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原文传递耦合废气再循环的船舶柴油机余热回收联合循环设计及性能研究

论文题名：	耦合废气再循环的船舶柴油机余热回收联合循环设计及性能研究
关键词：	船用二冲程柴油机;耦合废气再循环;余热回收;联合循环
摘要：	针对国际海事组织(IMO)提出的氮氧化物(NOx)第三阶段排放法规和船舶能效设计指数(EEDI)要求，研究证实废气再循环(EGR)和余热回收(WHR)底循环技术是降低船舶柴油机NOx排放和提高其能效水平的有效途径。高压EGR(HP-EGR)系统紧凑易于安装且WHR潜力大，但引入后需要兼顾不同排放运行模式对系统进行调整，尽可能使船机达到最佳运行效率。在耦合EGR的船舶柴油机上应用WHR底循环技术，可在满足NOx排放要求同时改进主机热效率，但兼顾不同排放运行模式的WHR底循环设计及其对柴油机油耗的改进还有待研究。因此，本文围绕耦合HP-EGR的船舶柴油机WHR联合循环技术，采用数值模拟和热力学分析的方法，开展的主要研究工作及有关结论如下: 　　(1)通过建立耦合HP-EGR的船用二冲程柴油机GT-Power仿真模型，分析了HP-EGR系统对二冲程柴油机缸内燃烧和扫气流通特性的影响。在此基础上，提出了二冲程柴油机HP-EGR系统匹配方案，并通过DoE优化获得了兼顾IMOTierⅡ和TierⅢ模式的柴油机油耗最优运行方案。结果表明，基于最优运行方案，柴油机在IMOTierⅡ和TierⅢ运行模式下的扫气压力和扫气流量基本恢复至原机状态，TierⅡ运行模式下油耗相较于原机降低了0～3g/kW·h,TierⅢ运行模式下油耗相较于优化前降低了5～11g/kW·h。　　(2)基于最优运行方案下的余热参数，采用能量平衡和?平衡方法，对柴油机余热特性进行了分析。结果表明，余热特性与柴油机运行模式及负荷变化密切相关;IMOTierⅡ运行模式下余热能占比约49～53％,余热源总?量约337～1469kW;在此基础上，IMOTierⅢ运行模式下余热能占比提高2～5％,总?量增加77～232kW,且主要体现在高温热源上，这有利于通过应用WHR底循环技术来提高耦合EGR的柴油机热效率。在探明柴油机余热特性基础上，提出兼顾多热源、变工况、变运行模式的双压力蒸汽朗肯循环WHR方案，并采用能量平衡及?平衡分析方法在MATLAB中建立了循环热力学计算模型，验证了该模型在变负荷工况下对循环主要性能参数具有较强的预测能力。　　(3)利用建立的计算模型，开展了循环设计工况运行参数和变工况运转特性研究，并针对WHR底循环对船机综合油耗的改进及产生的燃油经济效益进行了分析。结果表明，高低压级蒸发压力对系统能量平衡及?损失分布具有重要影响，提高蒸汽过热度有利于在高压级蒸汽产量较小时提高净功输出并确保蒸汽涡轮可靠运行;余热源温度变化决定了循环热效率(8.1～15.4％),同时系统具有较强的工况依赖特性;双压力蒸汽朗肯循环的应用，可使柴油机综合油耗在TierⅡ运行模式下改进3.5％(全速航行)和2.2％(减速航行)，在TierⅢ运行模式下改进5.7％(全速航行)和4.4％(减速航行);ECAs内船舶航行时间占比为12.5％时，柴油机年均综合燃油成本降低4.1％(全速航行)和2.9％(减速航行)。
作者：	汤宇君
专业：	能源动力
导师：	白书战;朱思鹏
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2023