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船舶余热类型及利用途径

船舶余热类型及利用途径

作者:贻贝专家委员会

在未来相当长的一段时间内,燃料在内燃机中燃烧做功依然是船舶获得推进动力和电能的主要方式,船舶行业面临着燃料短缺、价格上涨引起的船舶运营成本不断上升和燃料燃烧带来的生态环境问题的双重挑战,以提高能源效率、抵消燃料成本、实现能量平衡和减少环境污染为目的的动力装置余热利用技术,一直受到全人类的共同关注。

船舶余热主要来源:柴油机排气、锅炉排烟、增压空气、缸套冷却水等。低速二冲程柴油机的排气温度在320℃~350℃左右,中速四冲程柴油机的排气温度在350~380℃左右;辅助锅炉的排气温度在150~250℃左右;增压空气的温度在120~150℃左右,有时甚至高达200℃;柴油机冷却水的温度在 80~90℃左右,对这部分余热的有效利用是减少船舶运输成本和船舶节能减排的关键所在。

目前,船舶余热利用的途径有通过热交换器进行换热,用于油类加热保温、加热海水蒸馏制造淡水、舱室取暖以及日常生活所需的热水等;使用废气涡轮增压器、动力涡轮、废气锅炉、汽轮发电机、余热发电等装置产生动力;通过压缩式或吸收式制冷装置进行制冷,用于船舶冷库和空调。

柴油机排气余热

现代船舶主机的热效率可达到50%左右,燃料燃烧产生能量的30%左右随烟气排出(其余的热量被缸套冷却水、润滑油带走以及热辐射等方式散失)。在船舶动力系统能量转换和利用过程中,如果将排气余热加以回收利用,不仅可以降低船舶运营成本,而且还是降低船舶能效设计指数(EEDI)的有效途径,在环保方面具有重大现实价值。

在柴油机排气余热利用时,为了防止发生低温腐蚀现象,余热回收装置出口烟气温度一般控制在露点以上,即燃油排烟温度≮130℃,燃气排烟温度≮100℃。

目前,船舶普遍采用主机废气余热梯级利用:涡轮增压器、动力涡轮、复合式涡轮增压器、废气锅炉以及有机朗肯循环发电等余热回收技术和装置;

船舶辅机(发电机)本身就带有涡轮增压器,设计安装Mini-Exhaust Gas Boiler、采用有机朗肯循环发电技术等来对船舶辅机废气余热进行回收利用也是切实可行的节能减排措施。

涡轮增压器:废气涡轮增压器是利用发动机排出的具有一定能量的废气进入涡轮并膨胀作功,废气涡轮产生的功率用于驱动与涡轮机同轴旋转的压气机叶轮,新鲜空气在压气机中被压缩,经冷却后再送入气缸。废气涡轮与压气机通常装成一体,被称为废气涡轮增压器。

废气涡轮增压器结构简单,工作可靠,一般柴油机加装废气涡轮增压系统后,可提高功率30%~50%,降低比油耗5%左右,有利于改善整机动力性能、经济性能及排放品质,因而得到广泛应用。

另外还可以通过废气涡轮同轴带动制冷压缩机,也就是涡轮--压缩制冷,制冷能效较高。

动力涡轮:动力涡轮回收船舶主机余热的装置不同于涡轮增压器中的排气涡轮。动力涡轮是从主机排气中直接旁通出一部分流量,带动涡轮旋转产生轴功,带动发电机发电,用以保证船舶电力供应或通过轴系传动装置对外输出有用功。当主机处于低转速、低负荷工况时,废气能量不高,所以排气旁通阀会关闭,只用涡轮增压器做功,而不经过动力涡轮。

复合式废气涡轮增压器:将废气动力涡轮与废气涡轮增压器串联起来工作,称为复合式废气涡轮增压器。在某些增压度较高的柴油机上,废气能量除驱动废气涡轮增压器外,尚有多余的能量用于驱动低压废气动力涡轮,该动力涡轮通过齿轮变速器及液力耦合器与发动机输出轴联接。这样,废气涡轮增压器达到增压的目的,而废气动力涡轮将废气能量直接变为功率输送给曲轴。复合式废气涡轮增压器可充分利用废气能量,使动力性能、经济性能大为改善,但结构复杂,成本高且技术难度大。

ABB公司在上世纪70年代末期就基于动力涡轮技术首先提出了大型船舶柴油机排气剩余能量回收技术,该技术可单独使用,也可以和废气锅炉产生的蒸汽驱动的汽轮机组成联合动力回收系统。据ABB公司介绍,单独使用动力涡轮最大可回收主机5%的功率,结合汽轮机使用,最大可回收近主机10%的功率。

