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原文传递双燃料主机及SOFC余热回收系统性能设计研究

论文题名：	双燃料主机及SOFC余热回收系统性能设计研究
关键词：	新能源船舶;双燃料主机;余热回收;有效能分析;经济性分析
摘要：	随着全球能源危机日益严峻，国际海事组织对现代船舶的排放和燃油的标准愈加严格。LNG（LiquifiedNaturalGas）资源储量丰富，现代最佳的清洁能源之一。随着双燃料主机技术的发展成熟，新能源船舶是未来大势所趋，越来越多新能源船舶投入到海上运输。据船舶主机的能流分析，消耗燃料的热量仅有不到50％转换成推动功，有近一半的热量通过各种形式散失到周围环境中，对这部分余热进行回收利用可能提高船舶能效。大多数研究主要集中在高温的烟气余热回收，而缸套水余热虽然品位低，但是总量巨大，有效回收将进一步提高船舶能效。利用有机朗肯循环技术能够更好的回收中低品位余热，并充分利用有机工质的性质与热源进行匹配，能够更好的将低品位余热转换成品位更高的电能。随着现代燃料电池技术更加成熟，已有中小型燃料电池船舶投入营运，固体氧化物燃料电池因其燃料选择的多样性且属于高温电池，可以直接选择LNG进入重整制氢后氢气进入内部进行化学反应。在新能源船舶上在稳定工况下将固体氧化物燃料电池投入到船舶供电网络，降低船舶排放污染。因此，本文结合有机朗肯循环技术回收新能源船舶主机和固体氧化物燃料电池的余热发电，从而提高能源的利用率。　　首先，以超大型油船上的双燃料主机（W7X82DF）为研究对象，建立烟气闭式热源回路模型，将高温烟气转换成稳定的热源，通过闭式热源回路将双燃料主机烟气转换成流量为18.5kg/s、温度120℃的热水。并以缸套水作为热源建立基本ORC（OrganicRankineCycle），研究冷源的控制模式、过冷度和过热度、蒸发冷凝压力和等熵效率等的变化影响。根据有机工质的筛选原则，筛选出12种纯有机工质。比较非共沸工质的性能参数。得出：恒定冷源流量控制模式更加适合用于循环的控制，对系统的性能更佳；三种不同类型的工质受过冷度的影响较小，湿工质受过热度的影响最大，应尽量保持较高的过热度防止发生液击；应尽量增大蒸发压力，同时冷凝压力降低，即维持较高的膨胀比，这样各个热力学性能更优，但应注意冷凝压力尽量不低于大气压力，防止空气的渗入；非共沸混合工质温度滑移能够匹配热源温度，效果相比纯工质稳定。　　其次，根据W7X82DF在不同负荷下的运行参数，利用ORC回收高温烟气和低温缸套水余热，分别建立基本ORC和串联ORC两种热力系统模型，进行模拟分析得出：R600a为高温循环的工质更为合适，而R600更适合作为低温缸套水余热回收系统的工作介质。随着双燃料主机负荷的增大，两种循环模式的能效提高量是降低，但总体降低量较小。串联循环系统的总净输出功受ORC.1和ORC.2蒸发压力的变化影响，均与蒸发压力成正比，受ORC.2蒸发压力的影响更大。无论是基本循环还是串联循环，主要的?损失集中在换热器中，而相应的工质泵等动力元件相对较低，在系统优化过程中应着重对换热过程进行优化设计，增强换热效果。基本循环的能效提高量由1.98%下降至1.01%，而串联循环的能效提高量由2.45%下降至1.13%，不同负荷时串联循环系统的能效提高量高于基本循环系统。　　最后，针对SOFC的高温废气，利用SOFC（SolidOxideFuelCell）/GT（燃气轮机）/ORC系统共同对余热回收利用，用COMSOL多物理场分析软件对SOFC进行模拟分析，然后对系统的热力学性能、系统部件的?损失和?经济性进行计算分析。研究得出：选择逆流模式模拟，随着操作温度的升高，热效率和?效率都呈现略微上升，但增加的幅度很小，增加幅度分别约为1.1%和0.73%，几乎不受操作温度的影响。在ORC系统中，R245fa表现出更佳热力学性能，?效率达到69.36%，系统的?损失主要集中在换热器部分，整个系统的有效能损失中，内源性有效能损失占比大，为89.73%，可避免的有效能损失占比也达到了50%以上，可以得出在整个系统中可以优化的潜力巨大。投资成本比率最高的是换热器HEX.3，达到0.314（USD/h），占比为22.62%，工质泵和水泵的初始投资成本几乎可以忽略不计。
作者：	陈怀强
专业：	船舶与海洋工程
导师：	王哲;纪玉龙
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022