漁船柴油機(jī)余熱利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與熱力學(xué)分析

劉業(yè)鳳，羅勇輝，張華

（200093 上海市 上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院）

0 引言

在碳中和與碳達(dá)峰的背景下，船舶航行中主機(jī)的節(jié)能減排需求十分迫切。對(duì)于效率接近50%的低速船用發(fā)動(dòng)機(jī)，廢氣中的熱量約占總廢熱的50%，即燃料能量的25%[1-3]，因此充分利用排放煙氣中的廢熱可有效提升能源利用率和減少碳排放。船舶主機(jī)排氣溫度范圍通常在250～600 ℃[4]，動(dòng)力渦輪在此溫度范圍雖然有回收熱量的能力，但由于較大的體積和質(zhì)量，不適合在漁船上使用。隨著溫度的升高，有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）的工質(zhì)缺乏熱穩(wěn)定性[5-6]。超臨界二氧化碳（S-CO2）循環(huán)與ORC循環(huán)等其它循環(huán)相比，S-CO2循環(huán)的運(yùn)行效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，更適用于船舶余熱回收利用。此外，漁船捕魚期間漁獲的冷凍保存、食品保鮮以及生活淡水均可由此系統(tǒng)提供。有關(guān)研究中，Zhang 等[7]提出余熱驅(qū)動(dòng)的發(fā)電和噴射式制冷系統(tǒng)，但缺少水淡化功能。本文提出一種在遠(yuǎn)洋作業(yè)漁船上，采用CO2作為工質(zhì)的余熱利用技術(shù)：結(jié)合S-CO2發(fā)電循環(huán)、跨臨界CO2制冷循環(huán)以及蒸餾法制取淡水系統(tǒng)，通過(guò)熱力學(xué)分析，模擬系統(tǒng)的特點(diǎn)和性能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工作原理

本文研究的船舶余熱驅(qū)動(dòng)CO2超臨界發(fā)電、跨臨界制冷及制淡水循環(huán)系統(tǒng)原理圖如圖1 所示，系統(tǒng)循環(huán)過(guò)程在壓-焓圖上的表示如圖2 所示。該系統(tǒng)以船舶柴油機(jī)排氣廢熱作為熱源，以自然環(huán)保的CO2作為工質(zhì)，組成封閉的余熱利用循環(huán)系統(tǒng)，可為船舶同時(shí)輸出電能、冷量和淡水。

圖1 船舶余熱驅(qū)動(dòng)CO2 超臨界發(fā)電-跨臨界制冷及制淡水循環(huán)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of S-CO2 power cycle,T-CO2 refrigeration and seawater desalination system driven by waste heat

圖2 船舶余熱驅(qū)動(dòng)CO2 超臨界發(fā)電-跨臨界制冷及制淡水循環(huán)過(guò)程在壓-焓圖上的表示Fig.2 The p-h diagram of combined system using CO2 as working fluid for the waste heat utilization

系統(tǒng)包括4 個(gè)循環(huán)：超臨界發(fā)電循環(huán)、制淡水循環(huán)、跨臨界制冷循環(huán)和載冷循環(huán)。各個(gè)循環(huán)工作過(guò)程如下：

（1）超臨界發(fā)電循環(huán)：柴油機(jī)排出的高溫?zé)煔膺M(jìn)入熱量回收器，超臨界CO2在熱量回收器吸熱后（狀態(tài)點(diǎn)1）進(jìn)入膨脹機(jī)內(nèi)膨脹發(fā)電（狀態(tài)點(diǎn)2），所發(fā)的電可用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高壓壓縮機(jī)、中壓壓縮機(jī)、低壓壓縮機(jī)，以及其他泵和風(fēng)機(jī)。膨脹做功后的超臨界CO2（狀態(tài)點(diǎn)2）在回?zé)崞? 內(nèi)加熱來(lái)自高壓壓縮機(jī)出口（狀態(tài)點(diǎn)8）的超臨界CO2。加熱后的超臨界CO2（狀態(tài)點(diǎn)9）進(jìn)入熱量回收器內(nèi)繼續(xù)吸收來(lái)自船舶高溫?zé)煔庵械臒崃亢螅顟B(tài)點(diǎn)1）進(jìn)入膨脹機(jī)發(fā)電，完成超臨界CO2發(fā)電循環(huán)。

