試析船舶低速柴油機(jī)余熱綜合回收系統(tǒng) Analysis of the Comprehensive Residual Heat Recovery System of Ship Low-speed Diesel Engine

張少杰 ZHANG Shao-jie

摘要：船舶運(yùn)輸會(huì)對大量燃料進(jìn)行消耗，而且出于使船舶在二氧化碳方面的排放有所減少的目的，國際海事組織對EEDI法案進(jìn)行了頒布，如果船舶的能耗未能達(dá)標(biāo)，則船東應(yīng)該對定額罰金進(jìn)行繳納，以此彌補(bǔ)船舶運(yùn)輸對于環(huán)境的傷害。在排放法規(guī)越來越嚴(yán)格的背景下，船舶行業(yè)需研究余熱回收技術(shù)。本文基于此，對船舶低速柴油機(jī)的余熱綜合回收系統(tǒng)進(jìn)行了淺要地分析，以供業(yè)界參考。

Abstract： Ship transport will consume a large amount of fuel， and for the purpose of reducing carbon dioxide emissions， the International Maritime Organization issued the EEDI Act， if the ship energy consumption fails to meet the standard， the owner should pay the fixed fine to make up for the damage to the environment.In the context of the increasingly stringent emission regulations， the ship industry needs to study the residual heat recovery technology.Based on this， the residual heat recovery system of low speed diesel engine is analyzed for reference in the industry.

關(guān)鍵詞：船舶;低速柴油機(jī);余熱綜合回收系統(tǒng)

Key words： ship;low-speed diesel engine;waste heat comprehensive recovery system

中圖分類號：U664.21? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）22-0047-02

0? 引言

近年來，我國加大了研究船舶節(jié)能技術(shù)的力度，研究表明，在船舶運(yùn)營時(shí)，船舶的主機(jī)會(huì)消耗大量能源，不僅投資費(fèi)用很高，還會(huì)產(chǎn)生很多的燃油成本。所以需對船舶主機(jī)的燃料在燃燒時(shí)產(chǎn)生的能量進(jìn)行高效利用。柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)未被利用的熱量是余熱。因?yàn)閷⒋爸鳈C(jī)當(dāng)作出發(fā)點(diǎn)，對提升能量利用效率的方法進(jìn)行研究比較困難，所以需采取回收余熱的方式，以此實(shí)現(xiàn)使能量利用率得到提升的目標(biāo)。

1? 船舶柴油機(jī)的余熱回收系統(tǒng)

在船舶柴油機(jī)的余熱回收系統(tǒng)中，燃料燃燒的位置是柴油機(jī)的氣缸內(nèi)部，少數(shù)排氣旁通到動(dòng)力渦輪，而余下部分排氣會(huì)經(jīng)過渦輪增壓器，待全部排氣匯合之后會(huì)一同進(jìn)至余熱鍋爐，最終排向大氣。對余熱鍋爐給水而言，其在進(jìn)至余熱鍋爐之前會(huì)依序流經(jīng)缸套水換熱器以及空冷器完成預(yù)熱，水會(huì)在余熱鍋爐之中加熱，待轉(zhuǎn)化成蒸汽狀態(tài)之后，再進(jìn)到蒸汽輪機(jī)之中開始做功。船舶柴油機(jī)的余熱回收系統(tǒng)的主要組成除了有柴油機(jī)主機(jī)及動(dòng)力渦輪之外，還有余熱鍋爐和雙壓蒸汽輪機(jī)等[1]。

1.1 柴油機(jī)

以MAN公司生產(chǎn)的低速二沖程的船用柴油機(jī)為例，其型號為6S50ME-C8.2，輔以渦輪增壓器，渦輪增壓器的型號是TCA66，對定壓增壓方式進(jìn)行應(yīng)用。于大型低速的二沖程船舶用柴油機(jī)而言，此類柴油機(jī)的熱效率很高，排氣的溫度通常在230℃至250℃之間，在這個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)，廢氣含有的能量比較低，假如選用直接進(jìn)至余熱鍋爐的方式，則廢氣能量無法被很好地回收，應(yīng)該使用柴油機(jī)來調(diào)制余熱，對排氣溫度進(jìn)行提升，使其超過290℃[2]。

