二級回?zé)崾桨彼h(huán)發(fā)電系統(tǒng)性能

馮金勇，張子建，李靜芬，葛裕民

（上海船用柴油機(jī)研究所，上海 201108）

0 引 言

目前，性能優(yōu)良的船舶柴油機(jī)的熱效率一般在50%左右，剩余的50%左右的能量以各種形式散失，其中25%～30%的熱量被排氣帶走。高溫排氣余熱屬于中高品位的能量，可用來發(fā)電和產(chǎn)生動力。在當(dāng)前節(jié)能環(huán)保呼聲不斷增強(qiáng)，船舶能效國際法規(guī)日益嚴(yán)苛的情況下，研發(fā)船舶柴油機(jī)排氣余熱回收利用裝置勢在必行。

與傳統(tǒng)的朗肯循環(huán)、溫差發(fā)電和動力渦輪發(fā)電技術(shù)相比，氨水循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)以非共沸氨水混合物為工質(zhì)，在換熱過程中具有變溫相變的特性，能縮小換熱溫差，減少不可逆損失，提高能量回收率。目前，國內(nèi)外有關(guān)氨水循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的研究多集中于海洋溫差能、地?zé)崮芎吞柲艿阮I(lǐng)域。HONG 等研究了中溫太陽能驅(qū)動的氨水發(fā)電循環(huán)，其使用拋物線式收集器，通過可變的濃度比適應(yīng)不同的直接輻照度范圍，可獲得4%～20%的太陽能發(fā)電效率，每年的太陽能發(fā)電效率約為14%。SUN 等在氨水循環(huán)的基礎(chǔ)上研究了帶過熱器的太陽能利用系統(tǒng)，對該系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)性能分析，結(jié)果表明，系統(tǒng)壓差是衡量發(fā)電循環(huán)熱效率的重要性能指標(biāo)。劉煜森等將氨水循環(huán)應(yīng)用到海洋溫差發(fā)電中，基于Aspen Plus 軟件對系統(tǒng)進(jìn)行模擬，計算了各設(shè)備的損失，并分析了蒸發(fā)壓力和氨水濃度對系統(tǒng)各參數(shù)的影響。王春莉等根據(jù)氨水動力循環(huán)技術(shù)可深度利用火電機(jī)組的排氣余熱和排汽凝結(jié)熱的優(yōu)點，在不影響電廠循環(huán)熱效率的前提下，采用該技術(shù)將機(jī)組輸出電功率提高了1%左右。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對氨水循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)在海洋溫差能、地?zé)岷吞柲馨l(fā)電等領(lǐng)域的運(yùn)行性能進(jìn)行了深入研究，并在實際工程中進(jìn)行了應(yīng)用，但對其在船舶領(lǐng)域的運(yùn)行性能開展的研究較少。本文以船舶柴油機(jī)排氣為熱源，采用二級回?zé)崾桨彼h(huán)發(fā)電系統(tǒng)，將透平輸出功率和系統(tǒng)熱效率作為評價指標(biāo)，研究分析蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)壓力、氨水基液濃度和冷卻水溫度對系統(tǒng)性能的影響，并通過多參數(shù)對比分析，得到針對特定柴油機(jī)排氣溫度的氨水循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)最佳運(yùn)行點。

1 二級回?zé)崾桨彼h(huán)發(fā)電系統(tǒng)原理

氨水循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)是在朗肯循環(huán)上的一種設(shè)計優(yōu)化，同時針對柴油機(jī)的運(yùn)行特性和排氣溫度波動較大的特點，為穩(wěn)定熱源增加導(dǎo)熱油回路。

