汽轮机发电机组节能减排分析

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摘要：“节能减排，降本增效”已经成为新时期各领域各行业中各企业创新发展的客观需求与必然趋势。而在此过程，设备改造、工艺优化是较为常见的方法。本文以船舶节能减排为研究对象，根据船舶能耗特征，提出“改造汽轮机发电机组，增强余热利用率”的“节能减排，降本增效”策略，以供参考。

关键词：节能减排;汽轮机;发电机组

环境污染与资源短缺是世界各国普遍存在的问题，也是对人类生存与发展影响最深的问题。对此，高度重视生态文明建设建设，不断探索“节能、减排、环保、降耗”路径，实现可持续发展，成为各领域各行业现代化建设与发展的客观要求。就船舶企业而言，在贯彻落实节能减排政策时，可从“热损失”问题入手，通过科学改造汽轮机发电机组，进行余热回收与利用，以达到“小改造大效益”目标。

1.船舶能耗的特征分析

改善船舶能效水平，做好船舶能效管理规划，实现船舶节能减排、降本增效发展，已经成为新时期船舶制造企业以及相关工作人员关注与研究的重点问题。在对表1所示船舶的EEDI（EnergyEfficiencyDesignIndex，能效设计指数）进行计算与分析时，发现：该船舶单台主机MCR（最大持续输出功率）为68520kw，主机由柴油推进，碳转换系数为3.206；主机燃油消耗率达到171.45g/KWh；船舶辅机以柴油机为主，碳转化系统为3.026；辅机燃油消耗量达到209.5g/KWh。由于船舶主机功率超过10000kw，且没有设置轴带发电机以及其他节能减排装置，因此依据EEDI相关计算公式可得到船舶设计阶段的EEDI值约为16.73，而根据相关规定（RequiredEEDI=17.188）可知该船不满足船舶能效设计指数需求值的要求，市场竞争力不高。与此同时，对该船能耗情况作进一步分析，发现船舶柴油机45%以上的热量没有转化成有用功，存在较为严重的热损失问题。

2.船舶节能减排思路分析

由于上文中提到的船舶能耗设计指标不符合相关规定。对此，在船舶设计与制造过程中，设计采用行之有效的措施提升船舶能耗效率。通常情况下，船舶能耗效率提升方法主要由以下几种：（1）改变船舶航行速度，从船舶操作层面进行船舶能耗问题的处理；（2）改善船舶结构，如增加船舶吃水，增加船舶载重量等进行船舶实际能效设计指数的降低；（3）引进节能减排技术，进行机舱设备改造，如余热回收系统的利用、可再生能源的利用、轴带发电机的利用、燃气推进主机的利用等[2]。在本次研究中，设计通过“引进节能减排技术，进行机舱设备改造”进行船上节能减排。就余热回收系统而言，目前较为常见的船舶柴油机余热回收利用系统主要有两种类型：其一，将柴油机的余热转进行收集，用以直接驱动船舶动力涡轮机发电，实现余热有效利用；其二，在船舶上配置余热锅炉，通过余热锅炉回收船舶柴油机余热，并将其转化为蒸汽进行蒸汽发电，用以为船舶电气设备供电。在已有经验的基础上，以余热利用系统中的汽轮机发电机组为研究对象，通过改造汽轮机发电机组改善余热利用系统整体性能，促进其在船舶节能减排任务中，应用作用的有效发挥。

