利用废热回收减少废气排放1.doc

利用废热回收减少废气排放摘要 当今的减排和降低机器运作成本的趋势是进行更为有效的废热回收。通过调整苏尔寿低速二冲程船用柴油机的调试以增加废气能量，并在综合废热回收设备中同时采用蒸汽轮机及废气透平，可以获取约为发动机功率11%的电力输出。这些节省的能源在提升机器效率和减少排放方面都起到重要的作用。以现今广泛应用于大型集装箱班轮上的苏尔寿12RTA96C型柴油机为例，综合废热回收设备可以在主机工作负载时以电力形式提供达7000KW的能量。这种综合热回收设备正在引那些起对节约燃料成本和减少废气排放感兴趣的船东们的注意。需要记住的是，现今的大型低速船用柴油机已经是高度发达的机器，单方面通过对机器效率的提升大量减少二氧化碳的排量的可能性很小。因此我们推荐的综合热回收设备在今后是实用的减排办法。引言为何要进行废热回收？有关减少船用柴油机废气排放问题已经有过多篇论著，这些论著或是关注在气缸内控制废气产生，通过对废气进行再处理以消除废气排放，或是关注限制燃油规格的硫氧化物的排放。然而，当我们必须面对如何减少二氧化碳排放问题时，我们可能需要进一步放开思路去寻找控制减排的良策。我们必须认识到的是通过改进机器热效率来解决减少船用柴油机二氧化碳排量问题的余地不大。1973年石油危机之后，人们在减少油耗问题上付出了相当大的投入，结果多年来最大缸径柴油机的整体热效率提升了50%(图一)无论如何，现在的一个重要因素是在机器耗油率和氮氧化物排放之间存在一种自然平衡。伴随着油耗下降，氮氧化物排量自然会下升。然而还有另外一种方法，既可以减少废气排放又可以降低燃油消耗率利用废气能量。现代的低速柴油机效率已经高达50%，然而仍然有50%的燃料输入能量未能被有效利用。 就最大持续功率达到68,640 kw的苏尔寿12RTA96C型柴油机而言，这意味着正在浪费同样多的能量。产生68,640 kw的轴功率需要约300公吨重油的日耗油量。毋庸置疑，这些浪费的能量正在给环境带来负担的同时也在浪费我们有限的一次能源。我们有责任保护好环境并且最充分地利用我们的一次能源。这需要提出对一次能源进行更有效利用的理念。对能源进行更充分利用的成果是缩减燃油成本并降低排放。降低排放有利于船舶的“绿色”形象，这一点在航运市场的竞争中正在逐步成为一个有利因素。废热回收利用系统的应用有三种优势：1、 航运用公司因缩减了年度燃料成本而受益。2、 航运公司可为二氧化碳和一氧化氮这类废气的减排做出贡献。3、 航运公司因在航运市场上竞争力提升而获益。在道德层面上，企业有责任谨慎对待地球上有限的能源，同时寻找到一种环保的解决办法。为废热回收进行机器调试机器的排气温度很高，其中约有25%的输入能量可以利用。这些能量是适用于废热回收的潜在资源。然而通过调整机器进气温度可以使排气温度升高。在热带地区，通过涡轮增压机从机舱吸入空气，柴油机的进气温度的最高值可达45，如利用进气管道从机舱外吸入空气，机器的进气温度可设定为不超过35。（图二）这种情况下，可再次配合使用涡轮增压器使机器热负荷重新达到机器进气温度为45时的值。为提升机器排气温度而进行调试时，重要的一点，是调试机器的热负荷不得超过惯常值，以便不会危害到机器的安全性能。即便一部分排气被分流到动力涡轮机而无法由涡轮增压器利用，机器的热负荷依然低于传统机器。由于涡轮增压器同动力涡轮进行了特定配合，也由于进气调整，使涡轮增压器发挥了最大有效效率。根据ISO标准，这种调试会导致油耗略微升高，但回收的能量要多过于对高能耗带来的功率损失而进行的补偿，柴油机需装备废气门以确保低温环境下气缸压力保持在许可范围内。现今，高效涡轮增压器在大功率范围内可剩余功率，这就允许在涡轮增压器驱动燃气涡轮或所谓的动力涡轮装置前对一部分废气进行分流，对于常见调试的柴油机来说，这个优点并不值得加以利用。然而，在ISO标准下，同最高吸气温度为45的传统调试型柴油机相比，从外部吸气再配合使用涡轮增压器可以分流出更多的废气。因此，再配合使用增压系统提升了废气温度，并且在涡轮增压器工作前可分流出更多废气，从而可以获取相当可观的回收潜热。