梁 傲, 管 聰, 周 科, 陳 輝

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 武漢 430063)

船舶柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)建模仿真及分析

梁 傲, 管 聰, 周 科, 陳 輝

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 武漢 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

船舶遠(yuǎn)洋航行時(shí)其柴油機(jī)會(huì)定負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間，進(jìn)而消耗大量燃油。[1-2]采用船舶柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)排氣及增壓渦輪壓縮空氣中的余熱進(jìn)行回收可降低空冷器的散熱損失，產(chǎn)生的大量蒸汽滿足船舶供熱和電力需求，不僅能降低航行成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，還能減少溫室氣體排放、緩和能源危機(jī)，符合國(guó)際海事組織(International Maritime Organization,IMO)提出的船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(Energy Efficiency Design Index,EEDI)和船舶能效運(yùn)營(yíng)指數(shù)(Energy Efficiency Operational Index,EEOI)新標(biāo)準(zhǔn)[3-4]，有利于提高船舶能效和打造綠色船舶。

船舶柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)作為一種有效的節(jié)能裝置，廣泛應(yīng)用于大型遠(yuǎn)洋船舶中。大部分學(xué)者僅從量的角度用熱平衡法對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行分析，難以反映出能量的品質(zhì)差別和利用的完善程度;而分析法可從質(zhì)與量2個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，很好地反映余熱回收系統(tǒng)中各設(shè)備的節(jié)能潛力。對(duì)此,建立船舶柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)仿真模型，不僅考慮柴油機(jī)的不同負(fù)荷，還考慮柴油機(jī)進(jìn)氣被增壓渦輪壓縮后的余熱，并對(duì)余熱回收系統(tǒng)中的各設(shè)備進(jìn)行分析，以找出節(jié)能潛力最大的設(shè)備，從而優(yōu)化余熱回收系統(tǒng)，進(jìn)一步提高其余熱回收效率。

1 船舶柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)構(gòu)成

以4 500 TEU集裝箱船為研究對(duì)象，其主機(jī)為MAN 12K98ME/MC柴油機(jī)，配套的余熱回收系統(tǒng)示意見(jiàn)圖1。廢氣鍋爐主要包括經(jīng)濟(jì)器、蒸發(fā)器和過(guò)熱器等3個(gè)換熱器，其中:經(jīng)濟(jì)器和過(guò)熱器采用逆流形式換熱;蒸發(fā)器采用順流形式換熱。熱井給水可首先與增壓渦輪壓縮的空氣換熱，然后進(jìn)入到預(yù)熱器中與經(jīng)濟(jì)器循環(huán)水換熱,最后進(jìn)入到汽包中。經(jīng)濟(jì)器循環(huán)水經(jīng)過(guò)預(yù)熱器換熱后進(jìn)入到經(jīng)濟(jì)器中，與廢氣換熱后變?yōu)轱柡退M(jìn)入到汽包中。蒸發(fā)器循環(huán)水進(jìn)入到蒸發(fā)器后與廢氣換熱，變?yōu)轱柡退笈c飽和蒸汽在汽包內(nèi)進(jìn)行汽水分離。蒸發(fā)器內(nèi)產(chǎn)生的飽和蒸汽一部分用來(lái)滿足船舶的供熱需求，變?yōu)轱柡退蠡氐綗峋?另一部分進(jìn)入到過(guò)熱器中與廢氣換熱變?yōu)檫^(guò)熱蒸汽，進(jìn)入到汽輪機(jī)中推動(dòng)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。做功后的蒸汽進(jìn)入到冷凝器中被海水冷卻，最后回到熱井中構(gòu)成整個(gè)閉合循環(huán)。

2 船舶柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)建模仿真

2.1船舶柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1.1船舶柴油機(jī)數(shù)學(xué)模型

在建立柴油機(jī)數(shù)學(xué)模型時(shí)，將柴油機(jī)氣缸視為開(kāi)口系統(tǒng)，考慮工質(zhì)在容器內(nèi)的累積效應(yīng)，采用容積法建模。[5]

采用質(zhì)量守恒定律和熱力學(xué)第一定律對(duì)氣缸中工質(zhì)的變化進(jìn)行分析，可得出

(1)

柴油機(jī)每循環(huán)噴油總量的計(jì)算式為

(2)

式(2)中：Pe為臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的有效功率，W；ge為有效油耗率，kg/s；NE為轉(zhuǎn)速，r/s。

氣缸掃氣口和排氣閥的氣體流動(dòng)可看作一維等熵絕熱過(guò)程，流經(jīng)氣缸的空氣質(zhì)量流量計(jì)算式為

(3)

