基于无油螺杆膨胀机的船舶柴油机烟气余热ORC系统特性研究

发布时间：2020-10-16 21:59

　　 对于船用柴油机,其被烟气带走的热量占燃料燃烧产生的总热量的比重约三分之一,本文针对船舶柴油机200℃以下的低温烟气采用有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)系统进行余热回收,并首次采用无油螺杆膨胀机做动力主机,从热力循环系统,主机热力特性、主机动力特性、密封技术和机组性能等方面,对基于无油螺杆膨胀机的船舶余热ORC系统特性进行理论与试验研究。本文首先对采用不同配置的ORC系统进行了?分析,结果表明:柴油机烟气余热ORC系统所有部件之中,蒸发器的?损失最大,通过增加预热器或回热器,热效率会提升,但同时系统的?损失和成本也增加。对影响ORC系统性能的关键因素进行理论分析和试验研究,形成ORC系统优化设计方法:蒸发器过热度和冷凝器的过冷度取1~2℃;无油螺杆的膨胀比和膨胀机内效率应尽可能地提高。其次,本文重点对ORC系统中的无油螺杆膨胀机的热力性能进行分析研究和试验验证,结果表明:在无油螺杆膨胀机工作过程中,等熵效率主要受泄漏和流动损失的影响,其中泄漏损失的占主要因素,本文细化了各泄漏通道的计算模型,分别比较了容积效率随啮合间隙、齿顶间隙和端面间隙的变化趋势,其中齿顶间隙对容积效率的影响最大;文章通过分析转子和壳体热力变形对间隙的影响,总结出螺杆膨胀机间隙设计方法,啮合间隙受转子热变形影响最大,壳体热变形会增加转子中心距,增大啮合间隙;齿顶间隙受转子力变形和壳体不规则变形的影响,需要通过修正壳体内缸径来消除不利影响。在对无油螺杆膨胀机的热力性能分析的同时,针对动力性能进行理论与试验研究,提出无油螺杆膨胀机轴系临界转速的计算方法,通过变转速测振试验,捕获到扭转频率下振动高值,该结果与理论计算基本一致。最后,搭建ORC系统测试平台,采用新型的蒸发式冷凝器,发电功率和系统效率随冷源负荷的增加而增加,环境的相对湿度和温度对系统的效率影响明显。试验数据表明实际热效率只有5.3%,低于理论设计效率5.7%。分析比较对系统效率影响较大的因素包括三方面:(1)由于实际运行中,膨胀机间隙大于理论设定值;(2)机组混入部分不凝气;(3)辅机系统没有采用变频设计,自耗电较高。通过泄漏检测发现,有机工质R245fa与丁腈橡胶不兼容,聚氨酯材料具有较好的耐腐蚀效果。同时,也验证了R245fa与常用金属如碳钢、不锈钢不具有腐蚀性。通过以上理论分析和试验对比,得到船舶柴油机200℃以下的低温烟气余热的最佳回收利用途径,实现了对烟气余热ORC系统的优化配置,确定无油螺杆膨胀机的热力选型和动力模拟方法,为船舶柴油机低温烟气余热利用提供了一种切实可行的解决方案。
【学位单位】：中国舰船研究院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U664.121
【部分图文】：

中国舰船研究院博士学位论文很大程度上是有赖于 Turboden 公司，后者在 2015 年迎来新的增长前，每年均安装 1 25 台套机组，且还有 43 套新机组在建。由图 1- 2 可以看出，特殊领域的装机容量比重没有随着时间而产生显著改变，内燃机和燃气轮机的废热回收从 2013 年到 2015 年之间直稳定在 68%。在同样的发展阶段，水泥行业的应用变得趋势平稳，而钢铁行业（11.3%）废弃能量回收领域（9.3%）均有市场份额的提升。2016 年，总计装机容量为 255MW 的新 ORC 机组投入运行，这一数据相较于 2015 年降了 28%。这很大程度上是由于，在 2016 年总共只有 16MW 装机容量的新余热回收机投入运营。而在 2015 年和 2014 年，这一数据分别为 122MW 和 53MW。电价和燃气价的急剧下跌可能是这次下滑的罪魁祸首。除此以外，以太阳能和风能为代表的新能源成为了竞争对手。总共有超过 460MW 新装机容量的余热回收发电机组已经宣布投入运行或在建。这其包括在印度尼西亚的Sarulla大型地热发电项目（3×110MW闪蒸汽和地热水联合循环），项目将在 2019 年完工并随之带来一个预计为 150MW 的新地热水回收发电项目[48]。

成为了竞争对手。总共有超过 460MW 新装机容量的余热回收发电机组已经宣布投入运行或在建。这包括在印度尼西亚的Sarulla大型地热发电项目（3×110MW闪蒸汽和地热水联合循环）项目将在 2019 年完工并随之带来一个预计为 150MW 的新地热水回收发电项目[48]。图 1- 1 各应用领域 ORC 装机容量变化趋势

图 2- 1 ORC 系统示意图1243PhPPec图2 有机朗肯循环工质压－焓图图 2- 2 ORC 工质压－焓图以看到，具有较高压力 Pe 的低沸点有机制冷工质在压力 Pe 下，温度达到 Pe 对应的饱和温度 Te 的蒸气进入膨胀机做功，同时工质在膨胀过程中，温膨胀机排出（状态点 2），压力降至 Pc，进入冷凝和液体（状态点 3），最后由工质泵加压至 Pe 后（
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本文编号：2843823