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超大型船舶廢氣利用的途徑和措施

文檔作者：馬捷金春日朱燁鄧真全張桂臣張小卿孟健文檔來源：上海交通大學海洋工程國家重點實驗室		點擊數：	更新時間： 2021年05月12日
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第37卷第1期
2010年1月
華北電力大學學報
Joumal of North China Electric Power University
Vl01．37．No．1
Jan．，2010
超大型船舶廢氣利用的途徑和措施
馬捷，金春日，朱燁，鄧真全，張桂臣，張小卿，孟健
(上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海200030)
摘要：超大型船舶主機功率龐大，廢氣排放熱量可觀。借助廢氣余熱利用系統，可將部分排氣熱量轉換為電
能，達到節(jié)能的目的。船舶安裝廢氣余熱利用裝置可提高燃油利用率。對于不同的船舶，須從工作可靠性與
經濟性綜合考慮，選取適合的廢氣余熱利用系統。通過系統靜態(tài)特性的模擬分析，可合理預測和校驗系統的
實際工作情況，為船舶廢氣余熱利用系統的設計提供正確的方法和必要的參考。由系統的熱平衡計算，可求
出系統的熱力學參數，由系統部件的熱力設計可得到系統各部件的結構、損失與效率。對船舶廢氣余熱利用
系統進行優(yōu)化分析，可為系統部件提供最優(yōu)工作參數，使系統達到最佳工作狀態(tài)。
關鍵詞：超大型船舶；廢熱利用系統；模擬分析；優(yōu)化
中圖分類號：TKl1．5 文獻標識碼：A 文章編號：1007—2691(2010)叭一0014—06
M ethods and measures about utilization of
waste gas of super lager ships
MA Jie，JIN Chun—ri，ZHU Ye，DENG Zhen—quan，
ZHANG Gui—chen，ZHANG Xiao-qing，MENG Jian
(State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shangh~200030，China)
Abstract：Power of the main eng ine of super lager ships is extraordinarily huge，and the exhaust heat with waste gas
is respectable．which shouldusetraditionalwayof the recoveryand utilizationofwastegasboiler．W ithutil~ngwaste
heat s~tem，part of exhaust heat is transferred into the electric energy to accomplish the aim of energy eonservation．
Ships installed with utilizing waste heat s~tem can promote the utilization rate of"fuel by 12％ ．For different ships ，
utilizing waste heat system should be chosen properly as a comprehensive consideration of reliability and economy of
working ．Through simulation analysis of static characteristics of system ，the actual working conditions of system can
