船舶余热有机朗肯循环的工质选择

第19卷 第7期 中 国 水 运（下半月） Vol.19 No.7 2019年 7月 China Water Transport July 2019 船舶余热有机朗肯循环的工质选择 陈旭立 （交通运输部科学研究院，北京 100029） 摘 要：船舶耗油量巨大且会产生大量余热和氮硫化物，为实现船舶节能减排，本文考虑使用有机朗肯循环回收利用船舶余热。但船舶余热形式复杂且温度不同，为使系统性能达到最佳，本文选取7种工质，并以MAN S35MC船舶柴油机为例，通过性能对比分析得出：相比其他工质，R601最适宜船舶余热的回收利用。在最佳工况条件下，有机朗肯循环系统回收利用船舶余热的总热效率能达到12.35%，总输出功率266.24kW，总㶲损率309.02kW，可使船舶柴油机的有效功率提高6.32%，这对实现船舶节能减排具有重大意义。 关键词：船舶余热；有机朗肯循环；余热回收；工质选择 中图分类号：TK11 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2019）07-0099-03 引言 船舶作为运输业的能源消耗大户，能真正得到利用的能源仅有消耗的40%~50%，未被利用的能源大多以低温余热的形式排放到环境中去，不仅增加运输成本，而且燃烧生成的氮氧化物会造成环境问题。为实现节能减排，本文提出将有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）与船舶动力装置相结合，回收利用动力装置产生的大量低温余热，提高船舶的能源利用率，减少对环境破坏。相比传统的余热回收利用装置，ORC能有效的回收利用低温余热，现今被广泛用于太阳能[1]、地热[2]及工业余热[3]等热源的回收利用。但ORC在船舶发动机余热利用方面的研究甚少。因此本文根据ORC特性和船舶余热特点，研究适合船舶余热回收利用的工质，以此提高船舶能源利用率，保护环境。 一、ORC系统工作过程 如图1所示，ORC主要由蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵4个主要的部件组成，其工作过程主要为：液态有机工质在蒸发器中吸热蒸发为高温气态工质，随后进入膨胀机中做功发电，做完功的工质再在冷凝器中冷凝为液态工质，最后，液态工质在工质泵中加压，为下一步蒸发做准备，从而完成一次循环[4]。 焓值；mv为工质的质量流量；ηh为蒸发器的换热效率；ηs和ηp则分别为膨胀机和工质泵的等熵效率；Q为热源在蒸发器中单位时间内的放热量。T0为环境温度，TL为冷凝器中低温热源的平均温度，TH为蒸发器中高温热源的平均温度。 1-2为工质吸热蒸发过程，吸热量为： QehQmv(h2h1)(kw) （1）蒸发器中传热温差引起的㶲损为： I1Q(1hT0（2） )T0mv(s2s1)(kw) TH2-3为工质膨胀做功过程，其中2-3s为理想过程，假设在膨胀过程中不发生摩擦等熵增过程，其实际输出功率为： （3） Wtmv(h2h3)mv(h2h3s)s(kw) 膨胀机内的摩擦损耗等熵增过程引起的㶲损为： （4） I2T0mv(s3s2)(kw) 3-4为工质放热冷凝过程，放热量为： Qcmv(h3h4)(kw) （5）冷凝器中传热温差引起的㶲损为： hh I3T0mv(s4s3)43(kw) （6）TL4-1为工质压缩增压过程，其中4-1s为理想过程，假设压缩过程中不发生摩擦等熵增过程，其实际输入功率为： Wpmv(h1h4)mv （a）系统图 （b）温熵图 图1 ORC系统及温熵图 根据图1中系统图和温熵图的对比分析，建立ORC的热力学数学模型： 下述式中h1，h2，h3，h4和s1，s2，s3，s4分别为图1中相应位置的比焓值和比熵值；h1s，h3s为理想情况下的比收稿日期：2019-02-05 作者简介：陈旭立（1992-），男，交通运输部科学研究院 研究实习员。 