以能源回收为基础的船舶动力与推进系统布局比较外文翻译资料

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以能源回收为基础的船舶动力与推进系统布局比较

目前，因为燃料成本的增加，减少二氧化碳（CO 2）排放量的需求，鼓励在船舶能量转换系统装置方面采用更有效的解决方案。这些系统一般包括热力原动机为主的二冲程或四冲程柴油机，余热回收（WHR）器，汽轮机和部分燃气轮机，以及电动机械。这些组件可以通过不同的设备配置用在不同的方面，研究人员和柴油发动机制造商正在研究其最优组合。在本文中，用四种船舶动力装置的方案，对有余热回收系统的二冲程柴油机通过仿真进行了研究、分析和比较。一个好的的方案不但包括一个支持主发动机给螺旋桨提供动力的电动马达。而且电力可以从柴油发电机和余热回收器中产生。以premud公司的158000吨载重的原油油轮作为研究对象，为了确定最满足推进、电力和热功率的方案，各个船舶推进装置方案进行了比较。通过比较将会得到设备的回收期、每年节省的燃料和二氧化碳排放量的数据。最后的参数通过能效设计指数（EEDI）评估得出。

介绍

众所周知，现今大部分商船的推进和辅助设备主要动力由柴油发动机提供，是热效率比四冲程中速和高速发动机略低50％左右的二冲程低速发动机。这意味着气缸的燃烧产生的热能的很大一部分通常被浪费，并和大量的有害排放物一起排放到周围大气环境中。这个问题是由于推进引擎中使用的低质量燃料引起。

在近期文献1，2，3，4所示，提高柴油发动机的能量转换效率，可以通过废热回收专用装置回收这浪费的一部分热能实现。在先前的研究中，作者优化并比较一些不同热效率系统（由曼柴油机与透平所示TES），部分系统借助于蒸汽装置能够回收两冲程船用柴油发动机排气过程的一部分热能，还有部分是借助于燃气轮机。

上述研究显示，热效率系统优化装置的优点是更好的从热能到机械能的能量转换。然而，船舶动力通常包括，船舶推进器的机械动力，用于发电的动力和甲板机械的火电。这本研究中可行的方法是测试不同安装组件的可能搭配，有满足船舶能源需求的各种废热回收装置的主推进柴油发动机和柴油发电机组。这里通过仿真分析并比较了装备有热效率系统装置的二冲程柴油发动机的船舶推进系统的四种方案。一方面可行的布置包括为主发动机中的螺旋桨提供动力的电动马达。另一方面，使用柴油发电机发电的发电装置，其主要部分热效率系统装置组成，主要表现在由已经过测试并比较的两个不同的装置组成的蒸汽设备子系统，包括典型的，部分柴油发动机制造商采用，和作者提出的。一个旨在优化的已知特性的船舶的推进及电站布置的增值数值方法，已经被应用到原油油轮。该方法由Premuda公司提出，其特性将在下文给出。

一个不同方案的选择的详细比较已经被提出来，并参考在海上的船舶的要求进行讨论。该研究的结果已经被考虑到每年节省的燃料费用和二氧化碳（CO 2）的排放量的偿还时间应用上。最后一个参数是通过由IMO规定的能效设计指数（EEDI）的评估得到。

船舶主要数据和动力的要求

本研究中的研究对象是158.000万吨级的原油油轮，其主要尺寸见表1。

该船舶的主引擎是曼柴油机与透平6S70ME-C8.2二冲程柴油发动机，其铭牌数据上最大持续功率（MCR）为： 19.62兆瓦/91转。用于发电的辅机是三个四冲程柴油发动机，每一个在MCR负荷状态功率为900千瓦。

在船舶主指示的基础上，进行远洋航行所需要的功率要求如下：

推进电力需求：（90％MCR主发动机的功率，与发动机正常连续等级（NCR）在设计吃水16.2节航速，载重15％海裕量，或者在设计吃水16.8节，光运行的情况下，需要17658千瓦。

电力需求：见表2中的船舶“电力负荷分析”摘录。

该船舶将工作每年在正常海水中作业270天，其中70％（189天）将在无槽加热下工作，剩下的30％（81天），需要对电气设备加热。这项研究不考虑船上的其他部分，因为它们的时间差相关联。因此，一年下来评估影响不大。

火电需求：至少有7个部分的供热的压力饱和蒸汽流量为1.4吨/小时。这个估计没有考虑到热负荷（槽加热）所需的蒸汽。这是因为这样的供热需要约35吨/小时蒸汽流量，因此任何余热锅炉蒸汽都不能产生。事实上，槽加热的目是使蒸汽由两个燃料燃烧产生的锅炉产生。因此，在接下来的研究中，恢复系统也要考虑之内，“用槽加热正常的在海域航行”的条件和增加从该系统中被吸收，用以满足供热蒸汽没关联，而只是为了增加能源电力需求提供必要的水箱加热设备。

