LNG船蒸汽轮机热效率的分析计算

王忠诚，周瑞佳

(上海海事大学 商船学院，上海201306)

自LNG船诞生之日起，其动力推进就采用了蒸汽透平装置。这是因为蒸汽透平装置可有效地利用液化天然气的蒸发气体。通过锅炉燃烧蒸发气体，加热水后产生蒸汽，从而驱动透平产生动力。液化天然气的储运必须在零下-163℃，但受热蒸发是不可避免的，虽然透平装置的低效性是众所周知的，远低于柴油机动力装置的效率，但它确是迄今为止最为有效和经济地解决和利用蒸发气体的最佳方案［1］。制约蒸汽轮机发展的主要因素是效率不高，如何提高热效率，降低运营成本，减少污染，已经成为研究的重点课题。

1 (火用)平衡方程和(火用)效率

1.1 (火用)分析模型和平衡方程

将系统输入(火用)，输出(火用)和系统内部(火用)三类(火用)在一个以系统边界的方框上表示出来，构成(火用)分析模型，见图1。

图1 (火用)分析模型

根据分析模型，可以得到研究对象的(火用)平衡方程［2］:

式中:Exbr——外界带给系统的(火用);

Exlout——流出(火用);

Exlin——流进(火用);

Exefc——有效(火用);

Exsup——水蒸气供给(火用);

Exeft——有效输出(火用)

令Exef=Exeft+Exefc–Exbr，则可得到(火用)平衡方程:

1.2 (火用)效率

作为工程经济性分析方法的一种，(火用)分析法有相应的分析和评价准则。工程上采用(火用)效率ηex作为评价系统或单元设备的准则。

(火用)效率ηex为有效(火用)占供给(火用)的百分比，其定义式为

2 蒸汽轮机的(火用)效率

忽略蒸汽管道的(火用)损失影响，利用蒸汽轮机的过热水蒸汽供给(火用)Exsup和输出轴上的有效输出(火用)Exeft，建立(火用)平衡方程和计算(火用)效率。

设过热蒸汽在蒸汽轮机入口处的温度为Tin，压力为pin，比焓和比熵分别为hin和sin，进入蒸汽轮机的过热蒸汽量为Ga，环境状态下水的温度T0，比焓h0，比熵s0。

设定环境温度20℃，环境压力0.1 MPa，即T0=20℃。查未饱和水与过热水蒸气的热力性质表［3］可以得到，在T0=20℃环境压力为0.1 MPa时，未饱和水的比焓为h0=84 kJ/kg，比熵为s0=0.296 3 kJ/(kg·℃)。

根据“大鹏昊”设计制造的相关资料，其蒸汽轮机采用日本川崎重工制造的UA400型蒸汽轮机。查阅相关资料，其设备的主要参数［3-4］如下。

最大输出功率28 119 kW，

进口蒸汽压力6.0 MPa，

高压汽轮机转速4 777 r·min-1，

最大连续额定输出功率24 570 kW，

进口蒸汽温度510℃，

低压汽轮机转速3 153 r·min-1。

根据未饱和水与过热水蒸气的热力性质表［5］可以得到，在tin=510℃，pin=6.0 MPa时，

hin=3 445.76 kJ/kg，sin=6.917 7 kJ/(kg·℃)。

则进入蒸汽轮机的过热蒸汽量(火用)可根据式(4)求得。

式中:Gin——每小时输入蒸汽轮机的过热蒸汽量，kg/h。

“大鹏昊”采用日本三菱重工提供的MB-4E型双燃料主锅炉［6］。最大蒸发量65 000 kg·h-1，正常蒸发量55 000 kg·h-1。

此外，根据给水(火用)的计算式(5)求得。

根据式(3)、(4)、(5)可得UA400型蒸汽轮机在主锅炉正常蒸发量和最大蒸发量的情况下，分别输出最大输出功率和最大连续额定输出功率时候的(火用)效率。计算结果见表1。