废气锅炉:废气锅炉是利用柴油机排出的烟气热量加热水产生蒸汽的锅炉,主机排气流经锅炉后将热水加热成过热蒸汽,为汽轮机械、涡轮发电机、加热油类和日常生活(洗澡水、厨房蒸箱等)提供所需要的蒸汽。

在柴油机船上,废气锅炉装设在机舱顶部的柴油机排气管道上,当主机进入额定工况时才投入运行,其蒸发量随柴油机所发出的功率而定。船舶正常航行时主机负荷较高(大于75%额定功率),排气流量较稳定,属于高品质热能。由排气余热回收的蒸汽热能除供加热和生活杂用外,其最佳转换方式是使用汽轮发电机产生电能,这种余热发电方式特别适用于推进功率较大的低速二冲程柴油机船舶。

   

由于装设废气锅炉后会增加柴油机主机背压而引起主机功率下降,所以在选用废气锅炉型式时,应考虑排气流过废气锅炉时的流动阻力不得超过柴油机主机背压提高的允许值。

废气锅炉使用一段时间后,受热面会积灰。灰渣的出现不仅影响锅炉受热面的传热效果,降低锅炉的工作效率,而且腐蚀受热面,造成烟道堵塞,必须及时清除。平时应经常检查锅炉排气管的烟道压差(U型压差表),同时记录烟道出口温度和主机负荷,以判断加热管表面积碳程度,确定吹灰频率。如果主机运行时间较长且负载较低,正常航行后应增加吹灰次数。   

燃油废气组合式锅炉占机舱的空间小,高度大,水容量大,升压速度慢,但蓄热能力强,气压稳定,能够满足大中型船舶的蒸汽使用需求,在船舶锅炉中应用也十分广泛。

有机朗肯循环:采用有机朗肯循环余热回收技术的封闭热力学系统,是进行船舶低温余热利用、提高能源利用效率、降低环境污染的有效途径。

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,简称ORC)发电是以低沸点有机物(沸点低于65℃的有机物,如五氟丙烷)为工质,利用余热系统中的蒸发器吸收柴油机运行时产生的烟气余热,将有机工质加热(等压加热)蒸发成具一定压力和温度的饱和蒸汽或过热蒸汽进入透平机械膨胀做功(绝热膨胀)带动发电机发电,透平排汽进入冷凝器向冷却液放热(等压放热),冷却至过热液体,经工质泵抽吸加压(绝热压缩)后,再次输送至蒸发器蒸发,如此往复完成循环回路,使热能不断转化为机械能,实现废热能向电能的转化,可为船舶提供用电需求。

有机朗肯循环主要由余热换热器(吸热)、透平发电机(膨胀)、冷凝器(放热)和工质泵(压缩)四大部套组成,其设备组成和工作流程如图所示。

有机朗肯循环的优点:

(1)对较低温度热源的利用有较高的效率;

(2)有机工质比水蒸气密度大,比容小,因此所需汽轮机的尺寸、排气管道尺寸及冷凝器中的管道直径均较小;

(3)与水蒸气不同,低沸点有机介质在膨胀作功过程中,从高压到低压始终保持干燥状态,这就消除了形成湿气以及当高速小水滴冲击汽轮机时产生腐蚀损坏的可能性。所以,ORC能比水蒸气汽轮机更有效地适应部分负荷运行及大的功率变动,不需要装过热器;

(4)有机工质凝固点很低(低于-73℃),这就允许它在较低温度下仍能释放出能量;

(5)可以通过采用翅片管回收余热来提高蒸汽的初始参数或降低乏汽的压力来提高热效率;

(6)可以采用分级加热循环的方法将一级透平排出的废汽再加热后引入二级透平,一级透平和二级透平共用1根输出轴,在经济性和环保性上更具竞争力;

燃油锅炉废气余热

燃油锅炉、天然气锅炉排烟温度在180℃左右(国标规定不得低于110℃),排烟温度与空气系数、热能转换效率有关,排烟温度越高说明锅炉效率越低。

利用锅炉高温烟气加热空气(空气预热器)以及给锅炉给水加热(省煤器),能有效地降低排烟温度,提高锅炉热效率,比一般锅炉最少要节能30%左右。

涡轮增压空气余热

经涡轮增压的空气温度有时高达200℃左右,为防止高温空气进入气缸引起燃烧温度过高产生大量的氮氧化物,再加上高温空气密度低,空燃比不能达到要求,就要在涡轮和发动机之间加个空冷器,把空气冷却到40℃左右。有数据表明,在相同的空燃比条件下,增压空气的温度每下降10 ℃,发动机功率就能提高3%~5%,使用设计良好的空冷器可以额外多获得5%-10%的动力。如果把空冷器带走的增压空气的热量利用起来,也是一个很有前途的节能方案。

三菱重工的超级透平发电系统将增压空气的废热回收,用于对废气锅炉的给水加热;瓦锡兰公司柴油机余热回收系统也对增压空气的余热加以回收利用,有效地节约了燃油的消耗及减少了有害气体的排放。

