船舶柴油機(jī)廢氣發(fā)電效率優(yōu)化

薛海龍

(江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226001)

0 引 言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，船舶的設(shè)計(jì)制造技術(shù)也獲得了極大進(jìn)步，船舶柴油機(jī)技術(shù)的變革已經(jīng)到來。此外，受到燃油價(jià)格的上升以及環(huán)保意識的不斷加強(qiáng)等因素影響，全球船舶柴油機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)商持續(xù)加大船舶柴油機(jī)節(jié)能減排的研究，利用目前可以獲得的一切技術(shù)方法來提升船舶柴油機(jī)在環(huán)保以及節(jié)能減排等方面的綜合性能。本文對船舶柴油機(jī)廢氣發(fā)電技術(shù)進(jìn)行研究，對船舶發(fā)電技術(shù)發(fā)展有指導(dǎo)意義。

1 船舶柴油機(jī)廢氣排放模型

1.1 柴油機(jī)廢氣質(zhì)量流量計(jì)算

船舶廢氣質(zhì)量流量的計(jì)算方式主要有直接測量、燃料測量和碳平衡3種方法，船舶廢氣質(zhì)量流量的直接測量法一般是利用相應(yīng)的測量設(shè)備直接對柴油機(jī)排出的廢氣進(jìn)行測量，對流量計(jì)的安裝位置以及測量條件要求都比較高，因此通過該方法對柴油機(jī)排出的廢氣進(jìn)行直接測量非常困難，一般不建議使用；使用燃料測量法對船舶柴油機(jī)廢氣進(jìn)行測量的時(shí)候，需要對流入的空氣和燃油的流量進(jìn)行計(jì)算，但是對于船舶的柴油機(jī)來說，流入柴油機(jī)的空氣很難計(jì)算，因此一般也不使用燃料測量法進(jìn)行柴油機(jī)廢氣質(zhì)量的計(jì)算；碳平衡法是通過測算柴油機(jī)消耗的油量、燃油的成分和柴油機(jī)廢氣濃度這3個(gè)量，然后進(jìn)一步得出柴油機(jī)排出廢氣的質(zhì)量流量。碳平衡法求解船舶柴油機(jī)排出廢氣質(zhì)量的計(jì)算方法，如下式：

式中：q為柴油機(jī)排出的廢氣質(zhì)量；q為流入柴油機(jī)的燃油質(zhì)量。燃油常量f的計(jì)算方法如下式：

碳系數(shù)f的計(jì)算方法如下式：

船舶柴油機(jī)在不具備氣體冷卻器的情況下，廢氣的溫濕修正系數(shù)k計(jì)算式如下：

對于含有氣體冷卻器的船舶柴油機(jī)而言，廢氣的溫濕修正系數(shù)k計(jì)算如下式：

式中：T為經(jīng)過冷卻器之后的空氣溫度；T為海水的溫度；為經(jīng)過冷卻器之后的空氣濕度，其計(jì)算方式如下：

式中：p為飽和蒸汽壓力；p為空氣壓力。船舶柴油機(jī)廢氣流量的計(jì)算通常以濕基廢氣濃度為標(biāo)準(zhǔn)，干濃度轉(zhuǎn)換成濕基廢氣濃度c的計(jì)算方式，如下式：

式中：k為干濕修正系數(shù)；c為干基廢氣濃度。船舶柴油機(jī)廢氣單位功率質(zhì)量流量的平均加權(quán)比排放計(jì)算方法如下式：

式中：q為船舶柴油機(jī)第個(gè)單組廢氣的排放質(zhì)量流量；W為第個(gè)單組的加權(quán)系數(shù)；P為第個(gè)單組的制動(dòng)功率。

1.2 柴油機(jī)廢氣排放預(yù)測模型構(gòu)建

船舶柴油機(jī)廢氣排放預(yù)測模型的輸入?yún)?shù)的選擇需要從影響柴油機(jī)廢氣排放功能的因素著手。船舶柴油機(jī)廢氣排放的影響因素主要有環(huán)境、運(yùn)行工況以及壓縮比等。由于船舶工作環(huán)境的變化不是很大，因此環(huán)境因素對柴油機(jī)廢氣的排放可以忽略；船舶柴油機(jī)的壓縮比在正常工作的時(shí)候是不會(huì)進(jìn)行調(diào)整的，因此不需要考慮壓縮比對廢氣排放的影響。那么柴油機(jī)廢氣排放的主要影響因素就是船舶柴油機(jī)的工況，船舶柴油機(jī)的工況主要包括轉(zhuǎn)速以及功率等。

