万箱集装箱船余热回收系统设计与性能分析

摘要

万箱集装箱船具有高技术、高性能、高附加值的特点。万箱集装箱船采用低速二冲程大功率电控柴油主机,主机额定功率在5.5MW以上。油价较高导致万箱集装箱船的燃油费用占船舶运营成本的比重较高,削减运营成本成为船东关注的焦点。而万箱集装箱船主机废气余热总量巨大,对废气余热进行回收成为减少运营成本的重要途径之一。但是废气余热回收系统投资回收期漫长,使得船东和制造厂商望而却步。
　　本文以新一代节能环保型万箱集装箱船为研究对象,在分析主机废气热力参数的基础上,提出了三种废气余热回收概念系统——朗肯循环废气余热回收系统、组合涡轮式废气余热回收系统和有机朗肯循环废气余热回收系统。为了分析这三种系统的热力学性能及投资回收期,分别建立了系统各主要部件的热力学模型以及系统的投资回收期模型,并编制了热力学性能分析程序和投资回收期计算程序,分析结果表明:以R141b为工质的有机朗肯循环废气余热回收系统(火用)效率最高;组合涡轮式废气余热回收系统净输出电能最大;在不改变主机结构的前提下,朗肯循环废气余热回收系统投资回收期最小。
　　万箱集装箱船因自然条件和航行要求的不同而经常处于变负荷工况,导致废气余热回收系统的负荷随之而变,因此有必要对废气余热回收系统进行变负荷分析。本文采用传递函数的方法,在模块化建模的基础上建立了废气余热回收系统的动态模型,分析了投资回收期较小的三套系统(分别为朗肯循环废气余热回收系统、以R141b为工质的有机朗肯循环废气余热回收系统和以n-pentane为工质的有机朗肯循环废气余热回收系统)的性能参数随时间的变化,分析结果表明:三套废气余热回收系统对扰动均具有一定的自平衡能力,以R141b为工质的有机朗肯循环废气余热回收系统过渡时间最短。
　　能效设计指数和能效运营指数为计算船舶能效水平提供了依据,本文编制了计算能效设计指数和能效运营指数的小程序,得到了万箱集装箱船本身的能效设计指数和能效运营指数,与国际上已开发出的同类软件的计算值吻合得很好,计算结果表明:废气余热回收系统是提高船舶能效的重要途径之一。
　　本文对废气余热回收系统进行设计和综合分析之后,得出万箱集装箱船适宜采用以R141b为工质的有机朗肯循环废气余热回收系统这一结论;同时,本文对低排温电控柴油主机废气余热回收系统的设计及推广应用具有一定的指导意义。