二級回?zé)崾桨彼h(huán)發(fā)電系統(tǒng)原理圖見圖1。柴油機(jī)排出的氣體經(jīng)排氣換熱器將能量傳遞給低壓導(dǎo)熱油，導(dǎo)熱油經(jīng)蒸汽發(fā)生器對氨水工質(zhì)加熱；一定濃度的氨水基礎(chǔ)溶液1 進(jìn)入蒸汽發(fā)生器，與高能導(dǎo)熱油換熱，此過程中氨水基液吸熱之后實現(xiàn)變溫相變，成為氣、液兩相工質(zhì)2；氣、液兩相工質(zhì)進(jìn)入氣液分離器，分離為富氨飽和蒸汽3 和貧氨飽和溶液4；富氨飽和蒸汽進(jìn)入透平做功，完成做功之后產(chǎn)生的富氨乏汽5進(jìn)入混合器；溫度較高的貧氨飽和溶液4 經(jīng)高溫回?zé)崞髋c低溫氨水基液12 換熱，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部能量回收；貧氨溶液6 經(jīng)節(jié)流閥降壓之后，與富氨乏汽一起進(jìn)入混合器混合為氨水基液8；氨水基液8 進(jìn)入低溫回?zé)崞鞅晃諠摕崮?，進(jìn)一步降溫形成溫度和氣相率較低的氨水基液9；氨水基液9 進(jìn)入冷凝器被冷凝為氨水基液10；氨水基液10 通過氨水泵加壓，并經(jīng)低溫回?zé)崞骱透邷鼗責(zé)崞鞫壔責(zé)嵘郎刂筮M(jìn)入蒸汽發(fā)生器，形成一個完整的循環(huán)。循環(huán)中既有傳熱過程，又有傳質(zhì)分離過程，理想溫熵（T-S）圖見圖2。

圖1 二級回?zé)崾桨彼h(huán)發(fā)電系統(tǒng)原理圖

圖2 系統(tǒng)T-S 圖

2 二級回?zé)崾桨彼h(huán)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

2.1 設(shè)計輸入

本文以某型低速船舶柴油機(jī)排氣為熱源，二級回?zé)崾桨彼h(huán)系統(tǒng)設(shè)計輸入?yún)?shù)見表1。

表1 二級回?zé)崾桨彼h(huán)系統(tǒng)設(shè)計輸入?yún)?shù)

2.2 主要設(shè)備數(shù)學(xué)模型和參數(shù)定義

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，從能量的數(shù)量角度分析裝置或設(shè)備中能量的轉(zhuǎn)換、傳遞、利用和損失情況。主要熱力學(xué)指標(biāo)為熱效率和透平輸出功，其中熱效率為有效輸出的能量與總能量消耗之比。

3) 透平發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量和效率分別為

式(5)和式(6)中： W為透平機(jī)組發(fā)電量，kW； h為透平出口富氨蒸汽的比焓，kJ/kg；η為透平發(fā)電機(jī)組效率；η為透平等熵膨脹效率；η為透平發(fā)電機(jī)組機(jī)械傳動效率；η為發(fā)電機(jī)效率。

4) 混合器的氨組分質(zhì)量守恒、總質(zhì)量守恒和能量守恒的表達(dá)式分別為

式(7)～式(9)中： x為混合器出口處氨水基液的干度； x為透平出口乏汽的干度； x為節(jié)流閥后貧氨溶液的干度； h為混合器出口處氨水基液的比焓，kJ/kg； h為透平出口乏汽的比焓，kJ/kg； h為節(jié)流閥后貧氨溶液的比焓，kJ/kg。

5) 泵的功耗和等熵效率分別為

式(10)和式(11)中：W 為工質(zhì)泵消耗的功，kW；η為工質(zhì)泵機(jī)械效率；η 為工質(zhì)泵電機(jī)效率；η 為泵的等熵效率； h為工質(zhì)泵出口工質(zhì)的比焓，kJ/kg； h為工質(zhì)泵進(jìn)口工質(zhì)的比焓，kJ/kg； h為工質(zhì)泵理想工質(zhì)泵出口處的比焓，kJ/kg。

6) 系統(tǒng)的熱效率為

式(12)中：η 為系統(tǒng)熱效率；Q 為煙油換熱器的熱負(fù)荷，kW。

2.3 仿真模型搭建

根據(jù)設(shè)計的二級回?zé)崾桨彼h(huán)發(fā)電系統(tǒng)的模塊組成、運(yùn)行特點和輸入?yún)?shù)，利用Aspen plus 搭建系統(tǒng)一維仿真模型（見圖3）。

圖3 二級回?zé)崾桨彼h(huán)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)設(shè)計輸入?yún)?shù)，仿真模型運(yùn)行結(jié)果見圖4，可認(rèn)為系統(tǒng)運(yùn)行無誤，可進(jìn)行仿真計算。

