船舶废热发电应用研究

夏耀君，赵自兵，张 华，徐 谦

（招商局邮轮研究院（上海）有限公司，上海 200137）

0 引言

近年来，全球范围内的节能减排步伐日益加快，面对日益严苛的环保法规和经济指标的要求，节能减排对于船舶而言尤为重要。近年来，业内通过采取对船体线型和螺旋桨进行优化等措施持续提高船舶的各项经济指标，目前相关技术已较为成熟，已很难在短时间内通过这些措施实现较为明显的突破。同时，在电池能量密度等技术未取得较大突破，核动力的安全稳定性和维护要求未取得较大改进之前，内燃机仍将是主流的主动力配置。目前，船舶四冲程柴油机的热效率在38% ～45%，有55% ～62%的能量以废热的形式，通过冷却水系统冷却，或直接通过废气排至大气，其中冷却水系统还需通过消耗船上额外的电力驱动海水和淡水冷水泵运转。

目前船舶虽能通过配置废气经济器，利用其中部分废气中的热量产生蒸汽给各加热装置，但在夏季工况下加热负荷大大减少时，废气经济器产生的多余蒸汽反而需通过消耗船舶电力驱动冷却水泵来将其冷却，特别是当以液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）作为主燃料的船舶无需使用重油及储存舱和供给管路加热时，此矛盾极为突出。若能利用废热发电（可减少发电机组运行功率）提供电力给空调机组或船上其他用户，可获得较可观的经济效益和减排效果。由此可见，废热发电的巨大潜力是值得探究的。

根据国内外废热发电方面的研究结果，利用内燃机产生的废热，通过低沸点有机工质循环（朗肯循环）的透平发电装置在利用低品位热能方面相比半导体温差发电和废气涡轮发电等有比较大的优势。因此，本文提出一种船用柴油机能利用的，对排气和缸套冷却水中的废热进行回收，采用目前广泛使用的环保、不易燃、低压R245fa制冷剂作为有机循环工质的废热发电系统。在某型船上应用该系统，分析其节能效果和CO减排效果，为特定航区内类似船型的废热发电系统选取提供参考。

1 船舶废热发电系统

1.1 有机朗肯循环

采用有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）回收船用柴油机产生的废热和缸套冷却水中的废热发电，ORC 主要由废热换热器、膨胀机、透平发电机、冷凝器、工质泵、冷却水泵和控制系统组成。ORC 的工作原理见图1：以低沸点的有机物为工质，在换热器中从低品位热能废热热源中吸收热量，生成具一定压力和温度的蒸汽，蒸汽进入透平机械膨胀做功，从而带动发电机转动。从透平发电机排出的蒸汽在冷凝器中向冷却水放热，凝结成液态，最后借助工质泵重新回到换热器，如此不断地循环下去。

图1 ORC的工作原理

1.2 典型的船舶废热发电系统

典型的船舶废热利用发电系统见图2，将柴油机排气管路中的废气热交换器和缸套水作为ORC 工质的热源，同时提供冷却海水作为冷凝工质的冷源。冷凝器、膨胀机、发电机和工质循环泵等ORC 主要设备可组合在1 个单元模块中，冷却水取用船舶原有的海水冷却系统中的部分流量引入冷凝器中。图3 为国外某厂家的ORC发电装置总成（100 kW）。从图3 中可看出，该总成占用空间不大，比较适合在船上安装。

图2 典型的船舶废热利用发电系统

图3 国外某厂家的ORC发电装置总成

2 某船型废热发电应用分析

本文以某型处于研发阶段的高端客滚船为研究对象，通过船舶柴油机厂家提供的废热参数匹配基于ORC系统的循环发电装置，从而对比分析采用ORC的废热发电系统的节能效果和CO减排效果。