h1sh4 (kw) （7）p工质泵内的摩擦损耗等熵增过程引起的㶲损为： I4T0mv(s1s4)(kw) （8） 整个系统的净输出功率为： （9） WnetWtWp(kw) 热效率为： Wnet （10） Qt 100 中 国 水 运 第19卷 总㶲损为： IIIT1I23I4Q(1h0T)H （11） T0m(h3h2)vT(kw)L二、船舶余热类型及ORC系统设计 船舶主机，即柴油机，是船舶的动力来源，消耗全船70%~90%的能源[5]，但消耗的能源有一半甚至更多会以余热的形式排放到大气中去。因此本文主要考虑ORC对于船舶柴油机的余热回收利用。 本文选取MAN公司生产的6S35MC船舶柴油机作为研究对象，根据查得资料[6]，该机最大持续功率为4,440kW，在正常运行下时，总能耗约为9,583kW，输出功率约为4,214kW，余热形式主要为废气、压缩空气和缸套水。其中，该机在正常运行时，废气流量约为3.9104kg/h，出口温度约为270℃，带走热量0.90107kJ/h；增压空气的流量约为3.85104kg/h，进出口温度分别约为150℃和35℃，带走热量0.52107kJ/h；缸套冷却水的流量约为4.95104kg/h，进出口温度分别约为67℃和80℃，带走热量0.27107kJ/h。 根据上述的余热分析，本文设计了图2所示的回收利用船舶余热的ORC系统方案。该方案分别以废气、增压空气和缸套水的余热为热源，各自驱动一套的ORC系统。其中，废气中含有氮硫化物，容易在低温时发生低温腐蚀，为避免这一情况，废气在蒸发器1中的最小出口温度定为200℃，因此其最大可回收热量为761.37kW。而压缩空气在图2蒸发器2中的温差较大，换热效果不佳且增加成本，因此设定压缩空气在该蒸发器出口的最小温度为100℃，最大可回收热量则为4.23kW；缸套水则没有类似，其最大可回收热量为750kW。 图2 船舶余热ORC系统图 三、工质的选择和对比分析 为选取出适宜的工质，本文根据相关文献中的关于ORC工质选取的要求[7]，在针对图3所示方案和考虑船舶机舱的特殊工作环境的前提下，对比多种工质的参数，选取了R1234yf，R1234ez，R245fa，R600，R600a，R601和R601a 共7种工质，表1是这7种工质的重要特性表。 表1 工质特性表 工质名称 临界温度（℃） 临界压力（MPa）ODP GWP（100yr） 工质类型 R1234yf 94.70 3.38 0 —— 干工质 R1234ez 109.34 3. 0 6 干工质 R245fa 1.01 3.65 0 820 干工质 R600 151.97 3.80 0 0.01 干工质 R600a 134.66 3.63 0 3 干工质 R601 196.55 3.37 0 20 干工质 R601a 187.20 3.38 0 —— 干工质 要选出合适的工质，需了解工质在系统中工作时，系统的热效率、净输出功率及㶲损率等参数。同时，为方便计算，假设蒸发器和冷凝器出口的工质均为饱和状态，工质在系统中处于稳定流动状态，且不考虑各管道中的压力损失，表2为图2系统中相关部件的设计参数。 表2 方案设计参数表 参数名称 数值 蒸发器换热效率 0.95 工质泵等熵效率 0.6 膨胀机等熵效率 0.8 冷凝温度 35℃ 最小换热温差 10℃ 如图3所示，本文根据上述ORC的热力学模型和设定的工作条件，利用matable软件调用refprop软件，模拟计算出工质在不同蒸发温度下的热效率。