he properly forecast an d checked，which provides right meaning an d reference material for design of utilizing vcaste
heat system of ships．We can find out the thermodynamic parameters by calculation of s~tem heat balan ce．an d the
~meture，loss and efficiency of all system units can he obtained by therm odyn am ic design of the s~tern units．Opfi—
mal analysis of utilizing waste heat system of ships Can provide the s~tern units with optim um working parameters，
andthenthe system isinthe bestworking conditions ．
Key words：super lager ships ；utilizing waste heat system；steam turbine；analogy analysis and optimization
0 引 言
主機余熱利用是船舶節(jié)能的重要途徑。采取
綜合措施降低油耗，達到節(jié)能降耗的目標，是航
運業(yè)必須研究的課題。超大型船舶的主機功率龐
大，即使提高1％的燃油利用率，節(jié)省成本也相
收稿日期：2009—08—07
當可觀。船舶節(jié)能、降低燃料消耗、提高船舶動
力裝置經濟性，是造船業(yè)的重大任務。
柴油機為動力的船舶，直接消耗燃料的設備
是主機、輔機和輔助鍋爐。主機耗能占總輸入能
量的70％-90％。燃料在柴油機氣缸中燃燒所發(fā)
出的全部熱量，只有一部分轉變?yōu)闄C械功，其余
熱量都是廢熱，即余熱。
柴油發(fā)電機和輔助鍋爐所消耗的能量，約占
第1期 馬捷，等：超大型船舶廢氣利用的途徑和措施
總輸入能量的10％～30％，將它們與主機結合起
來，利用主機余熱能量，提供船舶所需的電能和
加熱熱能，是動力裝置節(jié)能的重要途徑。
船舶廢氣余熱利用系統
船舶廢氣余熱利用的方法有：利用回收排氣
熱能產生蒸汽，供加熱和生活雜用或驅動蒸汽透
平機；利用主機缸套水和掃氣空氣的熱能為鍋爐
給水加熱；利用柴油機的排氣能量，直接驅動動
力透平機。
有效利用柴油機廢氣余熱，可以解決航行所
需的電力。它與余熱獲取的電量與航行所需電量
的對比。余熱能獲得的電量與主機型式、功率及
余熱回收技術相關，航行所需電量相關于動力裝
置型式、船型、噸位、航區(qū)以及降低航行所需電
量的措施。
隨著現代柴油機油耗的降低，余熱中可回收
的熱量日趨減少。低速柴油機的排氣率較中速柴
油機高，但排氣溫度低，低速機排氣中能回收的
熱量并不為多。此外，廢氣鍋爐采用的最佳蒸汽
壓力也低于中速機，使汽輪發(fā)電機組耗氣率增
大。由此，采用中速柴油機對余熱發(fā)電相對有
利。據國外報道，大型船用低速柴油機若充分回
收其排氣及冷卻水余熱，用于發(fā)電及加熱，主機
功率在15 000 kW 以上時，余熱發(fā)電量可滿足航
行用電要求。中速機排氣溫度高，所需功率相應
為低，也可采用回收排氣及冷卻水的雙壓余熱鍋
爐系統，或采取軸帶泵、吸收式冷凍機等減少電
能消耗措施，主機功率即使降至7 000～8 000
kW，也能利用余熱發(fā)電滿足航行所需電量，它
與主機排氣溫度高低相關。日本設計的60 000載
重噸散貨船，主機常用功率9 625 kW，轉速120
r／min。采用常規(guī)單壓式廢氣鍋爐系統，余熱發(fā)
電不能滿足全船用電需要，冬季缺少265 l【W，
夏季缺少75 kW；采用雙壓系統及混壓式汽輪
機，或設法提高排氣以及冷卻水溫度，輔以利用
增壓空氣及缸套水熱量進行采暖和加熱，采用舷
外冷卻水自流循環(huán)系統等措施，余熱發(fā)電量能滿
足全船所需電量，冬季還有205 kW 剩余，夏季
