统的利用程度.

[1]任文江，施润华．船舶动力装置节能[M]．上海：上海交通大学出版社，1991.

[2]中国船级社.船用柴油机氮氧化物排放试验及检验指南[M]. 北京：人民交通出版社，2011.

[3]张学学，李桂馥，史琳．热工基础[M]．北京：高等教育出版社，2010：97.

[4]黄加亮，陈丹.船舶动力装置技术管理[M].大连：大连海事大学出版社，2009：113.

[5]牛东翔，孙培延，黄飞，等．某船舶柴油机动力装置的总热回收[J]．航海技术，2005(5):45-47.

[6]今春日，马捷，刘涛．大型船舶主机分期热能回收装置的热平衡分析[J]．船舶工程，2009(9):39-41.

[7]甘念重．船舶主机热平衡分析及其余热利用[J]．船海工程，2008,37(2):66-69.

[8]周康．基于Simulink的8K90MC-C柴油机串联废气发电系统的建模与仿真[D]．大连：大连海事大学，2011.

(责任编辑 陈 敏 英文审校 陈 武)

Exergy Equilibrium Analysis of Waste Heat Recovery System for Large-scale Low-speed Marine Diesel Engine

WEN Peng1,HUANG Jia-liang1,WU Peng-ju2

(1. Marine Engineering Institute,Jimei University,Xiamen 361021,China;2.Jiangnan Shipyard (Group) Co.,Ltd.,Shanghai 201913)

The status of waste heat recovery system of general marine diesel engine was introduced and analyzed. The exergy balance of waste heat recovery system for a specific type of ship was calculated. Using exergy balance analysis, the distribution and use of exergy for the main engine thermal energy recovery system were found, and the potential increase of thermal efficiency of each device was indentified. The results showed that the heat recovery system has a higher exergy and better economy. The analysis results can give us the reasonable improve the use of exergy efficiency.

marine diesel engine;waste heat recovery system;exergy equilibrium analysis

2013-07-14

[修回日期]2013-11-12 [基金项目]福建省自然科学基金资助项目(2012J01230)；福建省教育厅高校专项重点基金(JK2013025)

温朋(1990—)，男，硕士生，从事现代轮机工程管理研究.通讯作者：黄加亮(1963—)，男，副教授，硕士生导师，从事现代轮机管理工程研究.

1007-7405(2014)02-0127-06

U 664.21

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