摘 要

作为内燃机中热效率最高的柴油机，其热效率可以达到50%，但是仍然有很大一部分能量通过尾气排出以及冷却系统损失掉。在当今排放法规和能源问题的压力下，如能够利用这部分“浪费”的资源，将对减少排放、提高经济效益产生良好的促进作用。传统的回收利用方法很难充分利用这部分能量。值得注意的是，近30年发展起来的有机朗肯循环余热回收利用系统，能够在相对低温的条件下运行，因此将其运用在船舶柴油机上是可行性的。

首先，本文建立了有机朗肯循环的热力学模型，分析了其特点，并对常见的有机工质进行归纳，确定了选择有机工质的六条原则。

其次，选用MAN公司生产的的6S50ME-C8.2型大功率二冲程低速船用柴油机作为研究对象，计算了其安装有机朗肯循环排气余热回收系统后的热效率和主机总功率。

最后，进一步通过Simulink仿真，对排气余热、蒸发器、汽轮机进行模拟，得到了更加准确的排气余热利用数据。

结果表明，船舶大功率二冲程低速柴油机加装有机朗肯循环排气余热回收系统后，热效率和主机总功率均增大。

关键词：船舶柴油机；有机朗肯循环系统；排气余热回收；Simulink仿真

Abstract

Although the thermal efficiency of the diesel engine can reach up to 50%, that is the highest in all internal combustion engines, there is still a big part of energy losses as a result of exhausting gas and cooling system. Because of the current energy shortage and emission regulations, the reuse of this waste energy will be good for reducing emissions and improving economic performance. However, the traditional recovery processes cannot make full use of it. In the past 30 years, a new heat recovery system — that is, the Organic Rankine Cycle (ORC) heat recovery system — has been attracted increasing attention. The ORC heat recovery system can operate at a relatively low temperature, so it is feasible to use it for the marine diesel engine.

Firstly, a thermodynamic model of the ORC system was established and the characteristics of the ORC system were analyzed. Moreover, the usual organic working substances were summarized and then six principles for choosing the organic working substance were determined.

Secondly, the 6S50ME-C8.2 type, highly efficient 2-stroke low-speed marine diesel engine produced by the MAN company was chosen for study, and the thermal efficiency and the total power of main engine after installing the ORC heat recovery system was calculated.

Finally, the exhaust heat, the evaporator, and the turbine were further simulated by using the Simulink software, and the more accurate data of the exhaust heat utilization were obtained.

The results show that the thermal efficiency and the total power of main engine are improved after installing the ORC heat recovery system for the highly efficient 2-stroke low-speed marine diesel engine.

Keywords：Marine diesel engine; Organic Rankine Cycle system; Exhaust heat recovery; Simulink simulation.

目 录

第1章 绪论 1

1.1 船舶主机排气余热利用的意义 1

1.2 船舶主机排气余热回收系统的国内外研究现状 2

1.3 本文的研究内容 4

第 2 章 有机朗肯循环系统的热力学模型 5

2.1 有机朗肯循环系统余热回收的特点 5

2.2 有机朗肯循环系统的热力学模型 5

2.3 有机工质 8

2.4 工质的选用原则 9

2.5 常用的有机工质 10

2.6 本章小结 11

第 3 章 船舶柴油机排气余热回收计算 12

3.1 船舶柴油机余热的分类 12

3.2 6S50ME-C8.2型柴油机参数 13

3.3 有机工质的确定 14

3.4 排气物性及能量计算 14

3.4.1 排气组分 14

3.4.2 排气定压比热容 15

3.5 柴油机排气余热回收系统热力计算 15

3.5.1 热力计算过程 15

3.5.2 结果分析 16

3.6 本章小结 19

第4章 有机朗肯循环Simulink仿真 20

4.1 Simulink介绍 20

4.2 朗肯循环模型的建立 21

4.2.1 排气余热模型的建立 21

4.2.2 蒸发器模型的建立 22

4.2.3 汽轮机模型的建立 22

4.2.4 发电机模型的建立 23

4.3 结果分析 23

4.4 本章小结 25

第5章 结论与展望 26

5.1 结论 26

5.2 展望 26

参考文献 27

致谢 30

第1章 绪论

1.1 船舶主机排气余热利用的意义

随着世界经济的发展，各个国家之间的交易稳定增多，而这些交易货物总额的80%~90%都是通过航运来完成的。然而，目前船舶行业正经历着一场挑战性的变革。据数据可知，现在的燃油价格比上世纪80年代高了三倍，尽管当前油价是处于一个相对较低的水平，但是硫化物排放带来的压力可能会让油价升高。除此之外，随着新的船舶二氧化碳排放法规（EEDI）的发行，如果船舶的油耗和排放达不到规定的要求，那么船东将会支付额外的钱来弥补今后可能会对环境造成的影响，变相地增加了船舶的制造成本，这对于目前低迷的造船业来说无疑又是一个难题。因此，无论是处于哪个方面，都将要求船舶行业做出更多的努力去减少船舶排放对环境的影响。

能源利用关系着世界的发展，如何去尽可能多的利用能源，是一件非常有意义也是必须要解决和面对的事情。对于船舶来讲，体积的巨大决定了其在日常运行过程中必然会消耗大量的燃料，那么消耗的能源是不是物尽其用了呢？答案是不完全的。燃料进入柴油机气缸燃烧做功，化学能转换为热能，缸内气体膨胀做功推动活塞运动，热能转换为机械能，此时排出的尾气里含有大量的余热，大约占总热能的30%。而此前这些热能都是通过涡轮增压和废气锅炉处理后就排到大气中，造成了巨大的浪费。这部分热损失的总量非常大，对这部分能量进行回收利用，会极大地提高能源利用的效率^[1]。

上世纪80年代影响全世界的石油危机，让人们认识到了能源问题不是各个国家的问题，而是全人类的问题。油价的上升让船舶制造厂商和船东越来越重视船舶的燃料利用率，在这些因素造成的压力下，一些节约船舶燃油消耗的方法正在被研究和改进。可以采取的一些措施包括：改善船舶航行状态、柴油机实时监控、减少船舶辅助设备的功率消耗、船上内饰和吃水的优化、根据气候选择最佳的航线，船身和螺旋桨的打磨以及低速航行。设计更加高效的柴油机和螺旋桨，减少船体的空气阻力，风力推进，研究新一代辅助设备用的燃料电池，变频泵的设计，余热回收系统。本文重点介绍的是排气余热回收系统，该系统的核心是有机朗肯循环。