船舶柴油机余热回收系统建模仿真及分析

梁 傲, 管 聪, 周 科, 陈 辉

(武汉理工大学 能源与动力工程学院， 武汉 430063)

船舶柴油机余热回收系统建模仿真及分析

梁 傲, 管 聪, 周 科, 陈 辉

(武汉理工大学 能源与动力工程学院， 武汉 430063)

Abstract: Taking 4 500 TEU container ships as the object of study, the load and water temperature of different diesel engines are investigated through simulation of the marine diesel engine waste heat recovery system, to find out the operational parameters of each device and the economic benefit of the waste heat recovery at steady state. The exergy analysis is carried out to find out the exergy efficiency, the exergy loss rate and the exergy loss coefficient of each device, which comprehensively reveals the energy-saving potential of each part composing the system. The result based on the simulation shows that 6%～9% deduction of fuel consumption can be achieved with this waste heat recovery system. The refinement of the evaporator，the economizer and the steam turbine will substantially improve the performance of the waste heat recovery system.

Keywords: ship engineering; marine diesel engine; waste heat recovery system; modeling and simulation; exergy analysis

船舶远洋航行时其柴油机会定负荷稳定运行很长时间，进而消耗大量燃油。[1-2]采用船舶柴油机余热回收系统对柴油机排气及增压涡轮压缩空气中的余热进行回收可降低空冷器的散热损失，产生的大量蒸汽满足船舶供热和电力需求，不仅能降低航行成本，提高经济效益，还能减少温室气体排放、缓和能源危机，符合国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)提出的船舶能效设计指数(Energy Efficiency Design Index,EEDI)和船舶能效运营指数(Energy Efficiency Operational Index,EEOI)新标准[3-4]，有利于提高船舶能效和打造绿色船舶。

船舶柴油机余热回收系统作为一种有效的节能装置，广泛应用于大型远洋船舶中。大部分学者仅从量的角度用热平衡法对该系统进行分析，难以反映出能量的品质差别和利用的完善程度;而分析法可从质与量2个方面进行综合评价，很好地反映余热回收系统中各设备的节能潜力。对此,建立船舶柴油机余热回收系统仿真模型，不仅考虑柴油机的不同负荷，还考虑柴油机进气被增压涡轮压缩后的余热，并对余热回收系统中的各设备进行分析，以找出节能潜力最大的设备，从而优化余热回收系统，进一步提高其余热回收效率。

1 船舶柴油机余热回收系统构成

以4 500 TEU集装箱船为研究对象，其主机为MAN 12K98ME/MC柴油机，配套的余热回收系统示意见图1。废气锅炉主要包括经济器、蒸发器和过热器等3个换热器，其中:经济器和过热器采用逆流形式换热;蒸发器采用顺流形式换热。热井给水可首先与增压涡轮压缩的空气换热，然后进入到预热器中与经济器循环水换热,最后进入到汽包中。经济器循环水经过预热器换热后进入到经济器中，与废气换热后变为饱和水进入到汽包中。蒸发器循环水进入到蒸发器后与废气换热，变为饱和水后与饱和蒸汽在汽包内进行汽水分离。蒸发器内产生的饱和蒸汽一部分用来满足船舶的供热需求，变为饱和水后回到热井中;另一部分进入到过热器中与废气换热变为过热蒸汽，进入到汽轮机中推动汽轮机驱动发电机发电。做功后的蒸汽进入到冷凝器中被海水冷却，最后回到热井中构成整个闭合循环。

2 船舶柴油机余热回收系统建模仿真

2.1船舶柴油机余热回收系统数学模型

2.1.1船舶柴油机数学模型

在建立柴油机数学模型时，将柴油机气缸视为开口系统，考虑工质在容器内的累积效应，采用容积法建模。[5]

采用质量守恒定律和热力学第一定律对气缸中工质的变化进行分析，可得出

(1)

柴油机每循环喷油总量的计算式为

(2)

式(2)中：Pe为台架试验数据中的有效功率，W；ge为有效油耗率，kg/s；NE为转速，r/s。

气缸扫气口和排气阀的气体流动可看作一维等熵绝热过程，流经气缸的空气质量流量计算式为

(3)

式(3)中：μ为流量系数；AVeq为几何流通截面积；Ψ为流动函数。

空气冷却器出口的增压空气温度的计算式为

TAC=TC(1-ηAC)+ηACTW

(4)

式(4)中：ηAC为空气冷却器效率；TW为冷却水进口温度，K。

涡轮机废气质量流量的求解与流经气缸的增压空气的求解类似。将废气流经涡轮的过程等效为流经一个圆孔的过程，可得废气质量流量的计算式为

(5)

