CN104612769A - 船舶主机余热发电系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶主机余热发电系统设计方法，根据船舶主机实际情况，选取合适的单压余热发电系统和双压余热发电系统建立热平衡分析模型；以100％工况作为余热发电系统设计工况，依据选定的设计参数，分别对单压余热发电系统和双压余热发电系统作热平衡计算，获得设计工况下余热发电系统各节点参数和各主要设备的特性参数，据此对余热锅炉、中冷预热器等换热设备进行设计选型，求解不同工况下余热发电系统的余热发电功率及节能性能参数；获得的节能参数可用于分析船舶主机节能潜力，为该船舶主机是否采用余热发电系统、采用何种余热发电系统提供数据支持。

Description

船舶主机余热发电系统设计方法

技术领域

本发明属于工程热力学技术领域，尤其涉及一种船舶主机余热发电系统设计方法。

背景技术

据研究，大型船用低速柴油机若采用适当的技术和设备，充分回收其排气及冷却水余热，用于发电及辅助设备供热，当主机功率在15,000kW以上时，余热发电量就可满足航行用电要求。中速机因排气温度高，所需功率相应可低些。中速柴油机船舶如采用回收排气及冷却水余热的双压余热锅炉系统以及采取诸如轴带泵，吸收式冷冻机等减少电能消耗的措施，据介绍，主机功率可降低至7000～8000kW也能利用余热发电满足船航行所需电力。

自上个世纪七十年代开始，随着石油危机的到来，世界范围内的燃油价格大幅度上涨，船舶运输成本大幅度的上升。对此，国内外纷纷开展船舶节能技术的研究，以求降低燃油消耗。船舶节能有狭义和广义之分，狭义节能仅指节约船上直接消耗的能源，而广义节能则更重视间接能耗的节省，这正是有巨大开发潜力的所在。利用船舶主机余热回收技术，减少船舶燃油消耗量，正是节省间接能耗的重要方式，这对扭转船舶行业的颓势有着重大的意义。

与国外船舶柴油主机余热回收技术的蓬勃发展相比，国内相关技术研发还处于相对落后状态，这其中的原因是受到国内船舶配套设备研发落后的限制。当前国内船舶设备配套厂商还无法生产大型柴油主机，主机及动力装置市场基本被国外船舶设备配套厂商所垄断，使得我国柴油机余热回收技术的发展相对滞后。虽然国内已有部分远洋船舶采用余热锅炉回收主机排气余热，但受柴油机余热回收技术水平的限制，存在着许多的问题。一是柴油机排气余热回收装置的效率不高，导致总体热效率不高。目前多数远洋船舶仅使用烟管式余热锅炉回收排烟余热，以排烟在管内流动，将热量传给管外锅炉给水产生蒸汽(或热水)的方式回收热量。这种锅炉虽然结构简单，制造方便，但是锅炉蒸发率低，排烟余热回收效率低，排烟温度通常达到200℃，浪费了大量的排烟余热。二是缺乏有效回收和利用排烟能量的途经和措施。目前多数远洋船舶仅是利用排烟余热生产蒸汽供船舶使用，而未根据柴油机排气能量的高低采用动力涡轮发电技术，余热锅炉生产蒸汽发电技术及电能助推技术等多途经综合利用方式。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种船舶主机余热发电系统设计方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

船舶主机余热发电系统设计方法，包括：

步骤1，以100％工况作为余热发电系统设计工况，对设计的余热发电系统作热平衡分析，获得设计工况下余热发电系统余热锅炉有效利用热计算值；

步骤2，以100％工况作为余热发电系统设计工况，对设计的余热发电系统余热锅炉作热平衡分析，获得设计工况下余热锅炉中高压蒸发器和过热器的总吸热量、低压蒸发器的吸热量、输入低压锅筒的给水质量流量、低压蒸发器内工质的质量流量；

