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基于船舶运行状态对应用有机朗肯循环系统的柴油机不同优化程序的比较

摘 要

对于船舶来讲，在当今这个既要求良好经济性又需要环保成效的时代，无疑是一个严峻的挑战，而船舶余热的利用目前被认为是减少燃料消耗的重要技术之一。本文介绍了四种不同的优化方案对于应用了有机朗肯循环的柴油机在实际工况下运行的不同，将柴油机控制变量纳入方案之内。通过两年内从一艘化学品船上得到的测量数据来测试不同程序的实际应用。结果表明，在所研究的案例当中，

安装了有机朗肯循环并将实际工况考虑在内的船舶每年能够省下大约7.3%到11.4%的燃油消耗。进一步的研究结果表明，模拟有机朗肯循环部分负荷的状态是很重要的，这样可以保证系统在低负荷正常运行，同时让发动机的控制策略在优化程序之内，比只对余热回收系统单独优化要节省更多的燃料。

简介

随着世界经济的发展，各个国家之间的交易稳定增加，而这些交易货物总额的80%~90%都是通过航运来完成的(UNCTAD，2012)。然而，目前船舶行业正经历着一场挑战性的变革。据数据可知，现在的燃油价格比上世纪80年代高了三倍(Mazraati，2011)，尽管当前油价是处于一个较低的水平，但是硫化物排放带来的压力可能会让油价升高(DNV,2012)。除此之外，随着新的船舶二氧化碳排放法规的发行(EEDI，SEEMP)，将要求船舶行业做出更多的努力去减少船舶排放对环境的影响(Devanney,2011)。

在这些因素造成的压力下，一些节约船舶燃油消耗的方法正在被研究和改进。可以采取的一些措施包括：改善船舶航行状态(Armstrong,2013)，柴油机实时监控(Sala et al,2011)，减少船舶辅助设备的功率消耗，船上内饰和吃水的优化(Armstrong,2013)，根据气候选择最佳的航线(Shao et al,2011)，船身和螺旋桨的打磨(Khor and Xiao,2011)以及低速航行(Armstrong,2013)。设计更加高效的柴油机和螺旋桨，减少船体的空气阻力(Slyozkin et al,2014;Makiharju et al,2012)，风力推进(Schwab,2005)，研究新一代辅助设备用的燃料电池(Sattler,2000)，变频泵的设计(Peterson et al,2009)，余热回收系统(DNV,2012)。本文重点介绍的是余热回收系统，该系统的核心是有机朗肯循环。

对于船舶来讲，尽管工业上实际缺少对余热回收系统的运用，但是在高校和一些科研单位，余热回收系统正在被研究。Theotokatos和Livanos教授对于散货船(Theotokatos and Livanos,2013)和渡轮(Livanos et ai,2014)上的单压蒸汽循环提出了技术经济上的评价。Dimopoulos等人提出了以二冲程或者四冲程柴油机作为动力的集装箱船上基于余热回收系统的蒸汽循环的优化。Grimmelius等人建立了一个模型用来对柴油机余热回收系统进行评价，同时还对其在海上的运用做了测试。蒸汽配送系统广泛地运用在船舶上，这让蒸汽成为船上最现成的资源。基于余热回收的蒸汽系统对于二冲程或者是四冲程柴油机在工业上都是可行的，MAN，瓦锡兰，三菱以及阿法拉伐公司都有生产这样的柴油机。此外大多数建议的解决方案还包括一个涡轮增压器旁路功率水轮连接使用(Dimopoulos et al,2011)。

基于蒸汽的朗肯循环不适用于相对低的温度(200~250)和低压(lt;~10MW)(Invernizzi,2013)。这让有机朗肯循环(ORCs)在二冲程内燃机和更小的推进系统中的运用成为一个具有竞争力的选择。有机朗肯循环是朗肯循环中水被其它蒸发温度更加适合热源温度的有机液体取代的一种。此外，一些有机液体的蒸发温度是一条具有正斜率的蒸汽饱和曲线，这让它们倍受欢迎，因为这种特性能够在膨胀阶段避免形成水滴。

Larsen等人提出了一种关于有机朗肯循环工艺设计布局的同步优化，指出工况下的有机液体和过程的多样化取决于热源的温度；Choi and kim分析了双回路有机朗肯循环系统在中型集装箱船是工作状态下的性能表现，而Yang等人则分析了其在更大的船、只部分负荷时瞬时工况下的性能表现。Ahlgren等人提出了在游船上有机朗肯循环系统的优化。Soffiato等人研究了有机朗肯循环系统在温度相对较低的热源下的用途（增压空气冷却器，润滑油冷却器以及气缸套冷却器），结果显示，以增加系统复杂性为代价，装配了双级有机朗肯循环系统的柴油机比简单循环系统的能输出更大的有效功率。Song等人比较了来自柴油机排气气体和缸套水冷却器的两个可选择的余热回收系统：一种由两个分开的单级有机朗肯循环组成，另一种是一个双级的有机朗肯循环，结果显示后者仅具有略微较低的性能，但是更具有经济吸引力。

