船舶柴油机废气发电效率优化

2022-10-18薛海龙

舰船科学技术 2022年18期

薛海龙

(江苏航运职业技术学院，江苏南通 226001)

0 引言

随着现代科学技术的快速发展，船舶的设计制造技术也获得了极大进步，船舶柴油机技术的变革已经到来。此外，受到燃油价格的上升以及环保意识的不断加强等因素影响，全球船舶柴油机设计生产商持续加大船舶柴油机节能减排的研究，利用目前可以获得的一切技术方法来提升船舶柴油机在环保以及节能减排等方面的综合性能。本文对船舶柴油机废气发电技术进行研究，对船舶发电技术发展有指导意义。

1 船舶柴油机废气排放模型

1.1 柴油机废气质量流量计算

船舶废气质量流量的计算方式主要有直接测量、燃料测量和碳平衡3种方法，船舶废气质量流量的直接测量法一般是利用相应的测量设备直接对柴油机排出的废气进行测量，对流量计的安装位置以及测量条件要求都比较高，因此通过该方法对柴油机排出的废气进行直接测量非常困难，一般不建议使用；使用燃料测量法对船舶柴油机废气进行测量的时候，需要对流入的空气和燃油的流量进行计算，但是对于船舶的柴油机来说，流入柴油机的空气很难计算，因此一般也不使用燃料测量法进行柴油机废气质量的计算；碳平衡法是通过测算柴油机消耗的油量、燃油的成分和柴油机废气浓度这3个量，然后进一步得出柴油机排出废气的质量流量。碳平衡法求解船舶柴油机排出废气质量的计算方法，如下式：

式中：q为柴油机排出的废气质量；q为流入柴油机的燃油质量。燃油常量f的计算方法如下式：

碳系数f的计算方法如下式：

船舶柴油机在不具备气体冷却器的情况下，废气的温湿修正系数k计算式如下：

对于含有气体冷却器的船舶柴油机而言，废气的温湿修正系数k计算如下式：

式中：T为经过冷却器之后的空气温度；T为海水的温度；为经过冷却器之后的空气湿度，其计算方式如下：

式中：p为饱和蒸汽压力；p为空气压力。船舶柴油机废气流量的计算通常以湿基废气浓度为标准，干浓度转换成湿基废气浓度c的计算方式，如下式：

式中：k为干湿修正系数；c为干基废气浓度。船舶柴油机废气单位功率质量流量的平均加权比排放计算方法如下式：

式中：q为船舶柴油机第个单组废气的排放质量流量；W为第个单组的加权系数；P为第个单组的制动功率。

1.2 柴油机废气排放预测模型构建

船舶柴油机废气排放预测模型的输入参数的选择需要从影响柴油机废气排放功能的因素着手。船舶柴油机废气排放的影响因素主要有环境、运行工况以及压缩比等。由于船舶工作环境的变化不是很大，因此环境因素对柴油机废气的排放可以忽略；船舶柴油机的压缩比在正常工作的时候是不会进行调整的，因此不需要考虑压缩比对废气排放的影响。那么柴油机废气排放的主要影响因素就是船舶柴油机的工况，船舶柴油机的工况主要包括转速以及功率等。

在转速恒定的情况下，随着功率的不断提升，柴油机缸内的喷油量逐渐增大，这使得柴油机的温度和压力也随着变大，因此极大地提高了由于混合不均而产生局部高温的可能性，最终形成了易于产生废气的环境。在船舶柴油机恒定功率的情况下，随着柴油机转速逐渐增大，充量系数会不断降低，因此柴油机高温保持的时间会缩短，这种情况下，柴油废气不易产生，并且随着柴油机转速的提升，柴油机气缸内的气压也会下降，进一步遏制了废气的产生。因此使用船舶柴油机的功率以及转速作为预测模型的输入，同时使用船舶废气排放比值作为预测模型的输出。

测试23组数据样本，该数据样本基本将船舶柴油机的运行工况覆盖。测试样本中，船舶柴油机的转速、功率以及废气排放比值之间的关系如图1所示。由于测试样本数据之间的量级和单位不同，因此需要对测试的样本数据进行预处理，然后才能作为船舶柴油机废气排放预测模型的输入参数，归一化之后的样本数据y计算方法如下式：

图1 船舶柴油机转速、功率以及废气排放值三者之间的关系Fig. 1 The relationship among rotational speed, power and exhaust emission value of marine diesel engine