（2）制淡水循環(huán)：采用蒸餾法進(jìn)行海水淡化。海水經(jīng)過(guò)濾器過(guò)濾后由海水泵1 輸送至氣體冷卻器預(yù)加熱至海水蒸發(fā)溫度，經(jīng)過(guò)布液器噴灑至流動(dòng)著CO2工質(zhì)的橫管中進(jìn)行降膜蒸發(fā)。裝置內(nèi)保持80%真空度時(shí)，對(duì)應(yīng)海水蒸發(fā)溫度為60℃。水蒸氣在海水淡化裝置上端冷凝成淡水，經(jīng)鹽度計(jì)檢測(cè)合格的淡水由凝水泵輸送至淡水箱，不合格的淡水再度噴灑蒸發(fā)后冷凝至合格。冷凝淡水的冷源是經(jīng)海水泵2 提供的海水。熱源是混合器1 出口的CO2工質(zhì)（狀態(tài)點(diǎn)4），由回?zé)崞? 出口的CO2（狀態(tài)點(diǎn)3）和跨臨界制冷循環(huán)中壓壓縮機(jī)出口的CO2（狀態(tài)點(diǎn)25）混合而來(lái)。自海水淡化裝置出來(lái)后的CO2（狀態(tài)點(diǎn)5）進(jìn)入氣體冷卻器內(nèi)冷卻（狀態(tài)點(diǎn)6），在分流閥1 處分流成2 路：一路流至超臨界發(fā)電循環(huán)回路（狀態(tài)點(diǎn)7），進(jìn)入上述超臨界發(fā)電循環(huán)；另一路（狀態(tài)點(diǎn)10）經(jīng)過(guò)過(guò)冷器被海水冷卻后流至跨臨界制冷循環(huán)回路進(jìn)行制冷。

（3）跨臨界制冷循環(huán)：包括4℃食品保鮮庫(kù)的制冷循環(huán)和-40℃速凍庫(kù)的制冷循環(huán)。來(lái)自過(guò)冷器（狀態(tài)點(diǎn)11）的CO2首先在回?zé)崞? 內(nèi)被冷卻（狀態(tài)點(diǎn)12），然后再經(jīng)膨脹閥1 節(jié)流降壓進(jìn)入氣液兩相區(qū)（狀態(tài)點(diǎn)13），接著進(jìn)入氣液分離器。在氣液分離器里，從底部流出的飽和液體（狀態(tài)點(diǎn)14）在分流閥2 處分流成2 路：一路流向蒸發(fā)器（狀態(tài)點(diǎn)20）進(jìn)行蒸發(fā)制冷，為食品保鮮庫(kù)提供冷量；另一路流向速凍庫(kù)（狀態(tài)點(diǎn)15）的液體繼續(xù)經(jīng)節(jié)流閥2 再次節(jié)流至更低壓力（狀態(tài)點(diǎn)16），再進(jìn)入蒸發(fā)冷凝器進(jìn)行更低溫度的蒸發(fā)制冷，為速凍庫(kù)提供冷量。自蒸發(fā)冷凝器出來(lái)的飽和氣體（狀態(tài)點(diǎn)17）經(jīng)吸氣管產(chǎn)生過(guò)熱（狀態(tài)點(diǎn)18），接著進(jìn)入低壓壓縮機(jī)內(nèi)被壓縮至與蒸發(fā)器出口相同的壓力（狀態(tài)點(diǎn)19），然后在混合器2 中與來(lái)自蒸發(fā)器的飽和氣態(tài)工質(zhì)（狀態(tài)點(diǎn)21）混合后（狀態(tài)點(diǎn)22）進(jìn)入氣液分離器。自氣液分離器出來(lái)的氣體CO2（狀態(tài)點(diǎn)23），首先進(jìn)入回?zé)崞? 吸熱（狀態(tài)點(diǎn)24），然后進(jìn)入中壓壓縮機(jī)被壓縮至與混合器1另一進(jìn)口（狀態(tài)點(diǎn)3）的相同壓力，最后進(jìn)入制淡水循環(huán)。