一种关于传统的蒸汽循环系统和有机朗肯循环的对比被提出在Hountalas等人的研究中，而Larsen等人在他们的在分析中也包括了Kalina循环。这些研究都是十分有意义的，因为就装机功率而言，二冲程发动机是在航运业迄今为止最常用的原动机(Haight，2012)。

参照不同类型的技术，案例研究和设计，前面提到的作品见证了相当显著的节能可能性当采用余热回收系统时，从1%左右的二冲程发动机单压蒸汽循环应用(Theotokatos and Livanos, 2013)到10%左右更复杂的基于有机朗肯循环系统的运用(Hountalas et al.,2012)或者是超过10%的把冷却系统当做一个余热源的运用(Dimopoulos et al.,2012)。

正如所指出的，除此之外，Banks等人指出船舶有非常多变的运行工况，这直接影响到余热回收的可能性。尽管如此，据我们所知，只有少数的研究在设计和优化余热回收系统时将船舶运行时的多样工况考虑进去。

在众多科技工作者的工作中，我们提出了实际工况下船舶余热回收系统的可行性分析。但这项研究，我们的目的主要集中在所需的系统性能，而不是如何实现最优循环变量(Baldi and Gabrielii,2015)。Dimopoulos等人确定了四个工作条件，并把他们考虑在基于蒸汽的余热回收系统的优化问题上。Choi和kim分析了一个特定工况下的案例，并确定了两个主要操作条件特别相关的回收循环，并且基于这些工况对双环有机朗肯循环系统进行了优化。Kalikatzarakis 和Frangopoulos在优化有机朗肯循环系统时考虑了全面的实际工况，并得到不同的工况对系统的预期经济表现有很大的影响。所有前面引用的文章都是在一确定工况下对余热回收系统进行优化，而部分负荷工况仅仅是模拟，在余热回收系统设计的优化过程中不考虑。

本文的目的是系统性地探讨实际工况对联合循环的优化设计和操作变量的的影响，我们测试了不同的优化方法，评估不同负荷下每个目标函数的规律，以及在整个过程中记录工况的多变性。

方法

在本研究中，我们提出了一个余热回收系统回收来自主发动机的废气的热量，用于向船舶提供额外的电能。由余热回收系统产生的电力主要满足辅助设备的动力需求；过剩的电力可以转化为推进力，通过利用轴作为一个轴马达。不过这导致的事实是，就产生的电能来讲，柴油发动机安装余热回收系统等价于没有安装余热回收系统。

2.1 案例研究说明

不同的优化程序的建议的比较适用于巴拿马油船产品/化学品船。这艘船配备一个数据记录系统，能够持续提供15分钟的推进动力和辅助设备动力记录的需求。这艘船是由两个MaK 8M32C四冲程柴油机驱动(ME)额定功率3840 KW。两个柴油机连接到一个共同的变速箱(GB)，反过来被连接到一个可调螺距螺旋桨和轴带发电机 (SG，额定功率3200KW)。在港口停留期间，辅助设备由两个辅助发电机(AE)额定功率682KW。在本研究中我们只考虑海上航行的情形，因此两个辅助发电机不包括在分析当中。船舶推进系统在其原始的定义和WHR系统安装后的概念分别表示在图1和图2中。

图3a和b分别显示了一年内推进功率和辅助功率的需求分布，而图4显示出了主发动机负荷因子的分布，按下列公式计算：

(1)

图1 船舶推进系统原始的概念表示

图2 联合蒸汽循环推进系统示意图

其中字母和代表功率和效率，下标和分别代表螺旋桨和螺旋桨轴。和可从安装在船上的连续监测系统里读出；假定等于0.99(Shi et al.,2009)；约等于0.983，具体数值由船厂在船舶建造时给出。在这种特定的情况下，最大功率为所有货泵同时使用，这是在港口的卸货状态下。然而实际海上运行情况下处在在非常低的负载，这个时候当电力需求减少约400千瓦。下述表达式是由Haglind提出的，用来表示 大型船舶部分负荷下发电机的效率，同时还基于额定工况点下铜损失的功率(Haglind,2010)：

(2)