缸套冷却水余热

柴油机冷却水出口温度为85~90℃左右,其热能可用于燃油舱加热和保温、日常生活用的热水、舱室取暖、海水淡化装置的加热源、吸收式制冷装置的加热源、余热发电等。

冷却水余热制淡

海水中的盐类主要有NaCl、MgCl2等,海水淡化就是除去这部分盐或杂质以满足人员饮用及生活用水的需要,目前采用最多的是蒸馏法制取淡水。

蒸馏法制取淡水是将海水加热使其气化,利用盐不溶于低压蒸汽的原理,将海水中的盐分离,再将蒸汽冷凝成水,得到符合生活及饮用标准的淡水,由于海水中的盐含量很多,若蒸发温度很高,海水中的盐类会在蒸发表面结垢,导致传热热阻增大,降低换热效率,同时结垢后会腐蚀金属表面,因此在实际应用中多采用真空蒸馏法以降低海水的蒸发温度,此时便可应用船舶主机的缸套冷却水作为海水制淡的加热源。

冷却水余热制冷

吸收式制冷是利用具有特殊性质的工质对,通过一种物质对另一种物质的吸收和释放,产生物态变化,物态变化的过程伴随着吸热和放热过程,以完成制冷循环。

吸收式制冷的工质对常采用由两种不同沸点的物质组成的二元溶液,目前较为常用的工质对为氨-水和溴化锂-水溶液,其工作原理是利用热源加热发生器中的溶液,使溶液中低沸点的制冷剂蒸发,这部分制冷剂蒸汽进入冷凝器,被冷却介质冷凝成制冷剂液体,经节流作用进入到蒸发器中,制冷剂在蒸发器中吸收外部环境的热量变成制冷剂气体,以达到制冷的目的。NH3•H2O吸收式制冷系统可很好地利用缸套冷却水的余热,在满足船舶制冷要求的情况下,有效减低油耗,降低运营成本。

冷却水余热发电

由于有机朗肯循环在吸收低品质热源时的效率较低,若使用两套有机朗肯循环系统回收主机冷却水余热和废气余热会导致系统复杂,因此可采用用冷却水余热预热有机工质,用主机废气对有机工质加热蒸发的优化方案,优化后的系统装置简单,成本降低,维修更加方便,在发动机低负荷运转时,也可以有效回收柴油机废气余热,为船舶提供电力。

余热利用联合装置

余热利用方案的选择原则是根据船舶类型和装置功率范围,在综合考虑船舶营运经济性和废热供应与消耗平衡的基础上,最大限度地采用余热利用联合装置。

目前比较著名的船舶动力余热利用联合装置有三菱重工的超级透平发电系统(STG)、瓦锡兰公司柴油机余热回收系统WHRS(Waste Heat Recovery System)和阿法拉伐基于有机朗肯循环(ORC)技术的废热发电E-PowerPack。

三菱重工的超级透平发电系统(STG)系统在双压废气经济器和混压蒸汽透平发电机的基础上补充了一个热水闪发能量发电系统。另外该系统还将增压空气的废热回收,用于对废气锅炉的给水加热。三菱的MET-SC涡轮增压器由于效率提高,只需较少的废气,剩余的废气则提供给一个径流式废气透平,该废气透平和热水闪蒸蒸汽透平通过一个齿轮装置共同驱动发电机。

瓦锡兰公司基于余热锅炉回收技术开发了一种带余热锅炉的热回收系统WHRS,该系统由废气锅炉、汽轮机、动力涡轮和给水预热系统等组成,除了有效地利用了柴油机排出的废气能量外,还将柴油机缸套冷却水和扫气空气的余热加以回收利用,有效地节省了燃油消耗及降低了NOX的排放,获得了良好的经济和社会效益。

阿法拉伐推出的基于ORC有机朗肯循环的废热发电技术解决方案E-PowerPack,从缸套冷却水或转换为低硫燃料产生的多余蒸汽中回收更多的能量,对低沸点有机物中的热能进行转化,利用低温热生产清洁电力, 是提升能源效率、促进可持续发展的有效途径。 

E-PowerPack技术可充分挖掘现行燃料效率,不仅简化了船舶设计和建造的复杂度,同时显著降低燃油消耗。其多用途性和节油性可以大大改善船舶的能源效率指数和碳强度指标,使船舶能够达到必要的指数并在更长时间内保持有利的评级。

结语:

应用节能减排新技术会提高初期投资成本,但是在船舶后续运行中,将带来持续的运营成本节约,最终通过成本持续、有效的降低来提高船舶运营的经济性。在船舶余热利用方面还有很大的提升空间,随着船舶各类节能技术的综合应用,未来的船舶运营也将更节能、更环保。

 
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