船舶柴油機(jī)煙氣余熱利用過程的交互性影響研究

孫玉偉，潘云峰，王佳偉，袁成清

(武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430063)

目前最先進(jìn)的船用二沖程柴油機(jī)的最高工作效率接近50%，這意味著有一半能量會隨著廢氣和冷卻水排入環(huán)境中[1]，若能將這部分能量進(jìn)行回收利用，則可以有效地提升船舶的整體能效。

國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)針對船舶主機(jī)煙氣余熱利用技術(shù)已開展了大量卓有成效的研究工作，但大部分都是對余熱利用系統(tǒng)的整體或部分性能指標(biāo)進(jìn)行研究[2]，而欠缺對于船舶柴油機(jī)與余熱回收系統(tǒng)間相互影響關(guān)系的相關(guān)研究。

針對此問題，本文采用建模仿真計算的方法，分析了煙氣換熱器不同取氣量下柴油機(jī)的輸出功率、汽缸壓力、煙氣溫度壓力等參數(shù)變化規(guī)律，討論余熱利用對柴油機(jī)的影響程度，為船舶使用余熱利用系統(tǒng)提供理論指導(dǎo)。

1 系統(tǒng)理論模型

余熱利用系統(tǒng)主要部件包括船用低速二沖程柴油機(jī)與煙氣換熱器，二者通過柴油機(jī)的廢氣旁通閥相連接，柴油機(jī)余熱利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 柴油機(jī)余熱利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 柴油機(jī)系統(tǒng)

將柴油機(jī)劃分為汽缸、進(jìn)排氣系統(tǒng)、渦輪壓縮機(jī)以及中冷器等模塊，并對關(guān)鍵模塊進(jìn)行建模[3]。

1)汽缸。汽缸內(nèi)氣體的壓縮、膨脹、做功等過程，用能量守恒、動量守恒方程表示為[4]：

(1)

(2)

式中，mz為缸內(nèi)氣體質(zhì)量，kg；uz為氣體內(nèi)能，kJ/kg;Qf為燃料燃燒釋放的熱量，kJ；ms為流入汽缸的空氣質(zhì)量，kg；me為汽缸排出的廢氣質(zhì)量，kg；mf為缸內(nèi)燃料質(zhì)量，kg；Qw為缸內(nèi)氣體熱量損失，kJ；pz為缸內(nèi)壓力，Pa；Vz為汽缸容積，m3；x為缸內(nèi)燃料燃燒百分比；hs為空氣焓值，kJ/kg；he為廢氣焓值，kJ/kg;φ為曲柄轉(zhuǎn)角，rad。

2)中冷器。中冷器冷卻管壁的傳熱系數(shù)α，則中冷器出口的空氣溫度Ts為：

Ts=TK-α·n·Aw(TK-Tw),

(3)

式中，TK為壓縮機(jī)出口空氣溫度， ℃；Tw為中冷器冷卻水管壁面溫度， ℃；n為冷卻水管數(shù)量；Aw為冷卻管壁面面積，m2。

3)渦輪增壓器。據(jù)能量守恒和質(zhì)量守恒建立的渦輪增壓器模型應(yīng)滿足3個平衡條件，相應(yīng)公式如下：

WT·ηT=WK，

(4)

vT=vK=vTK，

(5)

qmT=qmK+qmB，

(6)

式中,WT、vT、qmT為渦輪的功率、轉(zhuǎn)速、質(zhì)量流量；WK、vK、qmK為壓縮機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速、質(zhì)量流量；ηT為渦輪增壓器的效率；vTK為增壓器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速；qmB為燃油質(zhì)量流量。

1.2 煙氣換熱器

本文研究的換熱器是S-CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中的混合式煙氣換熱器，其換熱平衡方程[5]為：

q=hAΔT,

(7)

式中，q為換熱量，W；h為換熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為流體與壁面的換熱面積，m2;溫差ΔT由對數(shù)平均溫差確定,K。