步骤3，以100％工况作为余热发电系统设计工况，假定缸套水预热器进出口温度不随主机工况的变化而变化，对设计的余热发电系统外部预热器作热平衡分析，获得设计工况下外部预热器内的换热量和来自锅筒的饱和水质量流量；

步骤4，以100％工况作为余热发电系统设计工况，假定排汽压力及排汽干度不变，对汽轮机发电机组作热平衡分析，获得汽轮机发电机组中低压饱和蒸汽发电量和高压饱和蒸汽发电量；

步骤5，基于步骤1～4的热平衡分析结果，进一步获得设计的余热发电系统的节能性能指标，并根据节能性能指标评价并调整设计的余热发电系统。

步骤1中所述的余热锅炉有效利用热计算值其中，G_a为余热锅炉入口烟气质量流量，t_a为余热锅炉入口烟气温度，t_a'为余热锅炉出口排烟温度，为余热锅炉的保温系数，C_a为余热锅炉内烟气比热；G_a、t_a根据船舶主机任务书获得，t_a'根据热平衡迭代计算获得。

步骤2中所述的余热锅炉中高压蒸发器和过热器的总吸热量

Q_bc＝G_bsu(h_bsu-h_c')+G_csat(h_csat-h_c')中，h_c'为热井输入高压锅筒的给水焓，t_c'为高压蒸发器出口烟气温度，G_bsu为余热系统获得的过热蒸汽质量流量，h_bsu为过热器出口过热蒸汽的焓，G_csat为全船加热用饱和蒸汽的质量流量，h_csat为全船加热用饱和蒸汽的焓；t_c'、G_bsu、G_csat根据热平衡迭代计算获得。

步骤3中所述的余热锅炉中低压蒸发器的吸热量其中，G_dsat为低压蒸发器生成的低压饱和蒸汽量，h_dsat为低压饱和蒸汽的焓，h_d'为输入低压锅筒的给水焓；G_dsat根据热平衡迭代计算获得。

步骤3中所述的外部预热器内的换热量Q_b和来自锅筒的饱和水质量流量G_b采用如下公式计算：

Q_b＝G_b(h'_sat-h'_c)η_b＝(G_su+G_sat)(h_id-h_fw)

其中，h'_sat为锅筒饱和水的焓，h'_c为进入经济器的给水焓，h_id为热井给水预热后的焓，h_fw为热井给水后的焓，η_b为外部换热器的换热效率。

步骤4中所述的低压饱和蒸汽发电量W_g1＝G_dsat(h_dsat-h_g)η_f1η_f2η_f3η_f4，其中，h_g为汽轮机出口湿饱和蒸汽的焓，η_f1为汽轮机工作时的机械效率，η_f2为汽轮机与发电机间的传动效率，η_f3为发电机发电效率，η_f4为管道效率。

步骤4中所述的高压饱和蒸汽发电量W_g2＝G_bsu(h_bsu-h_g)η_f1η_f2η_f3η_f4，其中，G_bsu为余热系统获得的过热蒸汽质量流量，h_bsu为过热器出口过热蒸汽的焓，h_g为汽轮机出口湿饱和蒸汽的焓，η_f1为汽轮机工作时的机械效率，η_f2为汽轮机与发电机间的传动效率，η_f3为发电机发电效率，η_f4为管道效率。

步骤5中所述的节能性能指标包括余热发电系统的发电率、节油量、节油率和发电比。

本发明根据船舶主机实际情况，选取合适的单压余热发电系统和双压余热发电系统建立热平衡分析模型；以100％工况作为余热发电系统设计工况，依据选定的设计参数，分别对单压余热发电系统和双压余热发电系统作热平衡计算，获得设计工况下余热发电系统各节点参数和各主要设备的特性参数，据此对余热锅炉、中冷预热器等换热设备进行设计选型，求解不同工况下余热发电系统的余热发电功率及节能性能参数；获得的节能参数可用于分析船舶主机节能潜力，为该船舶主机是否采用余热发电系统、采用何种余热发电系统提供数据支持。

