船上的节能减排—汽轮机发电机组

摘 要：船舶柴油机一般只有40%～55%的热量转化成有效功，其余45%～60%的热量转化为各种形式的损失。船舶柴油机的余热主要包括柴油机排气余热和柴油机冷却水余热。本文主要探讨了采用超低温排烟余热锅炉、汽轮机发电机组组成余热利用系统，对柴油机的余热进行回收利用，以提高柴油机总体热效率，减少船舶排放。

关键词：节能减排；CCS；汽轮机发电机组

船用柴油机一般只有40%～55%的热量转化成有效功，其余45%～60%的热量转化为各种形式的损失。船舶柴油机的余热主要包括柴油机排气余热和柴油机冷却水余热。

目前船舶柴油机的排气余热利用主要途径有：

1）利用排气能量驱动涡轮增压器。

2）安装余热锅炉。

3）余热蒸汽驱动汽轮机发电装置。

4）利用排气能量驱动动力涡轮发电。

国际上船舶柴油机余热利用系统常用有两种基本方式，一种是利用排气直接驱动动力涡轮发电，另一种是通过余热锅炉回收排气中的热能，用以产生蒸汽来发电供船舶设备使用。到目前为止，所有有关船舶动力系统排气余热利用的方案都是这两种基本方式的组合和改进。

在上个世纪七十年代，国外许多主机公司就开展了船舶柴油机余热利用技术的研究。目前MAN、Wartsila、三菱、西门子等公司已经推出柴油机余热利用产品，深受船舶运营商的喜爱。

国内此前尚无这方面的研究。在2012年沪东重机与哈尔滨工程大学牵头开展船舶柴油机动力系统余热利用技术的研究工作，研究目标柴油机总体热效率提高6%～8%，采用余热利用系统后机舱体积变化小于10%，减少船舶CO2排放，应对新船能效设计指数。

其以9000KW柴油机为研究对象确定余热利用技术方案。余热利用系统由动力涡轮、超低温排烟余热锅炉、汽轮机发电机组、有机工质汽轮机发电机组组成。柴油机排气分别流经涡轮增压器和动力涡轮，两部分排气混合后，依次流经余热锅炉的高压过热器、高压蒸发器、低压蒸发器和热水器，并经锅炉出口烟道排入大气。

本文主要对在余热利用系统里发电量最大的汽轮机发电机组技术进行探讨。

1 汽轮机发电机组技术方案

在整个柴油机的余热利用系统里，柴油机排气通过涡轮增压器或动力透平进入余热锅炉，余热锅炉产生的蒸汽，通过汽轮机来发电。

此项目余热锅炉产生的蒸汽参数见表1，此项目汽轮机为补汽凝汽式汽轮机，锅炉产生的过热蒸汽通过速关阀进入汽轮机里做功发电，锅炉产生的饱和蒸汽通过补汽口进入汽轮机里做功发电。蒸汽通过汽轮机做功后进入冷凝器，凝结成水，再通过凝结水泵进入除氧器，除氧之后进入锅炉中加热，生成蒸汽，如此循环。

汽轮机设计是以25℃环境下的100%负荷时的参数作为设计工况。本机组通流采用单列调节级加四个压力级，主轴采用转毂结构，增加了主轴刚性，保证了机组在船上运行时的稳定性。机组设计为汽轮机+减速箱+发电机。汽轮机转速9000rpm，此设计不仅提高了机组效率，也节省了机组占用的空间。

汽轮机、减速箱、发电机、油站、冷凝器、水环真空泵等全部集成在同一个底盘上，保证了机组的高度集成性，也大大减少了机组占地空间。

因此机组用于船上，针对船用汽轮机的特殊性，机组在设计时考虑了以下几点：

1）冷凝器置于排缸下方，冷凝器和排缸固定在一个底盘上。冷凝器热井为桶状，此结构减小船晃动对冷凝器液位的影响。

2）轴承回油口设置在底部，回油管考虑船倾斜造成的影响。

3）油站为底盘油站，油站结构上面隔开，下面连通，减小船倾斜对其液位造成的影响。油站上一个滤油器，润滑油和调节油先经过滤油器，然后调节油直接到调节系统，润滑油再经过冷油器去润滑系统。

4）机组定位，前轴承座与座架通过轴向滑键定位，排缸与汽缸座架通过两个径向键定位，排缸与底盘通过立键定位。保证机组在船前后、左右晃动时，机组的定位不会变化。

5）机组的径向轴承和推力轴承均采用可倾瓦形式，满溢式回油，减小船晃动对轴承和耗油量的影响。

6）整体机组含辅机，全部建三维模型，以保证布置的合理性。机组所有辅机均集成在一个底盘上，保证机组布置的紧凑性，减少占地空间。

2 研究成果及其水平

1）此台汽轮机为首台通过中国船级社（CCS）型式认可的汽轮机，首台在工厂内带50%负荷试验汽轮机。通过与CCS的沟通交流，确认了汽轮机型式认可的流程，具体如图1。

按照CCS型式认可要求，汽轮机型式认可试验是需要带满负荷的。但因蒸汽流量不足，在工廠内无法进行满负荷试验；通过与CCS的沟通，CCS最终同意型式认可试验在厂内带50%负荷。

目前国内大的汽轮机厂如哈尔滨汽轮机厂、上海汽轮机厂、东方汽轮机厂、杭州汽轮机股份有限公司等都无法在厂内进行带负荷试验。而且国内和国际上不论是工业用的汽轮机标准（如美国石油、化工和天然气工业用《特种用途汽轮机》API612标准）还是发电用的汽轮机标准（如GB/T5578-2007《固定式发电用汽轮机规范》），都不要求汽轮机在工厂内做带负荷试验。有的只是要求厂内做空负荷机械运转试验，以检验汽轮机的超速保护装置、汽轮机的振动、位移等参数。带负荷试验都是在用户现场进行。

2）此台机组打破了常规的汽轮机发电机组设计习惯，汽轮机设计为高转速9000rpm，通过减速箱与发电机相连。此设计提高了汽轮机发电机组效率，像此流量、压力、温度的常规3000rpm汽轮机，内效率约65%，此机组采用高转速后，汽轮机内效率达到73%，大大提高了机组的发电量。此机组发电量见表2。

此机组汽轮机、齿轮箱、发电机、冷凝器、油站、抽真空设备等全部集成在一个撬块上，布置合理紧凑。打破了常规汽轮机发电机组的布置型式，并大大节省了空间。

3）常规的冷凝汽轮机组汽轮机主轴为挠性，此机组考虑船用汽轮机的经常起停，汽轮机主轴设计为刚性，免盘车。大大缩短了汽轮机启停时间。

3 结语

整个余热利用系统已在沪东重机现场完成试验，基本达到了研究目标。但是后期还有许多需要改进完善的地方，以保证此系统在船上的适用性，为船主创造利润。

此汽轮机需上船，需要有CCS型式认可。《钢质海船入级规范》中对汽轮机的型式认可要求主要是对主动力汽轮机的要求。但是这种余热利用发电的汽轮机是否需要在工厂内进行带负荷试验，也是需要CCS认真考虑的一个问题。

参考文献：

[1] 石道中.汽轮机设计基础[M].北京：机械工业出版社，1988.

[2] 侯曼西.工业汽轮机 [M].重庆：重庆大学出版社，1995.

[3] 吴安民，周伟中.船舶柴油机余热利用技术研究[J].柴油机，2012（5）.

作者简介：侯京安（1984-），男，汉族，陕西渭南人，本科，工程师，就职于杭州中能汽轮动力有限公司，从事汽轮机的设计、研发工作。