人們要想使排氣溫度得到提升，廢氣旁通方法非常實(shí)用，也就是對少量進(jìn)到渦輪增壓器內(nèi)部的廢氣進(jìn)行旁通，如此一來，渦輪流通能力將會(huì)明顯下降，對空氣流量而言，其經(jīng)過壓氣機(jī)的部分同樣會(huì)有所減少，這樣做會(huì)使得柴油機(jī)過量的空氣系數(shù)明顯下降，且缸內(nèi)的燃燒不夠充分，氣缸的排氣溫度不斷提升，進(jìn)而使得渦輪排氣溫度不斷提高。伴隨過量空氣系數(shù)的下降，柴油機(jī)功能將會(huì)受此影響，舉例說明，柴油機(jī)的燃油消耗效率會(huì)不斷增加，而且柴油機(jī)的熱負(fù)荷同樣會(huì)逐漸增大，所以應(yīng)該使用有效舉措來確保柴油機(jī)可以符合動(dòng)力性要求及經(jīng)濟(jì)性要求?，F(xiàn)階段，針對柴油機(jī)使用的余熱調(diào)制辦法共有兩類，其一為調(diào)制柴油機(jī)，該方法的實(shí)現(xiàn)需要對柴油機(jī)定時(shí)進(jìn)行調(diào)整，還應(yīng)對廢氣旁通加以利用，其二為廢氣旁通以及對渦輪增壓器進(jìn)行調(diào)制。文章對調(diào)制柴油機(jī)及渦輪增壓器方式進(jìn)行了結(jié)合，把少量廢氣調(diào)制到動(dòng)力渦輪中，而且對渦輪增壓器進(jìn)行了再次匹配，不但使柴油機(jī)動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性得到保障，還實(shí)現(xiàn)了提升排氣溫度的目標(biāo)。在余熱回收系統(tǒng)中，WHR主機(jī)便是經(jīng)過調(diào)制的主柴油機(jī)。

1.2 余熱鍋爐

在船舶專用的余熱鍋爐中，工作人員常會(huì)對小管徑的受熱面進(jìn)行使用，這是因?yàn)槭軣崦娴墓軓侥軌蛑苯佑绊憘鳠岬南禂?shù)，對煙氣和受熱面的金屬來說，其對流傳熱系數(shù)和受熱管直徑的比例為反比，肋片高度會(huì)隨著管徑的增大而提高，也會(huì)使換熱效果逐漸變差，并且使金屬材料消耗數(shù)量不斷增加。如果余下條件未發(fā)生變化，此時(shí)對高肋片且小管徑的受熱管進(jìn)行使用，則能夠使受熱面積有所增加，而且回收受熱面的重量有所減小，盡管使用此種方式能夠?qū)崿F(xiàn)降低傳熱系數(shù)的目標(biāo)，不過在受熱面積得到增加的背景下，傳熱效果會(huì)受到更加明顯的影響，其總體傳熱效果不斷提高。除此之外，對小管徑受熱面進(jìn)行選擇，能夠提高鍋爐窄點(diǎn)溫差的合理性，就工質(zhì)側(cè)壓力而言，其損失較小，且煙風(fēng)阻力同樣很小，和常規(guī)的船舶專用鍋爐相比，其水循環(huán)狀況要更加優(yōu)秀。因?yàn)樗哂兴萘亢苄√攸c(diǎn)及啟動(dòng)速度很快的特點(diǎn)，所以非常適合在聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電機(jī)組中使用，可以符合其調(diào)峰方面的標(biāo)準(zhǔn)。

2? 余熱回收系統(tǒng)的仿真研究

在船舶柴油機(jī)的余熱回收系統(tǒng)中，動(dòng)力渦輪和蒸汽輪機(jī)是其非常重要的組成部分，就動(dòng)力渦輪來說，它在將有用功向外輸出時(shí)會(huì)對主機(jī)旁通廢氣能量進(jìn)行利用，而蒸汽輪機(jī)在向外做功的過程中不僅要對余熱鍋爐生成的飽和蒸汽進(jìn)行利用，還應(yīng)借助過熱蒸汽能量。從整體上講，動(dòng)力渦輪的有效功率及蒸汽渦輪功率可以在余熱回收系統(tǒng)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，對采油機(jī)而言，二者可以充分體現(xiàn)其余熱的回收情況。在余熱回收系統(tǒng)中，應(yīng)對其動(dòng)態(tài)仿真模型進(jìn)行建設(shè)，對各種柴油機(jī)負(fù)荷情況下的余熱回收系統(tǒng)功率進(jìn)行觀察，并且在負(fù)荷出現(xiàn)變化的基礎(chǔ)上，分析輸出功率的變動(dòng)狀況。