附图说明

图1为单压余热发电系统原理图；

图2为双压余热发电系统原理图。

具体实施方式

下面将结合附图进一步说明本发明具体实施方案，步骤如下：

步骤1，以100％工况作为余热发电系统设计工况，在设计工况下，.已知余热发电系统双压余热锅炉入口烟气温度及烟气质量流量，在给定双压余热锅炉出口排烟温度的条件下，能准确求出双压余热锅炉有效利用热Q_a：

式(1)中：

G_a为双压余热锅炉入口烟气质量流量，单位：kg/s；

t_a为双压余热锅炉入口烟气温度，单位：℃；

t_a'为双压余热锅炉出口排烟温度，单位：℃；

为双压余热锅炉的保温系统，取值0.95；

C_a为双压余热锅炉内烟气比热，单位：kJ/(kg·℃)，取值在1.05～1.065间。

在设计工况下，已知全船加热用饱和蒸汽的压力、温度和质量流量，给定热井给水温度，过热蒸汽温度和压力，依据余热锅炉热平衡，即可求出过热蒸汽质量流量。

过热蒸汽质量流量G_su按下式求出：

式(2)中：

G_csat为全船加热用饱和蒸汽的质量流量，单位：kg/s；

h_csat为饱和蒸汽的焓，单位：kJ/kg；

h_su为过热蒸汽的焓，单位：kJ/kg；

h_fw为热井给水的焓，单位：kJ/kg。

步骤2，双压余热锅炉对流换热面的热平衡分析：

(a)高压蒸发器和过热器的热平衡分析：

Q_bc＝G_bsu(h_bsu-h_c')+G_csat(h_csat-h_c')     (3)

式(3)中：

Q_bc为高压蒸发器与过热器的总吸热量，单位：kW；

h_c'为热井输入高压锅筒的给水焓，单位：kJ/kg；

t_c'为蒸发器出口烟气温度，单位：℃；

G_bsu为双压余热系统获得的过热蒸汽质量流量，单位：kg/s；

h_bsu为过热器出口过热蒸汽的焓，单位：kJ/kg；

G_csat为全船加热用饱和蒸汽的质量流量，单位：kg/s；

h_csat为全船加热用饱和蒸汽的焓，单位：kJ/kg。

(b)低压蒸发器的热平衡分析：

以100％工况作为设计工况。在设计工况下，已知低压蒸发器入口和出口的烟气温度及烟气质量流量，给定输入低压锅筒的给水温度、低压蒸发器内蒸发压力和温度、低压蒸发器的循环倍率，可获得输入低压锅筒的给水质量流量、低压蒸发器内工质的质量流量、低压蒸发器吸热量等参数。

Q_d＝G_dsat(h_dsat-h'_d)        (5)

式(4)～(5)中：

K_d为低压蒸发器内工质的换热系数；

A_d为低压蒸发器的换热面积；

Δt_d为低压蒸发器的换热温差；

Q_d为低压蒸发器的吸热量，单位：kW；

G_dsat为低压蒸发器生成的低压饱和蒸汽量，单位：kg/s；

h_dsat为低压饱和蒸汽的焓，单位：kJ/kg；

h_d'为输入低压锅筒的给水焓，单位：kJ/kg。

在设计工况下计算锅炉内换热器各节点参数时，可先将高压蒸发器和过热器作为一个整体。在已知全船加热用饱和蒸汽的压力、温度和质量流量，锅炉入口烟气温度和流量，给定预热后输入高压锅筒的给水温度，高压蒸发器内蒸发压力和温度，高压蒸发器出口窄点温差，高压蒸发器内的循环倍率，过热蒸汽温度和压力的条件下，依据余热锅炉热平衡，可求出高压蒸发器出口烟气温度，预热后输入高压锅筒的给水质量流量，高压蒸发器内工质的质量流量，高压蒸发器吸热量，过热蒸汽质量流量，过热器吸热量和过热器出口烟气温度等参数。