为契合船舶不同形式余热的温度不同，将该热效率图分为3个区域：50~70℃为区域I；70~140℃为区域II；50~70℃为区域III。区域I、区域II、区域III又分别对应以缸套水、压缩空气及废气为热源的ORC系统在不同蒸发温度下的性能。 16I II III 14 R1234yf R1234ze12 R245fa/% R60010 R600a热效率 R601系统8 R601a2406080100120140160180200工质蒸发温度/℃ 图3 工质在不同蒸发温度下的热效率图 在区域I中，随蒸发温度上升，工质热效率和净输出功率也上升，㶲损率下降。7种工质的系统性能相近，但R601的性能相较最佳，在蒸发温度为70℃时，该工质的系统热效率达到最大值6.88%，净输出功率达到最大值51.62kW，㶲损率则达到最小值53.32kW。在区域II中，R1234yf，R1234ze，R600a的临界温度小于140℃，受此影响，这三者的系统在随蒸发温度上升过程中，热效率和净输出功率先增后减，㶲损率则先减后增。其余4种工质的临界温度大于140℃，没有此类影响。其中R601的系统性能仍为最佳，在蒸发温度为140℃时，热效率达到最大值14.11%，净输出功率为90.87kW，㶲损率为.80kW。在区域III中，其余工质也受到临界温度的影响，其系统随蒸发温度上升，热效率和净输出功率先增后减，㶲损率则先减后增。但其中仍以R601的性能为最佳，在蒸发温度为193.4℃时，热效率达到最大值16.25%，净输出功率达到最大值123.75kW，㶲损率达到最小值190.90kW。（下转第103页） 第7期 陈旭立：船舶余热有机朗肯循环的方案设计及性能研究 103 最大热效率为13.46%，蒸发温度为148℃；以增压空气为热源的ORC的最大热效率为13.26%，蒸发温度为140℃。 在净输出功率方面，以废气为热源的ORC先随工质蒸发温度的上升而上升，当温度至151℃时，达到最大净输出功率126.80kW，之后功率随温度上升而下降，其中最大净输出功率所在蒸发温度要高于最大热效率所在蒸发温度，这主要受到工质流量的影响。而以增压空气为热源的ORC，因工质蒸发温度远低于临界温度，其净输出功率随温度上升而上升，在140℃时达到最大值105.49kW。 在㶲损率方面，以废气为热源的ORC，其㶲损率在148℃时，达到最小值213.16kW。其中改进后系统的最小㶲损率要大于原系统中以废气为热源的ORC的最小㶲损率，这是因为改进后系统的做功和工质流量都相对较多，产生的㶲损也就相对较多，假若将㶲损率换算为单位质量工质的㶲损，则改进后的以废气为热源的ORC的最小㶲损为55.01kJ/kg，要小于原系统ORC的最小㶲损69.09kJ/kg。而以增压空气为热源的ORC，其㶲损率随温度上升而下降，最小㶲损率为68.05kW，蒸发温度为140℃ 根据改进后的系统及相关计算所得数据，假设该系统的ORC工质蒸发温度均在最大净输出功率点处，则图6系统的热效率为13.35%，净输出功率为232.29kW，㶲损率为281.53kW，可将柴油机输出功率提高5.81%。 2． 两种系统的性能分析 改进后系统因未利用缸套水余热进行做功，相比未改进系统，其净输出功率减少了2.7%，但系统将缸套水作为预热源为工质预热，增加了其余ORC的工质流量，提高了系统做功能力，且减少了工质和热源的温差，降低了蒸发器中的㶲损率，因此相比未改进系统，系统热效率增长了2.1%，㶲损率减少了16.4%。同时，改进后的系统少了一套ORC设备，使其投入成本和占用空间相对减少，并使日后的维修保养也变得相对 （上接第100页） 综上所述，在所选的7种工质中，应选用R601工质利用ORC系统回收6S35MC船舶柴油机余热。