大型商船燃蒸柴聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

張曉榮， 李博洋

(1.青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院 機(jī)電系， 山東 青島 266071； 2.中遠(yuǎn)海運(yùn)集團(tuán)技術(shù)中心 青島船院分中心，山東 青島 266071； 3.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 山東 青島 266061)

國(guó)際海事公約針對(duì)船舶動(dòng)力裝置尾氣排放等污染問(wèn)題的要求日趨嚴(yán)苛，因此，急需尋求低污染、高效率的替代船舶動(dòng)力裝置。燃?xì)廨啓C(jī)具有低排放、高可靠性和單機(jī)功率大等優(yōu)點(diǎn)，但也存在對(duì)燃料的要求高、熱效率低等缺點(diǎn)，目前主要應(yīng)用于軍用艦船，國(guó)內(nèi)外關(guān)于燃?xì)廨啓C(jī)大型商船應(yīng)用的研究較少。[1-4]基于上述背景，本文主要研究燃?xì)廨啓C(jī)在大型商船上的應(yīng)用。燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率較低，可利用其排氣余熱，提高系統(tǒng)的整體效率。[5-7]將燃?xì)廨啓C(jī)作為大型商船的主動(dòng)力裝置，并與蒸汽輪機(jī)和柴油機(jī)聯(lián)合使用，考慮采用多種動(dòng)力裝置聯(lián)合的電力推進(jìn)系統(tǒng)，提高燃?xì)廨啓C(jī)的性能和效率。

1 母型船的選擇

燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)燃料要求高，需要燃用輕油或天然氣，而液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)運(yùn)輸船有充足的閃蒸汽(Boiled Off Gas,BOG)和LNG，可滿足燃?xì)廨啓C(jī)的燃料需求。因此，有針對(duì)性地選取LNG運(yùn)輸船作為本研究的母型船，其相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 LNG運(yùn)輸船相關(guān)參數(shù)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

由于母型船的蒸汽動(dòng)力裝置效率低，有害物體排放量高，選用以船用燃油或LNG為燃料，單機(jī)功率大、低排放的燃?xì)廨啓C(jī)作為系統(tǒng)的主動(dòng)力[8]，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。考慮燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度與蒸汽輪機(jī)的進(jìn)汽溫度相當(dāng)(約550 ℃)[9-10]，可在余熱鍋爐中利用燃?xì)廨啓C(jī)的排氣余熱產(chǎn)生蒸汽，將蒸汽供給至蒸汽輪機(jī)，驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電，這樣就能提高動(dòng)力裝置的系統(tǒng)效率。為提高船舶動(dòng)力系統(tǒng)冗余和保證系統(tǒng)的可靠性，可增加雙燃料柴油機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)和柴油機(jī)等動(dòng)力設(shè)備共同向船舶的電網(wǎng)供電，以提供推進(jìn)動(dòng)力和滿足電力需求。燃蒸柴聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 燃蒸柴聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)

2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1)LNG貨艙為動(dòng)力系統(tǒng)提供充足的LNG燃料，使燃?xì)廨啓C(jī)和柴油機(jī)能夠驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。由于柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的燃料進(jìn)機(jī)壓力不同，考慮分路供應(yīng)，一路經(jīng)換熱器1由柴油機(jī)缸套冷卻水加熱至柴油機(jī)要求的燃料進(jìn)機(jī)溫度，另一路經(jīng)換熱器2和換熱器3分別由冷庫(kù)和柴油機(jī)缸套冷卻水加熱至燃?xì)廨啓C(jī)要求的燃料進(jìn)機(jī)溫度。在燃?xì)廨啓C(jī)和柴油機(jī)的排煙管處加入余熱鍋爐，用來(lái)回收動(dòng)力裝置的排氣余熱。余熱鍋爐與鍋爐補(bǔ)給水、蒸汽輪機(jī)形成回路，利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣余熱溫度較高且具有較多能量的特點(diǎn)，余熱鍋爐中的高溫排氣與鍋爐補(bǔ)給水充分換熱后，產(chǎn)生的蒸汽供給至蒸汽輪機(jī)，蒸汽做功后驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)的發(fā)電機(jī)發(fā)電。燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)和柴油機(jī)的發(fā)電機(jī)共同向船舶電網(wǎng)供電，形成燃-蒸-柴聯(lián)合的電力推進(jìn)系統(tǒng)。