综合热回收装置我们倡导的综合热回收装置包括一个双重压力节能器，一台多级双压蒸汽涡轮，一台动力涡轮，一台由蒸汽涡轮和动力涡轮驱动的交流发电机，一套给水预热系统和一个轴马达/交流发电机系统（图4）废气节能器废热节能器包括一个有高压蒸发器和过热部件的高压部分及一个有低压蒸发器和过热部件的低压部分，高压汽筒内的压力达9.5bar，节能器出口温度不低于160以防出口处产生硫腐蚀，窄点温度为10，低压汽筒内的压力可达3.8bar。从高压汽筒中抽取的饱合蒸汽用于船舶日常供暖。给水加热在第一级，给水由缸套冷却水加热到85之后，仅供向高压部件的给水在扫气空冷器中进一步加热温度至150至170，扫气冷却器的设计可消散全部扫气热量同时使给水加热部件保持干燥运转。涡轮发电机使用转速为6750转/分的双压蒸汽涡轮机，高压侧工作时入口压力达8.5-9.5bar,这要求电容器三级压力为0.065bar。选定的节能器在出口温度不影响窄点（10）的前提下可确定低压，节能器出口温度达160，考虑到涡轮入口处的低压蒸汽压力在3.0-3.5bar，这要求电容器的六级涡轮压力为0.065 bar。蒸汽涡轮和发电机之间装有减速齿轮可将涡轮机速度降到1800转/分的发电机速度。动力涡轮将产生的功率通过降速齿轮和超速离合器传入蒸汽涡轮。动力涡轮动力涡轮使用分流的废气来生产轴动力，将其用于蒸汽涡轮中驱动发电机，这种涡轮是通过了实践验证的增压涡轮经过微小改进而成的。与带有自由运动转子的涡轮增压机不同，动力涡轮用于废热回收系统中要采用特定匹配，这是因为当涡轮同发电机相连时按照恒速运转曲线图表工作，动力涡轮的扭矩通过减速齿轮和超速离合器传递给蒸汽涡轮，万一发生跳闸，使用超速离合器来保护动力涡轮。动力涡轮在55%-100%机器负荷范围内工作，排气流量由排气总管出口孔控制，在不足55%机器负荷时停止向动力涡轮供应排气，这是因为在不足55%机器负荷条件下涡轮增压器效率不高，因而不允许废气分流驱动动力涡轮，因为动力涡轮的膨胀比及效率几乎同涡轮增压器一样，因而动力涡轮的废气出口温度也大致等同于涡轮增压器，因此供向动力涡轮的排气流量操作可采用若干放式控制（图7） 废气门机器的调试操作要在进气温度-535范围内进行，当机器在这个进气温度范围内操作时机器的最大压力也保持在许可范围内，如果机器在吸气温度低于-5条件下工作，就要保护机器避免由于冷空气密度过高而引发气缸压力过大带来损坏，这点可以通过采用扫气或排气废气门实现。 尽管排气废气门有多种热力优势，但扫气废气门可避免同高温热气接触，可靠性更高，因而是最佳选择。阀件通过简单的开/关作用工作，如果周围气温降到-5以下，废气门打开，扫气就转道通向进气管。 轴马达/交流发电机系统 轴马达/交流发电机是低速型的，直接安装在螺旋桨轴在线，它使用变频电力工作。频率控制系统调节进出电源的频率。该系统工作电压6600伏，它可以像马达或交流发电机一样工作。综合热回收设备操作模式如下：A：马达模式热回收系统产生的电能多于船舶日用电能需求，剩余电力用于马达/交流发电机为螺旋桨轴提供更多电力。B：交流发电机模式热回收系统产生的电能不能满足船舶日用电能需求，不足电力由马达/交流发电机系统发出。C：增压器模式需求推进力大于主机产生推进力，马达/交流发电机系统利用热回收系统和辅机产生所需的电力，起到电动机作用。可选操作模式D：应急推进模式主机同螺旋桨轴断开，船舶由轴马达利用辅机提供电力驱动。系统在优化设备操作方面有很大灵活性，可以将运行成本最低化或将推进力最大化，使用热回收系统可减少用于发电的辅机组数目，这些机组大幅缩减可进一步节约运营成本。综合热回收设备的前景可回收能量取决于机器状况，参考ISO状况（吸气温度25，扫气冷却水温度25）。排气回压及吸气压力损耗变大，机器脏污及吸气温度上升都会导致排气温度升高，因而使蒸汽涡轮输出变大的同时动力涡轮输出变小。并且燃油消耗也会随着机器运行状况的变化而增大。综合热回收设备运行状况阐明如下：A1=ISO状况，全新机器（参考状况）A2=ISO状况，排气回压和吸气压力损耗最大A3=ISO状况，机器中度磨损A4=ISO状况，机器重度磨损B1=热带气候，新机器B2=热带气候，排气回压和吸气压力损耗最大B3=热带气候，机器中度磨损B4=热带气候，机器重度磨损当操作状况由A1转换为B4，预计可出现下列变化（图10）：耗油率 上升2.3%蒸汽涡轮输出 上升25.8%动力涡轮输出 下降10%出于经济性考虑，常用操作认定在A3到B3状态之间对最大连续功率为68.640KW的苏尔寿12RT-flex96C型柴油机来说，其涡轮发电机输出如图11所示，当机器在85%负荷状态时，涡轮发电机输出为7000KW，这大约是发动机功率的11%，相对于不采用热回收调试的机器节约了10.5%的燃油。