溴化锂制冷机组回收船用柴油机余热的 经济性分析
彭佳杰，王树信，林睿，陈勇，汪海燕
（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海200023）
摘要：针对海洋工程船舶柴油发电机在运行时产生的大量余热资源的利用问题，以某工程船的制冷空调系统设计为例，设计了澳化锂吸收式制冷空调系统，与常规制冷空调方案对比，重点对澳化锂吸收式空调系统进行了节能效果分析与经济评估.结果表明，该系统每年可节约柴油79.061，折合标煤约 115tce，节约燃料费49.6万元，减少CO排放251.9t，经济静态和动态回收期分别为4.2年和5.8年，具有十分显著的节能减排效益和经济收益.
关键词：澳化锂：余热回收：柴油发电机：高温废气：节能减排
中图分类号：U664.121文献标志码：A【DOI】10.13788j.cnki.cbgc.2021.S1.053
EconomicAnalysisofLithiumBromideRefrigerator DrivenbyMarineDiesel GeneratorWasteHeat
PENG Jiajie WANG Shuxin LIN Rui CHEN Yong WANG Haiyan(Marine Design and Research Institute of China Shanghai 200023 China)
Abstract:The diesel generators of engineering ships generate huge waste heat resources during the operation.Taking an enginering ship as an example a lithium bromide absoeption air conditioning system driven bymarine diesel generator waste heat is introduced and pared with traditional pression refrigeration.Energy conservation effect analysis and economic evaluation are focused on.
The results show that this system can save 79.06 ton of diesel which is equivalent to 15 ton of standard coal 496 thousand yuan and reduces 251.9 ton of carbon dioxide emissions every year. The economic static anddynamic payback period are 4.2 years and 5.8 years respectively which have very significant energyconservation emission reduction and economic benefits.
Key words: lithium bromide; waste heat recovery; diesel generator; high temperature exhaust gas; energysaving and emission reduction
0引言
济性低.与压缩式冷水机组不同，溴化锂吸收式冷水 船舶空调系统采用压缩式冷水机组，耗电量巨大，经机组具有热驱动、电能消耗极少等特点，为船舶余热资源利用提供了新的途径.此外，溴化锂吸收式冷水 机组还具有结构简单，金属消耗量小，操作维护容易等优势问.与其他热驱动制冷方式如吸附式制冷，蒸油发电机废气余热资源制取空调用冷媒水，替代传统 气喷射制冷相比，其运行效率更高，可以有效利用柴电力制冷模式，从而降低船用空调系统的用电负荷，提升能源利用率，减少燃料的消耗，实现船用空调系
船舶节能设计，降低燃料消耗，提高能源综合利用率是当今船舶设计的重要方向.柴油发电机作为船用核心设备耗油量巨大，常用的柴油发电机运行效率 不足50%，有超过一半的能量未能得到充分利用，其中废气带走的能量约占燃料总能量的1/3，同时在运行时会产生大量的高温套缸水.废气和套缸水温度 高，量足，具有十分巨大的热量回收潜能.
随着船员对居住环境要求的不断提升，船舶空调系统逐步成为现代船舶的重要组成部分，绝大多数的
统的节能设计，达到节能减排的目标.
目前关于溴化锂吸收式制冷机组的研究已经较为结构等方面，且在海洋平台上有少量应用.而实 成熟，主要集中在提升机组的运行效率、优化机组际利用船舶余热驱动溴化锂机组制冷的装船应用案例较少，远未普及.本文根据船用柴油发电机余热资源的温度范围，针对实际工程船的空调系统设计提出利 用柴油发电机余热驱动澳化锂吸收式冷水机组制取空调用冷媒水的设计方案，并与传统电力制冷方案进行对比，分析评估节能减排效果和经济性，为船舶的余热回收利用和船用空调系统的优化节能设计提供创新 思路.
1可利用余热量
本工程船的余热资源主要来自布置于机舱底层的4台柴油发电机机组，设置4台废气锅炉用于回收废气的热量.利用热源收集单元整合废气的热量，通过 板式冷却器换热后稳定输出98℃C左右的热水，用作夏季空调系统澳化锂吸收式制冷机组的驱动热源或冬季空调的直接热源.本船采用的是GE的柴油机，单台柴油机的废气排温流量数据见表1.