2)系統(tǒng)增加兩臺(tái)W?rtsil? 12V34DF雙燃料柴油機(jī)來(lái)保證系統(tǒng)的可靠性，在船舶機(jī)動(dòng)航行工況下，燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷較低，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，此時(shí)柴油機(jī)運(yùn)行，提高系統(tǒng)冗余，使系統(tǒng)更安全可靠。柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的同時(shí)，將排氣余熱供給至鍋爐，可提高系統(tǒng)熱。在船舶靠泊工況下，燃?xì)廨啓C(jī)停用，利用柴油機(jī)可保證船舶的電力需求,提高系統(tǒng)效率。由于本系統(tǒng)選取通用公司LM2500燃?xì)廨啓C(jī)作為推進(jìn)動(dòng)力裝置的主動(dòng)力，燃?xì)廨啓C(jī)支路供應(yīng)的燃料需求量較大，將船舶冷庫(kù)設(shè)置于燃?xì)廨啓C(jī)的燃料供應(yīng)管路中，可利用LNG燃料含有的巨大冷能，以省去制冷設(shè)備，節(jié)省船舶電能，提高能量利用率。設(shè)計(jì)的燃蒸柴聯(lián)合的循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)見(jiàn)圖2。

3 系統(tǒng)效率計(jì)算與分析

wc=cpaΔTc

(1)

wo=cpgΔTo

(2)

wi=(1+f)wo-wc

(3)

(4)

(5)

式(1)～式(5)中:wc為燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)比功；cpa為空氣比熱容；ΔTc為燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)出口溫度；wo為燃?xì)廨啓C(jī)透平比功；cpg為燃料比熱容；ΔTo為燃?xì)廨啓C(jī)透平進(jìn)口溫度；wi為燃?xì)廨啓C(jī)比功；f為燃料空氣比；ηgt為燃?xì)廨啓C(jī)熱效率；Hu為天然氣熱值；ηgt-m為燃?xì)廨啓C(jī)的HYSYS模擬效率；P1為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電功率；Gf為燃?xì)廨啓C(jī)燃料流量；Hf為燃?xì)廨啓C(jī)燃料比熱。

圖2 燃蒸柴聯(lián)合的循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)

以燃?xì)廨啓C(jī)90%負(fù)荷為例，計(jì)算燃?xì)廨啓C(jī)的理論熱效率。在該工況下，燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)的進(jìn)口溫度為293 K,計(jì)算ΔTc=415.1 K，由式(1)得出wc=417.2 kJ/kg；該工況的燃?xì)獬跏紲囟葹? 623 K,ΔTo=722.7 K，由式(2)～式(4)分別得出wo=835.4 kJ/kg，wi=439.1 kJ/kg，ηgt=37.33%。

利用Aspen HYSYS軟件模擬燃?xì)廨啓C(jī)90%負(fù)荷時(shí)的燃蒸柴聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)流程見(jiàn)圖3。由圖3可得出系統(tǒng)主要節(jié)點(diǎn)的溫度、壓力和流量等參數(shù)值，見(jiàn)表2。由式(5)可得出ηgt-m=38.7%，ηgt與ηgt-m的相對(duì)誤差為1.26%(<2.00%)，表明燃蒸柴聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是合理的。

圖3 Aspen HYSYS模擬系統(tǒng)流程

表2 模擬系統(tǒng)主要節(jié)點(diǎn)參數(shù)

蒸汽輪機(jī)發(fā)電功率為

P3=Wiηgηm

(6)

式(6)中:Wi為蒸汽輪機(jī)比功；ηg為蒸汽輪機(jī)的發(fā)電機(jī)效率；ηm為蒸汽輪機(jī)的機(jī)械效率。

船舶吊艙式推進(jìn)功率為

PAm=PCO·ηER·ηm

(7)

式(7)中:PCO為系統(tǒng)總功率；ηm為系統(tǒng)總機(jī)械效率。

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用吊艙式推進(jìn)系統(tǒng)，其電力源來(lái)自燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)和2臺(tái)雙燃料柴油機(jī)等配置的發(fā)電機(jī)，各發(fā)電機(jī)進(jìn)行整流并網(wǎng)后送入綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)。在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中，將發(fā)動(dòng)機(jī)功率轉(zhuǎn)化為軸功率，必然會(huì)損失一定的功率，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)功率損耗見(jiàn)圖4。