（4）載冷循環(huán)：在食品保鮮庫(kù)的制冷循環(huán)中，采用水或乙二醇防凍液作載冷劑，把蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷量以顯熱的形式送入食品保鮮庫(kù)；在速凍庫(kù)制冷循環(huán)中，由于溫度較低，采用低溫CO2液體作載冷劑，通過(guò)氣液相變換熱更加高效。CO2液體經(jīng)CO2屏蔽泵在速凍庫(kù)內(nèi)蒸發(fā)吸熱釋放冷量，蒸發(fā)產(chǎn)生的CO2氣體進(jìn)入蒸發(fā)冷凝器吸收熱量被冷凝成液體進(jìn)入儲(chǔ)液罐，然后CO2液體繼續(xù)進(jìn)入速凍庫(kù)進(jìn)行蒸發(fā)吸熱。

2 系統(tǒng)循環(huán)的熱力學(xué)穩(wěn)態(tài)模型

2.1 假設(shè)條件

系統(tǒng)為穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)；膨脹機(jī)等熵效率80%，壓縮機(jī)的等熵效率為75%;忽略換熱器內(nèi)的壓降；等焓節(jié)流；發(fā)電循環(huán)中，最低溫度和壓力在臨界點(diǎn)以上；制冷循環(huán)中，CO2在蒸發(fā)器和蒸發(fā)冷凝器出口是飽和氣態(tài)；海水溫度20 ℃；回?zé)崞鲹Q熱溫差5 ℃；各循環(huán)回路混合和分流后質(zhì)量流量保持不變；忽略泵功。

2.2 循環(huán)部件熱力學(xué)計(jì)算模型

基于假設(shè)條件，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，對(duì)所有部件進(jìn)行質(zhì)量和能量平衡分析。

熱量回收器

壓縮機(jī)耗功

膨脹機(jī)發(fā)電量

式中：ti，to——壓縮機(jī)和膨脹機(jī)進(jìn)出口溫度，℃；Pi，Po——壓縮機(jī)和膨脹機(jī)進(jìn)出口的壓力，MPa；κ——比熱容比；Cp,exh——廢氣的定壓比熱，取值為1.046 kJ/（kg·℃）；mwf——S-CO2的質(zhì)量流量，kg/s；mexh——廢氣的質(zhì)量流量,kg/s；hi，ho——各部件入口和出口的比焓，kJ/kg；ho-isen——壓縮機(jī)或渦輪機(jī)出口處等熵過(guò)程的比焓，kJ/kg；ηC，ηT——壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的等熵效率；WC——壓縮機(jī)的耗功，kW；WT——膨脹機(jī)發(fā)電量，kW；Qin——工質(zhì)CO2從煙氣中吸收的熱量，kW。

2.3 性能分析

膨脹機(jī)發(fā)電量一部分用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高、中、低壓壓縮機(jī)，剩余部分為系統(tǒng)凈發(fā)電量，可為輔機(jī)等提供電能。系統(tǒng)凈發(fā)電量Wnet計(jì)算公式為

海水淡化熱量

淡水產(chǎn)量的計(jì)算公式

式中：WC,H——超臨界發(fā)電系統(tǒng)中的高壓壓縮機(jī)用電量，kW；WC,M——跨臨界制冷系統(tǒng)中壓壓縮機(jī)用電量，kW；WC,L——跨臨界制冷系統(tǒng)低壓壓縮機(jī)用電量，kW；Qd——提供給海水淡化的熱量，kW；m1——混合器1 出口的工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；h4，h5——CO2工質(zhì)在海水淡化裝置進(jìn)口和出口比焓，kJ/kg；d——淡水產(chǎn)量，t/d ；r——海水汽化潛熱，值為2 357 kJ/kg。

3 系統(tǒng)循環(huán)性能影響因素分析

以漁船普遍采用的W?rtsil? 6L45B 型船舶柴油機(jī)為例，主機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。混合器1 出口溫度設(shè)為62 ℃時(shí)，分析膨脹機(jī)入口壓力對(duì)循環(huán)工質(zhì)CO2質(zhì)量流量、制冷量、發(fā)電量和淡水產(chǎn)量的影響；膨脹機(jī)入口和出口壓力分別為14 MPa、8 MPa，分析混合器1 出口溫度對(duì)工質(zhì)CO2質(zhì)量流量、制冷量、發(fā)電量和淡水產(chǎn)量的影響。關(guān)鍵狀態(tài)點(diǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 Wartsila6L45B 型船舶柴油機(jī)參數(shù)Tab.1 Parameters of Wrtsil 6L45B marine diesel engine

表1 Wartsila6L45B 型船舶柴油機(jī)參數(shù)Tab.1 Parameters of Wrtsil 6L45B marine diesel engine