步骤3，外部预热器的热平衡分析：

(a)缸套水预热器的热平衡分析

假定缸套水预热器进出口温度不随主机工况的变化而变化。已知热井给水温度和质量流量、预热器内缸套水的给水温度，给定锅炉给水预热后温度及预热器出口缸套水的温度，就可求出缸套水预热器内热井给水侧的吸热量以及所需缸套水的质量流量。

Q_e＝(G_bsu+G_csat+G_dsat)(h_e1-h_fw)        (6)

＝G_e(h_e2-h_e3)η_e

式(6)中：

Q_e为缸套水预热器内热井给水侧吸热量，单位：kW；

G_e为所需缸套水的质量流量，单位：kg/s；

h_e1为热井给水预热后的焓，单位：kJ/kg；

h_fw为热井给水的焓，单位：kJ/kg；

h_e2为缸套水入口给水的焓，单位：kJ/kg；

h_e3为缸套水出口水的焓，单位：kJ/kg；

η_e为缸套水预热器的换热效率，本具体实施中为0.95。

(b)增压空气预热器的热平衡分析

以100％工况作为设计工况。在设计工况下，已知增压空气预热器进口的温度和质量流量、缸套水预热器给水的温度、最终输入高压锅筒与低压锅筒的给水温度及质量流量，就能求出增压空气预热器出口温度、来自缸套水预热器的给水质量流量和增压空气预热器内的换热量等参数。

Q_f＝G_fC_f(t_f1-t_f2)η_f＝K_fA_fΔt_f       (7)

Q_f＝(G_bsu+G_csat)(h_c'-h_e3)+G_dsat(h'_d-h_e3)     (8)

式(7)～(8)中：

K_f为增压空气预热器内工质的换热系数；

A_f为增压空气预热器的换热面积；

Δt_f为增压空气预热器的换热温差；

Q_f为增压空气预热器内的换热量，单位：kW；

G_f为增压空气流量，单位：kg/s；

C_f为增压空气的比热，单位：kJ/(kg·℃)；

t_f1为增压空气预热器的入口温度，单位：℃；

t_f2为增压空气预热器的出口温度，单位：℃；

η_f为增压空气预热器的保温系数，本具体实施中取0.95。

外部预热器包括缸套水预热器和增压空气预热器，热井给水依次通过缸套水预热器、增压空气预热器。已知热井给水温度及质量流量和来自锅筒饱和水的温度及压力，给定进入经济器的水温和热井给水被加热后进入锅筒的温度，即可求出外部预热器内的换热量和来自锅筒的饱和水质量流量：

Q_b＝G_b(h'_sat-h'_c)η_b＝(G_su+G_sat)(h_id-h_fw)     (9)

式(9)中：

Q_b为外部预热器换热量，单位：kW；

G_b为来自锅筒的饱和水质量流量，单位：kg/s；

h'_sat为锅筒饱和水的焓，单位：kJ/kg；

h'_c为进入经济器的给水焓，单位：kJ/kg；

h_id为热井给水预热后的焓，单位：kJ/kg；

h_fw为热井给水后的焓，单位：kJ/kg；

η_b为外部换热器的换热效率，本具体实施中取0.95。

步骤4，汽轮机发电机组的热平衡分析：

汽轮机利用高压过热蒸汽和低压饱和蒸汽发电。已知高压过热蒸汽和低压饱和蒸汽的压力、温度及质量流量，给定汽轮机出口排汽压力及排汽干度，并假定排汽压力及排汽干度不变，就能从理论上得出汽轮机的最大发电量。

低压饱和蒸汽发电量W_g1：

W_g1＝G_dsat(h_dsat-h_g)η_f1η_f2η_f3η_f4       (10)