2.1 余熱回收系統(tǒng)的仿真模型

首先，就蒸汽輪機(jī)而言，在余熱回收系統(tǒng)中，雙壓蒸汽輪機(jī)可以起到發(fā)電作用，蒸汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，和工作效率之間關(guān)系匪淺，出于符合蒸汽系統(tǒng)的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)目的，依據(jù)蒸汽參數(shù)把它劃分成若干段，因?yàn)楦骷壊町愝^小，僅需對通用基礎(chǔ)模塊進(jìn)行建設(shè)。余熱回收系統(tǒng)的蒸汽輪機(jī)和電站的蒸汽輪機(jī)作比較，其特點(diǎn)如下：第一，出于對主機(jī)排氣余熱進(jìn)行有效利用目的，通常不會(huì)由蒸汽輪機(jī)對蒸汽加熱的給水進(jìn)行抽取。第二，蒸汽輪機(jī)需要符合主機(jī)在短時(shí)間起動(dòng)方面的標(biāo)準(zhǔn)。第三，因?yàn)檎羝麉?shù)會(huì)被主機(jī)排氣嚴(yán)重影響，主機(jī)排氣參數(shù)經(jīng)常變化，所以蒸汽輪機(jī)在運(yùn)行時(shí)應(yīng)選擇滑壓方式。當(dāng)余熱回收系統(tǒng)在正常狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，因?yàn)檎羝啓C(jī)不具備很大的熱慣性，所以能夠?qū)Ψ€(wěn)態(tài)代數(shù)方程進(jìn)行利用，以此表現(xiàn)蒸汽輪機(jī)發(fā)生變化的工況，也就是依據(jù)靜態(tài)平衡方式處理。

在蒸汽輪機(jī)工況出現(xiàn)變動(dòng)的情況下，其蒸汽流量能夠選用Flugel公式進(jìn)行計(jì)算。

就蒸汽輪機(jī)出口焓來說，能夠依據(jù)等熵過程對理想焓進(jìn)行求解，之后利用各級效率完成修正操作，對蒸汽輪機(jī)入口熵而言，能夠利用入口蒸汽參數(shù)進(jìn)行明確，飽和態(tài)依據(jù)單一參數(shù)明確，在確定過熱態(tài)時(shí)應(yīng)該使用兩個(gè)參數(shù)。

其次，就動(dòng)力渦輪而言，渦輪增壓技術(shù)在柴油機(jī)上的應(yīng)用非常廣泛，此方法可使柴油機(jī)功率得到提升，能對其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行改善。如果發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷很高，則柴油機(jī)尾氣的剩余能量便能夠利用動(dòng)力渦輪進(jìn)行回收，使動(dòng)力裝置在能量利用方面的效率得到提升。

依據(jù)相關(guān)公式，分別對動(dòng)力渦輪在出口等熵方面的溫度、動(dòng)力渦輪等熵出口焓以及動(dòng)力渦輪出口焓進(jìn)行計(jì)算。

再次，船舶柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)的仿真模型。對余熱回收系統(tǒng)來說，余熱鍋爐內(nèi)部的煙氣屬于混合煙氣，排氣分別來自渦輪增壓器和動(dòng)力渦輪，煙氣在匯合之后會(huì)生成熱量的傳遞，最后會(huì)維持于新溫度，煙氣溫度能夠依據(jù)相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。

在確定煙氣溫度之后，封裝各個(gè)設(shè)備仿真模型，之后對各系統(tǒng)進(jìn)行連接，最終可對余熱回收系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行獲取。就余熱回收系統(tǒng)而言，其輸入信號是柴油機(jī)指定轉(zhuǎn)速，利用轉(zhuǎn)速的設(shè)定和工況的設(shè)定對轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)置，從而對余熱回收系統(tǒng)在多個(gè)工況下的功能進(jìn)行分析。

