船舶柴油机余热利用系统性能优化.pdf

第 31 卷 第 6 期2023 年 6 月Vol.31 No.6Jun.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言在交通运输体系中，船舶运输凭借其大载货量和低成本特点，在国际贸易交通运输链中占据主要地位。根据相关数据调查结果显示，现代大型船舶柴油机在运行期间，其装置的热效应最高仅为 50%左右，可见其能源资源利用率较低1。柴油机燃料燃烧所产生的热能没有收集而排放进入大气环境中，一方面造成能源资源浪费，另一方面还会污染周围环境，影响空气质量，所以根据余热特点优化余热利用系统，提高能源资源利用率是当前船舶柴油机研发的重要课题。1 构建船舶柴油机余热利用系统模型如图 1 所示，在步骤 1 到步骤 2 环节中，工质泵先对有机工质进行加压压缩，得到高压低温液体。在此之后，执行步骤 2 到步骤 4 环节，液体会流入到蒸发器设备中完成定压吸热，液体从高压低温状态转变成为高压高温状态，通过吸热处理以后逐渐形成饱和的气体状态。执行步骤 4 到步骤 5，膨胀机中有工质进入展开膨胀做功，属于非等熵膨胀作业，工质从膨胀机出来以后，其状态会转变为低压乏气的状态，在冷凝器进行冷凝处理，得到低温、低压的饱和性液体。最后，再次循环处理，在人工质泵中做加压处理，完成整个循环操作2。分析船舶柴油机余热利用系统的所有部件，其关系表达式如下：工质泵的功耗关系表达式为：船舶柴油机余热利用系统性能优化张友智,吴柳青（广船国际有限公司技术中心，广东 广州）摘 要：船体结构设计能够对船舶建造和投入使用之后的性能产生直接影响，针对这一问题开展研究具有重要意义。本文首先概述了船体结构设计的要求及内容；其次，分析了船体结构设计的基本流程；再次，研究了船体结构设计对船舶建造产生的多种影响；最后，提出了若干船体结构设计的细节处理方式，旨在促进船体结构设计水平的提升，保障船舶性能。关键词：船体结构；设计理念；船舶建造中图分类号：U663.2 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.06.023引用格式张友智,吴柳青.船舶柴油机余热利用系统性能优化 J.船舶物资与市场,2023,31(6):71-73.Wp=m1(h1-h2)=mi(h1-h2)p，（1）蒸发器内部工质的吸热量关系表达式为：Qe=me(hg.m-hg.out)=mf(h4-h2)，（2）膨胀机内部工质的膨胀做功关系表达式为：Wt=mf(h4-h5)=mf(h4-h5s)t，（3）冷凝器内部工质与冷却水热量交换的关系表达式为：Q c=mf(h s-h t)=mcw(hc.out-hc.in)，（4）船舶柴油机余热利用系统输出的净功关系表达式为：Wnet=Wt-Wp，（5）船舶柴油机余热利用系统输出的热效率关系表达式为：=100%Wnet Qe。（6）在船舶柴油机余热利用系统循环过程中，每个关键点 i 的值关系表达式如下：Ei=mi(hi-h0)-T0(si-s0)。（7）在系统的循环作用期间，船舶柴油机的部件出现的损失值关系表达式为：收稿日期：2023-03-13作者简介：张友智（1978-），男，本科，高级工程师，研究方向为智能船舶。图 1 有机朗肯循环系统与 T-S 图船舶物资与市场第 31 卷 第 6 期 72 Ii=Ein -Eout-Wi=Ei,fuel-Ei,product。（8）式中：W 代表系统做功；Q 代表系统运行产生的热量；p代表工质泵的等熵效率；t代表膨胀机的等熵效率；代表系统散热的效率值；mf代表工质的冷却水质量流量值；mcw代表冷凝器的冷却水质量流量值；me代表排气系统的冷却水质量流量值；在系统分析和数据计算中，工质、冷凝器和排气系统的冷却水质量流量值之间互不相等。h 代表焓值；g 代表排气；i 代表在不同状态下的工质点；in 代表排气与冷却水的进口；out 代表排气与冷却水的出口；E 代表值。2 选择余热利用系统载体本文针对船舶柴油机余热利用系统展开研究，主要对使用的有机工质是否与主机余热特点相符合做出判断。