渔船引擎余热ORC发电系统热力设计及性能分析

发布时间：2020-05-21 05:38

【摘要】：当今世界,一次能源的日益枯竭和人口增长所带来能源需求攀升之间的矛盾逐渐加剧,在不断开发新能源的同时,如何改进传统的能源利用方式,提高能源利用率也是一项重要的科研课题,而基于有机朗肯循环(ORC)余热回收发电技术是一条可行且具有前景的技术路线。与传统的蒸汽循环相比,有机朗肯循环针对低品位热源可实现较高的热电转化效率,尤其在工业余热利用上具有广阔的发展空间。本文以渔船引擎尾气为热源,对带回热器的有机朗肯循环余热发电系统进行热设计,对比分析了包括正戊烷、R123、R245fa、R245ca、NOVEC649和R1233ZD在内的六种有机工质,基于常规热经济性指标和?评价指标,综合考虑工质安全性和环保性,最终确定了NOVEC649作为最优工质。利用Matlab中的Simulink模块搭建了该余热发电系统的仿真模型,以运行参数如工质蒸发压力和冷凝温度为变量进行了仿真计算和优化分析。通过对比有无回热器的有机朗肯循环,定量计算各项性能指标以分析其对系统的影响。基于仿真模拟参数,以NOVEC649为工质搭建了实际渔船尾气ORC系统,在系统安全稳定运行后得到多组实验数据,分析实验数据得到了系统的运行规律和评价指标。该有机朗肯循环发电系统验证了对船舶引擎尾气进行回收发电的可行性,结合模拟以及实验数据,对不同有机工质的ORC系统运行参数进行了对比分析,定量分析得到参数对系统性能的影响并得到设定工况下的最优值。实际的渔船余热回收发电系统所发电能可供给船舶日常电能消耗,提高了船舶运行的经济性。
【图文】：

系统图,朗肯循环,系统图

该渔船在运行过程中消耗电能的主要设备包括：渔船的照明，船用水泵，制冷系统压缩机，油泵等。根据经验数据，渔船工作期间电能消耗为 8KW 左右。参考渔船热源信息，有机朗肯循环发电系统的输出功率为 6-8KW，大部分时间内能够基本满足渔船的电能消耗，缺口部分由原有发电机填补。2.2 ORC 系统组件及结构带回热器的 ORC 发电系统结构如图 2-1 所示，有机工质在蒸发换热器中吸收引擎尾气的热量，成为高温高压的过热气体后进入到轴流透平机中做功，透平机连接发电机发出电能。做功后的工质依次进入到回热器和冷凝器中被海水冷却后送入到工质泵中加压，再进入到回热器和蒸发换热器中完成循环。因为本系统中的透平机功率较低，因此透平的焓降以及温差均较低，透平出口的工质温度较高，增设回热器可以利用其余热来预热从工质泵中加压后的有机工质，减少冷凝器换热量的同时可以减小工质在蒸发换热器中的吸热量，从而提高系统的循环热效率。

示意图,系统结构,示意图,换热器

图 2-2 ORC 系统结构示意图系统的主要部件分布在引擎室和主船舱内，由于渔船空间较为狭窄，所以系统布置较为紧凑，如果使用向心透平机，则无法满足空间要求。而两级轴流透平机体小，可满足安装要求。系统所使用的蒸发换热器为钎焊式平板换热器，回热器与冷均采用此类换热器以减少换热器的体积，实现系统的紧凑性，满足实际的安装要求3 多种有机工质分析对比根据热源参数，可设计对应的 ORC 系统的额定工况运行参数，，包括有机工质的，换热器的进出口温度、换热器面积，汽轮机的进出口压力，冷凝器的换热量等统采用海水冷却，需根据环境温度计算出冷凝器的冷却水流量。系统的回热器是经过汽轮机做功后的气态有机工质预热从工质泵流出的高压液态有机工质，对回也需要计算其进出口温度以及所需的换热器面积。对于有机工质泵而言，需要确额定功率，额定流量以及能耗情况。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U674.4

【参考文献】