表1 输出轴输出功率

为了完成系统循环过程，必须消耗有效损耗(火用)Exefc，故在最大连续额定输出功率时均取12%Exsup，最大输出功率时取15%Exsup。

3 锅炉系统热效率和(火用)效率

“大鹏昊”天然气船上的锅炉最大过热蒸汽蒸发量为65 t/h，正常蒸发量为56 t/h。分两种情况讨论其(火用)效率［7］。

取环境条件:p0=101.17 kPa，T0=294.8℃，相对湿度φ=79%。查湿空气焓h0-ω图得h0=55 kJ/kg，查水和过热蒸汽热力性质表得h1=1 320 kJ/kg;过热蒸汽出口焓h2=3 420 kJ/kg。

3.1 锅炉热效率

锅炉热效率的基本参数表2。

表2 65 t/h时锅炉基本参数

锅炉有效利用热为

式中:GPW——排污水流量，kg/h;

h1——汽包压力下饱和水焓，kJ/kg。

锅炉热效率为

给水(火用)效率计算为

蒸汽(火用)效率计算为

燃料(火用)包括燃料显热(火用)、化学(火用)及燃烧产物在标准状态空气中的扩散(火用)，由于扩散(火用)在实际过程中很难被采用，通常不予考虑，显热(火用)亦因为燃料温度与环境温度相近予以忽略，因此得出燃料的(火用)为

式中:H，C，O，N——收到基氢、收到基碳、收到基氧、收到基氮。

(火用)效率为

3.2 正常蒸发量为56 t/h时的锅炉热效率及

(火用)效率

56 t/h时锅炉的基本参数见表3。

表3 56t/h时锅炉基本参数

3.2.1 锅炉的热效率

锅炉热效率的基本参数表4。

同理，由3.1中的各计算公式可得锅炉有效利用热为

锅炉的热效率为

3.2.2 锅炉(火用)效率

给水(火用)为

蒸汽(火用)为

锅炉重油的燃料(火用)为52 706.4 kW;

(火用)效率为

由3.1和3.2的计算数据列出表4。

表4 锅炉在65 t/h和56 t/h两种工况下的参数

4 结论

1)在输入过热蒸汽温度和压强相同时，(火用)效率与进气量有关。蒸汽轮机在额定正常蒸汽量情况下的(火用)效率要高于最大蒸汽量情况下的(火用)效率，这说明不是蒸汽量越多汽轮机的(火用)效率就会越高。需要通过实验测得一个和汽轮机相匹配的蒸汽量，才能获得较高的(火用)效率，这与船舶建造时设备选型有着重要的关系。

2)在输入蒸汽量、温度和压强相同的情况下，(火用)效率与输出功率有关。输出功率提高时，虽然有效损耗(火用)有所增加，但(火用)效率仍有较明显的提高。

3)本研究采用的是朗肯循环，需要考虑回热循环和中间再热循环。如果仅采用朗肯循环，汽轮机对外做功的(火用)效率不高，说明在蒸汽轮机出口端的蒸汽仍有一定的做功能力，所以采用回热循环和中间再热循环，可以进一步提高系统能量的利用率。

总之，作为考量蒸汽轮机效率的关键参数，(火用)效率的价值要远远大于热效率，因为它更能反映能量在各个设备间做功能力的大小。对提高整个系统的做功能力，合理利用能量，提高经济性都有巨大的指导作用。所以，通过提高蒸汽轮机的(火用)效率是进一步提高蒸汽轮机热效率的必经之路，也是关键所在。

［1］赵兴锐.LNG船蒸汽轮机动力装置及其管道振动分析［D］.上海:上海交通大学，2005.

［2］马建坤.300 MW凝汽式机组汽轮机热力系统变工况(火用)分析［D］.唐山:华北电力大学，2007.

［3］MERCER M.Gearboxes designed for changing LNG Carrier needs［J］.Diesel＆Gas Turbine Worldwide，2005，37(9):38-42.

［4］TSUTOMUMIZUMOTO.The Characteristics of KHImarine main turbine for LNG［J］.Joumal of the JIME，2005，40(3):25-30.

［5］沈维道，童钧耕.工程热力学［M］.北京:高等教育出版社，2007.

［6］吴 穷，王建丰，王 冲，等.LNG运输船的主动力装置［J］.热能动力工程，2009(24):7-10.

［7］胡智慧，郭晓翔.600 MW机组超临界锅炉的效率分析［J］.广西电力学报，2007(6):54-57.