在以有机工质选用原则和窄点温差作为依据展开分析的基础之上，综合使用 Matlab 软件完成 Refprop 热物性参数的调用处理工作，将船舶柴油机余热利用系统分析期间的数学模型进行转换，得到程序语言3。从众多的有机工质当中挑选出 9 种类型的工质，展开关于其热学性能方面的分析，9 种工质的物性参数值如表 1 所示。表 1 有机工质的物性参数值有机工质临界压力值/MPa沸点值/K最大可用温度值/K临界温度值/KGWPODPR1153.346269.68516.15427.7482370.482R1233.573313.85602.26447.74750.023R6013.467312.87503.03459.43210R1424.147273.14471.64412.4819480.072R2353.431288.42423.58421.747390R2453.219282.54447.94397.8462390R2513.936289.14439.74432.496380R6003.572287.92576.39434.257890R600a3.538267.37576.39416.3940工质 R123 在性质划分时，将其归类到类臭氧消耗类，但是相比较于其他同等类型的物质，该工质的臭氧消耗潜能值和全球变暖潜能值偏低。在大气之中，工质 R123 具有比较短暂寿命，从而使得该工质破坏环境的能力大幅度下降。实际上，经济发展水平比较高的西方国家可以在 2030 年之前生产工质 R123，经济发展水平比较低的国家，可以在 2040 年之前生产工质 R123。除此以外，在循环利用的环节中，工质 R123 的利用效率很高，所以可以被长时间使用，所以很多研究人员青睐工质 R123。随着船舶柴油机余热利用系统循环蒸发压力的持续提高，热效率和循环净功处于持续增加的状态，并且在压力最大的位置达到最高峰4。但是，循环净功和损失值的发展变化趋势却正好相反，当蒸发压力持续提高时，循环净功和损失值车呈现出下降的态势。在上述 9种类型的工质中，工质 R123 的特效率性能和循环净功都具有优势。为了更好地将船舶柴油机余热进行回收，将工质 R123 作为循环工质展开深度分析。3 循环性能优化分析为了保证余热回收系统的性能获得显著提高，在本次研究中以 vaja 等构建完成的模型4，5作为依据，分析原油/基本余热回收循环优化系统，将回热器和预热器增加到系统中，建立缸套水预热循环系统和乏汽回热循环系统，回收利用膨胀机乏汽的热量和船舶柴油机余热中的缸套水热量，其中缸套水的参数如表 2 所示。表 2 缸套水相关参数值缸套水项目参数值缸套水进口位置的温度/85工质经缸套水预热后的温度值/70缸套水流量/kgs-129.849缸套水压力/kPa300相比较于基本循环和回热循环，预热循环在应用之中更加具有优势，为了保证船舶柴油机余热利用系统的经济性能和热力性能处于比较好的位置，循环压力选择为预热循环性能最优的 2000 kPa6，7。2000 kPa 下所有循环性能的情况对比，如表 3 所示。表 3 2000 kPa 下所有循环性能的情况对比表循环结构循环净功/kW热效率损失/kW单位发电成本（元/kWh）回收周期/年发电净收益/元基本循环结果388.2315.29%483.190.15927.12332.85预热循环结果549.3418.39%402.490.169227.46473.48对比变化幅度161.113.1%-80.70.0120.34140.63回热循环结果429.4916.94%452.360.198429.48332.39对比变化幅度41.261.65%-30.830.039222.36-0.46 由表 3 结果显示，预热循环方式相比较于基本循环而言具有比较高的循环净功提高效应。当压力值一定的前提下，循环净功有显著的提高，从 388.23 kW 增加到 549.34 kW，增长了 161.11 kW，变化幅度很大。但是单位发电成本和回收周期仅仅是出现比较小的增长，这第 6 期 73 种结果表示船舶柴油机余热利用系统中采取预热循环具有良好的经济性能。