式(10)中：

h_g为汽轮机出口湿饱和蒸汽的焓，单位：kJ/kg；

η_f1为汽轮机工作时的机械效率，本具体实施中取0.98；

η_f2为汽轮机与发电机间的传动效率，本具体实施中取0.97；

η_f3为发电机发电效率，本具体实施中取0.95；

η_f4为管道效率，本具体实施中取0.95。

高压饱和蒸汽发电量W_g2：

W_g2＝G_bsu(h_bsu-h_g)η_f1η_f2η_f3η_f4      (11)

步骤5，余热发电系统节能性能参数的获取

基于上述热平衡分析结果，进一步通过计算获得余热发电系统的节能性能指标，主要包括余热发电系统的发电率、节油量、节油率和发电比。

(a)余热发电系统发电率

发电率η₂为余热发电系统余热发电功率与锅炉余热回收总量之比：

式(12)中：

W_f为汽轮机发电机组理论发电量，单位：kW。

(b)余热发电系统节油量

系统节油量m'_AE指利用余热发电系统后船舶辅机减少的油耗。

${m^{\′}}_{\mathrm{AE}}=\frac{W_f{m}_{\mathrm{AE}}}{1000}---\left(13\right)$

(c)余热发电系统节油率

系统节油率η₃指利用余热发电系统后船舶辅机减少的油耗总能量与未安装余热发电系统时全船耗油总能量的比值。

${\mathrm{\η}}_3=\frac{W_f{m}_{\mathrm{AF}}{Q}_{\mathrm{AE}}}{m_{\mathrm{ME}}{N}_{\mathrm{ME}}{Q}_{\mathrm{ME}}+m_{\mathrm{AE}}{W}_{\mathrm{AE}}{Q}_{\mathrm{AE}}}\×100\%---\left(14\right)$

式(14)中：

Q_ME和Q_AE分别为船舶主机和辅机燃油的低位发热值，单位：kJ/kg；

m_ME、m_AE分别为船舶主机和辅机的燃油消耗率，单位：g/(kW·h)；

N_ME为船舶主机输出功率，kW；

W_AE为辅机输出电功率，kW。

(d)发电比

发电比η₄指余热发电系统发电功率占船舶电站总功率的百分比。

${\mathrm{\η}}_4=\frac{W_f}{W_h}\×100\%---\left(15\right)$

式(15)中：

W_h为船舶电站总功率，单位：kW/h。

本发明各公式中的变量除入口烟气流量、温度由船舶任务书中直接给定，其余变量皆由热平衡迭代计算获得。

下面结合实例进一步说明本发明。

以型号为Dalian-MBD 6S70MC(Mk 6)的159000DWT油船柴油主机为实例，在100％工况下其功率为16860kW，燃油消耗率为179.73g/kWh，最大排烟流量为149200kg/h，排烟温度为243℃。

表1余热发电系统热力计算数据

根据表1数据，采用本发明方法计算获得该船的节能性能参数，见表2。

表2不同工况下系统的节能性能参数

从表2中可以看出，采用本发明可获得当该船采用某种节能技术时的节能性能参数。实例中的船型采用双压余热发电系统时，100％工况下发电比可达到51％，节油率为3.10％，节能性能参数表明可推荐该船采用双压余热发电系统作为一种节能手段在船上使用。

Claims (8)

1.船舶主机余热发电系统设计方法，其特征在于，包括：

步骤1，以100％工况作为余热发电系统设计工况，对设计的余热发电系统作热平衡分析，获得设计工况下余热发电系统余热锅炉有效利用热计算值；

步骤2，以100％工况作为余热发电系统设计工况，对设计的余热发电系统余热锅炉作热平衡分析，获得设计工况下余热锅炉中高压蒸发器和过热器的总吸热量、低压蒸发器的吸热量、输入低压锅筒的给水质量流量、低压蒸发器内工质的质量流量；

步骤3，以100％工况作为余热发电系统设计工况，假定缸套水预热器进出口温度不随主机工况的变化而变化，对设计的余热发电系统外部预热器作热平衡分析，获得设计工况下外部预热器内的换热量和来自锅筒的饱和水质量流量；