有240 kW 功率輸入推進系統。由此可見，選擇
和設計合理的余熱利用系統，是有效利用余熱、
解決航行所需電量的重要途徑?1。
在余熱發(fā)電的基礎上，為提高余熱利用效果
和提高發(fā)電量，出現了幾種典型的余熱發(fā)電利用
系統。柴油機動力裝置的余熱發(fā)電利用系統，主
要的區(qū)別在于：廢氣鍋爐汽水系統壓力分級(單
壓、雙壓和三壓式鍋爐)；余熱汽輪機壓力分段
(普通單段壓力式和多段混壓式)；其他余熱利用
措施。這些區(qū)別表征了利用余熱能量和增大余熱
發(fā)電量的途徑。其他措施，如：變速泵，主機舷
外吸氣，自流循環(huán)冷卻、軸帶泵等，屬于降低航
行消耗電能的措施，與余熱利用無關。圖1是單
段單壓式余熱發(fā)電系統。與圖2的簡單余熱利用
系統有所不同：
(1)廢氣鍋爐受熱面由過熱器(SH)、蒸發(fā)
器(EⅥ )和經濟器(PH)組成。
(2)設置了表面式預熱器，用于加熱鍋爐給
水。在這種系統中，給水在表面式給水預熱器加
熱后進入鍋爐。
蒸
汽
設
備
熱
井
給水泵
圖1 單段單壓式余熱發(fā)電系統
Fig．1 A single— stage and sing’le— pressure waste
heat power generation system
鍋爐的水由循環(huán)泵經給水預熱器，部分熱量
傳給給水，進入廢氣鍋爐的經濟器(PH)。在經
濟器中，水加熱引人蒸發(fā)器，蒸發(fā)成為飽和蒸汽
飽和水混合物，然后進鍋爐氣筒進行汽水分離。
分離后的飽和蒸汽從鍋筒引出，一部分供全船加
熱和生活雜用，其余大部分進入過熱器(SH)，
成過熱蒸汽后送人汽輪機做功發(fā)電。
提高朗肯循環(huán)的蒸汽參數，可以提高循環(huán)效
率。就圖2所示的無經濟器系統而言，采用高參
數蒸汽，鍋爐出口排煙溫度就要升高，余熱回收
率降低。因而，該系統不宜采用高蒸汽參數。增
加經濟器，一定程度上可以彌補。在蒸發(fā)器受熱
面后增加經濟器，吸收煙氣熱量，一定的鍋爐出
口排煙溫度下，必然要相應提高蒸發(fā)器出口溫
度。本系統可采用較高的蒸汽參數，發(fā)電量與余
熱回收率較無經濟器的單壓系統有所增加，是單
壓系統中經濟性較好而又簡單的一種。我國制造
16 華北電力大學學報 20l0年
的箱集裝箱船，就有采用這種余熱發(fā)電系 。
熱井
給水泵
圖2 船舶柴油機動力裝置余熱發(fā)電系統
Fig．2 A waste heat power generation system of the
power plant of r~rine diesel engine
單段雙壓式余熱發(fā)電系統，由單壓式發(fā)展而
來。要得到較高壓力的蒸汽，如果不用其他措
施，就要增加廢氣鍋爐排氣出口溫度；反之，就
只能采用壓力較低的蒸汽。當采用經濟器時，矛
盾有所緩和。但是，經濟器吸收的熱量畢竟有
限。要降低排煙溫度和提高蒸汽壓力，單壓式系
統采用經濟器就會無濟于事。這樣，雙壓式系統
有兩全其美的優(yōu)點。
單段雙壓式系統中，低壓蒸汽只用于加熱。
實際上，船舶需要的加熱蒸汽很有限，只有在低
壓加熱蒸汽需要量很大的場合，雙壓鍋爐系統才
有優(yōu)越性。根據這種考慮，雙段雙壓式余熱發(fā)電
系統提取部分低壓蒸汽，引入汽輪機低壓級做功
發(fā)電。這樣，可以增加發(fā)電量，使低壓蒸汽得到
有效而合理的利用，鍋爐排煙溫度也能進一步降
低。
與單段雙壓式系統相比，雙段雙壓式余熱發(fā)
電系統利用了低壓飽和蒸汽，使之進入透平的低
壓級做功發(fā)電。
全船加熱和生活雜用的低壓蒸汽，壓力不低
于0．3 MPa，限制了排煙溫度的進一步降低。雙
段三壓式余熱發(fā)電系統采用了三種不同壓力的蒸
汽，以適應不同能量的需求，特別是采用極低壓
的蒸汽，供給汽輪機低壓段，進一步降低了廢氣
鍋爐排煙溫度。
為了適應柴油機的低排氣溫度，熱水閃發(fā)式
透平的余熱發(fā)電系統的給水經空冷器加熱，進入
廢氣鍋爐經濟器。吸熱后分成兩股，一半進入高
壓分離器，這部分與普通余熱發(fā)電系統相同。另