圖4 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)功率損耗

依據(jù)表2、圖4和式(4)～式(7)，計(jì)算出在不同燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷下的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率及其系統(tǒng)輸出效率、燃蒸聯(lián)合發(fā)電效率及其系統(tǒng)輸出效率(主機(jī)至推進(jìn)軸處動(dòng)力裝置總效率沒(méi)有計(jì)入螺旋槳的效率)等，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各燃機(jī)負(fù)荷的系統(tǒng)功率與效率

由式(1)和表3可得各燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷下的燃?xì)廨啓C(jī)效率和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率，繪制的關(guān)系曲線見(jiàn)圖5a和圖5b。

1)燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷為20%～100%時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)效率及其發(fā)電效率分布呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

2)燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷小于60%時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)效率及其發(fā)電效率的增加幅度較大(分別增加29.31%和26.88%)。

3)燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷大于60%時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)效率及其發(fā)電效率的增加幅度較小且趨于穩(wěn)定。

上述結(jié)果表明：在燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷為20%～100%時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率隨燃?xì)廨啓C(jī)效率的增大而增大，燃?xì)廨啓C(jī)在較小的負(fù)荷下其效率和發(fā)電效率較低，能耗較高，燃?xì)廨啓C(jī)不適宜長(zhǎng)時(shí)間在低負(fù)荷工況下工作。

由表3可知:燃?xì)廨啓C(jī)功率及其發(fā)電功率、蒸汽輪機(jī)功率及其發(fā)電功率、吊艙式推進(jìn)功率隨著燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷的減小而減小。燃蒸聯(lián)合發(fā)電功率隨燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷的增大而逐漸增大。依據(jù)表3繪制的燃蒸聯(lián)合發(fā)電效率與燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷的關(guān)系曲線見(jiàn)圖5c。由圖5c可知:燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷為20%～100%時(shí)，燃蒸聯(lián)合發(fā)電效率隨燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷的增大而增大，燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷小于50%，燃蒸聯(lián)合發(fā)電效率的增加幅度較大(增加32.83%)，燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷大于50%，燃蒸聯(lián)合發(fā)電效率的增加幅度明顯減小。該結(jié)果表明燃蒸聯(lián)合發(fā)電效率較燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率有大幅提升。表3中的系統(tǒng)輸出效率隨燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷的增大而逐漸增大，關(guān)系曲線見(jiàn)圖5d。

燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷在20%～50%時(shí)系統(tǒng)輸出效率增加幅度較大(增加32.83%)，在50%～100%時(shí)系統(tǒng)輸出效率增加幅度明顯減小(增加7.46%)。

4 系統(tǒng)分析

4.1 系統(tǒng)輸出效率對(duì)比

目前，船舶動(dòng)力裝置以柴油機(jī)為主，在所有熱機(jī)中，柴油機(jī)的熱效率最高(約50%)。因此，選取MAN 12K98ME/MC柴油機(jī)作為比較對(duì)象，將設(shè)計(jì)系統(tǒng)與該柴油機(jī)系統(tǒng)的系統(tǒng)輸出效率進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果見(jiàn)表4。

a)燃?xì)廨啓C(jī)效率

b)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率

圖5 燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷與系統(tǒng)參數(shù)關(guān)系

1)在理想工況下，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷為100%，由表4可知：模擬計(jì)算的系統(tǒng)輸出效率為47.39%；柴油機(jī)的理想工況下，轉(zhuǎn)速為94 r/min，功率為68 640 kW，油耗率為171 g/(kW·h)，燃油消耗率為100%，軸功率為49.3%，軸系效率為97%～98%(大型商船主要采用尾機(jī)型)，計(jì)算得出系統(tǒng)輸出效率為47.82%～48.31%。

2) 在船舶營(yíng)運(yùn)中，定速航行工況的運(yùn)行時(shí)間最多，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)在定速航行工況(燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷70%～90%)下的效率最高，由表4可知:系統(tǒng)輸出效率為44.37%～45.58%。在定速航行工況下，柴油機(jī)軸功率一般為47%，系統(tǒng)輸出效率為45.59%～46.06%。兩種系統(tǒng)的系統(tǒng)輸出效率對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 兩種系統(tǒng)輸出效率對(duì)比 %