式中：和的取值分别为1和-1，因此式(9)可以表示成为下式：

2 船舶柴油机废气排放处理技术

船舶柴油机排放的废气中包含HC、CO、氮氧化合物等多种有害成分。选择性催化还原是在一定条件下利用氨将氮氧化合物还原成氮气和水，选择性是指只对氮氧化合物进行还原。在选择性催化还原系统中，废气中的硫含量对整个系统的工作效率有很大的影响，并且整个系统要在适当的温度范围内才可以获得相对较高的转换效率。为了能够很好控制选择催化还原系统的温度，使用高压选择性催化还原系统，并且通过设置废气旁通阀门的方法，对排气温度进行控制，船舶柴油机废气排放系统结构如图2所示。

图2 柴油机废气排放处理系统Fig. 2 Diesel engine exhaust emission treatment system

可以看出，废气旁通阀安装在选择性催化还原系统的后面，这是为了能够方便地控制选择性催化还原系统的温度，船舶柴油机废气进入动力涡轮之后会激发动力涡轮做功，动力涡轮会带动船舶上的发电机发电。添加了废气旁通阀门之后，会降低涡轮的输出功率，从而影响到压气机做功；压气机功率降低之后，就会导致进气量降低以及燃烧不充分，进一步降低了热效率，从而导致柴油机排出的废气温度上升。因此需要匹配新的涡轮增压器，并且通过调整喷油定时等方法来减少燃油的消耗。从能量守恒上来看，船舶涡轮的输出功率等于船舶上压气机的压缩功率，如下式：

3 船舶动力涡轮发电技术

3.1 动力涡轮数学建模

动力涡轮的工作效率高，因此可以充分利用船舶柴油机排出的废气做功，进一步提升船舶电力系统的工作效率。在对船舶柴油机排出的废气进行旁通调制的过程中，将船舶柴油机输出的废气送给涡轮的同时，也将废气送给动力涡轮，在船舶柴油机废气的作用下，动力涡轮可以驱动船舶上的发电机工作。船舶动力涡轮的输出等熵温度的求解方法，如下式：

式中：T为进入涡轮的废气温度；P为进入涡轮的废气压强；P为流出涡轮的废气压强。动力涡轮的等熵出口焓h、出口焓h以及输出功率P的计算方法分别如下式：

其中η为动力涡轮的效率。

船舶柴油机废气旁通阀门的开度r情况直接决定了动力涡轮的工作情况，当阀门开度r大于0时，船舶动力涡轮开始工作；当阀门开度r等于0时，船舶动力涡轮停止工作。船舶动力涡轮的功率和废气阀门开度之间的关系如图3所示。可以看出，随着废气阀门开度的变大，动力涡轮的功率也随着变大。这是因为废气阀门开度的增大会导致流入动力涡轮的废气流量增大，并且船舶动力涡轮的入口温度也会提升，最终使得船舶动力涡轮的输出功率变大。

图3 阀门开度和动力涡轮功率之间的关系Fig. 3 Relationship between valve opening and power turbine power

3.2 动力涡轮发电效率优化仿真

当船舶柴油机工作过程中负荷相对较低的时候，则可以打开船舶柴油机的废气旁通阀门以提升动力涡轮的入口废气流量，则这时候船舶的动力涡轮开始工作。当船舶柴油机的负荷较高时，则不打开船舶柴油机的废气阀门，这时候船舶动力涡轮停止工作。因此通过控制船舶柴油机废气阀门的通断，可以调节船舶柴油机和涡轮之间的匹配关系。

当船舶柴油机的工况从50%跌落到25%的时候，则此时逐渐打开船舶柴油机废气旁通阀门，船舶动力涡轮开始工作，并带动发电机发电。在仿真过程中，设置仿真时间为3 000 s，船舶柴油机在1 500 s的时候减速，此时船舶柴油机废气阀门开始逐渐打开，涡轮出口流量如图4所示。可以看出，船舶柴油机转速降低之后，船舶柴油机气缸的输出功率也会减小，这使得系统的整体排气量降低，同时船舶柴油机废气阀门逐渐打开，导致流进船舶动力涡轮的废气流量逐渐上升，因此流入涡轮的废气流量减小。

图4 废气阀门打开后涡轮流量变化Fig. 4 Turbine flow change after exhaust valve is opened

当船舶柴油机的工况从25%上升至50%的时候，则此时逐渐关闭船舶柴油废气旁通阀门，船舶动力涡轮停止工作，发电机停止发电。在仿真过程中，设置仿真时间为3 000 s，船舶柴油机在1 500 s的时候开始加速，此时船舶柴油机废气阀门逐渐关闭，涡轮出口流量如图5所示。可以看出，随着船舶柴油机转速的提升以及船舶柴油机废气阀门的逐渐闭合，船舶柴油机气缸所产生的废气将全部流进涡轮，最终导致涡轮的废气流量快速增大。