步骤4，以100％工况作为余热发电系统设计工况，假定排汽压力及排汽干度不变，对汽轮机发电机组作热平衡分析，获得汽轮机发电机组中低压饱和蒸汽发电量和高压饱和蒸汽发电量；

步骤5，基于步骤1～4的热平衡分析结果，进一步获得设计的余热发电系统的节能性能指标，并根据节能性能指标评价并调整设计的余热发电系统。

2.如权利要求1所述的船舶主机余热发电系统设计方法，其特征在于：

步骤1中所述的余热锅炉有效利用热计算值其中，G_a为余热锅炉入口烟气质量流量，t_a为余热锅炉入口烟气温度，t_a'为余热锅炉出口排烟温度，为余热锅炉的保温系数，C_a为余热锅炉内烟气比热；G_a、t_a根据船舶主机任务书获得，t_a'根据热平衡迭代计算获得。

3.如权利要求1所述的船舶主机余热发电系统设计方法，其特征在于：

步骤2中所述的余热锅炉中高压蒸发器和过热器的总吸热量

Q_bc＝G_bsu(h_bsu-h_c')+G_csat(h_csat-h_c')中，h_c'为热井输入高压锅筒的给水焓，t_c'为高压蒸发器出口烟气温度，G_bsu为余热系统获得的过热蒸汽质量流量，h_bsu为过热器出口过热蒸汽的焓，G_csat为全船加热用饱和蒸汽的质量流量，h_csat为全船加热用饱和蒸汽的焓；t_c'、G_bsu、G_csat根据热平衡迭代计算获得。

4.如权利要求1所述的船舶主机余热发电系统设计方法，其特征在于：

步骤3中所述的余热锅炉中低压蒸发器的吸热量其中，G_dsat为低压蒸发器生成的低压饱和蒸汽量，h_dsat为低压饱和蒸汽的焓，h_d'为输入低压锅筒的给水焓；G_dsat根据热平衡迭代计算获得。

5.如权利要求1所述的船舶主机余热发电系统设计方法，其特征在于：

步骤3中所述的外部预热器内的换热量Q_b和来自锅筒的饱和水质量流量G_b采用如下公式计算：

Q_b＝G_b(h'_sat-h'_c)η_b＝(G_su+G_sat)(h_id-h_fw)

其中，h'_sat为锅筒饱和水的焓，h'_c为进入经济器的给水焓，h_id为热井给水预热后的焓，h_fw为热井给水的焓，η_b为外部换热器的换热效率。

6.如权利要求1所述的船舶主机余热发电系统设计方法，其特征在于：

步骤4中所述的低压饱和蒸汽发电量W_g1＝G_dsat(h_dsat-h_g)η_f1η_f2η_f3η_f4，其中，h_g为汽轮机出口湿饱和蒸汽的焓；η_f1为汽轮机工作时的机械效率，η_f2为汽轮机与发电机间的传动效率，η_f3为发电机发电效率，η_f4为管道效率。

7.如权利要求1所述的船舶主机余热发电系统设计方法，其特征在于：

步骤4中所述的高压饱和蒸汽发电量W_g2＝G_bsu(h_bsu-h_g)η_f1η_f2η_f3η_f4，其中，G_bsu为余热系统获得的过热蒸汽质量流量，h_bsu为过热器出口过热蒸汽的焓，h_g为汽轮机出口湿饱和蒸汽的焓，η_f1为汽轮机工作时的机械效率，η_f2为汽轮机与发电机间的传动效率，η_f3为发电机发电效率，η_f4为管道效率；G_bsu根据热平衡迭代计算获得。

8.如权利要求1所述的船舶主机余热发电系统设计方法，其特征在于：

步骤5中所述的节能性能指标包括余热发电系统的发电率、节油量、节油率和发电比。