一部分進入低壓蒸發(fā)器，加熱后進入低壓分離
器。高效率的低速柴油機， 排氣溫度已低至
240℃ ，余熱發(fā)電有所困難。熱水閃發(fā)式裝置有
效和充分利用了低速柴油機有限的排氣余熱。采
用普通余熱發(fā)電系統，一臺15 000 kw柴油機的
排氣能量，不能滿足全船航行用電之需。采用閃
發(fā)式裝置的余熱發(fā)電系統，一定程度上有所緩
解。功率11 000～12 000 kw、排氣溫度240℃
的低速柴油機，若采用這種系統，就能滿足船上
航行用電，結構也不比多壓式余熱發(fā)電系統復
雜[引。
船舶為實現余熱利用，具體采用何種系統，
需通過綜合分析比較，從工作可靠性和經濟性綜
合考慮?？煽啃缘脑u價同時要考慮維修操作方
便，設備不易損壞，適應負荷變動，組成簡單
等。經濟性則需考慮投資和節(jié)能，權衡發(fā)出電功
率能否滿足航行用電要求，進行全面經濟分析。
系統復雜程度和造價高低，可從汽水分離
器、熱交換器、水泵、自動控制等設備的數量、
汽輪機的壓力段數、廢氣鍋爐受熱面組成、傳熱
面積大小等方面進行比較。鍋爐傳熱面積和系統
組成部件數量的增加，需要較高的投資。組成部
件愈多，出現事故的幾率愈大。實際船舶采用復
雜系統，必須慎重考慮。
2 船舶廢氣余熱利用系統的優(yōu)化分
析
優(yōu)化方法應用于船舶廢氣余熱利用系統設
計，首先建立系統優(yōu)化數學模型。
工程優(yōu)化設計問題，用數學語言描述：求變
量X (X∈R )，使目標函數：
F=f (X) (1)
達到最小，且滿足約束條件：
G (X)20 i=1，2， ? ? ，P；
Hi(X) =0 ． =l，2， ? ? ，q；
XL X三 XH (2)
式中：x 為不相關的優(yōu)化設計變量；f (X)為
目標函數，它是評價設計好壞的標準；Gf(X)
為不等式約束條件；Hi(X)為等式約束條件；
XH，xf 分別為設計變量的上、下界。
2．1 目標函數的選取
廢氣余熱利用系統的熱線圖，優(yōu)劣評價指標
有幾種。
(1)最大動力回收率或最大炯效率：
： (L3j )J
第1期 馬捷，等：超大型船舶廢氣利用的途徑和措施 17
或
=1一 (4)
式中：E一，H一分別為余熱流相對環(huán)境狀態(tài)所
具有的最大炯值和焓值；AE為系統火剛員；PR
為系統回收功率。
該評價指標適用于給定余熱源和初投資的限
制下，要求得到最大回收功率或收益。該指標較
適于回收功率用于推進的船舶廢氣余熱利用系
統，或陸用廢氣余熱利用系統。
(2)最大的凈增或收益成本比
兩方法是財經分析方法，考慮了整個投資有
效期內全部費用和收人。
凈增值： ．
NPV =
i
(5)
= 1 ＼ J I ， ，
收益成本比：
里
BCR= L} T』(6)
卉i
z l ＼ ，
式中：n為投資分析時間間隔數(裝置使用年
限)；B 為第i年內收益；Ef為第i年內運行費；
J 為第i年內投資；r為折扣率。
由于凈增值方法僅注重凈收益，用它估計不
同方案，如果兩者所得凈收益相等，其他方面的
差異就無法區(qū)別。另外，凈增值的計算結果隨折
扣率的變化而波動，如果折扣率取值不當，可能
得出錯誤結果。凈增值法的優(yōu)點在于，考慮了資
本的機會成本，可用于計算投資在其有效期內的
經濟效果。收益成本比克服了凈增值的第一個缺
點，表明了裝置使用期限內節(jié)約總成本與投資成
本的比值。
(3)達到給定指標的最小系統初投資
衛(wèi)1
MC = (7)
式中：Ci為系統第i個部件的初投資；咒為系統
總部件數。
對于船舶廢氣余熱利用系統，要求廢氣余熱
利用系統在滿足全船需電量和需熱量的前提下，
系統造價最小。此評價指標非常適用于船舶廢氣
余熱利用系統。
船舶廢氣余熱利用系統所帶來的收益，就是
廢氣余熱利用系統代替柴油發(fā)電機和輔助鍋爐所
節(jié)省的柴油價值。對于給定的船舶，為定值。當
運行年限和折扣率一定時，式3、5與7是一致
的。下面分別采用式3和7兩種評價指標，即
一 p —
fl(z)=一 (8)
J j l'n ax
f2(．717)=ΣCi (9)
