超临界二氧化碳涡轮发电在船舶余热利用上的技术分析

船舶动力技术水平关系到国家经济发展与军事安全,其中实现其发动机排气余热高效利用是一项关键技术。船舶具有多种余热利用的途径,现代船舶对于电能的需求越来越大,利用余热进行发电具有前景。超临界二氧化碳具有良好的密度和流动特性,可在中低温区实现高效的涡轮机械作功,相比温差发电或燃气轮机发电具有明确的效率优势。本文对比分析了超临界二氧化碳涡轮发电的发展现状和关键技术,并针对船舶参数开展30 kW级超临界二氧化碳涡轮发电机的研制,在氮吹试验中实现了36 kW/36.5 kr/min的功率输出,可进一步验证并推进超临界二氧化碳涡轮发电在船舶余热利用上的发展。     

基于集成高效热能发电系统的船舶Attained EEDI及燃油消耗量分析

为满足国际海事组织(IMO)关于船舶能效设计指数(energy efficiency design index,EEDI)的强制要求,各国已开始探索高效热能发电技术在船舶能源系统中的集成和应用,以期通过对船舶主动力装置余热进行回收利用,实现降低EEDI、减少燃油消耗量和控制废气排放量的目标。论文以超临界二氧化碳布雷顿循环(S-CO_2 Brayton cycle,S-CO_2 BC)发电系统、有机朗肯循环(organic Rankine cycle,ORC)余热发电系统、卡琳娜循环(Kalina cycle,KC)余热发电系统和动力涡轮(power turbine,PT)余热发电系统为具体研究对象,分别就单一新型动力循环发电系统和组合型高效热能发电系统在某型2500TEU支线集装箱船中集成,对船舶达到的能效设计指数(attained EEDI)和燃油消耗量折减进行计算分析。结果表明:采用超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统取代1台船舶辅机,并与有机朗肯循环、卡琳娜循环及动力涡轮等新型动力循环余热发电系统构成组合型高效热能余热发电系统技术方案,可实现船舶达到的能效设计指数EA与没有应用任何高效热能发电系统技术方案的指数相比下降33.28%;单一应用有机朗肯循环余热发电技术对减少船舶燃油消耗量的贡献显著,燃油节省率可达到5.99%。这项研究工作可为在船舶上集成应用高效热能发电技术提供理论参考依据。     

超临界二氧化碳涡轮发电机的设计及应用探讨

本文主要对超临界二氧化碳的物性特点及使用超临界二氧化碳为工质的涡轮发电机技术进行概述,提出基于超临界二氧化碳为工质的涡轮机设计的主要技术难点,包括涡轮设计、动密封设计、润滑设计及冷却设计,并在此基础上设计了涡轮机通过联轴器拖动高速发电机的组合原理样机;最后分别在氮吹试验台、超临界二氧化碳布雷顿热力循环系统上对涡轮发电机进行2种工质下的气吹试验,功率分别达到了12.6 kW和5.8 kW;通过试验证实了超临界二氧化碳涡轮发电机技术上的可行性,并为此种技术在船舶上的应用指明了方向.     

船舶主机废气余热温差发电的数值模拟与试验研究

为了对船舶柴油机废气余热加以利用以达到船舶节能和减少碳排放的目的，结合船舶余热的特点，开展了船舶余热温差发电的数值模拟与实验研究。采用CFD方法完成了实验装置相关参数的选择后，进一步对温差发电装置的换热过程进行模拟，并通过实验验证了模拟的正确性。最后，以MAN/B＆W41V32/40式船舶主机为研究对象，对其废气余热温差发电的性能进行了评估。结果表明，在热端平均温度为500 K，冷端平均温度为310 K，冷却水流速为10 m/s的工况条件下，设计安装的1764片温差发电片输出总功率理论上可达31.75 kW。     