由表4可知:在理想工況下，兩種系統(tǒng)的輸出效率相當(dāng)；在定速航行工況下，設(shè)計(jì)系統(tǒng)比傳統(tǒng)柴油機(jī)系統(tǒng)的輸出效率略低一些。

4.2 經(jīng)濟(jì)性與安全性分析

燃蒸柴聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)初投資約為2 535萬(wàn)美元(燃?xì)廨啓C(jī)950萬(wàn)美元、蒸汽輪機(jī)120萬(wàn)美元、2臺(tái)柴油機(jī)240萬(wàn)美元、電力推進(jìn)裝置1 050萬(wàn)美元、鍋爐175萬(wàn)美元等)，而同功率的傳統(tǒng)柴油機(jī)動(dòng)力裝置初投資約為1 750萬(wàn)美元。該系統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)的潤(rùn)滑油消耗量為柴油機(jī)的1%，其年潤(rùn)滑油成本僅約為柴油機(jī)的6%，而且NOx排放量減少80%～90%，無(wú)SOx，無(wú)需安裝價(jià)格昂貴的尾氣處理裝置(約220萬(wàn)美元)。燃?xì)廨啓C(jī)檢修周期可調(diào)，檢修時(shí)不耽誤船期，不會(huì)影響船舶營(yíng)運(yùn)收益，如果該系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行超25 000 h，每年比傳統(tǒng)柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用147萬(wàn)美元。綜上可述:應(yīng)用該系統(tǒng)約6 a可回收初始多投入的投資成本，經(jīng)濟(jì)效益較好。

由于不同的發(fā)電機(jī)對(duì)磁場(chǎng)的要求不同，該動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)向各個(gè)發(fā)電機(jī)組輸出勵(lì)磁電流，根據(jù)不同的電網(wǎng)負(fù)載，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流就能夠保證發(fā)電機(jī)兩端電壓穩(wěn)定。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)和柴油機(jī)的發(fā)電機(jī)組并電運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁控制系統(tǒng)可調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組的功率分配，使發(fā)電機(jī)組更穩(wěn)定。如果發(fā)生短路等故障時(shí)，勵(lì)磁控制系統(tǒng)可切斷發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁電流，避免事故發(fā)生以降低經(jīng)濟(jì)損失。

5 結(jié)束語(yǔ)

1)選取17萬(wàn)m3LNG運(yùn)輸船為母型船，以1臺(tái)LM2500燃?xì)廨啓C(jī)、1臺(tái)蒸汽輪機(jī)和2臺(tái)W?rtsil? 12V34DF雙燃料柴油機(jī)為動(dòng)力，設(shè)計(jì)出1套燃蒸柴聯(lián)合的循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)。

2)用Aspen HYSYS軟件模擬系統(tǒng)，通過(guò)理論值與模擬值的計(jì)算對(duì)比，論證該循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是合理可行的。經(jīng)計(jì)算得出各個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷下的系統(tǒng)功率和效率，各值隨燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷的增大呈現(xiàn)不同的增大幅度。系統(tǒng)應(yīng)該保持燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷在60%以上，保證系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和系統(tǒng)穩(wěn)定。在燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷20%～50%時(shí)，燃蒸聯(lián)合發(fā)電效率和系統(tǒng)輸出效率的提升速度較快，變化幅度較大，為保證船舶動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)保持燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷在50%以上。在船舶機(jī)動(dòng)航行和靠泊時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷較低(50%以下)，雙燃料柴油機(jī)可為系統(tǒng)提供所需動(dòng)力，在節(jié)能減排的同時(shí)，可有效提高系統(tǒng)效率。

3)由系統(tǒng)輸出效率對(duì)比分析可知:在理想工況下，燃蒸柴聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)與傳統(tǒng)柴油機(jī)的系統(tǒng)輸出效率相當(dāng)；在定速航行工況下，雖然該設(shè)計(jì)系統(tǒng)比柴油機(jī)的系統(tǒng)輸出效率略低一些，但燃?xì)廨啓C(jī)與柴油機(jī)相比，單機(jī)功率大、初投資費(fèi)用低(20 mW以上)，特別是NOx排放符合TierⅢ排放標(biāo)準(zhǔn)，SOx排放滿足2020年全球限硫新規(guī)。結(jié)果表明:該系統(tǒng)應(yīng)用于大型商船有很大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。