式(3)中：μ為流量系數(shù)；AVeq為幾何流通截面積；Ψ為流動(dòng)函數(shù)。

空氣冷卻器出口的增壓空氣溫度的計(jì)算式為

TAC=TC(1-ηAC)+ηACTW

(4)

式(4)中：ηAC為空氣冷卻器效率；TW為冷卻水進(jìn)口溫度，K。

渦輪機(jī)廢氣質(zhì)量流量的求解與流經(jīng)氣缸的增壓空氣的求解類似。將廢氣流經(jīng)渦輪的過(guò)程等效為流經(jīng)一個(gè)圓孔的過(guò)程，可得廢氣質(zhì)量流量的計(jì)算式為

(5)

式(5)中：CT為廢氣流經(jīng)圓孔的阻力系數(shù)；ATeq為渦輪等效圓孔當(dāng)量有效面積，m2；TER為排氣管內(nèi)廢氣的溫度，K；PER為排氣管內(nèi)廢氣的壓力，Pa；Pamb為機(jī)艙環(huán)境壓力，Pa；Re為廢氣氣體常數(shù)，J/(kg·K)；γe為廢氣絕熱指數(shù)。

渦輪出口廢氣溫度的計(jì)算式為

(6)

式(6)中:ηT為廢氣渦輪的效率。

2.1.2船舶余熱回收系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

在穩(wěn)態(tài)下運(yùn)用質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律對(duì)船舶柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行分析，建立數(shù)學(xué)模型。

柴油機(jī)排出的廢氣在廢氣鍋爐中分別與過(guò)熱器、蒸發(fā)器和經(jīng)濟(jì)器換熱，換熱量總和為廢氣進(jìn)入及排出廢氣鍋爐時(shí)的能量改變量。運(yùn)用廢氣的比熱容和溫降,根據(jù)能量守恒定律進(jìn)行分析，可得換熱量的計(jì)算式為

(7)

同理，由于廢氣鍋爐的經(jīng)濟(jì)器出口循環(huán)水為汽包壓力下的飽和水，因此運(yùn)用被加熱工質(zhì)的焓變,根據(jù)能量守恒定律進(jìn)行分析，可得換熱量的計(jì)算式為

(8)

同理，由換熱器的換熱面積、換熱系數(shù)及平均對(duì)數(shù)溫差，對(duì)廢氣鍋爐換熱量根據(jù)能量守恒定律進(jìn)行分析，可得各個(gè)換熱器的換熱量的計(jì)算式為

(9)

式(9)中：k為換熱系數(shù)，J/(m2·K)，對(duì)于水管鍋爐,可近似為廢氣流量的0.6次方[6]；Ai為換熱器換熱面積，m3；Δti為對(duì)數(shù)平均溫差，K；i=ec為經(jīng)濟(jì)器，i=ev為蒸發(fā)器，i=sh為過(guò)熱器。

對(duì)于船舶柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)中的水泵，因其消耗的功等于水在泵中的焓值增加量，可得各個(gè)水泵的功率計(jì)算式為

(10)

對(duì)熱井運(yùn)用能量守恒定律進(jìn)行分析，可得

(11)

式(11)中：hc_pd為冷凝水排出冷凝水泵進(jìn)入到熱井中時(shí)的焓值，kJ/kg；hw_hs為冷凝的船舶加熱用水進(jìn)入到熱井中時(shí)的焓值，kJ/kg。

過(guò)熱器中產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽進(jìn)入到汽輪機(jī)中推動(dòng)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，假設(shè)過(guò)熱蒸汽在汽輪機(jī)中的膨脹過(guò)程為等熵膨脹，可得發(fā)電機(jī)發(fā)電量的計(jì)算式為

(12)

式(12)中：hST_i為過(guò)熱蒸汽進(jìn)入蒸汽輪機(jī)時(shí)的焓值，kJ/kg；hST_o_is為過(guò)熱蒸汽在蒸汽輪機(jī)中等熵膨脹后排出時(shí)的焓值，kJ/kg；ηTG為汽輪發(fā)電機(jī)的效率；fb,fT和fL分別為蒸汽輪機(jī)背壓、蒸汽溫度及蒸汽輪機(jī)負(fù)載的修正系數(shù)。[7]

在計(jì)算給水質(zhì)量流量時(shí)，首先假設(shè)過(guò)熱蒸汽的產(chǎn)生過(guò)程為理想朗肯循環(huán)，忽略各個(gè)泵的做功。根據(jù)能量守恒與質(zhì)量守恒定律對(duì)余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行分析，先選取一個(gè)初始值作為給水質(zhì)量流量迭代運(yùn)算的輸入量，經(jīng)過(guò)多次迭代運(yùn)算滿足條件后，可得給水質(zhì)量流量的計(jì)算式為