超临界二氧化碳涡轮发电机的设计及应用探讨

本文主要对超临界二氧化碳的物性特点及使用超临界二氧化碳为工质的涡轮发电机技术进行概述,提出基于超临界二氧化碳为工质的涡轮机设计的主要技术难点,包括涡轮设计、动密封设计、润滑设计及冷却设计,并在此基础上设计了涡轮机通过联轴器拖动高速发电机的组合原理样机;最后分别在氮吹试验台、超临界二氧化碳布雷顿热力循环系统上对涡轮发电机进行2种工质下的气吹试验,功率分别达到了12.6 k W和5.8 k W;通过试验证实了超临界二氧化碳涡轮发电机技术上的可行性,并为此种技术在船舶上的应用指明了方向。     

船舶余热有机朗肯循环的工质选择

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■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。     

余热发电并网关键技术研究

工业企业生产中会产生大量的余热,利用其进行发电既清洁环保,又节能经济。余热发电并网技术关系到企业的系统运作和企业成本及管理,更关系到并网区域大电网的经济安全运行。船舶行业中利用余热发电逐渐得到认可,机组的并网运行策略不断投入使用。文章从余热发电并列条件、容量分配、接入系统选择保护自动化装置等方面对余热发电并网关键技术进行了分析,具有一定实用价值。     

船舶烟气S-CO_2布雷顿循环稳态热力学优化

主机烟气余热进行循环再利用是船舶绿色化的重要技术实现途径,其核心环节在于采用适宜的热力学循环系统实现烟气输入热功到涡轮输出轴功之间的高效能量转换。在简述超临界二氧化碳(S-CO_2)布雷顿热力学循环系统基本原理和技术特点的基础上,根据换热器、涡轮机和压缩机等系统核心组成设备的数学模型,在Fortran软件环境中建立以系统热效率为目标优化函数的再压缩式循环结构的稳态运行效率数值计算仿真模型,分别针对循环压比、回热器总换热系数、分流系数等参数对系统循环热效率的影响问题进行算例分析。结果表明:在2.10～2.45的压比范围内,不同工况条件下均存在全局最优分流系数使得热效率最大化。船舶热能动力循环发电系统最优运行工况分析中,在涡轮机入口温度500℃、压缩机入口温度35℃下,存在最优分流系数为0.39,对应的循环压比为2.37,循环热效率为32.15%。     

船舶柴油机烟气余热利用过程的交互性影响研究

文章以MANB&W10S90ME-C9.5型柴油机为对象,建立了匹配300 kW级超临界CO2布雷顿循环发电装置所用2 MW烟气换热器的系统整体仿真模型,分析了柴油机50％～100％负荷条件下的烟气换热器性能参数变化规律、废气旁通阀30％～100％开度调控时的柴油机性能参数变化规律,为余热利用系统在船舶上的使用提供了理...     

船舶余热回收系统技术分析

针对以动力涡轮和蒸汽涡轮作为动力设备的船舶余热回收系统，分析余热回收系统对降低燃油成本、减少CO₂排放和船舶能效设计指数的影响。文章分析了船舶余热回收系统的原理与结构组成，以及系统性能和余热回收效果，分析结果表明：船舶加装余热回收系统（WHRS）可降低燃油成本，节省燃油4%～11%；除节省燃油之外，WHRS还大大降低了CO₂、NO_X、SO_X和颗粒物的排放，同时WHRS也降低了船舶的能效指数（EEDI）。     

叶顶间隙对船舶余热系统动力涡轮性能的影响

近些年来随着国家对节能减排的重视,越来越多的注意力集中于船舶余热利用系统。动力涡轮是余热利用系统的重要组成部分,其设计效果直接影响余热利用系统的转换效率,本文通过数值模拟的方法研究叶顶间隙对动力涡轮的性能影响。结果表明叶顶间隙的增加会导致径流式涡轮二次流动损失的增加,进而导致涡轮等熵效率下降。     

船用燃气轮机发电机组控制策略仿真研究

对船用燃气轮机转速控制及发电机电压控制进行研究,采用Matlab/Simulink仿真软件,建立燃气轮机发电机组控制系统仿真模型,对其进行突增及突卸负荷仿真实验,结合船舶电网供电指标,研究发电机组一系列参数响应曲线。结果表明在电网负荷大幅度变化情况下,所定制的控制策略能使燃气轮机发电机组具有较好的调速及调压性能,满足船舶电网对供电品质的要求。     

