馮金勇，張子建，李靜芬，葛裕民

（上海船用柴油機研究所，上海 201108）

0 引 言

目前，性能優(yōu)良的船舶柴油機的熱效率一般在50%左右，剩余的50%左右的能量以各種形式散失，其中25%～30%的熱量被排氣帶走。高溫排氣余熱屬于中高品位的能量，可用來發(fā)電和產(chǎn)生動力。在當前節(jié)能環(huán)保呼聲不斷增強，船舶能效國際法規(guī)日益嚴苛的情況下，研發(fā)船舶柴油機排氣余熱回收利用裝置勢在必行。

與傳統(tǒng)的朗肯循環(huán)、溫差發(fā)電和動力渦輪發(fā)電技術相比，氨水循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)以非共沸氨水混合物為工質，在換熱過程中具有變溫相變的特性，能縮小換熱溫差，減少不可逆損失，提高能量回收率。目前，國內外有關氨水循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的研究多集中于海洋溫差能、地熱能和太陽能等領域。HONG 等研究了中溫太陽能驅動的氨水發(fā)電循環(huán)，其使用拋物線式收集器，通過可變的濃度比適應不同的直接輻照度范圍，可獲得4%～20%的太陽能發(fā)電效率，每年的太陽能發(fā)電效率約為14%。SUN 等在氨水循環(huán)的基礎上研究了帶過熱器的太陽能利用系統(tǒng)，對該系統(tǒng)進行了參數(shù)性能分析，結果表明，系統(tǒng)壓差是衡量發(fā)電循環(huán)熱效率的重要性能指標。劉煜森等將氨水循環(huán)應用到海洋溫差發(fā)電中，基于Aspen Plus 軟件對系統(tǒng)進行模擬，計算了各設備的損失，并分析了蒸發(fā)壓力和氨水濃度對系統(tǒng)各參數(shù)的影響。王春莉等根據(jù)氨水動力循環(huán)技術可深度利用火電機組的排氣余熱和排汽凝結熱的優(yōu)點，在不影響電廠循環(huán)熱效率的前提下，采用該技術將機組輸出電功率提高了1%左右。

綜上所述，國內外學者對氨水循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)在海洋溫差能、地熱和太陽能發(fā)電等領域的運行性能進行了深入研究，并在實際工程中進行了應用，但對其在船舶領域的運行性能開展的研究較少。本文以船舶柴油機排氣為熱源，采用二級回熱式氨水循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，將透平輸出功率和系統(tǒng)熱效率作為評價指標，研究分析蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)壓力、氨水基液濃度和冷卻水溫度對系統(tǒng)性能的影響，并通過多參數(shù)對比分析，得到針對特定柴油機排氣溫度的氨水循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)最佳運行點。

1 二級回熱式氨水循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)原理

氨水循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)是在朗肯循環(huán)上的一種設計優(yōu)化，同時針對柴油機的運行特性和排氣溫度波動較大的特點，為穩(wěn)定熱源增加導熱油回路。

二級回熱式氨水循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)原理圖見圖1。柴油機排出的氣體經(jīng)排氣換熱器將能量傳遞給低壓導熱油，導熱油經(jīng)蒸汽發(fā)生器對氨水工質加熱；一定濃度的氨水基礎溶液1 進入蒸汽發(fā)生器，與高能導熱油換熱，此過程中氨水基液吸熱之后實現(xiàn)變溫相變，成為氣、液兩相工質2；氣、液兩相工質進入氣液分離器，分離為富氨飽和蒸汽3 和貧氨飽和溶液4；富氨飽和蒸汽進入透平做功，完成做功之后產(chǎn)生的富氨乏汽5進入混合器；溫度較高的貧氨飽和溶液4 經(jīng)高溫回熱器與低溫氨水基液12 換熱，實現(xiàn)系統(tǒng)內部能量回收；貧氨溶液6 經(jīng)節(jié)流閥降壓之后，與富氨乏汽一起進入混合器混合為氨水基液8；氨水基液8 進入低溫回熱器被吸收潛熱能，進一步降溫形成溫度和氣相率較低的氨水基液9；氨水基液9 進入冷凝器被冷凝為氨水基液10；氨水基液10 通過氨水泵加壓，并經(jīng)低溫回熱器和高溫回熱器二級回熱升溫之后進入蒸汽發(fā)生器，形成一個完整的循環(huán)。循環(huán)中既有傳熱過程，又有傳質分離過程，理想溫熵（T-S）圖見圖2。

圖1 二級回熱式氨水循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)原理圖

圖2 系統(tǒng)T-S 圖

2 二級回熱式氨水循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

2.1 設計輸入

本文以某型低速船舶柴油機排氣為熱源，二級回熱式氨水循環(huán)系統(tǒng)設計輸入?yún)?shù)見表1。

表1 二級回熱式氨水循環(huán)系統(tǒng)設計輸入?yún)?shù)