采用热回收设备和不采用热回收设备的机器热平衡比较如图12所示。14缸的苏尔寿RT-flex96C柴油机联合使用废热回收设备可产生75，658 KW的有效轴工作负荷。等同于最大持续功率为89.000KW的柴油机不采用热回收设备。这些功率足以驱动下一代超大型集装箱船，这些功率也够单螺旋装低限使用，大型集装箱船应用综合热回收设备有如下优点：节约年度燃油成本船舶环保使用可靠的推进机械经济因素思考若想使综合热回收装置更加引起使用者的兴趣，投资回报期不应超过五年。对于包括一台最大连续功率为68.0640KW的苏尔寿12RT-flex96C型柴油机和4台（每台功率3600KW）的Wartsila 8L32柴油发电机组的推进装置来讲，其运行成本可依据下列标准估算：主机工作负荷 =85%负载 =58，344KW年度运行时间 =6500小时平均船舶服务功率 =4000KWe重油价格 =150美元/吨重油发热值 =40，500千焦/千克传统推进装置 = 标准主机：工作负载时的制动油耗 =169.7 克/千瓦时重油日用耗油量 = 247.87 吨辅机;工作负载时的制动油耗 =192.0 克/千瓦时重油日用耗油量 = 19.43 吨重油日用耗油总量 = 267.30 吨年度燃油总成本 =10,859,062美元 =100%采用综合热回收设备的推进系统废热回收装置产生6740KWe能量，其中4000KWe用于船舶日常使用，因此剩余2740KWe能量中有2600KWe用做为轴动力用于船舶推进。主机服务功率达到55,744 kw（81.2%工作负载）工作负载下的制动油耗 =168.5克/千瓦时重油日用耗油量 = 237.67 吨年度燃油成本 =9,655,343美元 =88.9%年度节约燃油成本 =1,204,000美元节约维修成本和滑油成本：在海上辅机不运行时，采用综合废热回收节约了装置维修成本和滑油成本。年度节约维修成本 =78,000美元年度节约滑油成本 =47,000美元年度总节约运行成本 =1,329,000美元假设利率为6%，回收期为4年，年度节省的费用即是达460万美元的净现值，在此基础上对综合热回收装置进行附加资金投入相当可行。苏尔寿RT-flex共轨柴油机废热回收以上阐述了基于苏尔寿RT-flex共轨柴油机应用的综合废热回收装置，RT-flex型柴油机特别适用废热回收设备，因为其有在全部负载范围内皆为洁净燃烧的优点，因此，大大减少了锅炉故障的可能性，锅炉着火的危险性也最低。苏尔寿RT-flex柴油机是由信誉着著的苏尔寿RTA型系列柴油机发展而来。不同的是RTA型系列柴油机使用的是常见的机械控制燃油喷射泵和排气阀驱动装置，而RT-flex型柴油机中使用电控共轨系统，燃油、伺服油和控制油，按控制压力输向位于气缸侧旁的共轨单元的共轨管中。燃油在输送之前进行加热（输送压力达1000bar）准备喷射。伺服油和控制油输送压力200bar并通过一个自动自洁式细滤器。各缸依靠单独的控制单元控制燃油喷射和排气阀启闭，控制单元直接安装在一体式共轨管上受苏尔寿电液共轨阀控制。安装在机柱侧的供油单元向共轨系统提供燃油和伺服油。供油单元由曲轴带动的齿轮机构驱动，供油泵吸口控制燃油输送量和共轨压力。苏尔寿RT-flex型柴油机最显著的优势是在任何运转速度都可以无烟运转，采用共轨系统可更高效燃烧确保了无烟运转。此外，单管喷射器选择性短路和排气阀定时优化有助于在极低速操作时将排烟降到不可见程度。苏尔寿RT-flex型柴油机极受船东喜爱。首轮制造的柴油机（2001年9月，运转时间已超过14，000小时）运行状况良好，为RT-flex型柴油机带来了订单，订货量是从近期大型集装箱班轮订货潮的出现而开始猛增。到2004年3月底，已经制造或下订制造的苏尔寿RT-flex型柴油机总计100台，总计功率为416万千瓦，其中59台属于苏尔寿RT-f