其中,和表示负载因子、额定效率和发电机的铜损因素。数值的确定近似等于设计效率的95%，而近似等于0.43(Haglind,2010)。

发动机通过使用经过验证的零维、单区模型(Baldi et al.,2015)。利用一个零维模型代替多项式拟合的选择是基于没有发动机排气流的精确实测数据的情况下。采用双韦博曲线放热模型、热损失与Woschni相关，摩擦模型与Chen相关，在本文中作为对研究问题的相关文献引用(Asad et al., 2014; Kumar and Kumar Chauhan, 2013; Scappin et al., 2012).。利用该模型能够模拟发动机输出功率、燃油消耗率、排气质量流量以及排气温度随着发动机负荷变化的函数，如图5所示。这些变量是十分重要的，因为它们能够影响可回收的热量多少以及其温度的高低。

图3 一年中辅助动力需求和螺旋桨负荷的分布图

图4 船舶总功率的年度分配

应该注意的是，由于推进系统是由两个同样大小的发动机组成，因此定义的负荷系数()对于是否一个发动机或者两个发动机在运行是非常重要的。在图6中可以看出，发动机的燃油消耗率和废气中的热流量曲线对应着不同推进系统的负载系数()。

在没有安装余热回收系统的情况下，这种转变是在负载系数()为47.5%的情况下进行，为了得到最大的燃油效率和保持一个安全的发动机负荷裕度。但是当余热回收系统安装时，Larsen指出，对于选择更高效的发动机运行还是得到更多的废气能量进入余热回收系统，还应该进行更详细的讨论。图6显示当负载系数()减少时，发动机效率也会随之减少，但是废气中的能量流动会增加。

图5 柴油机输出的燃油消耗率和尾气数据，a为燃油消耗率，b为排气质量流量和温度

2.2 有机朗肯循环系统的模型

在本文中，对一个从两台主发动机的废气中进行有机朗肯循环的余热回收系统的稳态模型进行了优化。该模型是用Matlab建立并使用Coolprop软件模拟工质的特性。这里假设该主发动机废气中所有的热量可用于余热回收。

一般的有机朗肯循环系统由4部分组成：泵，膨胀器，换热器和发电机。典型的有机朗肯循环系统结构如图7所示。

图7 有机朗肯循环的结构图

详细的建模方法和方程已经被Larsen 等人提出。以下为主要的方程和假设。

泵的建模在公式3中，由于更大的尺寸，回归的系数被调整以匹配更高的效率。泵的等熵效率()相对于设计值()可以计算泵的体积流量()：

(3)

式中，、、和分别为-0.618，-0.0336，0.6317和0.2699。

膨胀箱的模型是在Schobeiri基于多级轴向汽轮机的研究和Manente等人对大型地热发电厂基于有机朗肯循环的研究基础之上建立的。膨胀机的等熵效率相对于其设计值可以定义在任何负荷系数，如下公式4所示：

(4)

式中，代表焓，下标和分别代表等熵和设计值。代表进口和出口的高度差。膨胀箱压力、温度和质量流速之间关系的模型建立是基于Stodola提出的“椭圆定理”，如下式5所示：

(5)

式中，代表汽轮机特性常数。

总换热系数和换热面积，在设计点()下运用下述公式6可以算出：

(6)

式中，代表平均对流传热系数。部分负荷下的热交换效率被假定为热交换器的质量流量的函数，如公式7所示：

(7)

不同的作者对指数的值提出了不同的估计。Haglind假定的0.58的值用于燃气轮机基于联合循环的余热锅炉。Manente等假定的0.15的值适用于预热器和蒸发器，而0.67适用在Aspen的基于部分载荷的有机朗肯循环的换热器中。Lee 和Kim提出了0.3的值基于实际的有机朗肯循环系统换热器研究。在目前的工作中选用0.6来表示壳式管式换热器的情况。在锅炉的情况下，气体侧的传热系数是占主导地位的，因此，废气质量流量方程使用公式7。

有机朗肯循环部分负荷下的性能取决于施加的控制策略；在目前的情况下普遍采用滑动压力的模式，因为已经证明其在部分负荷操作下提供了更高的效率。根据滑动压力控制，涡轮机的入口气阀不是为了保持涡轮入口压力一定。而是气阀敞开，通过涡轮机入口压力不断变化来适应系统的其余部分。从建模的角度来看，部分负荷蒸发压力由斯托多拉方程、热传递过程以及带有变频电机的泵的特性曲线决定。

对于部分负荷的性能仿真，我们对余热回收锅炉(160摄氏度)之后的废气出口温度进行了限制。这种假设成立是因为较低的排气温度会导致硫酸冷凝从而腐蚀热交换器和由于在更高的温度下操作会降低在余热回收系统中回收的热量，并因此降低了功率输出。

最后，提出有机朗肯系统不是为高负荷下运行设计的，因为机械的部件和热量限制高负荷操作。

应该指出的是，我们的

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