废热回收装置的研究

两个基本的蒸汽装置的布置是作为船舶主发动机热能回收的复杂系统的一部分。这两种解决方案通过仿真数据进行了分析、优化并比较。

第一个是典型的蒸汽工厂布局，其基于两个由西米拉尔与由奥尔发明的压力水平热回收蒸汽发生器（HRSG）。它是图1中废热回收系统的一部分。柴油发动机的热气体供应给并联的两组燃气轮机：涡轮增压组（见图1涡轮增压器）和气体涡轮机（EGT，见图1气体涡轮机），用于电力生产。涡轮机的两组的废气馈送两个提供必要动力的“混合压力”蒸汽涡轮机（见图1中蒸汽轮机）的HRSG压力水平。柴油发动机水套热能被用来预热热水井并进入蒸汽装置冷凝器。

如图4，这个TES方案包不包括燃气涡轮机（ST EGT溶液或ST溶液）均可，因此有略微不同的装置搭配。这两个假设都具有典型的蒸汽装置布置，并且都已经考虑到目前的设计中。

第二个废热回收系统方案（在图2可见）是由图1中的原始装配方案的作者提出，但有大量的不同于低压蒸汽蒸发器的（SLP）布置（参见图1和2）。

在所提出的蒸汽装置方案中，SLP蒸发器从扫气热交换器（图2）接收热量，而不是从原始装配方案情况下锅炉的废气中。在这种情况下，不包括燃气涡轮机（ST溶液）的不同结构认为能替代图2（ST EGT溶液）的装置布局。这两种假设都在还研究分析中。

废热回收蒸汽装置的仿真和验证

之前描述的TES装置方案已被通过模拟的方法确定尺寸和优化，从而用于柴油发动机的热能回收。一个仿真代码开发的小报告显示，一个更详细的方案正在被使用，并得到了验证。

为了确定所述废热回收装置的性能，二计算机代码（在MATLABreg;语言）已被开发。所述第一种计算机代码能够在设计时从主发动机的可用的数据计算出蒸汽装置的尺寸，重量和性能，（如启动：质量流量和排气气体的温度，质量流率和温度扫气）和蒸汽循环的输入数据。更详细地说，每个回热蒸汽发生器组件（省煤器，蒸发器和过热器）的热交换系数都由经典热交换器公式确定。HRSG汽包、真空冷凝器、夹套水热交换器和热水井罐（图1和2）通过应用稳态连续性和能量方程用类似物的方法设计出来。基于稳态性能的图谱的使用，气体或蒸汽涡轮机和泵的仿真方法也被采用。

第二种仿真代码已开发，能确定在两个设计和关闭设计稳态负载条件下的装置性能。从装置部件的设计数据开始（即：涡轮特性，热交换器管道部分和壁厚，由第一种代码定义的每个组件的热交换表面）上，该计算机代码，通过使用确定的整体废热回收装置的稳态性能重新排列计算程序，并以某种方式，以相​​对于该对装置组件的的反转的设计开发。两个所述的仿真程序已被验证通过将其应用到一个已知性能和特点的推进装置，并配备如图1中的非常类似于典型的废热回收装置。 这个装置的原动机和安装在参考船上的是相同的，很多数据参照设计和非设计工况是可用的。

据报道，由仿真所获得的结果和基准数据之间的误差在NCR发动机负载条件下进过检验都低于1％，，并且通常在非设计运行条件下小于10％。

废热回收装置的性能比较

热效率系统方案的性能可以通过表3中所报告的数据来比较。

在表中的数量Delta;eta;TES指示安装的整个效率，可用公式1进行评估柴油机在船舶设计条件为 热效率系统装置之间的差值。相同的没有热效率系统装置的柴油发动机的效率，设置适合于没有废热回收系统的发动机的调谐方法（“重载调整方法”），并在相同的负载状态下运行（eta;DE =53.16％）。

这个报表也显示了热电联产效率（eta;COG）的安装（与柴油机在NCR负荷运行状态始终评估）的结果，定义为公式2。

表3中的数据显示的是由作者保证比原始更好的性能的条件下提出的废热回收装置布局。这也适用于不同的柴油发动机负载条件，如示于图3。

如该图所示，该柴油机在设计载荷的效率，在废热回收系统（eta;DE =51.28％）的条件下，是小于相同的负载下，没有废热回收系统（eta;DE=53.16％）的发动机的效率。

其原因在于，有废热回收系统时，由于在发动机排气管通往热回收蒸汽发生器过程中损失的更大压力，不同的发动机调谐方法已被采用。

从图3显而易见的是，有检验的情况下，当发动机在部分负荷条件下工作时，ST EGT方案（蒸汽和燃气涡轮机一起工作）比ST方案更好（汽轮机单独工作）。

动力和推进系统布置

废热回收装置可以以不同的方式与参考船舶的甲板服务耦合。

为了达到这个目的，四个不同的被设计成满足该船舶的机械，电气和热功率要求的机械装置方案产生了。

应当指出的是，每个方案都能设置成与典型的概念蒸汽装置或作者提出的装置不同的方案。.