換熱系數(shù)h計算公式為：

(8)

努塞爾數(shù)Nu由Gnielinski公式得出：

Nu=0.012(Re0.87-280)·Pr0.4

(9)

式中，L為特征長度，m；λ為流體熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·K)；dh為水力直徑，m；Pr為普朗特數(shù)；Re為雷諾數(shù)。

2 系統(tǒng)仿真模型及其主要設(shè)計參數(shù)

在仿真軟件GT-Power中，建立MAN B&W 10S90ME-C9.5柴油機(jī)模型和煙氣換熱器模型，并將二者聯(lián)立為整體系統(tǒng)模型，其仿真模型主要設(shè)計參數(shù)[6-7]分別如表1和表2所示。

表1 MAN B&W 10S90ME-C9.5型柴油機(jī)仿真模型主要設(shè)計參數(shù)

表2 煙氣換熱器仿真模型主要設(shè)計參數(shù)

3 系統(tǒng)模型有效性驗證

以MAN公司提供的CEAS數(shù)據(jù)[6]為基準(zhǔn)(輸出功率容許偏差為±5%，排氣溫度容許偏差較高，為±15%)，將模型的輸出功率和渦后排氣溫度參數(shù)與臺架試驗數(shù)據(jù)對比，如表3所示，偏差值均在容許偏差范圍內(nèi)，故可認(rèn)為所建立的柴油機(jī)模型合理有效。

以表2中主要設(shè)計參數(shù)為邊界條件，單獨(dú)運(yùn)行板式煙氣換熱器仿真模型并對比設(shè)計值與計算值差異，得到換熱器有效性仿真驗證結(jié)果見表4，偏差在工程應(yīng)用可接受范圍內(nèi)，可證明所建立的煙氣換熱器模型有效性。

表3 柴油機(jī)仿真數(shù)據(jù)與臺架試驗數(shù)據(jù)對比(環(huán)境溫度25 ℃)

表4 換熱器有效性仿真驗證結(jié)果

4 余熱利用過程中的交互影響規(guī)律

4.1 柴油機(jī)變負(fù)荷工況下的煙氣換熱器換熱特性

柴油機(jī)在100%負(fù)荷條件下，調(diào)整廢氣旁通閥的開度使換熱器內(nèi)煙氣質(zhì)量流量達(dá)到19.506 kg/s，保持閥門開度不變，調(diào)控柴油機(jī)負(fù)荷，獲得煙氣換熱器功率變化規(guī)律如圖2所示，溫差與換熱系數(shù)變化規(guī)律如圖3所示。

圖2 煙氣換熱器功率變化規(guī)律

如圖2所示，柴油機(jī)負(fù)荷率從100%降至50%的過程中，煙氣換熱器的換熱功率呈現(xiàn)先降后增的趨勢，極值位于60%負(fù)荷工況點(diǎn)。由圖3可知，隨柴油機(jī)負(fù)荷上升，煙氣換熱器換熱系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，換熱器冷/熱通道兩側(cè)流體溫差以柴油機(jī)70%負(fù)荷工況點(diǎn)為拐點(diǎn)，呈現(xiàn)先降后增的變化趨勢，這就是造成煙氣換熱器功率呈現(xiàn)出如圖2中先減小后增大趨勢的根本原因。

圖3 煙氣換熱器溫差與換熱系數(shù)變化規(guī)律

4.2 廢氣旁通閥開度調(diào)控下的柴油機(jī)運(yùn)行特性

設(shè)廢氣旁通閥煙氣流量為19.506 kg/s的開度為100%，保持柴油機(jī)噴油量與轉(zhuǎn)速不變，改變廢氣旁通閥開度，得到柴油機(jī)輸出功率和換熱器功率變化規(guī)律、渦輪煙氣質(zhì)量流量與進(jìn)口煙氣壓力變化規(guī)律、壓縮機(jī)功率與壓縮空氣質(zhì)量流量變化規(guī)律、柴油機(jī)指示效率及汽缸爆發(fā)壓力變化規(guī)律如圖4～圖7所示。