当图2系统选用R601工质并在适宜工况下运行时，其最大热效率为12.35%，能产生最大净输出功率266.24kW和309.02kW的最小㶲损率，提高柴油机功率6.32%。由此可见，ORC对于实现船舶的节能减排具有不可忽视的意义。 四、结论 本文以6S35MC船舶柴油机为例，根据船舶柴油机余热形式的不同，对比不同工质，认为R601最适宜船舶不同余热的回收利用。其中以缸套水为热源的ORC系统在蒸发温度为70℃时性能最佳，此时热效率为6.88%，净输出功率为51.62kW，㶲损率为53.32kW；以压缩空气为热源的ORC系统则在140℃时达到最佳，此时热效率为14.11%，净输出功率为90.87kW，㶲损率为.80kW；而以废气为热源的系统在蒸发温度193.4℃时达到最佳，热效率为16.25%，净输出功率为123.75kW，㶲损率为190.90kW。虽然本文只以一 种柴油机类型为例，但大部分船舶柴油机余热的形式、分布和温度大致相同，因此本文所选的工质仍有一定借鉴意义。 参考文献 [1] 乔卫来，陈九法，薛琴等.太阳能驱动有机朗肯循环的工质比较[J].能源研究与利用，2010，（02）：31-36. [2] 张圣君.低温地热发电循环理论优化与有机工质朗肯循环性能实验研究[D].天津：天津大学，2012. [3] 孙淑华，蔡金刚.工业节能技术研发现状[J].海峡科技与产业，2015，（12）：38-43. [4] 张军辉，刘娟芳，陈清华.有机朗肯循环系统最佳蒸发温度和㶲分析[J].化工学报，2013，（3）：820-826. [5] 曾勤阳.“育鲲”轮船舶能耗分布及能效评价研究[D].大连：大连海事大学，2012. [6] 孙长江，张金钊.船舶主机余热利用技术探究[J].机电设备，2015，（05）：19-22. [7] 于一达.低品位热源有机朗肯循环的工质遴选和参数优化研究[D].北京：华北电力大学，2013.容易。除此之外，改进后系统的预热器只回收了缸套水44.6%的余热，其余热仍有剩余，仍可用于船舶造水机的加热和用于生活热水等用途。总的来说，改进后的系统相比未改进的系统，其利大于弊。因此，本文提出的改进方案是可行的。 四、结论 本文根据船舶柴油机余热分布情况，设计了一个分别以将废气、增压空气和缸套水为热源的船舶余热ORC系统，该系统的热效率可达11.07%，净输出功率为238.65kW，㶲损率为336.60kW，柴油机净输出功率提高了5.97%。通过性能分析，在原系统基础上改进系统，将缸套水余热用于其它两个ORC系统的预热热源。改进后系统的热效率为13.35%，净输出功率为232.29kW，㶲损率为281.53kW，可将柴油机输出功率提高5.81%。相比原系统，改进后系统净输出功率下降了2.7%，但热效率提高2.1%，㶲损率减少16.4%，且系统结构得到简化，节约了成本和空间。 参考文献 [1] 冯驯，徐建，王墨南等.有机朗肯循环系统回收低温余热的优势[J].节能技术，2010，28（5）：387-391. [2] 乔卫来，陈九法，薛琴等.太阳能驱动有机朗肯循环的工质比较[J].能源研究与利用，2010，（2）：31-36. [3] 张圣君.低温地热发电循环理论优化与有机工质朗肯循环性能实验研究[D].天津：天津大学，2012. [4] 薛勇.中国国际海上货物运输主体专论[D].上海：华东大学，2011. [5] 孙长江，张金钊.船舶主机余热利用技术探究[J].机电设备，2015，（5）：19-22. [6] 张军辉，刘娟芳，陈清华.有机朗肯循环系统最佳蒸发温度和㶲分析[J].化工学报，2013，（3）：820-826. [7] 曾勤阳.“育鲲”轮船舶能耗分布及能效评价研究[D].大连：大连海事大学，2012.