图4介绍了第一种动力和推进系统方案（PPS1）。在这种情况下，主柴油发动机的排气气体热供给由ST EGT方案确定的热效率系统装置。仅用于发电的汽轮机，被连接到和主交换机相连的平行于三个原始辅助柴油发动机的发电机。而排气涡轮是（通过一个齿轮）机械地连接到传动轴，为该船舶主推进装置（图4）提供额外的功率。

图5提出了第二种动力和推进系统方案（PPS2）。这种装置方案仅预测了像前面方案PPS1一样连接到主配电的汽轮机（ST方案）。

图6提出了第三种动力和推进系统方案（PPS3）。这种装置的方案类似于一个被称为PPS2的方案（只有ST方案），用添加的电动机通过齿轮和传动轴协助主推进柴油机进行工作。电动机利用回收的能量提高灵活性，使得在每一个工作状态，都能充分利用由蒸汽涡轮机产生的电功率。

最后，图7中展示了第四种动力和推进系统方案（PPS4），是已提出方案中最复杂的。它遵循典型热效率系统装置的应用布局。在这种情况下，汽轮机和排气涡轮都（经由离合器）连接在同一由电动发电机驱动的轴上。它类似于PPS3装置布置，电动机通过齿轮、驱动轴辅助驱动主推进柴油机。

在这四种动力和推进系统中，最后一种以更大的系统复杂性和成本为代价，保证了提供的动力的最大灵活性。

动力与推进系统的比较

性能与经济性的比较

本节旨在量化性能与经济方面的收益，这些收益是通过将前面所描述的动力推进系统（配备本文第一节所审核过的不同的废热回收设备）应用到参考船只上产生的。为了能够计算出该收益，一个明确的标准是采用回收能量的使用。

第一，如果可能的话，废热回收设备能够满足船上所有水蒸气的需求（在蒸汽厂设计规范中，将蒸汽流量作为参数加入）。

第二，热效率系统设备进一步回收的能量部分或全部用来满足船上电能的需要。

最后，如果仍有回收能量可用，且PPS布局允许的情况下，该能量被送到螺旋桨轴处，这样的话，柴油机产生更小的能量就能使船达到相同的设计速度，这样的话，也就能消耗更小的燃料。

就像列于表4中，参考船的不同的解决方案的比较是基于技术和经济数据的假设上，在类似装置的生产（MAN-奥尔）和船东的要求的基础上进行的。

表4所示，和有废热回收（表中有热效率系统装置）相比之下，主柴油机的特征在于通过SFC在没有废热回收的情况下的值更小（表IV“无TES装置”）。

参照船在正常海上航行条件下的主柴油机的设计载荷要求的所有的结果报道在表5、表6和表7。假定这些条件是船舶正常航行时最常见的状态。在此情况下，热效率系统将机械动力传递给螺旋桨轴，为了保证船舶在设计航速下行驶，柴油机的功率小于NCR相应的工作状态（在船东的要求下）。在这种情况下，通过实验和实验过程中错误的结果，有必要重新计算柴油机的功率传输和随后的热效率系统能量。

正常航行下（无船罐加热），PPS和蒸汽设备布局科技和经济性的对比结果见表五。

对于PPS1的设备，可以注意到在相同的EGT功率下，作者的蒸汽设备所允许的ST功率是大于原始设备的。然而在这种设备布局下，ST所产生的电功率只可用于甲板服务（图4）。因为这种功率是高于船上的平均用电负荷（表2），超出的能量是不能够再利用的（lsquo;nursquo; in the lsquo;TES electric powerrsquo;, 表5的第16行）；对于原始设备这也是事实，虽然只是很少一部分。在实际应用中，这种不可利用的能量不会简单的产生与ST流向WHR蒸汽设备。

PPS2的设备类似于PPS1，只缺少了EGT（图5）。因此在这种情况下，TES的能量传递至推进装置的是零（表5第7行）；相比于PPS1的情况，这涉及到更大的柴油机功率。因为在缺少TES设备的情况下，主机的燃油消耗率会减少，在PPS2的解决方案下，每年为MP的燃料支出是达不到预期要求的。相比于PPS1的情况，这大大的减少了总燃料支出的每年节省。PPS2的设备，在原始蒸汽设备规划下，产生了大量无法利用的电力能源（表5第16行）。

如前所述，作者的蒸汽设备布局特点是高价值的ST能量，因此可以产生大量的电力能源，这些能量在PPS2下是不可用于推进装置的。这将会产生一个更大量的“nu” 的能源。因为这个原因，作者的蒸汽设备规划不考虑PPS2的方案。PPS3的设备布局允许蒸汽设备使用超过一个电力马达推动螺旋桨的电力（参照图6）。相比于PPS2之一（参照表5第21行），这个方案提高了每年节省的燃料成本。然而由于减少整体功率回收的EGT设备的缺失，PPS3的每年燃料节省是少于PPS1的。

PPS4的设备规划相比于其他PPS（表5第21行）最大的特点就是如果在结合了作者的蒸汽设备布局的条件下，可以实现了最大的年燃料节省。这取决于PPS4对于ST和EGT能量在推进和电力生产上的设备布局的极大的灵活性，如图7所示。<!--

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