基于双同步坐标的无刷双馈轴带发电控制系统

航运业的碳氮排放在全球排放中占较大比例,充分利用推进主机的剩余动力进行轴带发电,既可以减少碳氮的排放,又有助于提高燃料的利用效率。无刷双馈轴带发电系统摆脱了同步发电机型轴发的全功率变换器要求和有刷双馈型轴发维护要求高、安全性差的缺点。本文在dq0模型的基础上,通过双同步模型建立了针对功率绕组的磁场定向矢量控制方法,并设计了独立和并网发电两种运行模式下的控制策略。通过仿真和物理实验证明了建模方法和控制策略的有效性和可行性。     

燃气轮机发电机组并联优化设计

本文分析了某船的燃气轮机发电机组的调压和调频调载原理,以及在双机并联运行时的无功分配和有功分配原理,针对两舷电站的发电机组不能长时间并联运行的局限性,提出发电机并联优化设计方案：通过增加一套均压/均功连接控制器以及修改少量接线,而无需修改原系统的软件,使任意并联发电机组之间均可进行有效的无功功率和有功功率平均分配,从而能够长时间并联运行,提高供电生命力。     

船用逆变器电流随动控制策略研究

针对船舶电力系统大负载、强耦合特点,结合陆上大电网并网逆变技术,提出逆变器电流随动控制策略,研究船舶多能源供电系统中逆变器与同步发电机并联供电技术。通过理论推导以及数学模型的建立并进行仿真,获得所提出控制策略的实现及参数的确定方法。研究结果表明,采用所提出控制策略的逆变器与同步发电机并联构成的供电系统,具有稳定性高、动态特性好、供电质量优、发电机利用率高等优良性能。这种新型逆变器控制策略为新能源在船舶混合供电系统中的应用提供了新的研究思路,在船舶新能源逆变场合具有良好的应用前景。     

16300t LNG燃料动力化学品船能量利用系统的模拟分析与优化

针对16300吨LNG燃料动力化学品船LNG气化冷能未加以利用的现状,本文在分析及评估原船废气余热及冷却水系统用能水平的基础上,综合考虑LNG冷能、主机废气和缸套冷却水的能量梯级利用,针对船舶对发电、海水淡化、冷库及空调等需求,以加装废气动力涡轮、LNG冷能ORC发电、冷冻法海水淡化及设置高低温冷库与空调系统等方式组合提出了四套综合能量利用系统方案。进一步利用Aspen HYSYS软件对该船原有能量利用系统与新方案进行了模拟分析,并从?效率及经济性两个方面对各方案进行了评估。结果表明,诸方案中以低温冷库+海水淡化+高温冷库+干燥舱系统方案经济性最好,所形成的新系统经优化后?效率可提高至67.16%,每年经济收益可达595.8万元。     

舰船中压发电机组振动监测与故障诊断

中压发电机组是舰船的动力核心,中压发电机组在使用较长时间之后可能会出现振动异常的问题,通过对其进行振动检测,能够确定振动异常的位置和原因,并通过针对性的措施来解决问题,维护中压发电机的正常运行。本文以某舰船的中压发电机组故障问题为例,对中压发电机组振动监测与故障诊断进行了详细的分析。     

GT28燃气轮机工业/船用衍生的技术策略研究

GT28燃气轮机是1台带动力涡轮的三轴燃气轮机,性能良好。通过对其工业/船用衍生应用与发展研究策略的分析,全面勾画出其技术发展网络及主要关键技术,明晰其应用和发展技术途径,提出当前应重点开展燃气轮机发电模块(船用/陆用)、天然气增压机组、间冷循环燃气轮机的应用与发展研究工作。在此基础上将会全面推进GT28燃气轮机的工业/船用衍生应用与发展。     

基于虚拟同步发电机的岸电并网控制策略研究

岸电系统为船舶供电时采用不断电切换方式接入是岸电的核心技术之一。本文提出了一种基于虚拟同步发电机的岸电与船舶电网并网策略,使岸电逆变器具有下垂特性的同时,还具有类似于船舶同步发电机转子的瞬态惯性,其输出特性与柴油发电机类似。通过仿真研究,岸电与船舶电网并网时,并网电压和频率基本稳定,冲击电流较小,验证了控制策略的有效性。