2.2 主要設備數(shù)學模型和參數(shù)定義

根據(jù)熱力學第一定律，從能量的數(shù)量角度分析裝置或設備中能量的轉換、傳遞、利用和損失情況。主要熱力學指標為熱效率和透平輸出功，其中熱效率為有效輸出的能量與總能量消耗之比。

3) 透平發(fā)電機組的發(fā)電量和效率分別為

式(5)和式(6)中： W為透平機組發(fā)電量，kW； h為透平出口富氨蒸汽的比焓，kJ/kg；η為透平發(fā)電機組效率；η為透平等熵膨脹效率；η為透平發(fā)電機組機械傳動效率；η為發(fā)電機效率。

4) 混合器的氨組分質量守恒、總質量守恒和能量守恒的表達式分別為

式(7)～式(9)中： x為混合器出口處氨水基液的干度； x為透平出口乏汽的干度； x為節(jié)流閥后貧氨溶液的干度； h為混合器出口處氨水基液的比焓，kJ/kg； h為透平出口乏汽的比焓，kJ/kg； h為節(jié)流閥后貧氨溶液的比焓，kJ/kg。

5) 泵的功耗和等熵效率分別為

式(10)和式(11)中：W 為工質泵消耗的功，kW；η為工質泵機械效率；η 為工質泵電機效率；η 為泵的等熵效率； h為工質泵出口工質的比焓，kJ/kg； h為工質泵進口工質的比焓，kJ/kg； h為工質泵理想工質泵出口處的比焓，kJ/kg。

6) 系統(tǒng)的熱效率為

式(12)中：η 為系統(tǒng)熱效率；Q 為煙油換熱器的熱負荷，kW。

2.3 仿真模型搭建

根據(jù)設計的二級回熱式氨水循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的模塊組成、運行特點和輸入?yún)?shù)，利用Aspen plus 搭建系統(tǒng)一維仿真模型（見圖3）。

圖3 二級回熱式氨水循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)設計輸入?yún)?shù)，仿真模型運行結果見圖4，可認為系統(tǒng)運行無誤，可進行仿真計算。

圖4 仿真模型運行結果界面

3 特征參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響

本文通過設定系統(tǒng)凈發(fā)電量，調節(jié)氨水基液濃度、蒸發(fā)壓力、蒸發(fā)溫度和冷卻水溫度等參數(shù)，分析其對系統(tǒng)性能的影響，并對系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化，確定系統(tǒng)最佳運行點。

對系統(tǒng)設置參數(shù)和運行條件做以下設定和假設：

1) 計算時系統(tǒng)中的流體已達到穩(wěn)定流動狀態(tài)；

2) 為方便比較氨水循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的熱效率，使排氣換熱器排氣出口的溫度為170℃；

3) 由于各氨水基液濃度梯度下系統(tǒng)運行均有相似的變化特性，因此僅對部分氨水基液濃度特性進行研究，分別針對25%～55%氨水基液濃度進行計算分析；

4) 蒸發(fā)壓力的選取需考慮設備選型、透平出口乏汽干度和系統(tǒng)工況點的影響，選取蒸發(fā)壓力區(qū)間為2.5～4.0MPa，變化步長為1.0MPa；

5) 為降低透平“汽蝕”的影響，要求透平出口富氨乏汽干度不低于90%，對透平進口富氨飽和蒸汽濃度不作要求；

6) 為保證系統(tǒng)平穩(wěn)運行、易于控制，將自基液泵出口至蒸汽發(fā)生器進口的氨水基液限制為液相狀態(tài)，無氣、液兩相流；

7） 設定柴油機排氣流量為變量，設定系統(tǒng)凈輸出功率為800kW，即將800kW 設定為恒輸出發(fā)電量。

3.1 氨水基液濃度對系統(tǒng)性能的影響

在不同氨水基液濃度下對系統(tǒng)進行仿真時，蒸發(fā)壓力范圍為3～4MPa，變化步長為0.5MPa；蒸發(fā)溫度為200℃，冷凝溫度取40℃。氨水基液濃度對系統(tǒng)性能的影響見圖5。