在轉(zhuǎn)速恒定的情況下，隨著功率的不斷提升，柴油機(jī)缸內(nèi)的噴油量逐漸增大，這使得柴油機(jī)的溫度和壓力也隨著變大，因此極大地提高了由于混合不均而產(chǎn)生局部高溫的可能性，最終形成了易于產(chǎn)生廢氣的環(huán)境。在船舶柴油機(jī)恒定功率的情況下，隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸增大，充量系數(shù)會(huì)不斷降低，因此柴油機(jī)高溫保持的時(shí)間會(huì)縮短，這種情況下，柴油廢氣不易產(chǎn)生，并且隨著柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的提升，柴油機(jī)氣缸內(nèi)的氣壓也會(huì)下降，進(jìn)一步遏制了廢氣的產(chǎn)生。因此使用船舶柴油機(jī)的功率以及轉(zhuǎn)速作為預(yù)測模型的輸入，同時(shí)使用船舶廢氣排放比值作為預(yù)測模型的輸出。

測試23組數(shù)據(jù)樣本，該數(shù)據(jù)樣本基本將船舶柴油機(jī)的運(yùn)行工況覆蓋。測試樣本中，船舶柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速、功率以及廢氣排放比值之間的關(guān)系如圖1所示。由于測試樣本數(shù)據(jù)之間的量級和單位不同，因此需要對測試的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后才能作為船舶柴油機(jī)廢氣排放預(yù)測模型的輸入?yún)?shù)，歸一化之后的樣本數(shù)據(jù)y計(jì)算方法如下式：

圖1 船舶柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、功率以及廢氣排放值三者之間的關(guān)系Fig. 1 The relationship among rotational speed, power and exhaust emission value of marine diesel engine

式中：和的取值分別為1和-1，因此式(9)可以表示成為下式：

2 船舶柴油機(jī)廢氣排放處理技術(shù)

船舶柴油機(jī)排放的廢氣中包含HC、CO、氮氧化合物等多種有害成分。選擇性催化還原是在一定條件下利用氨將氮氧化合物還原成氮?dú)夂退?，選擇性是指只對氮氧化合物進(jìn)行還原。在選擇性催化還原系統(tǒng)中，廢氣中的硫含量對整個(gè)系統(tǒng)的工作效率有很大的影響，并且整個(gè)系統(tǒng)要在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)才可以獲得相對較高的轉(zhuǎn)換效率。為了能夠很好控制選擇催化還原系統(tǒng)的溫度，使用高壓選擇性催化還原系統(tǒng)，并且通過設(shè)置廢氣旁通閥門的方法，對排氣溫度進(jìn)行控制，船舶柴油機(jī)廢氣排放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 柴油機(jī)廢氣排放處理系統(tǒng)Fig. 2 Diesel engine exhaust emission treatment system

可以看出，廢氣旁通閥安裝在選擇性催化還原系統(tǒng)的后面，這是為了能夠方便地控制選擇性催化還原系統(tǒng)的溫度，船舶柴油機(jī)廢氣進(jìn)入動(dòng)力渦輪之后會(huì)激發(fā)動(dòng)力渦輪做功，動(dòng)力渦輪會(huì)帶動(dòng)船舶上的發(fā)電機(jī)發(fā)電。添加了廢氣旁通閥門之后，會(huì)降低渦輪的輸出功率，從而影響到壓氣機(jī)做功；壓氣機(jī)功率降低之后，就會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣量降低以及燃燒不充分，進(jìn)一步降低了熱效率，從而導(dǎo)致柴油機(jī)排出的廢氣溫度上升。因此需要匹配新的渦輪增壓器，并且通過調(diào)整噴油定時(shí)等方法來減少燃油的消耗。從能量守恒上來看，船舶渦輪的輸出功率等于船舶上壓氣機(jī)的壓縮功率，如下式：

3 船舶動(dòng)力渦輪發(fā)電技術(shù)

3.1 動(dòng)力渦輪數(shù)學(xué)建模

動(dòng)力渦輪的工作效率高，因此可以充分利用船舶柴油機(jī)排出的廢氣做功，進(jìn)一步提升船舶電力系統(tǒng)的工作效率。在對船舶柴油機(jī)排出的廢氣進(jìn)行旁通調(diào)制的過程中，將船舶柴油機(jī)輸出的廢氣送給渦輪的同時(shí)，也將廢氣送給動(dòng)力渦輪，在船舶柴油機(jī)廢氣的作用下，動(dòng)力渦輪可以驅(qū)動(dòng)船舶上的發(fā)電機(jī)工作。船舶動(dòng)力渦輪的輸出等熵溫度的求解方法，如下式：