圖4 仿真模型運(yùn)行結(jié)果界面

3 特征參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

本文通過設(shè)定系統(tǒng)凈發(fā)電量，調(diào)節(jié)氨水基液濃度、蒸發(fā)壓力、蒸發(fā)溫度和冷卻水溫度等參數(shù)，分析其對系統(tǒng)性能的影響，并對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確定系統(tǒng)最佳運(yùn)行點。

對系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)和運(yùn)行條件做以下設(shè)定和假設(shè)：

1) 計算時系統(tǒng)中的流體已達(dá)到穩(wěn)定流動狀態(tài)；

2) 為方便比較氨水循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的熱效率，使排氣換熱器排氣出口的溫度為170℃；

3) 由于各氨水基液濃度梯度下系統(tǒng)運(yùn)行均有相似的變化特性，因此僅對部分氨水基液濃度特性進(jìn)行研究，分別針對25%～55%氨水基液濃度進(jìn)行計算分析；

4) 蒸發(fā)壓力的選取需考慮設(shè)備選型、透平出口乏汽干度和系統(tǒng)工況點的影響，選取蒸發(fā)壓力區(qū)間為2.5～4.0MPa，變化步長為1.0MPa；

5) 為降低透平“汽蝕”的影響，要求透平出口富氨乏汽干度不低于90%，對透平進(jìn)口富氨飽和蒸汽濃度不作要求；

6) 為保證系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行、易于控制，將自基液泵出口至蒸汽發(fā)生器進(jìn)口的氨水基液限制為液相狀態(tài)，無氣、液兩相流；

7） 設(shè)定柴油機(jī)排氣流量為變量，設(shè)定系統(tǒng)凈輸出功率為800kW，即將800kW 設(shè)定為恒輸出發(fā)電量。

3.1 氨水基液濃度對系統(tǒng)性能的影響

在不同氨水基液濃度下對系統(tǒng)進(jìn)行仿真時，蒸發(fā)壓力范圍為3～4MPa，變化步長為0.5MPa；蒸發(fā)溫度為200℃，冷凝溫度取40℃。氨水基液濃度對系統(tǒng)性能的影響見圖5。

圖5 氨水基液濃度對系統(tǒng)性能的影響

由圖5 可知，在溫度和壓力一定的情況下，氨水基液濃度越大，基液質(zhì)量流量越小，富氨蒸汽質(zhì)量流量越大。這是因為隨著氨水基液濃度的增大，基液中的氨越來越易析出，分離器分離出的進(jìn)入透平做功的富氨蒸汽比例越來越大，在凈輸出功率一定的情況下，基液的質(zhì)量流量越來越小。貧氨溶液的質(zhì)量流量隨著氨水基液濃度的升高而下降，這說明氨水基液濃度越大，用于做功的富氨工質(zhì)的流量越大，即富氨蒸汽占比( m/ m)越大，而用于回?zé)岬呢毎比芤旱牧髁繙p小，系統(tǒng)回?zé)崃繙p少。此外可看出，乏汽干度隨著氨水基液濃度和富氨蒸汽流量的增大而逐漸增大。在透平入口壓力一定的情況下，隨著基液濃度的增大，循環(huán)吸熱量也增加，這是由于循環(huán)回?zé)崃侩S著氨水基液濃度的增大而減少，這使得熱源放熱量更多，因此循環(huán)吸熱量增加。此外還可看出，透平輸出功率隨著氨水基液濃度的增大而下降。由于基液流量隨著濃度的增大而減小，泵功耗減少，在凈輸出功率一定的情況下，透平輸出功率下降。氨水循環(huán)系統(tǒng)熱效率隨著氨水基液濃度的增大而下降，這是由于系統(tǒng)凈輸出功率一定，而循環(huán)吸熱量隨著濃度的升高而增大，因此系統(tǒng)熱效率下降。

3.2 蒸發(fā)壓力對系統(tǒng)性能的影響

在對不同蒸發(fā)壓力下的循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行仿真時，氨水基液濃度取40%，蒸發(fā)溫度取180℃、190℃和200℃，冷凝溫度取40℃。蒸發(fā)壓力對系統(tǒng)性能的影響見圖6。