(13)

式(13)中：hfw為熱井給水焓值，kJ/kg。

船舶柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)回收的余熱用來(lái)滿足船舶航行時(shí)的的電能與供熱需求，除去各個(gè)水泵消耗的功，可得船舶系統(tǒng)能量效率增加量的計(jì)算式為

(14)

2.2船舶柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)仿真模型

2.2.1船舶柴油機(jī)仿真模型及驗(yàn)證

在建立船舶柴油機(jī)仿真模型時(shí)，以7K98MC[8]柴油機(jī)為主機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)柴油機(jī)的數(shù)學(xué)模型，在合理假設(shè)的基礎(chǔ)上對(duì)柴油機(jī)的各個(gè)模塊進(jìn)行仿真建模，構(gòu)成整個(gè)柴油機(jī)的仿真模型。

表1 7K98MC型柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

為驗(yàn)證該柴油機(jī)仿真模型的可靠性，通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)定仿真模型的轉(zhuǎn)速，使主機(jī)依次穩(wěn)定在50%,75%,85%和100%負(fù)荷下。將仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其誤差在可接受的范圍內(nèi)，因此仿真模型具有較高的可靠性，可進(jìn)行后續(xù)的余熱回收系統(tǒng)仿真分析。

2.2.2船舶柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)仿真模型

在建立船舶柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)時(shí)，以4 500 TEU集裝箱船上的余熱回收系統(tǒng)為原型，根據(jù)船舶柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在假設(shè)的基礎(chǔ)上建立仿真模型，仿真時(shí)采用多個(gè)循環(huán)，其流程見(jiàn)圖2。在計(jì)算過(guò)熱器、蒸發(fā)器及經(jīng)濟(jì)器的相關(guān)參數(shù)時(shí)，根據(jù)能量與質(zhì)量守恒定律對(duì)其進(jìn)行分析，聯(lián)立式(7)～式(9)，求得3個(gè)換熱器的6個(gè)參數(shù)。

1)仿真輸入的參數(shù)包括：柴油機(jī)排出廢氣的質(zhì)量流量、溫度及成分；柴油機(jī)消耗燃油的低熱值、過(guò)量空氣系數(shù)及空氣被渦輪增壓器壓縮后的溫度；汽包、熱井及冷凝器內(nèi)的壓力；余熱回收系統(tǒng)中工質(zhì)在管道內(nèi)的壓力及溫度損失；經(jīng)濟(jì)器、蒸發(fā)器及過(guò)熱器的換熱面積；船舶供熱所需的飽和蒸汽質(zhì)量流量；余熱鍋爐、泵及預(yù)熱器的效率；汽輪發(fā)電機(jī)額定功率。

2)仿真輸出參數(shù)包括：過(guò)熱蒸汽、給水的質(zhì)量流量及溫度；余熱回收系統(tǒng)中各個(gè)換熱器出口和入口水或蒸汽的溫度；余熱回收系統(tǒng)各個(gè)換熱器出口廢氣的溫度；蒸汽循環(huán)效率、發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能及效率增加量；余熱回收系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的效率、損率及損失系數(shù)。

在進(jìn)行船舶柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)仿真計(jì)算時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)經(jīng)濟(jì)器入口循環(huán)水的溫度應(yīng)高于廢氣中硫酸的露點(diǎn)溫度，防止產(chǎn)生低溫腐蝕；

(2)蒸發(fā)器內(nèi)循環(huán)水量應(yīng)為所產(chǎn)生飽和蒸汽量的2～4倍，防止蒸發(fā)器管道中發(fā)生惡化沸騰現(xiàn)象；

(3)汽輪機(jī)出口蒸汽干度應(yīng)≥90%，防止液滴對(duì)汽輪機(jī)葉片造成沖蝕；

(4)余熱鍋爐的夾點(diǎn)溫差取值應(yīng)為10～15 K，保證換熱器面積合理的同時(shí)有較高的效率[9]；

(5)過(guò)熱器入口于余熱鍋爐入口的廢氣溫度，且兩種流體的換熱溫差應(yīng)≥20 K。[7]

3 船舶柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)仿真分析

采用的船舶柴油機(jī)機(jī)型為7K98MC，當(dāng)柴油機(jī)在50%,75%,85%和100%等4個(gè)不同負(fù)荷下穩(wěn)定工作時(shí)，由仿真模型得到其廢氣溫度及質(zhì)量流量見(jiàn)圖3。