2．2 設計變量的選取
通過廢氣余熱利用系統熱力學參數分析，系
統優(yōu)化設計變量取為：過熱蒸汽溫度T ，高壓
蒸發(fā)溫度 1，低壓蒸發(fā)溫度 2，經濟器進口溫
度丁門和從預熱器出VI進入汽包的給水溫度T ，
共5個參數，即
X 2
120 X c11
X4 150
X h8o
j l30 J I j J 200 I
l I I 3 l=J 160 1 ( )
Ll120 J{j j I
12 l j j
18 華北電力大學學報 2010年
循環(huán)倍率限制。為避免蒸發(fā)器中出現沸騰傳
熱惡化現象，要求蒸發(fā)器循環(huán)倍率D不小于3。
G3( )=D一3 0 (14)
(3)系統性能的要求
系統初投資限制。以最大回收功率作為優(yōu)化
目標函數時，必須對系統的初投資MC進行限
制。
G4( )=MC0一MC三三=0 (15)
系統回收功率的限制。當優(yōu)化目標函數采用
最小初投資時，系統回收功率必須首先給定。
H1(z)=PR—PR0=0 (16)
(4)保證計算正常進行
為保證計算的正常運行，必須附加約束條
件，避免溢出情況發(fā)生。
3 船舶主機余熱綜合利用系統的火用
平衡分析
為便于分析，假設：工質以穩(wěn)定狀態(tài)流動；
廢氣、水和水蒸汽是理想氣體；動能、位能變化
忽略不計。
在上述的假定下，對整個系統或某環(huán)節(jié)，炯
平衡方程可以表示：
￡i =亡 + 0u +亡d (17)
這時，炯效率為
= 亡 ／( i 一宦 ) (18)
炯效率表示嫻利用率，指出了某系統在火用利
用上的潛力。
炯損失系數以整個系統的消耗炯(輸入炯)
-in為基準表示：
，
Edest
，
J／EsyS
，i (19)
船舶主機排出的廢氣，從狀態(tài)1實現穩(wěn)定流
動轉變到狀態(tài)2，作出最大有用功為
El—E2=M腳(el—e2)=
gasc
，gas [(T1一T2)一Toln(T1／T2)]
(20)
廢氣鍋爐系統的炯損失，是散熱和內部不等
溫傳熱等不可逆因素引起的，與鍋爐結構、溫
度、容量、負荷、風力和保溫情況有關。鍋爐的
工質未對外輸出功，即W =0。根據廢氣鍋爐系
統炯平衡方程，廢氣鍋爐炯損失：
它dest，
w船=M蛐(el—e2)一
[ L． (e4L—el1L)+ H，su(e4H—e11H)+
t (e3H—ellH)] (21)
雙段廢氣鍋爐炯效率：
，啪=Ewe3／[(E1一E2)+
M L
．
fwellL+M H
． ~vellH] (22)
其炯損失系數為
仇，wI毋=它dest
，WHB／[(亡1一它2)+
M L．fwellL+ M H
．fwellH] (23)
工質在蒸汽透平中的過程為不可逆絕熱過‘．
程，工質與外界沒有熱交換。這時，根據蒸汽透 l -_
平的炯平衡方程，雙壓式蒸汽透平的炯損為
dest。WHH=M H
。 (e5H—e6)+
M L
． (e5L—e6)一V Turb (24)
蒸汽透平炯效率為
．
r／e，Jurb=WTurb／／[MH， (e5H—e6)+
L． (e5L—e6)] (25)
蒸汽透平輸出功，經軸系傳遞給發(fā)電機，發(fā)
電機輸出電功率：
= WTurbr／Turb，
Gear7 (26)
其炯損失為
E
，
Ge W Turb
，
mechr／fear(1— ‰ )
(27)
空冷器高溫段炯損失：
它婦
，s HT= air(e air，i 一eair，m)一
}fr (eHT 一eHT ) (28)
空冷器高溫段炯效率：
。SAC-HT MHT(eHT，2一eHT，1)／
[ ai (e扎1一e |r' )] (29)
動力透平炯損：
Edest
，PT= 鼬[(epT，i 一
epTl伽t)一(her，i 一her，叫t)] (30)
動力透平炯效率：
r／e．frr= ．er／EpT (31) ’
動力透平+聯軸節(jié)+發(fā)電機組組成的系統，
輸出發(fā)電功率、炯損失、炯效率分別為[ ， ] ．
，
m =
，frr frr，mcchr／C~ r／Gone (32) 。．’
