超大型风电安装船废热回收系统的设备选型及应用

颜建军，顾杰

(启东中远海运海洋工程有限公司,江苏 启东 226200)

船用发电机的输出功率约为燃油总能量的50%，排烟的热量占了约25%，若排烟所拥有的热能得到有效的回收利用，将对降低燃油消耗及减少排放产生积极影响和推进。废热回收系统的设备成本较高，当船舶主机或者船舶发电机达到约18 000 kW的情况下能才产生经济型。目前废热回收系统在商船上面应用较多，海工船舶由于其系统设计的特殊性，舱室布置的空间性等应用相对较少，但考虑到海工船舶使用的燃油几乎全部为轻油或LNG等新型燃料，成本较高且废热系统的愈加成熟，一套废热回收系统的输出功率完全可以取代辅助发电机或减少主发电机的油耗，为降低排放，降低船东运行成本提供一个可选方案。

1 主动力设备及相关参数

该项目配置有4台双燃料发电机作为主发电机，主发电机的参数见表1。

表1 双燃料发电机参数相关参数

根据主发电机原动机厂家的相关参数信息，不同燃料，不同负载下原动机的热负荷信息见表2。

表2 双燃料发电机柴油及燃气模式下热负荷计算

该项目双燃料发电机排烟量较大，排烟温度较高且高温水侧的散热量较大，基于此种情况，配置了排烟废热回收系统[1]。

2 双燃料发电机排烟废热回收设备选型及实例解析

2.1 系统设计注意事项

根据规范及动力定位船舶的相关要求，当所有的4台主发电机排烟都经过废气经济器，废气经济器必须装有旁通管路，当经济器需要定期维修保养时即可关闭经济器管路，走旁通管路，即主阀门和旁通阀门不可同时关闭也不可同时打开，连锁设计[2]。双燃料发电机的负荷对于排烟量及排烟温度有较大影响，从而影响到经济器所产生的蒸汽量，而蒸汽量的变化亦会对透平机输出功率产生影响。由于经济器的辅助系统亦有相关功率消耗，若发电机低负荷，经济器产生的蒸汽量较小，透平发电机所输出的功率尚不足以供给其辅助系统的运行，所以出于船舶经济性的考虑，则该系统设计时需要注意主发电机的负荷与经济器之间的连锁，例如,当发电机的负荷达到25%以上时，经济器及透平发电机才可启动运行[3]。

2.2 系统设计原理说明及设备选型

辅助蒸汽系统主要用于生活区热水加热，空调加热及相关油舱的加热等系统，排烟废热回收系统所产生过热蒸汽来驱动透平发电机，对全船的电网进行供电，同时所产生的饱和蒸汽也提供给上述系统加热使用，主系统设计管线图见图1。

图1 废热回收系统原理

主发电机排烟废气经过经济器所释放的热量主要是用来产生过热蒸汽及饱和蒸汽，此排烟废气热量的输出初始计算依据是图1的数据及如下热力学[4]公式。

Q=Cp·qm·ΔT

(1)

式中：Q为热量的变化，kJ/min；qm为排烟废气的质量流量，kg/min；Cp为废气的比定压热容，(kJ/kg·K)；ΔT为废气进经济器和出经济器时的温差，K。备注：经济器出口处废气的温度由经济器厂家计算提供。

由式(1)可以计算出排烟废热所释放的热量，根据透平发电机的过热蒸汽的恒定工作压力，结合式(2)计算主发电机不同负荷下所产生的过热蒸汽量和温度。

Y=-34.819X4+98.568X3-99.607X2+

44.062X-4.504 3

(2)

式中：Y为单台废热经济器所产生的过热蒸汽量，t/h；X为单台双燃料发电机的负荷。

计算结果见表3。

表3 过热蒸汽与主发电机负荷关系

根据实船操作情况及设计工况分析，列举以下船舶正常运行时主发电机的功率及发电机在线的状态用以计算透平机发电机的输出功率。

由表4数据换算出船舶在正常营运过程中，当把各种工况下主发电机在线的状态折合成4台主发电机长期在线时的状态，根据该设计进行计算，则平均每台机的负荷约为35%，在同时保证系统恒定压力6.3 bar的情况下，根据公式(2)计算可得出该状态下产生的过热蒸汽量为9.6 t/h，过热蒸汽的温度为303 ℃，此时蒸汽的热力学焓值为3 064.99 kJ/kg(根据工程热力学焓熵表所得)，根据以下热力学公式。

表4 主发电机运行负载

ms=3 600·P/he

(3)

式中：ms为蒸汽量，kg/h；P为蒸汽吸收热量，kW；he为热力学焓，kJ/kg。

计算出蒸汽此时具有的热量为8 173.3 kW,根据透平发电机厂家所提供的主发电机负荷与透平发电机输出功率的如下计算公式。

W=-9 493.3V4+29 429V3-

33 583V2+16 673V-1 426

(4)

式中：W为透平发电机输出功率，kW；V为4台主发电机的平均负荷。

通过式(4)可以计算出，此时透平机发电机的输出功率约为1 405 kW，此状态能下电能回收占到17.2%(η=1405/8 173.3)，根据式(4)绘制出双燃料发电机与透平发电机输出功率关系图，见图2。

