船舶柴油机烟气余热利用过程的交互性影响研究

2022-04-28孙玉伟潘云峰王佳伟袁成清

中国修船 2022年2期

关键词：旁通开度余热

孙玉伟，潘云峰，王佳伟，袁成清

(武汉理工大学，湖北武汉 430063)

目前最先进的船用二冲程柴油机的最高工作效率接近50%，这意味着有一半能量会随着废气和冷却水排入环境中[1]，若能将这部分能量进行回收利用，则可以有效地提升船舶的整体能效。

国内外科研机构针对船舶主机烟气余热利用技术已开展了大量卓有成效的研究工作，但大部分都是对余热利用系统的整体或部分性能指标进行研究[2]，而欠缺对于船舶柴油机与余热回收系统间相互影响关系的相关研究。

针对此问题，本文采用建模仿真计算的方法，分析了烟气换热器不同取气量下柴油机的输出功率、汽缸压力、烟气温度压力等参数变化规律，讨论余热利用对柴油机的影响程度，为船舶使用余热利用系统提供理论指导。

1 系统理论模型

余热利用系统主要部件包括船用低速二冲程柴油机与烟气换热器，二者通过柴油机的废气旁通阀相连接，柴油机余热利用系统结构示意图见图1。

图1 柴油机余热利用系统结构示意图

1.1 柴油机系统

将柴油机划分为汽缸、进排气系统、涡轮压缩机以及中冷器等模块，并对关键模块进行建模[3]。

1)汽缸。汽缸内气体的压缩、膨胀、做功等过程，用能量守恒、动量守恒方程表示为[4]：

(1)

(2)

式中，mz为缸内气体质量，kg；uz为气体内能，kJ/kg;Qf为燃料燃烧释放的热量，kJ；ms为流入汽缸的空气质量，kg；me为汽缸排出的废气质量，kg；mf为缸内燃料质量，kg；Qw为缸内气体热量损失，kJ；pz为缸内压力，Pa；Vz为汽缸容积，m3；x为缸内燃料燃烧百分比；hs为空气焓值，kJ/kg；he为废气焓值，kJ/kg;φ为曲柄转角，rad。

2)中冷器。中冷器冷却管壁的传热系数α，则中冷器出口的空气温度Ts为：

Ts=TK-α·n·Aw(TK-Tw),

(3)

式中，TK为压缩机出口空气温度， ℃；Tw为中冷器冷却水管壁面温度， ℃；n为冷却水管数量；Aw为冷却管壁面面积，m2。

3)涡轮增压器。据能量守恒和质量守恒建立的涡轮增压器模型应满足3个平衡条件，相应公式如下：

WT·ηT=WK，

(4)

vT=vK=vTK，

(5)

qmT=qmK+qmB，

(6)

式中,WT、vT、qmT为涡轮的功率、转速、质量流量；WK、vK、qmK为压缩机的功率、转速、质量流量；ηT为涡轮增压器的效率；vTK为增压器转轴转速；qmB为燃油质量流量。

1.2 烟气换热器

本文研究的换热器是S-CO2布雷顿循环发电系统中的混合式烟气换热器，其换热平衡方程[5]为：

q=hAΔT,

(7)

式中，q为换热量，W；h为换热系数，W/(m2·K)；A为流体与壁面的换热面积，m2;温差ΔT由对数平均温差确定,K。

换热系数h计算公式为：

(8)

努塞尔数Nu由Gnielinski公式得出：

Nu=0.012(Re0.87-280)·Pr0.4

(9)

式中，L为特征长度，m；λ为流体热传导系数，W/(m·K)；dh为水力直径，m；Pr为普朗特数；Re为雷诺数。

2 系统仿真模型及其主要设计参数

在仿真软件GT-Power中，建立MAN B&W 10S90ME-C9.5柴油机模型和烟气换热器模型，并将二者联立为整体系统模型，其仿真模型主要设计参数[6-7]分别如表1和表2所示。