2.2 穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

首先，各種負(fù)荷條件的穩(wěn)態(tài)仿真。依據(jù)動(dòng)力渦輪入口煙的溫度及出口煙的溫度伴隨負(fù)荷進(jìn)行改變的規(guī)律能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)負(fù)荷從55%提升到100%，此時(shí)對動(dòng)力渦輪來說，其入口、出口煙氣的溫度逐漸升高，而就提升幅度來說，入口煙氣溫度要高于出口煙氣溫度，表明在負(fù)荷增大背景下，動(dòng)力渦輪在做功方面的性能會(huì)隨之提高。按照余熱鍋爐的傳熱量伴隨負(fù)荷改變特征可以發(fā)現(xiàn)，在負(fù)荷從55%提升到100%的情況下，余熱鍋爐的傳熱量不斷升高，由于在負(fù)荷提升背景下，柴油機(jī)的廢氣流量及能量逐漸增加，對余熱鍋爐來說，供應(yīng)此處的能量同樣會(huì)有所增加，余熱鍋爐的煙氣及放熱量會(huì)不斷增多。就余熱鍋爐的傳熱量來說，高壓蒸發(fā)器產(chǎn)生的傳熱量占據(jù)重要位置，它會(huì)對高壓汽包中沒有飽和的水進(jìn)行加熱，使其處于飽和蒸汽形態(tài)，工質(zhì)此時(shí)會(huì)出現(xiàn)相變，應(yīng)盡快獲得許多熱量，過熱器工質(zhì)則不必進(jìn)行相變，所需能量很少，所以和蒸發(fā)器傳熱量作比較，過熱器傳熱量更小。此外，高壓蒸發(fā)器位置的煙氣溫度很高，和工質(zhì)間具有很大的溫差，在傳熱方面能量很強(qiáng)，低壓蒸發(fā)器位置煙氣溫度很低，僅可對少量未飽和水進(jìn)行加熱，蒸發(fā)量相對較小，且傳熱量很小。在余熱鍋爐中，其過熱及飽和蒸汽的產(chǎn)量會(huì)在負(fù)荷增大背景下逐漸增加，而蒸汽溫度也是如此，對余熱鍋爐來說，其過熱蒸汽在進(jìn)至雙壓蒸汽輪機(jī)高壓段時(shí)，飽和蒸汽會(huì)進(jìn)至其雙壓蒸汽輪機(jī)低壓段，意味著就雙壓蒸汽輪機(jī)而言，其做功能力與對外輸出功率會(huì)伴隨負(fù)荷增加而提升。

其次，各種環(huán)境溫度條件的穩(wěn)態(tài)仿真。船舶在航行時(shí)會(huì)被地理位置因素影響，導(dǎo)致其航行環(huán)境溫度各不相同，出于研究各種環(huán)境溫度條件的余熱回收系統(tǒng)特征目的，需要對各種溫度進(jìn)行輸入，仿真機(jī)組在規(guī)定負(fù)荷中的關(guān)鍵性能參數(shù)。仿真結(jié)果顯示：過熱蒸汽產(chǎn)量及過熱蒸汽溫度均會(huì)伴隨環(huán)境溫度的提升而升高，在環(huán)境溫度升高背景下，動(dòng)力渦輪在輸出功率方面會(huì)越來越小，而雙壓蒸汽輪機(jī)在輸出功率方面會(huì)不斷增大，不過就功率而言，蒸汽輪機(jī)提升情況要多過動(dòng)力渦輪下降情況，總體來說，余熱回收系統(tǒng)的功率有所增加。

3? 結(jié)束語

能源作為人們賴以生存的根基，可以助推社會(huì)發(fā)展以及經(jīng)濟(jì)增長。伴隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，消耗的能源越來越多，現(xiàn)階段國家使用的主要能源是不可再生的化石燃料，能源消耗將會(huì)使得化石燃料日漸短缺，而且燃料燃燒會(huì)引發(fā)多種環(huán)境問題。因此，研究船舶低速柴油機(jī)的余熱綜合回收系統(tǒng)不僅有利于提高船舶行業(yè)對已有能源的利用效率，還可以促進(jìn)節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣佳煒，胡以懷，李方玉，等.基于AAKR模型的船用低速柴油機(jī)狀態(tài)監(jiān)測方法[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2021，43（03）：158-162.

[2]張文平，曹貽鵬，張新玉，等.船用柴油機(jī)渦輪增壓器的進(jìn)氣消聲器性能分析[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2019，37（04）：343-350.