圖5 氨水基液濃度對系統(tǒng)性能的影響

由圖5 可知，在溫度和壓力一定的情況下，氨水基液濃度越大，基液質量流量越小，富氨蒸汽質量流量越大。這是因為隨著氨水基液濃度的增大，基液中的氨越來越易析出，分離器分離出的進入透平做功的富氨蒸汽比例越來越大，在凈輸出功率一定的情況下，基液的質量流量越來越小。貧氨溶液的質量流量隨著氨水基液濃度的升高而下降，這說明氨水基液濃度越大，用于做功的富氨工質的流量越大，即富氨蒸汽占比( m/ m)越大，而用于回熱的貧氨溶液的流量減小，系統(tǒng)回熱量減少。此外可看出，乏汽干度隨著氨水基液濃度和富氨蒸汽流量的增大而逐漸增大。在透平入口壓力一定的情況下，隨著基液濃度的增大，循環(huán)吸熱量也增加，這是由于循環(huán)回熱量隨著氨水基液濃度的增大而減少，這使得熱源放熱量更多，因此循環(huán)吸熱量增加。此外還可看出，透平輸出功率隨著氨水基液濃度的增大而下降。由于基液流量隨著濃度的增大而減小，泵功耗減少，在凈輸出功率一定的情況下，透平輸出功率下降。氨水循環(huán)系統(tǒng)熱效率隨著氨水基液濃度的增大而下降，這是由于系統(tǒng)凈輸出功率一定，而循環(huán)吸熱量隨著濃度的升高而增大，因此系統(tǒng)熱效率下降。

3.2 蒸發(fā)壓力對系統(tǒng)性能的影響

在對不同蒸發(fā)壓力下的循環(huán)系統(tǒng)進行仿真時，氨水基液濃度取40%，蒸發(fā)溫度取180℃、190℃和200℃，冷凝溫度取40℃。蒸發(fā)壓力對系統(tǒng)性能的影響見圖6。

圖6 蒸發(fā)壓力對系統(tǒng)性能的影響

由圖6 可知，隨著蒸發(fā)壓力的逐漸升高，氨水基液的流量逐漸增大，富氨蒸汽的做功能力增強，質量流量逐漸減小，這導致貧氨溶液的質量流量增大，系統(tǒng)回熱量增多；隨著蒸發(fā)壓力的進一步升高，富氨蒸汽流量減小的趨勢變緩。此外可看出，提高主蒸汽的壓力雖然會提高工質的平均吸熱溫度，使熱效率得到提高，但乏汽干度會隨著蒸發(fā)壓力的升高而下降。隨著蒸發(fā)壓力的升高，富氨工質做功的能力增強，循環(huán)吸熱量減少。此外還可看出，透平機組輸出功率隨著蒸發(fā)壓力的升高而增大，這是因為蒸發(fā)壓力越高，透平進出口焓降越大，蒸汽做功的能力越強，機組的輸出功率越大。隨著蒸發(fā)壓力的升高，氨水循環(huán)的平均吸熱溫度也升高，循環(huán)熱效率提高。

3.3 蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響

在對不同蒸發(fā)溫度下的系統(tǒng)進行仿真時，氨水濃度取40%，冷凝溫度取33℃、40℃和45℃，蒸發(fā)壓力取2MPa。蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響見圖7。

圖7 蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響

由圖7 可知，隨著蒸發(fā)溫度的升高，基液流量逐漸下降，下降幅度隨著溫度的升高而減小。這是因為蒸發(fā)溫度越高，透平等效焓降越大，蒸汽做功的能力越強，因此基液氨水流量和富氨蒸汽流量均下降，而貧氨溶液流量基本保持不變，這說明基液氨水流量與富氨蒸汽流量的下降趨勢基本一致。在氨水循環(huán)系統(tǒng)中提高主蒸汽的溫度同樣會使透平乏汽干度升高。同時可看出，隨著主蒸汽溫度在泡點至露點范圍內升高，循環(huán)吸熱量呈先減少后增多的趨勢。這是因為隨著蒸發(fā)溫度升高，在凈輸出功率一定的情況下，循環(huán)所需的氨水質量流量減小，較小的質量流量會導致循環(huán)吸熱量較少，但蒸發(fā)溫度越高，將工質加熱到對應溫度所需的熱量也更多，這會使循環(huán)吸熱量增加。在溫度升高的初始階段，基液氨水質量流量減少起主要作用，循環(huán)吸熱量減少，而隨著蒸發(fā)溫度的進一步升高，工質質量流量的下降幅度減小，此時溫度占主導作用，使循環(huán)吸熱量逐漸增加。隨著溫度的升高，透平輸出功率逐漸減小，這是因為工質流量減小使工質泵功耗下降，在凈輸出功率一定的情況下，透平做功減小。此外還可看出，隨著氨水的蒸發(fā)溫度在泡點到露點范圍內增大，系統(tǒng)的熱效率先升高后下降，這是因為在此次仿真中氨水發(fā)電系統(tǒng)的凈發(fā)電功率為800kW，而循環(huán)吸熱量隨著蒸發(fā)溫度的升高先減少后增加，因此系統(tǒng)熱效率隨著蒸發(fā)溫度的升高先升高后下降。