该船正常航行时由2 台瓦锡兰（Wärtsilä）6L46 四冲程柴油机提供推进动力，经济工况点在85%MCR附近。图4 为该船的废热利用发电系统，其中2 台主机的缸套水和排气产生的废热通过中间热水循环为ORC 系统提供能量，同时海水为其提供冷凝所需的冷却量，温度约为95 ℃缸套水进入ORC 系统预热，温度为90 ～125 ℃的缸套水经过排气换热器之后吸收排气废热对有机工质加热，最终ORC发电装置输出电力至船舶电网。

图4 目标船的废热利用发电系统

当船舶加热负荷较大、环境温度较低时，优先考虑将热量输出给加热用户，若有多余废热，则可通过ORC 系统输出电力；反之，在夏季或当制冷负荷较大时，优先考虑采用ORC输出电力。通过上述设置，可灵活地处理气候差异和环境温度差异带来的热负荷与冷负荷之间的切换，从而达到最优的节能效果，减少燃油消耗和碳排量，降低船舶的运营成本。

该船的基本参数见表1；主机负荷在经济工况（85%MCR）下，在3 种典型环境温度下的废热产生量见表2。从表2 中可看出，排气温度和缸套水热量随着环境温度的升高而升高或增加，从而使总废热量增加。

表1 目标船基本参数

表2 典型机舱环境温度下单台主机的废热产生量

船舶主机在不同机舱环境温度下运行时产生的废热量不同，在选取ORC 总装机量时需根据船舶的运营区域和特点选取，本文选取与主机在ISO（International Organization for Standardization）环境温度（25 ℃）下的可用于发电废热量（总的废热产生量除去预估其他加热用户所需加热量）适当的ORC 发电装置总装机量进行分析；根据国外某ORC厂家提供的数据，其设备的净发电量与废热量的比值及热电转换效率在9.1% ～11.0%（热交换器效率和工质冷凝消耗的电功率、工质效率）。基于上述条件对ORC系统的发电效果进行计算和对比，结果见表3 和表4，其中：节能比为因设置ORC 发电装置而减少的船舶发电机组运行功率与主机总功率的比值，显示装置的节能效果；船舶发电机组减少的运行功率包含ORC 废热发电装置的净发电功率和缸套水冷却所需的冷却水泵消耗的功率。

表4 不同机舱环境温度下废热发电投资回报情况

表2 和表3 中涉及的主要参数的计算方法和计算公式如下。

表3 不同机舱环境温度下废热发电节能减排情况

1）可利用排气热量的计算公式为

式（1）中：P为可利用排气热量，kW；Q为排气流量参数，kg／s；K为排气单位热量，kW／kg；t和t分别为排气进和出废气热交换器的温度，℃。

2）节能比为ORC净发电功率与减少的发电机运行功率之和与主机经济运行点（85%MCR）的功率的比值，即

式（2）中：R为节能比；P、P和P分别为ORC净发电功率、减少的发电机运行功率和主机经济运行点的功率，kW。

3）年燃油节省量和CO减排量的计算公式分别为

式（3）和式（4）中：M为年燃油节省量，t；F为发电机油耗，g／（kW·h）；H为预估的船舶年运行时间，h；δ为船用重油与柴油的低热值比值；M为年CO减排量，t。

由表2 ～表4 可知：节能效率随着机舱环境温度的升高而提高；投资回报年限随着节能效率的提高而缩短；每年节省的燃油为440 ～535 t，每年减少的CO排放量为1421 ～1712 t，可见节能减排效果明显。

3 结语

在经济工况（85%MCR）下，当机舱环境温度为45 ℃时，系统废热发电功率为638.6 kW，燃油节省量为535 t／a，CO减排量为1712 t／a，此时系统节能比相对较高，达到5.5%。

由于机舱环境温度升高导致燃烧效率下降、废热占比增大，此时ORC 废热发电系统更能发挥节能减排作用，可见该系统更适用于航区环境温度较高的船型，该系统的应用能在一定程度上降低船舶的能耗和减少船舶的碳排量。