式中：T為進(jìn)入渦輪的廢氣溫度；P為進(jìn)入渦輪的廢氣壓強(qiáng)；P為流出渦輪的廢氣壓強(qiáng)。動(dòng)力渦輪的等熵出口焓h、出口焓h以及輸出功率P的計(jì)算方法分別如下式：

其中η為動(dòng)力渦輪的效率。

船舶柴油機(jī)廢氣旁通閥門的開度r情況直接決定了動(dòng)力渦輪的工作情況，當(dāng)閥門開度r大于0時(shí)，船舶動(dòng)力渦輪開始工作；當(dāng)閥門開度r等于0時(shí)，船舶動(dòng)力渦輪停止工作。船舶動(dòng)力渦輪的功率和廢氣閥門開度之間的關(guān)系如圖3所示?？梢钥闯?，隨著廢氣閥門開度的變大，動(dòng)力渦輪的功率也隨著變大。這是因?yàn)閺U氣閥門開度的增大會(huì)導(dǎo)致流入動(dòng)力渦輪的廢氣流量增大，并且船舶動(dòng)力渦輪的入口溫度也會(huì)提升，最終使得船舶動(dòng)力渦輪的輸出功率變大。

圖3 閥門開度和動(dòng)力渦輪功率之間的關(guān)系Fig. 3 Relationship between valve opening and power turbine power

3.2 動(dòng)力渦輪發(fā)電效率優(yōu)化仿真

當(dāng)船舶柴油機(jī)工作過程中負(fù)荷相對較低的時(shí)候，則可以打開船舶柴油機(jī)的廢氣旁通閥門以提升動(dòng)力渦輪的入口廢氣流量，則這時(shí)候船舶的動(dòng)力渦輪開始工作。當(dāng)船舶柴油機(jī)的負(fù)荷較高時(shí)，則不打開船舶柴油機(jī)的廢氣閥門，這時(shí)候船舶動(dòng)力渦輪停止工作。因此通過控制船舶柴油機(jī)廢氣閥門的通斷，可以調(diào)節(jié)船舶柴油機(jī)和渦輪之間的匹配關(guān)系。

當(dāng)船舶柴油機(jī)的工況從50%跌落到25%的時(shí)候，則此時(shí)逐漸打開船舶柴油機(jī)廢氣旁通閥門，船舶動(dòng)力渦輪開始工作，并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。在仿真過程中，設(shè)置仿真時(shí)間為3 000 s，船舶柴油機(jī)在1 500 s的時(shí)候減速，此時(shí)船舶柴油機(jī)廢氣閥門開始逐漸打開，渦輪出口流量如圖4所示?？梢钥闯?，船舶柴油機(jī)轉(zhuǎn)速降低之后，船舶柴油機(jī)氣缸的輸出功率也會(huì)減小，這使得系統(tǒng)的整體排氣量降低，同時(shí)船舶柴油機(jī)廢氣閥門逐漸打開，導(dǎo)致流進(jìn)船舶動(dòng)力渦輪的廢氣流量逐漸上升，因此流入渦輪的廢氣流量減小。

圖4 廢氣閥門打開后渦輪流量變化Fig. 4 Turbine flow change after exhaust valve is opened

當(dāng)船舶柴油機(jī)的工況從25%上升至50%的時(shí)候，則此時(shí)逐漸關(guān)閉船舶柴油廢氣旁通閥門，船舶動(dòng)力渦輪停止工作，發(fā)電機(jī)停止發(fā)電。在仿真過程中，設(shè)置仿真時(shí)間為3 000 s，船舶柴油機(jī)在1 500 s的時(shí)候開始加速，此時(shí)船舶柴油機(jī)廢氣閥門逐漸關(guān)閉，渦輪出口流量如圖5所示?？梢钥闯?，隨著船舶柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的提升以及船舶柴油機(jī)廢氣閥門的逐漸閉合，船舶柴油機(jī)氣缸所產(chǎn)生的廢氣將全部流進(jìn)渦輪，最終導(dǎo)致渦輪的廢氣流量快速增大。

圖5 廢氣閥門關(guān)閉后渦輪流量變化Fig. 5 Turbine flow change after exhaust valve is closed

4 結(jié) 語

隨著全球各國對經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重視，越來越多的國家對節(jié)能減排進(jìn)行研究，以提升對能源的利用效率，其中船舶節(jié)能是其中一個(gè)重要的節(jié)能減排措施。本文對船舶柴油機(jī)廢氣發(fā)電的效率優(yōu)化進(jìn)行仿真研究，對船舶節(jié)能減排的發(fā)展以及環(huán)境的保護(hù)有促進(jìn)作用。