3.4 冷卻水溫度對系統(tǒng)性能的影響

試驗中，冷卻水溫度會隨著環(huán)境溫度發(fā)生改變，取冷卻水溫度分別為20℃、25℃、32℃、37℃和42℃，系統(tǒng)冷凝器下端差為5K，冷凝水過冷度為3K，對該溫度下的循環(huán)系統(tǒng)進行仿真，得到系統(tǒng)參數(shù)并進行分析，其中氨水基液濃度取35%、40%和45%，蒸發(fā)溫度取200℃，蒸發(fā)壓力取3.5MPa。冷卻水溫度對系統(tǒng)性能的影響見圖8。

圖8 冷卻水溫度對系統(tǒng)性能的影響

由圖8 可知，隨著冷卻水溫度的升高，各工質的流量均增大，這是因為冷卻水溫度越高，循環(huán)系統(tǒng)的乏汽溫度也越高，使得系統(tǒng)效率下降，在凈效率一定的情況下，氨水基液流量和富氨蒸汽流量會增大，而從增大的趨勢來說，氨水基液質量流量的增大趨勢要比富氨蒸汽明顯，這使得貧氨溶液的流量也隨著冷卻水溫度的升高而增大。由于冷卻水溫度決定冷凝溫度，而在氨水循環(huán)系統(tǒng)中冷凝溫度越高，乏汽干度就越高，因此乏汽干度隨著冷卻水溫度的升高而升高。同時可看出，由于低冷卻水溫度對應的冷凝溫度較低，效率較高，因此在凈輸出功率相同的情況下，冷卻水溫度越高，循環(huán)吸熱量越多。此外還可看出，冷卻水溫度較高，對應的透平機組輸出功率較大。這是因為當凈輸出功率為一定時，冷卻水溫度高的循環(huán)，相同氨水工質的質量流量越高，工質泵耗去的功越多，使得透平機組只有輸出更高的功率才能使凈輸出功率不變。氨水循環(huán)系統(tǒng)的冷凝溫度是由冷卻水溫度確定的，因此改變冷卻水溫度對循環(huán)熱效率有直接影響。冷卻水溫度越高，系統(tǒng)冷凝溫度越高，熱效率越低。

3.5 二級回熱式氨水循環(huán)系統(tǒng)最優(yōu)運行點

以熱效率最高為目標函數(shù)優(yōu)化待定參數(shù)?？紤]到氨水循環(huán)透平設計的可行性，氨水透平入口壓力不得高于4.0MPa。通過仿真計算，二級回熱式氨水循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化之后各狀態(tài)點的最佳運行參數(shù)見表2，系統(tǒng)設計點性能見表3。

表2 二級回熱式氨水循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)各狀態(tài)點的最佳運行參數(shù)

表3 二級回熱式氨水循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)設計點性能

4 結 語

本文利用一維軟件搭建了800kW 二級回熱式氨水循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，在不同氨水基液濃度、蒸發(fā)壓力、蒸發(fā)溫度和冷卻水溫度下對氨水循環(huán)系統(tǒng)進行了仿真，得到了不同特征參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響規(guī)律?；谔卣鲄?shù)對系統(tǒng)性能的影響，對系統(tǒng)最佳運行點的選擇進行了分析并得到了最佳運行點，以及系統(tǒng)關鍵設備在最佳運行點下的選型參數(shù)。針對268℃柴油機排氣熱源，可得：

1) 在蒸發(fā)壓力、蒸發(fā)溫度和冷卻水溫度一定的條件下，二級回熱式氨水循環(huán)系統(tǒng)的熱效率隨著氨水基液濃度的增大而下降；

2) 在氨水基液濃度、蒸發(fā)溫度和冷卻水溫度一定的條件下，二級回熱式氨水循環(huán)系統(tǒng)的熱效率隨著蒸發(fā)壓力的增大而升高；

3) 在氨水基液濃度、蒸發(fā)壓力和冷卻水溫度一定的條件下，二級回熱式氨水循環(huán)系統(tǒng)的熱效率隨著蒸發(fā)溫度的升高而先升高后趨于平穩(wěn)；

4) 在氨水基液濃度、蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度一定的條件下，二級回熱式氨水循環(huán)系統(tǒng)的熱效率隨著冷卻水溫度的升高而下降；

5) 在該二級回熱式氨水循環(huán)系統(tǒng)型式下，最優(yōu)運行點性能參數(shù)為氨水基液濃度44%、蒸發(fā)壓力4.0MPa、蒸發(fā)溫度214℃時，系統(tǒng)熱效率最高達到11.52%。