表1废气排温流量汇总
主机功率 流量/（m²/min） 温度/℃ 废气换热量&W100% 75% 371.7 287.4 358.8 298 525 34750% 223.9 297 28025% 149.2 295 168
根据表1的数据可知，每台柴油机在100%主机功率下运行时其废气换热量为525kW，4台柴油发电机组一共可以产生2100kW的可利用余热.考虑到本 工程船会在不同的工况下航行，且主机一般在90%功率下运行，此时单台柴油机的废气换热量约为运行台数，将总废气换热量汇总于表2. 480kW.根据不同航行工况下的年运行时间与柴油机
表2不同工况下锅炉总供热量
工况 年运行 运行 总度气航行 时间% 336 主机数/台 4 换热量/kW 1920机动航行 72 3 1440挖沟 起重 3 000 48 4 3 1 920 1 440
2澳化锂吸收式制冷机组
2.1 工作原理
本工程船选用的是热水单效型澳化锂吸收式制冷机组，其外观图和工作原理图见图1.
热水单效型溴化锂吸收式制冷机组的工作原理可
分为2部分.
2.2工作介质的优越性
1）热水由水泵通过管路流经发生器，发生器内的溶液吸收热水热量后产生水蒸气，溶液由稀溶液变成浓溶液，降压后进入吸收器，吸收由蒸发器产生的冷 剂蒸气后重新形成稀溶液，泵送至发生器.
2）发生器中的溶液吸收热水热量后产生的水蒸气在冷凝器中冷凝，经管路进入蒸发器，在低压状态下 蒸发，产生制冷效应，并由冷媒水带走冷量.
在澳化锂吸收式冷水机组中冷剂水在真空压力下蒸发制冷，通过溶液的质量分数在吸收和发生过程中的变化实现冷剂水的制冷循环.
(a）机组外观图
图1溴化锂机组外观与工作原理图
溴化锂吸收式制冷机组以水作为制冷剂，与其他船用的制冷剂相比，其臭氧破坏指数ODP（OzoneDepletion Potential）和温室效应指数GWP（Global WarmingPotential）均为0，不会对生态环境造成破坏，能够满足中国船级社《绿色生态船舶规范》2020对于船用制冷剂的使用和限制的相关规范要求，表3主要冷剂成本低，可以大大减少前期在制冷剂方面的投资. 汇总了船舶常用制冷剂的环保指数.此外，水作为制
表3常用船舶制冷剂环保指数
制冷剂 R134A R404A R407CR718组成成分 (HFC) R134A R125/143A/ 134A R32/125/ 134A HOODP (R111) 0 0 0 0GWP（CO1) 1300 3943 1530 0
2.3机组运行参数
澳化锂吸收式冷水机组在标准工况下运行的各项参数见表4.根据本船夏季工况下空调系统制冷负荷的计算结果选择额定制冷量为550kW的溴化锂吸收 式冷水机组，根据机组在标准工况下的运行参数计算可知机组在满负荷运行时需要消耗热量约为670kW.化锂吸收式冷水机组的驱动热源的稳定热量供给. 由图2可知，本船在运行期间不同工况下均能保证溴
图3余热驱动的澳化锂吸收式制冷系统原理图
表4溴化锂吸收式冷水机组在标准工况下的运行参数
位置 参数 参数值驱动热水侧 进口温度/C 出口温度/℃ 95 85流量/（m/h） 57.6进口温度/C 32冷却水侧 流量/（m²/h） 出口温度/C 209.7 37进口温度/℃ 12冷冻水侧 出口温度/℃ 7流量/(m/b) 94.6
4节能减排分析与经济评估
4.1节能减排效益
本船配备的澳化锂机组额定制冷量550kW，满负水机组（相同制冷量下电力负荷为185.7kW）相比可 荷运行时电力负荷约为2.7kW，与传统螺杆压缩式冷减少约98.5%的电力负荷，即183kW.本船年运行时年节约电能395280kW-h，相当于每年节约柴油量 间按144天计，空调系统年运行时间按90天计，则每79.06t（发电机的比油耗取0.2kg/(kW-h），此数据来折算系数1.4571），每年节约燃料费用49.6万元（最 自轮机专业），合标煤约115 tce（tce为吨标准煤当量，新柴油价格按6270元/吨计）.