3.基于汽轮机发电机组改造下船舶节能减排方案分析

3.1船舶柴油机余热回收利用系统概述。船舶机舱中所配置的余热回收利用系统主要由汽轮机发电机组、动力涡轮机、超低温排烟余热锅炉以及有机工质汽轮机发电机组等共同构成。在运行过程中，船舶柴油机排气会经过涡轮增压装置、动力涡轮机进入超低温排烟余热锅炉；在余热锅炉高压过热器、低压蒸汽等装置共同作用下产生蒸汽，并进入汽轮机进行发电，从而实现船舶柴油机余热的回收利用。3.2汽轮机发电机组改造技术方案分析。在本次研究的船舶节能减排项目中，确定所选用的汽轮机发电机组类型为补气凝汽式汽轮发电机。汽轮机发电机组在运行过程中，可将余热锅炉产生的过热蒸汽经由速关阀引入汽轮机，进行机组发电；将余热锅炉产生的饱和蒸汽经由补汽口引入汽轮机，进行机组发电。与此同时，将汽轮机发电后剩余蒸汽经由冷凝器、凝水泵、除氧器等装置，在此进入锅炉进行加热处理，重新生成蒸汽，实现循环再利用。在本次设计过程中，为提升汽轮机发电机组运行的稳定性、安全性与可靠性。实现余热回收利用系统整体性能的有效提升。设计主轴结构为转毂结构，以提升主轴机械性能，确保汽轮机发电机组运行的稳定与可靠；设计汽轮机组整体结构为“汽轮机+减速箱+发电机”且与冷凝器、水泵等位于同一底盘，实现集成管控，在节约机舱空间的同时，提升机组运行效率；设计通流形式为单列调节形式。此外，根据船舶结构特征、汽轮机特征，在汽轮机发电机组设置过程中，确定：（1）冷凝器位于排缸之下，与排缸同在一个底盘之上。（2）冷凝器热井形态以桶状形态为主，便于冷凝器液位控制。（3）油站位于底盘上，并配有滤油装置，在使用过程中润滑油、调节油等通过滤油装置进行过滤后，分别进入润滑系统与调节系统。值得注意的是润滑油在进入润滑系统之前，需通过冷油器。（4）油站结构的上部需隔开，油站结构下部需连通，以降低船运行过程中，船体晃动对油站液位的不利影响。（5）科学设计轴承回油口的位置，通常情况下回油口应安排在底部，并根据船体运行过程中的倾斜情况进行回油管的科学布置。（6）科学选择机组定位方法，在本次研究项目中利用轴向滑键进行机组前轴承座与座架的定位；利用立键进行机组排缸与机组底盘的定位；利用径向键进行机组排缸与机组排缸座架的定位，以保证机组定位准确性、科学性、可靠性。（7）考虑船体晃动对机组轴承存在的影响，设计运用可倾瓦形式设置径向轴承、推力轴承；考虑船体晃动对机组耗油量存在的影响，设计回油方式为满溢式回油。（8）在设计过程中，为提升设计科学水平，保证汽轮机组布局的合理性、整体性、协调性、完整性，采用三维模型分析法，进行机组、辅机等三维模型的科学构建，实现汽轮机发电机组科学布局。

4.节能减排方法实施效益与研究成果分析

对设计的汽轮机发电机组进行试验分析，发现：（1）汽轮机发电机组通过CCS认证，达到汽轮机相关标准质量要求。（2）汽轮机发电机组相对于常规汽轮机发电机组而言，内效率大幅度提升，达到72%以上，有利于余热回收利用系统工作质量与效率的提升。（3）汽轮机发电机组结构布局更合理，实现机舱空间有效节约。

总而言之，热损失问题是船舶运行过程中较为常见的问题，也是导致船舶能源浪费的核心要素。随着造船技术的不断提升，船舶柴油机余热利用系统得以产生并应用，但实际效果并不理想。本文通过对余热利用系统中的汽轮机发电机组进行分析，旨在进行汽轮机发电机组有效改造，以通过提升汽轮机性能，提余热系统工作效率，试验表明该方法具有较强可行性、实用性，可达到节能减排、降本增效目的。

参考文献：

[1]伍家炜,姜殿冬.1000MW发电机组配置抽汽背压式给水泵汽轮机甩负荷过程分析及优化建议[J].广东科技,2019,28(06):54-58.

[2]安宗武,张亚夫,伍刚,等.辅机统调动力源变频汽轮发电机组节能分析[J].热力发电,2018,47(05):136-140.

作者:张毅 刘庆明 单位:交通运输部南海救助局