3.1 膨脹機(jī)入口壓力對(duì)系統(tǒng)性能的影響

膨脹機(jī)入口壓力對(duì)發(fā)電循環(huán)、制冷循環(huán)的工質(zhì)質(zhì)量流量，以及發(fā)電量、制冷量和淡水產(chǎn)量的影響如圖3—圖6 所示。

圖3 膨脹機(jī)入口壓力對(duì)循環(huán)工質(zhì)質(zhì)量流量的影響Fig.3 Effect of inlet pressure of expander on mass flow

圖4 膨脹機(jī)入口壓力對(duì)發(fā)電量的影響Fig.4 Effect of expander inlet pressure on power generation

圖5 膨脹機(jī)入口壓力對(duì)制冷量的影響Fig.5 Effect of expander inlet pressure on refrigeration capacity

圖6 膨脹機(jī)入口壓力對(duì)淡水產(chǎn)量的影響Fig.6 Effect of inlet pressure of expander on seawater desalination

由圖3—圖6 可見(jiàn)，發(fā)電循環(huán)和制冷循環(huán)的工質(zhì)質(zhì)量流量、制冷量和淡水產(chǎn)量隨膨脹機(jī)入口壓力增加而減小，降幅逐漸減小；發(fā)電量隨膨脹機(jī)入口壓力增加而增大，增幅逐漸減小，最大增幅13.8%。這是因?yàn)橹评溲h(huán)的工質(zhì)質(zhì)量流量減少，導(dǎo)致提供給保鮮庫(kù)和速凍庫(kù)的制冷量減少，提供給海水淡化裝置的熱量也將減少，淡水產(chǎn)量隨之減少。當(dāng)膨脹機(jī)入口壓力為14 MPa 時(shí)，系統(tǒng)為船上-40 ℃速凍庫(kù)和4 ℃食品保鮮庫(kù)提供的冷量達(dá)到最大值，分別為76 kW 和667 kW，淡水產(chǎn)量也達(dá)到最大值8.42 t/d，膨脹機(jī)總的發(fā)電量為最低值549.16 kW，扣除本系統(tǒng)壓縮機(jī)耗電量，剩余的系統(tǒng)凈發(fā)電量為166.40 kW；當(dāng)膨脹機(jī)入口壓力為20 MPa 時(shí)，系統(tǒng)凈發(fā)電量達(dá)到最高值259.75 kW，同時(shí)，為船上-40 ℃速凍庫(kù)和4 ℃食品保鮮庫(kù)分別提供70 kW和616 kW 的冷量，并制取淡水7.78 t/d。

3.2 混合器1 出口溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響

控制膨脹機(jī)入口壓力14 MPa 不變，改變混合器1 的出口溫度（狀態(tài)點(diǎn)4）也就是海水淡化溫度，模擬溫度變化對(duì)制冷回路工質(zhì)質(zhì)量流量、發(fā)電量、制冷量、淡水產(chǎn)量的影響，結(jié)果見(jiàn)圖7—圖10。

圖7 混合器1 出口溫度對(duì)循環(huán)工質(zhì)質(zhì)量流量的影響Fig.7 Effect of mixer 1 outlet temperature on mass flow

圖8 混合器1 出口溫度對(duì)發(fā)電量的影響Fig.8 Effect of mixer 1 outlet temperature on power generation

圖9 混合器1 出口溫度對(duì)制冷量的影響Fig.9 Effect of mixer 1 outlet temperature on refrigeration capacity

圖10 混合器1 出口溫度對(duì)淡水產(chǎn)量的影響Fig.10 Effect of mixer 1 outlet temperature on seawater desalination