图2 双燃料发电机负荷与透平发电机输出功率关系

在以上所述主发电机的负荷状态下，根据经济器厂家所提供的如下计算公式可以得出饱和蒸汽量。

Q=-87.06V4+224.48V3-

195.24V+68.629V-6.501 9

(5)

式中：Q为4台机同时在线时所产生的饱和蒸汽量，t/h；V为4台主发电机的平均负荷。

根据式(5)计算出饱和蒸汽量约为1.92 t/h。该项目饱和蒸汽系统主要用于空调加热系统及生活区热水供应系统，通过计算空调加热系统所需要的蒸汽量约为5.4 t/h,生活区热水加热所需要的蒸汽量约为1.2 t/h，由此可见，在夏季时令，空调加热系统无需运行的状况下，每台主发电机在35%的负荷时所产生的饱和蒸汽量在不使用燃油锅炉的状态下完全能满足生活区热水系统热量需求。根据式(5)绘制出主发电机负荷与经济器饱和蒸汽量关系图表，见图3。

图3 双燃料发电机负荷与经济器饱和蒸汽量关系

结合图2得出当主发电机的负荷达到50%及以上时，透平发电机的输出功率随主发电机负荷的变化较小，根据式(4)计算可以得出在主发电机负荷在50%的时候，此时透平发电机的输出功率约为1 600 kW。根据图3明确出，在主发电机的负荷达到60%及以上时，所产生的饱和蒸汽量与发电机的负荷几乎成正比增长，而在主发电机50%负荷以下时，所产生的饱和蒸汽量随主发电机负荷的变化较小，但此时所产生的饱和蒸汽量亦能满足夏季时令下生活区热水系统的热量需求。当透平发电机不在网时，由于过热蒸汽量的需求降低，则此时所产生的饱和蒸汽量会有显著提高，足以满足通风系统，生活区热水，油舱等其他辅助系统的加热。

2.3 系统实船应用分析

根据上述及结合透平发电机及经济器厂家的成熟产品，选择了以下产品作为该项目废热回收系统主组成设备。

1)蒸汽透平。三菱/AT42CLN3。

2)透平发电机。2 000 kVA/现代/HFJ7 636-04P。

3)废气经济器。欧宝/XW-TG。

上述计算分析基于双燃料发电机燃气模式下负载所得，若在船舶长期处于动力定位状态下，主发电机的负荷会超过以上所述负荷的要求，燃气模式下由于天然气的热值高于燃油，所以在同等负荷下经济器所产生的蒸汽量较多，透平发电机所输出的电功率会较大，表5为透平发电机负载试验时的实船数据记录。

表5 不同介质不同负荷下透平发电机的输出功率

由表5可见，当主发电机在燃气模式且负荷在25%的状态下，透平发电机的输出功率约为1 496 kW，根据厂家理论计算，当主发电机在该状态时透平机ISO模式下的输出功率为1 247 kW(见表6)，由此可见，废气经济器在燃气模式下产生的蒸汽量远超理论计算值，透平发电机的实际应用效率超过预想情况。

表6 主发电机燃气模式不同负荷下透平机输出功率预测

由实验所测数据分析可见，当3台主发电机燃气模式在线时，当每台主发电机的平均负荷达到65%时，则此时透平机发电机已经可以满功率输出，而此种工况是该船舶在动力定位时的常规工况，由此可见，以上计算所得的透平机发电机的选型比较切合该项目的实际运用。

2.4 经济性分析

透平机辅助设备所消耗的功率约200 kW，则透平机能给主电网提供的功率达到1 400 kW，同时也可产生约2 t/h的饱和蒸汽。按照厂家资料主发电机的燃油消耗量185 g/(kW·h)，燃油锅炉的每吨蒸汽燃油消耗量约70 kg计算，每天可以节省柴油约8.688 t，根据全球海上风电市场分析，风电安装船平均每年250 d的运行时间计算，则平均每年可以减少约2 172 t柴油消耗，按照国际柴油价格约400美元/t计算，每年节省成本约86.88万美元，该系统的一次性投资约为300万美元，计算设备维护的成本，4年即可收回投资成本，在减少燃油消耗的同时亦减少了排放，对环境保护产生了积极的影响[5]。

3 结论

该大型风电安装船不仅配置有主发电机排烟废热回收系统，还有主发电机缸套水废热回收系统，LNG冷量回收系统等创新设计。由于此类大型海工工程船在作业时，动力定位时长会远超其航行的时间，则此系统在该类项目上的应用可降低船东的运行成本同时降低排放，该系统也有以下缺陷：①设备较多，船舶空间限制；②系统复杂，系统维护成本较高；③初期投资成本较大等。以上论证是基于ISO环境及燃气模式，若船舶长期在寒冷的天气及燃油模式下作业，透平发电机的发电量会减少，上述提到的燃油消耗量的降低及排放量的减少可能不能达到预期效果，在船舶初期设计阶段需要做好充分的经济性评估及船舶空间的合理布局。