圖4中，在廢氣旁通閥開度增大的過程中，煙氣換熱器功率呈增大趨勢，柴油機(jī)功率呈減小趨勢。圖5中，流經(jīng)煙氣換熱器的煙氣質(zhì)量流量隨廢氣旁通閥開度的增大而提高，而流經(jīng)排氣管進(jìn)入渦輪透平的煙氣流量和壓力同步下降，導(dǎo)致渦輪的功率下降。圖6中，在渦輪透平輸出功率下降的影響下，增壓器中的壓縮機(jī)耗功降低，出口的空氣質(zhì)量流量呈現(xiàn)同步下降的趨勢。由圖7知，在柴油供氣正時和噴油量不變的前提下，進(jìn)氣量下降將造成柴油機(jī)缸內(nèi)出現(xiàn)燃油霧化、混合以及燃燒不充分等問題，進(jìn)而導(dǎo)致柴油指示效率隨廢氣旁通閥開度的增大而降低。

圖4 柴油機(jī)輸出功率和換熱器功率變化規(guī)律

圖5 渦輪煙氣質(zhì)量流量與進(jìn)口煙氣壓力變化規(guī)律

圖6 壓縮機(jī)功率與壓縮空氣質(zhì)量流量變化的規(guī)律

為進(jìn)一步分析煙氣余熱利用過程中，柴油機(jī)和S-CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電裝置的整體運(yùn)行效能，采用文獻(xiàn)[8]所標(biāo)定的不同熱源溫度條件下S-CO2布雷頓循環(huán)系統(tǒng)效率變化曲線，將其在廢氣旁通閥不同開度下煙氣換熱器獲得的熱量，等值轉(zhuǎn)化為發(fā)電功率所對應(yīng)的有效軸功率，再與柴油機(jī)輸出功率累加得到系統(tǒng)總功率。柴油機(jī)與換熱系統(tǒng)的功率變化規(guī)律如圖8所示，由圖8知，總功率隨閥門開度增大呈減小趨勢，即隨著換熱器的煙氣取用量的增大，系統(tǒng)輸出的有用功率總量不斷降低。即在不改變柴油原有設(shè)計和不考慮余熱發(fā)電系統(tǒng)自身動態(tài)運(yùn)行特性的前提下，交互影響作用下的柴油機(jī)輸出功率衰減，不足以由熱能發(fā)電裝置所轉(zhuǎn)換輸出功率實現(xiàn)等值補(bǔ)償。

圖7 柴油機(jī)指示效率及汽缸爆發(fā)壓力變化規(guī)律

圖8 柴油機(jī)與換熱系統(tǒng)的功率變化規(guī)律

5 結(jié)束語

本文通過仿真建模的方法，分析了柴油機(jī)與煙氣換熱器間交互影響作用，主要研究結(jié)論如下。

1)煙氣換熱器的功率隨著柴油機(jī)負(fù)荷的遞減，呈先減小后增大的趨勢，因此在實際循環(huán)中需對布雷頓循環(huán)內(nèi)的流量進(jìn)行調(diào)控，使換熱器的功率維持在較高的水平。

2)柴油機(jī)的輸出軸功隨煙氣換熱器取用的煙氣流量增加而降低，所以滿足余熱利用系統(tǒng)熱源需求的前提下，煙氣取用量越小對主機(jī)的影響越小。

3)柴油機(jī)的煙氣取用導(dǎo)致渦輪增壓系統(tǒng)工況發(fā)生變化，與柴油機(jī)不再匹配，使柴油機(jī)的指示效率下降，系統(tǒng)的整體輸出功率下降，所以柴油機(jī)的余熱利用需要對渦輪增壓系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，減少柴油機(jī)指示效率的損失。