每年节约柴油79.061，采用余热驱动的澳化锂吸比，每年可减少CO：排放251.9t（折算系数3.1863kg- 收式制冷空调系统与传统电力驱动压缩式制冷系统相CO/kg-柴油），减排效益十分显著.
4.2经济评估
与传统电力压缩式制冷机组相比，澳化锂吸收式制冷机组前期投资高，后期节省燃料费用.对两种方案进行经济性对比，同时计算静态回收期和动态回收期.计算公式为
(1)
图2可用热量与机组消耗热量对比
(2)
3余热驱动的澳化锂吸收式制冷系统
式中：1表示时间：C为资金节省费用：Co为增加投资费用：4为静态回收期：为动态回收期：为基准收益率，取10%.
理图见图3，主要由柴油发电机组（4台），废气锅炉， 柴油发电机余热驱动的溴化锂吸收式制冷系统原溴化锂吸收式冷水机组，中央空调系统，循环水泵等组成.澳化锂吸收式制冷机组作为整个系统的核心部分，由来自主机余热回收单元的热水驱动运行，冷却 水由本船冷却水系统提供，制取的冷媒水供中央空调系统的空调器和风机盘管处理不同舱室内的热湿负荷使用，保证各个舱室内的温湿度处于正常水平.
通过成本计算分析，本船采用溴化锂吸收式制冷空调方案比采用传统电力制冷空调方案增加投资210燃料费用49.6万元.表5和表6分别为溴化锂吸收式 万元，该费用包含设备以及安装费用，同时每年节约制冷空调方案的静态和动态现金流量.
表5澳化锂吸收式制冷空调方案的静态现金流量
静态净现金流量/万元 运行期 210 0 49.6 1 49.6 2 49.6 3 49.6 4 49.6 5静态累计净现金流量/万元 210 160.4 110.8 61.2 11.6 38.0
表6澳化锂吸收式制冷空调方案的动态现金流量
运行期 0 1 2 3 4 5 6动态净现金流量/万元 210 45.1 41.0 37.3 33.9 30.8 28.0动态累计净现金流量/万元 210 164.9 123.9 86.6 52.7 21.9 6.1
根据式（1）和表5，计算静态回收期为4.2年，根据式（2）和表6，计算动态回收期为5.8年.
参考文献：
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机组的空调系统虽然前期投入较高，但是随着运行时 从经济性分析结果来看，采用澳化锂吸收式冷水间的增加，其经济收益愈发明显，整体而言，6年内能够回收成本.
5结论
本文既对某工程船余热资源进行了分析，并提出并成功装船使用.通过与传统电力制冷空调系统进行 了采用澳化锂吸收式冷水机组的空调系统方案设计，对比并进行节能和经济性分析，得出以下结论：
时电力负荷为2.7kW，与螺杆式冷水机组相比可减少 1）本船澳化锂机组制冷量550kW，满负荷运行约98.5%的电力负荷，每年节约柴油量79.061，折合标煤约115tce，每年节约燃料费用49.6万元，减少 CO排放251.9t，节能减排效果十分明显.
2）初期澳化锂冷水机组虽然投资较大，但是后期济静态回收期为4.2年，动态回收期为5.8年，均不足 节省的燃料费用十分可观，溴化锂冷水机组方案的经6年，远小于机组实际最长运行时限和船舶的寿命年限，投资回收效果明显.
价，当前油价市场低迷，未来随着油价的上涨，采用 3）在计算节约的燃料费用时，采用的是最新的油溴化锂吸收式制冷机组的空调方案能够节省更多的油费，从而降低船舶的运行成本，具有随时间推移经济 收益越明显的优势.
综上所述，利用工程船主机余热驱动澳化锂吸收式冷水机组制取空调用冷媒水可行性高，经济收益十实现船舶空调系统的节能减排设计. 分显著，能够有效地减少船用空调系统的电力负荷，
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