從圖7—圖10 可以看出，混合器1 出口溫度對(duì)膨脹機(jī)發(fā)電量549.16 kW 沒(méi)有影響，對(duì)系統(tǒng)凈發(fā)電量、制冷量和淡水產(chǎn)量影響較為顯著。因?yàn)橹评鋲嚎s機(jī)耗功隨制冷量變化，故系統(tǒng)凈發(fā)電量也變化明顯。隨著該溫度升高，制冷循環(huán)的工質(zhì)質(zhì)量流量增大，制冷量增大、淡水產(chǎn)量增加、凈發(fā)電量下降：制冷量最高增加113%，淡水產(chǎn)量增加最高28%，凈發(fā)電量最大降低19%。需要說(shuō)明的是，為避免海水在換熱器表面結(jié)垢，故該溫度最高限制為70℃。當(dāng)混合器1 出口溫度為60℃時(shí)，系統(tǒng)凈發(fā)電量達(dá)到最高值284 kW，系統(tǒng)為船上-40 ℃速凍庫(kù)和4 ℃食品保鮮庫(kù)提供的冷量分別為22 kW 和194 kW，淡水產(chǎn)量為5.25 t/d；當(dāng)混合器1 出口溫度為64 ℃時(shí)，系統(tǒng)為船上-40 ℃速凍庫(kù)和4 ℃食品保鮮庫(kù)提供的冷量分別為150 kW 和1 311 kW，淡水產(chǎn)量12.75 t/d。由于中、低壓縮機(jī)冷量大導(dǎo)致的耗電量大，系統(tǒng)剩余的可輸出凈發(fā)電量?jī)H為 6.70 kW。當(dāng)混合器1 出口溫度繼續(xù)升高，膨脹機(jī)發(fā)電量將不能滿足制冷用電需求，需要外部供電。

綜合以上分析可以看出：發(fā)電量隨膨脹機(jī)入口壓力的升高而增加，制冷量和淡水產(chǎn)量則隨之減少；制冷量和淡水產(chǎn)量隨混合器1 出口溫度升高而增加，而系統(tǒng)凈發(fā)電量隨之減少。因此，可以通過(guò)控制膨脹機(jī)入口壓力和混合器1 出口溫度來(lái)靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)的發(fā)電量、制冷量和制淡水量。

這種靈活調(diào)節(jié)能量分配的優(yōu)點(diǎn)非常有利于漁船不同航行階段的用能需求：（1）在漁船全速航行階段，系統(tǒng)以產(chǎn)出發(fā)電量為主，供輔機(jī)使用，減少燃油消耗。此時(shí)系統(tǒng)可輸出284.0 kW 的凈發(fā)電量。同時(shí)，又可為船上-40 ℃的速凍庫(kù)和4 ℃的食品保鮮庫(kù)分別提供22 kW 和194 kW 的冷量，用于儲(chǔ)存肉類食品、保鮮蔬菜或艙內(nèi)空調(diào)；（2）在漁船到達(dá)目標(biāo)海域進(jìn)行捕魚作業(yè)階段，船舶無(wú)需全速航行，系統(tǒng)以產(chǎn)生冷量為主，用于漁獲的速凍及儲(chǔ)存。此時(shí)系統(tǒng)可為船上-40 ℃的速凍庫(kù)和4 ℃的食品保鮮庫(kù)分別同時(shí)提供150 kW和1 311 kW的冷量，同時(shí)還有6.7 kW 的凈發(fā)電量輸出。漁船在作業(yè)海域進(jìn)行捕魚時(shí)，提供較大的冷量，可以減少補(bǔ)給次數(shù)，在一定程度上也減少補(bǔ)給船只的能耗和碳排放。

4 結(jié)論

本文提出一種采用CO2作為工質(zhì)的新型余熱利用技術(shù)，通過(guò)能源梯級(jí)利用，實(shí)現(xiàn)發(fā)電、制冷、制淡水的三聯(lián)供系統(tǒng)。通過(guò)建立理論模型，研究了膨脹機(jī)入口壓力和混合器1 出口溫度參數(shù)對(duì)發(fā)電量、制冷量和淡水產(chǎn)量的影響。得出主要結(jié)論如下：

（1）設(shè)計(jì)的余熱利用系統(tǒng)可為遠(yuǎn)洋作業(yè)漁船提供電力、淡水，同時(shí)為-40 ℃的速凍庫(kù)和4 ℃的食品保鮮庫(kù)提供冷量。（2）通過(guò)調(diào)節(jié)膨脹機(jī)入口壓力和混合器1 出口溫度對(duì)發(fā)電量、制冷量、制淡水量的影響非常明顯，凈發(fā)電量可在6.7～284.0 kW、-40 ℃制冷量在22～150 kW、4 ℃制冷量在194～1 311 kW、制淡水量在5.25～12.7 t/d 范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。（3）余熱系統(tǒng)可通過(guò)調(diào)節(jié)膨脹機(jī)入口壓力和混合器1 出口溫度控制發(fā)電量、制冷量和制淡水量。這種特點(diǎn)利于滿足漁船在航行和捕撈階段對(duì)發(fā)電量、制冷量的不同需求。