des 。m =
． 盯一 ， PTG (33) ：
r／e，PTG=r／er， h G G (34)
4 分 析
根據炯平衡分析與熱平衡分析，可獲得結
果：在廢氣鍋爐中，廢氣鍋爐效率約為97％時，
熱損失僅占0．49％，絕對值不大。但炯分析得到
炯損系數達13．69％，由散熱、有限溫差傳熱等
第1期 馬捷，等：超大型船舶廢氣利用的途徑和措施 19
不可逆因素引起。炯分析表明，有必要對鍋爐各
組件熱力參數及其結構進行優(yōu)化設計，以提高廢
氣鍋爐自體炯效率，減少整個廢氣熱能回收裝置
炯損失。
蒸汽透平的不可逆膨脹引起火用損失占
8．51％ ，在廢氣熱能回收發(fā)電系統各種損失中居
第二位。因此，有必要提高多級雙壓式、補氣式
蒸汽透平的內效率，以減少炯損。為此，要選擇
合適的透平級數和蒸汽參數，降低蒸汽在透平
進、出口內的壓力損失。蒸汽透平可逆損失以熱
能的形式存在于蒸汽中，在熱平衡分析上，該損
失無法表示。蒸汽進入冷凝器向冷卻水放熱，在
冷凝器的損失中有所反映。
冷凝器炯損失為5．99％，占第三位。在熱平
衡分析中，冷卻水的熱量占整個系統提供熱量的
66．06％，熱量損失最多。冷卻水帶走的熱量大，
冷卻水吸熱后溫升不高，乏汽與冷卻水平均溫差
不大，做功潛力即“質量” 或“品位” 不高。整
個裝置總炯效率為65．90％。炯平衡法，能夠具
體表明各種循環(huán)不可逆因素造成損失的程度。熱
平衡法，在數量上反映能量利用和損失情況，但
不能說明造成損失的原因。
5 結 論
超大型船舶主機功率高，排氣量大，廢氣中
蘊藏大量能量，通過廢氣余熱利用系統進行能量
回收，有明顯的經濟價值。
安裝廢氣余熱利用系統，可以把部分排氣損
失轉換成電能，達到節(jié)能目的。對于超大型船
舶，尤其有巨大的經濟價值。不同的船舶，要選
擇不同的廢氣余熱利用系統。不同的系統，從工
作可靠性與經濟性綜合考慮，應選取適合的廢氣
余熱利用系統。通過系統靜態(tài)特性的模擬分析，
可以較好地預測和校驗系統實際工作情況，為船
舶廢氣余熱利用系統的設計提供正確方法。船舶
廢氣余熱利用系統的優(yōu)化分析，可使系統各部件
處于最高效率狀態(tài)，可選擇最正確的工作參數，
使系統達到最優(yōu)運行效果。
超大型船舶經濟效益性良好，發(fā)展前景十分
廣闊，越來越多的超大型船舶投入運輸。船舶廢
氣綜合利用系統，是回收利用柴油機排氣、主機
空冷器和汽缸冷卻水余熱，將其轉換成船舶所需
熱能與電能，以提高整個動力裝置熱效率的有效
環(huán)節(jié)。
炯平衡分析與熱平衡分析相比，可以更正確、
全面地評價裝置的能源利用率及其損失，對節(jié)能
潛力及其薄弱環(huán)節(jié)作出正確判斷，指導探求節(jié)能
的準確措施。本文揭示了超大型船舶主機廢氣回
收利用系統的組成、工作原理，建立了該裝置的
簡化熱力系統和各設備的炯計算式，根據系統內
工質廢氣，空氣、水和水蒸氣熱力性質的計算程
序，進行了炯平衡分析和熱平衡分析。炯平衡方
程式和數據可用于系統的能質分析、熱經濟學分
析和優(yōu)化設計等。
附錄：
符號表
亡i 為輸入(炯)，l【W；亡0u 為輸出(炯)，kW；
d 為(,2m)損失，kW；E 為做功(火用)，
kW；W 為功率，kW； 為(火用)效率； 為
(炯)損失系數； 為流量，kg／h；C。為等壓
比熱，kJ／kgK；P為壓力，M_Pa；T為溫度K；
S為熵，14／kgK；h為焓，14／kg；e為(火用)，
kJ／kg。
H為高壓段；L為低壓段；SU為過熱蒸汽；sat
為飽和蒸汽；fw為給水；gas為廢氣；air為空
氣；HT為高溫段；I 為低溫段；sys為整個系
統；in為入口；out為出口。
參考文獻：
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作者簡介：馬捷(1946一)，男，教授，博士生導師，主要
從事可再生能源利用、制冷工程、動力工程研究。

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