當(dāng)柴油機(jī)在以上4種負(fù)荷下穩(wěn)定工作時(shí)，對(duì)增壓渦輪壓縮空氣不加熱給水、加熱到80 ℃和120 ℃等情況下的船舶柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，得出余熱回收系統(tǒng)各參數(shù)值見(jiàn)圖4。

由圖4可知：船舶柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)回收的電能、廢氣余熱回收率及廢氣鍋爐出口廢氣溫度均隨著柴油機(jī)負(fù)荷和給水被加熱溫度的增大而增大，其中回收的電能有較大改變，變化范圍為1 060～2 345 kW；廢氣余熱回收率為廢氣余熱回收裝置產(chǎn)生的電能與廢氣在廢氣鍋爐中放出熱量的比值，其變化范圍為14%～19%；廢氣鍋爐出口廢氣溫度改變較小，其變化范圍為168～174 ℃。效率增加量、夾點(diǎn)溫度、過(guò)熱器出口蒸汽溫度、蒸發(fā)器入口廢氣溫度及經(jīng)濟(jì)器入口廢氣溫度隨著柴油機(jī)負(fù)荷的增大而先增大后減小，其中:夾點(diǎn)溫度、經(jīng)濟(jì)器入口廢氣溫度及過(guò)熱器出口蒸汽溫度隨給水被壓縮空氣加熱后溫度的升高而減小，其變化范圍分別為10～26 ℃,183～199 ℃和236～262 ℃；蒸發(fā)器入口廢氣溫度隨給水被加熱溫度的升高基本保持不變，其變化范圍為267～300 ℃；效率增加量隨給水被加熱溫度的升高而增大，其變化范圍為2.7%～4.1%，相當(dāng)于節(jié)省所消耗掉燃油量的6%～9%，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖4 船舶柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)仿真結(jié)果

船舶柴油機(jī)在某一負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，隨著給水被加熱溫度升高，進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器中的循環(huán)水溫度升高，而出口水狀態(tài)保持不變，使得經(jīng)濟(jì)器需要的熱量減少，蒸發(fā)器和過(guò)熱器回收的熱量增多，從而使得夾點(diǎn)溫度、經(jīng)濟(jì)器入口廢氣溫度及廢氣鍋爐出口廢氣溫度都降低。過(guò)熱器因換熱面積很小且其中的質(zhì)量流量不大而使得回收的熱量基本不變，因此廢氣進(jìn)入蒸發(fā)器的溫度基本不變，蒸發(fā)器回收的熱量增大，產(chǎn)生的蒸汽量增多。船舶柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)在柴油機(jī)負(fù)荷越大、給水被加熱溫度越高時(shí)，回收的電能越多，蒸汽循環(huán)效率越大，這表明余熱回收系統(tǒng)在柴油機(jī)高負(fù)荷、高給水溫度下運(yùn)行時(shí)具有更好的效果。

為了從能量“質(zhì)”的角度對(duì)船舶柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)進(jìn)行分析，反映出系統(tǒng)各設(shè)備的節(jié)能潛力，有效地找出提高余熱回收效率的方向[10-11]，對(duì)柴油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的85%負(fù)荷、給水不加熱的情況進(jìn)行分析，得出余熱回收系各設(shè)備的效率、損率和損失系數(shù)值見(jiàn)圖5。

4 結(jié)束語(yǔ)

描述船舶柴油機(jī)余熱回收系統(tǒng)的工作原理，在各種假設(shè)的基礎(chǔ)上以4 500 TEU集裝箱船為研究對(duì)象建立仿真模型，并對(duì)柴油機(jī)50%,75%,85%和100%等4個(gè)不同負(fù)荷下增壓渦輪壓縮空氣不加熱給水及加熱到80 ℃與120 ℃等情況進(jìn)行仿真，得出余熱回收系統(tǒng)中各設(shè)備參數(shù)的曲線，并對(duì)曲線的變化進(jìn)行分析；同時(shí),利用仿真的參數(shù)從能量“質(zhì)”的角度對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備進(jìn)行分析，并繪出效率、損率及損失系數(shù)圖。仿真結(jié)果表明：對(duì)于該仿真模型，余熱回收系統(tǒng)在柴油機(jī)高負(fù)荷、高給水溫度下運(yùn)行時(shí)具有更好的余熱回收效果，可節(jié)省所消耗燃油量的6%～9%，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益；蒸發(fā)器、經(jīng)濟(jì)器和汽輪機(jī)等3個(gè)設(shè)備的損率及損失系數(shù)較大，具有較大的節(jié)能潛力，應(yīng)重點(diǎn)優(yōu)化這些設(shè)備。

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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,湖北武漢人,碩士生,從事系統(tǒng)仿真與控制研究。E-mail:316828130@qq.com

1000-4653(2017)01-0026-06