圖6 蒸發(fā)壓力對系統(tǒng)性能的影響

由圖6 可知，隨著蒸發(fā)壓力的逐漸升高，氨水基液的流量逐漸增大，富氨蒸汽的做功能力增強(qiáng)，質(zhì)量流量逐漸減小，這導(dǎo)致貧氨溶液的質(zhì)量流量增大，系統(tǒng)回?zé)崃吭龆?；隨著蒸發(fā)壓力的進(jìn)一步升高，富氨蒸汽流量減小的趨勢變緩。此外可看出，提高主蒸汽的壓力雖然會提高工質(zhì)的平均吸熱溫度，使熱效率得到提高，但乏汽干度會隨著蒸發(fā)壓力的升高而下降。隨著蒸發(fā)壓力的升高，富氨工質(zhì)做功的能力增強(qiáng)，循環(huán)吸熱量減少。此外還可看出，透平機(jī)組輸出功率隨著蒸發(fā)壓力的升高而增大，這是因為蒸發(fā)壓力越高，透平進(jìn)出口焓降越大，蒸汽做功的能力越強(qiáng)，機(jī)組的輸出功率越大。隨著蒸發(fā)壓力的升高，氨水循環(huán)的平均吸熱溫度也升高，循環(huán)熱效率提高。

3.3 蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響

在對不同蒸發(fā)溫度下的系統(tǒng)進(jìn)行仿真時，氨水濃度取40%，冷凝溫度取33℃、40℃和45℃，蒸發(fā)壓力取2MPa。蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響見圖7。

圖7 蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響

由圖7 可知，隨著蒸發(fā)溫度的升高，基液流量逐漸下降，下降幅度隨著溫度的升高而減小。這是因為蒸發(fā)溫度越高，透平等效焓降越大，蒸汽做功的能力越強(qiáng)，因此基液氨水流量和富氨蒸汽流量均下降，而貧氨溶液流量基本保持不變，這說明基液氨水流量與富氨蒸汽流量的下降趨勢基本一致。在氨水循環(huán)系統(tǒng)中提高主蒸汽的溫度同樣會使透平乏汽干度升高。同時可看出，隨著主蒸汽溫度在泡點至露點范圍內(nèi)升高，循環(huán)吸熱量呈先減少后增多的趨勢。這是因為隨著蒸發(fā)溫度升高，在凈輸出功率一定的情況下，循環(huán)所需的氨水質(zhì)量流量減小，較小的質(zhì)量流量會導(dǎo)致循環(huán)吸熱量較少，但蒸發(fā)溫度越高，將工質(zhì)加熱到對應(yīng)溫度所需的熱量也更多，這會使循環(huán)吸熱量增加。在溫度升高的初始階段，基液氨水質(zhì)量流量減少起主要作用，循環(huán)吸熱量減少，而隨著蒸發(fā)溫度的進(jìn)一步升高，工質(zhì)質(zhì)量流量的下降幅度減小，此時溫度占主導(dǎo)作用，使循環(huán)吸熱量逐漸增加。隨著溫度的升高，透平輸出功率逐漸減小，這是因為工質(zhì)流量減小使工質(zhì)泵功耗下降，在凈輸出功率一定的情況下，透平做功減小。此外還可看出，隨著氨水的蒸發(fā)溫度在泡點到露點范圍內(nèi)增大，系統(tǒng)的熱效率先升高后下降，這是因為在此次仿真中氨水發(fā)電系統(tǒng)的凈發(fā)電功率為800kW，而循環(huán)吸熱量隨著蒸發(fā)溫度的升高先減少后增加，因此系統(tǒng)熱效率隨著蒸發(fā)溫度的升高先升高后下降。

3.4 冷卻水溫度對系統(tǒng)性能的影響

試驗中，冷卻水溫度會隨著環(huán)境溫度發(fā)生改變，取冷卻水溫度分別為20℃、25℃、32℃、37℃和42℃，系統(tǒng)冷凝器下端差為5K，冷凝水過冷度為3K，對該溫度下的循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到系統(tǒng)參數(shù)并進(jìn)行分析，其中氨水基液濃度取35%、40%和45%，蒸發(fā)溫度取200℃，蒸發(fā)壓力取3.5MPa。冷卻水溫度對系統(tǒng)性能的影響見圖8。