表 4 2000 kPa 下所有循环部件损失与投资比例对比表循环结构部件损失部件投资比例冷凝器/kW膨胀机/kW蒸发器/kW工质泵/kW冷凝器膨胀机蒸发器 工质泵基本循环结果56.23113.75314.323.8415.93%59.23%18.95%8.26%预热循环结果76.94157.95119.134.9718.37%47.76%18.68%7.36%对比变化幅度20.7144.2-195.191.132.44%-11.47%-0.27%-0.9%回热循环结果67.86127.59287.213.8724.43%46.83%15.94%6.64%对比变化幅度11.6313.84-27.110.038.5%-12.4%-3.01%-1.62%由表 4 结果显示，结构性优化基本循环以后，船舶柴油机余热利用系统的所有部件损失呈现出不同程度的变动，其中蒸发器设备有比较大的损失，但是在经过预热循环处理以后，可大幅度减少损失，虽然在回热循环结构中也有所改善，但是其改变的幅度总体偏小。对于船舶柴油机余热利用系统所有部件的投资比例而言，在进行优化前后，膨胀机投资比例始终最大，优化完成后膨胀机的预热循环和回热循环投资比例已经呈下降趋势，并且下降的幅度基本相同8-10。但是，冷凝器设备的投资比例表现出明显的上升状态。由此可见，在船舶柴油机余热利用系统和各类部件结构优化中，预热循环相比较于回热循环更加具有应用优势。4 结语本文针对船舶柴油机余热利用系统性能优化展开研究，通过构建基本循环结构、预热循环结构、回热循环结构，对比分析系统性能和经济指标，综合性地评价船舶柴油机余热利用系统性能。在本研究中得到，在既定的余热条件下，工质 R123 具有最优的性能。在经济性能方面、部件损失与投资比例方面，预热循环具有应用优势，是综合性能最佳的循环系统。参考文献：1 辛佳磊,季嘉晨,靳广超,等.船用柴油机废气余热利用系统性能 J.内燃机学报,2022,40(6):561-568.2 黄桂聪.基于 ORC 的船用柴油机低品位余热利用方案设计与优化研究 D.南宁:广西大学,2021.3 张荣沛,朱骏,季嘉晨.船用低速柴油机余热利用调制技术研究 J.柴油机,2021,43(4):10-15.4VAJA I,GAMBAROTTA A.Internal combustion en-gine(ICE)bottoming with organic Rankine cycles(ORCS)Ener-gy,2010,35(2):1084-1093.5 李晓宁,吕唐辉,王铭昊,等.船舶柴油机余热利用系统性能优化 J.广东海洋大学学报,2021,41(2):123-130.6 王新.船舶柴油机余热利用系统性能分析与优化 J.现代工业经济和信息化,2019,9(4):14-16.7Sun Yongchao,Sun Pengyuan,Zhang Zhixiang,etal.performance prediction for a marine diesel engine waste heat absorption refriger-ation systemJ.Energies,2022,15(19).8Engineering.arab academy for science researchers provide de-tails of new studies and findings in the area of engineering(Perfor-mance analysis of supercritical ORC utilizing marine diesel engine waste heat recovery)J.Journal of Engineering,2020.9 袁勤辉,孙俊,管聪,等.船舶主机双压余热利用系统仿真及分析 J.中国修船,2020,33(5):34-39.10 袁勤辉.大型集装箱船舶柴油机余热利用系统建模及优化D.武汉:武汉理工大学,2020.张友智,等：船舶柴油机余热利用系统性能优化