表1 MAN B&W 10S90ME-C9.5型柴油机仿真模型主要设计参数

表2 烟气换热器仿真模型主要设计参数

3 系统模型有效性验证

以MAN公司提供的CEAS数据[6]为基准(输出功率容许偏差为±5%，排气温度容许偏差较高，为±15%)，将模型的输出功率和涡后排气温度参数与台架试验数据对比，如表3所示，偏差值均在容许偏差范围内，故可认为所建立的柴油机模型合理有效。

以表2中主要设计参数为边界条件，单独运行板式烟气换热器仿真模型并对比设计值与计算值差异，得到换热器有效性仿真验证结果见表4，偏差在工程应用可接受范围内，可证明所建立的烟气换热器模型有效性。

表3 柴油机仿真数据与台架试验数据对比(环境温度25 ℃)

表4 换热器有效性仿真验证结果

4 余热利用过程中的交互影响规律

4.1 柴油机变负荷工况下的烟气换热器换热特性

柴油机在100%负荷条件下，调整废气旁通阀的开度使换热器内烟气质量流量达到19.506 kg/s，保持阀门开度不变，调控柴油机负荷，获得烟气换热器功率变化规律如图2所示，温差与换热系数变化规律如图3所示。

图2 烟气换热器功率变化规律

如图2所示，柴油机负荷率从100%降至50%的过程中，烟气换热器的换热功率呈现先降后增的趋势，极值位于60%负荷工况点。由图3可知，随柴油机负荷上升，烟气换热器换热系数呈现下降趋势，换热器冷/热通道两侧流体温差以柴油机70%负荷工况点为拐点，呈现先降后增的变化趋势，这就是造成烟气换热器功率呈现出如图2中先减小后增大趋势的根本原因。

图3 烟气换热器温差与换热系数变化规律

4.2 废气旁通阀开度调控下的柴油机运行特性

设废气旁通阀烟气流量为19.506 kg/s的开度为100%，保持柴油机喷油量与转速不变，改变废气旁通阀开度，得到柴油机输出功率和换热器功率变化规律、涡轮烟气质量流量与进口烟气压力变化规律、压缩机功率与压缩空气质量流量变化规律、柴油机指示效率及汽缸爆发压力变化规律如图4～图7所示。

图4中，在废气旁通阀开度增大的过程中，烟气换热器功率呈增大趋势，柴油机功率呈减小趋势。图5中，流经烟气换热器的烟气质量流量随废气旁通阀开度的增大而提高，而流经排气管进入涡轮透平的烟气流量和压力同步下降，导致涡轮的功率下降。图6中，在涡轮透平输出功率下降的影响下，增压器中的压缩机耗功降低，出口的空气质量流量呈现同步下降的趋势。由图7知，在柴油供气正时和喷油量不变的前提下，进气量下降将造成柴油机缸内出现燃油雾化、混合以及燃烧不充分等问题，进而导致柴油指示效率随废气旁通阀开度的增大而降低。

图4 柴油机输出功率和换热器功率变化规律

图5 涡轮烟气质量流量与进口烟气压力变化规律

图6 压缩机功率与压缩空气质量流量变化的规律

为进一步分析烟气余热利用过程中，柴油机和S-CO2布雷顿循环发电装置的整体运行效能，采用文献[8]所标定的不同热源温度条件下S-CO2布雷顿循环系统效率变化曲线，将其在废气旁通阀不同开度下烟气换热器获得的热量，等值转化为发电功率所对应的有效轴功率，再与柴油机输出功率累加得到系统总功率。柴油机与换热系统的功率变化规律如图8所示，由图8知，总功率随阀门开度增大呈减小趋势，即随着换热器的烟气取用量的增大，系统输出的有用功率总量不断降低。即在不改变柴油原有设计和不考虑余热发电系统自身动态运行特性的前提下，交互影响作用下的柴油机输出功率衰减，不足以由热能发电装置所转换输出功率实现等值补偿。