圖8 冷卻水溫度對系統(tǒng)性能的影響

由圖8 可知，隨著冷卻水溫度的升高，各工質(zhì)的流量均增大，這是因為冷卻水溫度越高，循環(huán)系統(tǒng)的乏汽溫度也越高，使得系統(tǒng)效率下降，在凈效率一定的情況下，氨水基液流量和富氨蒸汽流量會增大，而從增大的趨勢來說，氨水基液質(zhì)量流量的增大趨勢要比富氨蒸汽明顯，這使得貧氨溶液的流量也隨著冷卻水溫度的升高而增大。由于冷卻水溫度決定冷凝溫度，而在氨水循環(huán)系統(tǒng)中冷凝溫度越高，乏汽干度就越高，因此乏汽干度隨著冷卻水溫度的升高而升高。同時可看出，由于低冷卻水溫度對應(yīng)的冷凝溫度較低，效率較高，因此在凈輸出功率相同的情況下，冷卻水溫度越高，循環(huán)吸熱量越多。此外還可看出，冷卻水溫度較高，對應(yīng)的透平機(jī)組輸出功率較大。這是因為當(dāng)凈輸出功率為一定時，冷卻水溫度高的循環(huán)，相同氨水工質(zhì)的質(zhì)量流量越高，工質(zhì)泵耗去的功越多，使得透平機(jī)組只有輸出更高的功率才能使凈輸出功率不變。氨水循環(huán)系統(tǒng)的冷凝溫度是由冷卻水溫度確定的，因此改變冷卻水溫度對循環(huán)熱效率有直接影響。冷卻水溫度越高，系統(tǒng)冷凝溫度越高，熱效率越低。

3.5 二級回?zé)崾桨彼h(huán)系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行點

以熱效率最高為目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化待定參數(shù)?？紤]到氨水循環(huán)透平設(shè)計的可行性，氨水透平入口壓力不得高于4.0MPa。通過仿真計算，二級回?zé)崾桨彼h(huán)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化之后各狀態(tài)點的最佳運(yùn)行參數(shù)見表2，系統(tǒng)設(shè)計點性能見表3。

表2 二級回?zé)崾桨彼h(huán)發(fā)電系統(tǒng)各狀態(tài)點的最佳運(yùn)行參數(shù)

表3 二級回?zé)崾桨彼h(huán)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計點性能

4 結(jié) 語

本文利用一維軟件搭建了800kW 二級回?zé)崾桨彼h(huán)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，在不同氨水基液濃度、蒸發(fā)壓力、蒸發(fā)溫度和冷卻水溫度下對氨水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，得到了不同特征參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律?；谔卣鲄?shù)對系統(tǒng)性能的影響，對系統(tǒng)最佳運(yùn)行點的選擇進(jìn)行了分析并得到了最佳運(yùn)行點，以及系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備在最佳運(yùn)行點下的選型參數(shù)。針對268℃柴油機(jī)排氣熱源，可得：

1) 在蒸發(fā)壓力、蒸發(fā)溫度和冷卻水溫度一定的條件下，二級回?zé)崾桨彼h(huán)系統(tǒng)的熱效率隨著氨水基液濃度的增大而下降；

2) 在氨水基液濃度、蒸發(fā)溫度和冷卻水溫度一定的條件下，二級回?zé)崾桨彼h(huán)系統(tǒng)的熱效率隨著蒸發(fā)壓力的增大而升高；

3) 在氨水基液濃度、蒸發(fā)壓力和冷卻水溫度一定的條件下，二級回?zé)崾桨彼h(huán)系統(tǒng)的熱效率隨著蒸發(fā)溫度的升高而先升高后趨于平穩(wěn)；

4) 在氨水基液濃度、蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度一定的條件下，二級回?zé)崾桨彼h(huán)系統(tǒng)的熱效率隨著冷卻水溫度的升高而下降；

5) 在該二級回?zé)崾桨彼h(huán)系統(tǒng)型式下，最優(yōu)運(yùn)行點性能參數(shù)為氨水基液濃度44%、蒸發(fā)壓力4.0MPa、蒸發(fā)溫度214℃時，系統(tǒng)熱效率最高達(dá)到11.52%。