现代船舶柴油机动力系统的余热利用新方法

2011-06-07大连海事大学轮机工程学院

世界海运 2011年12期

大连海事大学轮机工程学院李斌

现代船舶柴油机动力系统的余热利用新方法

大连海事大学轮机工程学院李斌

柴油机的废气能量利用一直是船舶动力系统节能的重要方面，介绍一种新型的余热利用方法，并分析该系统的工作特点，计算该系统的回报及收益情况，提出在主机/船舶操作的可靠性与安全性不被影响的情况下，安装该系统可以提高动力装置的总体效率并获得更低的二氧化碳排放。

余热利用；船舶柴油机；动力系统；热效率系统

一、引言

柴油机动力系统的余热主要由下面的几部分组成：第一部分为柴油机排气中所带有的热量，大约占总的废热的一半，同时也占总的燃油燃烧释放能量的25%；第二部分为柴油机冷却水带走的热量，对于现代的船舶动力装置，它通常分为高温淡水和低温淡水两个系统，高温淡水的温度通常可达90～95℃，而低温淡水的温度为50～70 ℃；第三部分热量为增压空气的热量，现在增压器压比已达到3.5以上，压气机出口处的温度可达180～220 ℃，而为了增加进气空气的密度和降低柴油机工作循环的平均温度，必须对增压空气进行冷却；其他的废热主要包括润滑油带走的热量和一些辐射散热。

在柴油机动力系统的废热中，各种废热的温度不同，可利用的价值也不同。柴油机的废气中带有的热量数量大，品质好，是最有利用价值的能量。目前通常的方法是将其部分用于驱动动力涡轮，使之尽可能地转化成有效功，用于带动发电机或将这部分机械功输回到柴油机的曲轴；另外就是用来加热一个废气锅炉，使之产生蒸汽用于各处加热。现代船舶柴油机的排气温度由于燃烧效率的提高而有所降低，已不再像以前那样受到重视，但如何真正利用好这部分能量，从而降低油耗和CO2排放，仍然具有重要的意义。MAN B&W提出了一种新型的解决方案——热效率系统（TES）。

二、系统的概念和组成

目前普遍使用的高效型柴油机涡轮后的废气温度相对较低，仅够供废气锅炉产生蒸汽。新的解决方案是通过使用废气旁通装置，对主机废气中的热量进行重新配置，使其从大量/低温变成少量/高温，来提高废气的利用效果，虽然可能会对主机本身的效率略有影响，但可以提高整个系统的综合效率，这样的系统被称为热效率系统。

热效率系统包括一个废气锅炉、一台蒸汽涡轮、一台动力涡轮和一台用于发电的普通发电机。这两台涡轮机和发电机在同一个底座上，如图1所示。动力涡轮由从废气涡轮增压器旁通的那一部分废气驱动。动力涡轮发出的功率产生电力，发电量多少取决于废气旁通量。

当一部分废气从废气涡轮增压器旁通时，进入主机的空气和从主机排出的废气总量会减少，由于柴油机缸内燃烧空气量的减少，会使得各缸排气温度升高，以及废气涡轮增压器和动力涡轮后废气温度升高，并相应地提高废气锅炉的蒸汽产量。当主机负荷低于最大持续功率的50%时，由于废气旁通阀关闭，使得主机在低于最大持续功率的50%工作时，废气温度有所降低。

动力涡轮的输出功率通过一个带超速离合器的减速齿轮传递到蒸汽涡轮，并由动力涡轮和蒸汽涡轮共同驱动一台发电机，超速离合器用于当发电机脱开时防止动力涡轮超速。热效率系统的电量输出可以减少船上其他发电装置电量输出，从而降低船舶总的燃油消耗量，提高船舶营运的经济性，降低油耗和CO2排放。除此之外，还可以选择由主机输出轴带动轴带发电机。

图1 热效率系统的工作原理

热效率系统的发电量与船舶电力负载的平衡可以通过控制蒸汽涡轮的蒸汽量来实现，如果系统的发电量大于负载需求，可以通过调速器调节单向节流阀，减少进入高压蒸汽涡轮的过热蒸汽量，也就是剩余的蒸汽会通过一个泄放冷凝器来释放；而系统的发电量不能满足负载需求时，这个发电机可以与柴油发电机并联工作，并通过调速器的调节正确分配负载。

三、系统的收益及回报

在主机/船舶操作的可靠性与安全性不被影响的情况下，安装热效率系统可以提高动力装置的总体效率并获得更低的CO2排放。以MAN B＆W 12K98ME/MC主机（pMEP＝1 820kPa）为例，安装热效率系统前后柴油机的热平衡情况如图2所示。

图2 安装热效率系统前后12K98ME/MC柴油机的热平衡情况

当主机在最大持续功率运行时，通向废气旁通通道流过动力涡轮的废气量大约占总废气量的12%。进入动力涡轮的废气发出的功率最多可达到柴油机最大持续功率的4.6%。当主机在低于50%最大功率工作时，旁通阀截止，动力涡轮不工作；当主机在高于50%最大功率运转时，动力涡轮发出的功率大约同主机的负荷成平方关系。12K98ME/MC型主机的动力涡轮最大可用输出功率与主机负荷的函数关系如图3所示。

热效率系统的回报时间很大程度上取决于船舶主机的运转工况（主机负荷以及周围温度）和主机的尺度。例如在热带环境条件下运行，热效率系统的发电量高于在ISO标准环境中运行，而在ISO标准环境中运行，系统的输出又会比在冬季环境中运行高很多。另一方面，主机越大，热效率系统装置越庞大，其单位输出功率需要的投资则相对越少。