式(5)中：CT为废气流经圆孔的阻力系数；ATeq为涡轮等效圆孔当量有效面积，m2；TER为排气管内废气的温度，K；PER为排气管内废气的压力，Pa；Pamb为机舱环境压力，Pa；Re为废气气体常数，J/(kg·K)；γe为废气绝热指数。

涡轮出口废气温度的计算式为

(6)

式(6)中:ηT为废气涡轮的效率。

2.1.2船舶余热回收系统数学模型

在稳态下运用质量守恒定律和能量守恒定律对船舶柴油机余热回收系统进行分析，建立数学模型。

柴油机排出的废气在废气锅炉中分别与过热器、蒸发器和经济器换热，换热量总和为废气进入及排出废气锅炉时的能量改变量。运用废气的比热容和温降,根据能量守恒定律进行分析，可得换热量的计算式为

(7)

同理，由于废气锅炉的经济器出口循环水为汽包压力下的饱和水，因此运用被加热工质的焓变,根据能量守恒定律进行分析，可得换热量的计算式为

(8)

同理，由换热器的换热面积、换热系数及平均对数温差，对废气锅炉换热量根据能量守恒定律进行分析，可得各个换热器的换热量的计算式为

(9)

式(9)中：k为换热系数，J/(m2·K)，对于水管锅炉,可近似为废气流量的0.6次方[6]；Ai为换热器换热面积，m3；Δti为对数平均温差，K；i=ec为经济器，i=ev为蒸发器，i=sh为过热器。

对于船舶柴油机余热回收系统中的水泵，因其消耗的功等于水在泵中的焓值增加量，可得各个水泵的功率计算式为

(10)

对热井运用能量守恒定律进行分析，可得

(11)

式(11)中：hc_pd为冷凝水排出冷凝水泵进入到热井中时的焓值，kJ/kg；hw_hs为冷凝的船舶加热用水进入到热井中时的焓值，kJ/kg。

过热器中产生的过热蒸汽进入到汽轮机中推动汽轮机驱动发电机发电，假设过热蒸汽在汽轮机中的膨胀过程为等熵膨胀，可得发电机发电量的计算式为

(12)

式(12)中：hST_i为过热蒸汽进入蒸汽轮机时的焓值，kJ/kg；hST_o_is为过热蒸汽在蒸汽轮机中等熵膨胀后排出时的焓值，kJ/kg；ηTG为汽轮发电机的效率；fb,fT和fL分别为蒸汽轮机背压、蒸汽温度及蒸汽轮机负载的修正系数。[7]

在计算给水质量流量时，首先假设过热蒸汽的产生过程为理想朗肯循环，忽略各个泵的做功。根据能量守恒与质量守恒定律对余热回收系统进行分析，先选取一个初始值作为给水质量流量迭代运算的输入量，经过多次迭代运算满足条件后，可得给水质量流量的计算式为

(13)

式(13)中：hfw为热井给水焓值，kJ/kg。

船舶柴油机余热回收系统回收的余热用来满足船舶航行时的的电能与供热需求，除去各个水泵消耗的功，可得船舶系统能量效率增加量的计算式为

(14)

2.2船舶柴油机余热回收系统仿真模型

2.2.1船舶柴油机仿真模型及验证

在建立船舶柴油机仿真模型时，以7K98MC[8]柴油机为主机，其主要技术参数见表1。根据柴油机的数学模型，在合理假设的基础上对柴油机的各个模块进行仿真建模，构成整个柴油机的仿真模型。

表1 7K98MC型柴油机主要技术参数

为验证该柴油机仿真模型的可靠性，通过调节设定仿真模型的转速，使主机依次稳定在50%,75%,85%和100%负荷下。将仿真结果与台架试验结果进行对比，其误差在可接受的范围内，因此仿真模型具有较高的可靠性，可进行后续的余热回收系统仿真分析。

2.2.2船舶柴油机余热回收系统仿真模型

在建立船舶柴油机余热回收系统时，以4 500 TEU集装箱船上的余热回收系统为原型，根据船舶柴油机余热回收系统的数学模型，在假设的基础上建立仿真模型，仿真时采用多个循环，其流程见图2。在计算过热器、蒸发器及经济器的相关参数时，根据能量与质量守恒定律对其进行分析，联立式(7)～式(9)，求得3个换热器的6个参数。

1)仿真输入的参数包括：柴油机排出废气的质量流量、温度及成分；柴油机消耗燃油的低热值、过量空气系数及空气被涡轮增压器压缩后的温度；汽包、热井及冷凝器内的压力；余热回收系统中工质在管道内的压力及温度损失；经济器、蒸发器及过热器的换热面积；船舶供热所需的饱和蒸汽质量流量；余热锅炉、泵及预热器的效率；汽轮发电机额定功率。

2)仿真输出参数包括：过热蒸汽、给水的质量流量及温度；余热回收系统中各个换热器出口和入口水或蒸汽的温度；余热回收系统各个换热器出口废气的温度；蒸汽循环效率、发电机产生的电能及效率增加量；余热回收系统中各个设备的效率、损率及损失系数。

在进行船舶柴油机余热回收系统仿真计算时，应注意以下几点：

(1)经济器入口循环水的温度应高于废气中硫酸的露点温度，防止产生低温腐蚀；

(2)蒸发器内循环水量应为所产生饱和蒸汽量的2～4倍，防止蒸发器管道中发生恶化沸腾现象；

(3)汽轮机出口蒸汽干度应≥90%，防止液滴对汽轮机叶片造成冲蚀；

(4)余热锅炉的夹点温差取值应为10～15 K，保证换热器面积合理的同时有较高的效率[9]；

(5)过热器入口于余热锅炉入口的废气温度，且两种流体的换热温差应≥20 K。[7]

3 船舶柴油机余热回收系统仿真分析

采用的船舶柴油机机型为7K98MC，当柴油机在50%,75%,85%和100%等4个不同负荷下稳定工作时，由仿真模型得到其废气温度及质量流量见图3。

当柴油机在以上4种负荷下稳定工作时，对增压涡轮压缩空气不加热给水、加热到80 ℃和120 ℃等情况下的船舶柴油机余热回收系统进行仿真分析，得出余热回收系统各参数值见图4。

由图4可知：船舶柴油机余热回收系统回收的电能、废气余热回收率及废气锅炉出口废气温度均随着柴油机负荷和给水被加热温度的增大而增大，其中回收的电能有较大改变，变化范围为1 060～2 345 kW；废气余热回收率为废气余热回收装置产生的电能与废气在废气锅炉中放出热量的比值，其变化范围为14%～19%；废气锅炉出口废气温度改变较小，其变化范围为168～174 ℃。效率增加量、夹点温度、过热器出口蒸汽温度、蒸发器入口废气温度及经济器入口废气温度随着柴油机负荷的增大而先增大后减小，其中:夹点温度、经济器入口废气温度及过热器出口蒸汽温度随给水被压缩空气加热后温度的升高而减小，其变化范围分别为10～26 ℃,183～199 ℃和236～262 ℃；蒸发器入口废气温度随给水被加热温度的升高基本保持不变，其变化范围为267～300 ℃；效率增加量随给水被加热温度的升高而增大，其变化范围为2.7%～4.1%，相当于节省所消耗掉燃油量的6%～9%，具有较好的经济效益。

图4 船舶柴油机余热回收系统相关参数仿真结果

船舶柴油机在某一负荷下稳定运行时，随着给水被加热温度升高，进入经济器中的循环水温度升高，而出口水状态保持不变，使得经济器需要的热量减少，蒸发器和过热器回收的热量增多，从而使得夹点温度、经济器入口废气温度及废气锅炉出口废气温度都降低。过热器因换热面积很小且其中的质量流量不大而使得回收的热量基本不变，因此废气进入蒸发器的温度基本不变，蒸发器回收的热量增大，产生的蒸汽量增多。船舶柴油机余热回收系统在柴油机负荷越大、给水被加热温度越高时，回收的电能越多，蒸汽循环效率越大，这表明余热回收系统在柴油机高负荷、高给水温度下运行时具有更好的效果。

为了从能量“质”的角度对船舶柴油机余热回收系统进行分析，反映出系统各设备的节能潜力，有效地找出提高余热回收效率的方向[10-11]，对柴油机长时间运行的85%负荷、给水不加热的情况进行分析，得出余热回收系各设备的效率、损率和损失系数值见图5。

4 结束语

描述船舶柴油机余热回收系统的工作原理，在各种假设的基础上以4 500 TEU集装箱船为研究对象建立仿真模型，并对柴油机50%,75%,85%和100%等4个不同负荷下增压涡轮压缩空气不加热给水及加热到80 ℃与120 ℃等情况进行仿真，得出余热回收系统中各设备参数的曲线，并对曲线的变化进行分析；同时,利用仿真的参数从能量“质”的角度对系统中各个设备进行分析，并绘出效率、损率及损失系数图。仿真结果表明：对于该仿真模型，余热回收系统在柴油机高负荷、高给水温度下运行时具有更好的余热回收效果，可节省所消耗燃油量的6%～9%，具有较好的经济效益；蒸发器、经济器和汽轮机等3个设备的损率及损失系数较大，具有较大的节能潜力，应重点优化这些设备。

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SimulationandAnalysisofMarineDieselEngineWasteHeatRecoverySystem

LIANGAo,GUANCong,ZHOUKe,CHENHui

(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

U664.121

A

2016-11-18

梁 傲(1992—),男,湖北武汉人,硕士生,从事系统仿真与控制研究。E-mail:316828130@qq.com

1000-4653(2017)01-0026-06