重型柴油机大温差余热能梯级利用高效底循环系统研究

摘要

面对日益严峻的能源、环境形势，内燃机余热能回收利用对节约石油消耗、减少CO2排放具有重要意义。本课题针对重型柴油机大温差梯度的余热特性，开展了余热能回收梯级底循环技术的理论和实验研究。 为了全面认识柴油机余热能分布及其多能流特性，开展了柴油机热平衡实验研究，获取了柴油机面工况运行中各项余热能流参数，分析和探究了各能流分布规律及品位特性，为后续余热回收系统的研究提供热源基础。 传统底循环热力系统评价方法中存在着“指标单一、各有侧重”的问题。为此，本文建立了广泛适用于底循环热力系统的综合性能评价体系(MA-ES: Multi-Approach Evaluation System)，全面涵盖了对基于热力学第一定律的热力性能、基于热力学第二定律的?性能以及包含部件性能、投资收益在内的技术经济性能的多层次综合评价。基于该评价体系，通过对用于柴油机排气余热回收的单级有机朗肯循环系统(ORC)进行算例分析，获得了热力系统的多层次、多指标综合评价结果，为底循环系统优化提供理论研究方法基础。 以柴油机高温排气和低温缸套冷却水作为大温差梯度余热源，基于 MA-ES评价体系对比分析了三种最具代表性的循环模式系统性能，以探寻和验证高效匹配的循环方式。综合评价结果表明，在研究压力范围内，相对于单级ORC系统，双级系统热力性能和经济性能等多重指标优势明显，其最大循环净功、最高?效率和最低发电成本(EPC)分别可达37.5kW，44.5%和0.67$/kW.h，明显优于单级亚临界ORC系统的最佳值（15.1kW，26.1%和0.82$/kW.h）和单级跨临界ORC系统的最佳值（19.5kW，34.3%和0.72$/kW.h）。由此表明，双级循环这类梯级系统在大温差梯度余热利用上表现出更优异的热源匹配性、热力性能和技术经济性。 建立了柴油机高温排气大温差余热回收的蓄热+ORC梯级循环系统(OS+ORC)原理实验台，采用系统仿真与实验相辅的研究方法，深入探究了低温级ORC的多工况运行特性。实验结果表明，低温ORC系统在柴油机转速1900 rpm、100%负荷工况下，循环工质R123的吸热量、系统等熵做功潜力和预测做功潜力值分别为69.1kW、9.7 kW和8.2kW，预测该余热回收底循环系统有效热效率约为11.9%。 在低温级 ORC实验系统基础上，设计并搭建了双朗肯余热回收梯级系统(RC+ORC)实验台，开展了双朗肯循环的系统性研究。在充分验证实验系统的运行稳定性的基础上，分别开展了高温级RC、低温级ORC以及梯级系统总循环性能的研究。针对柴油机的多工况运行特点，研究了热源变化对实验系统余热回收性能的影响。在研究工况范围内，对比分析了柴油机和蓄热 OS+ORC梯级底循环耦合的联合系统(DE&OS+ORC)与柴油机和双朗肯梯级底循环耦合的联合系统(DE&RC+ORC)的实验性能。结果表明，对于原柴油机，OS+ORC梯级系统和RC+ORC梯级系统均表现出可观的动力提升潜力。两组联合实验系统相对于原柴油机的有效功率最高可分别提升3.2%和5.6%。RC+ORC系统的动力性优势更加明显，进一步验证了双朗肯循环梯级系统在大温差梯度余热回收上的匹配性和适应性。 基于双朗肯梯级循环余热回收技术，进一步开展了内燃机多品位余热的综合高效回收的系统优化研究，探索最高热源适应性的回收方案。构建了跨临界梯级有机朗肯循环(C-ORC)系统模型，其中高温级跨临界 ORC循环用于回收高能量品位的柴油机排气余热和废气再循环(EGR)余热，低温级跨临界 ORC循环用于回收较低能量品位的柴油机缸套冷却水余热、增压空气余热以及高温级循环后的剩余排气余热和剩余EGR余热。基于MA-ES体系的评价结果表明：在研究工况范围内，C-ORC系统热力学性能优势明显，最大循环净功、热效率和?效率分别可达38.2kW、11.3%和38.7%，对于排气、EGR、增压空气和缸套冷却水的平均余热回收率分别可达94.0%，95.4%，70.3%和100%。然而，由于系统复杂性较高，发电成本(EPC)和收益/投资比(SIR)的最优值分别为0.27$/kW.h和1.65，系统经济性优势不明显，从而对系统关键部件的高效强化设计提出要求。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.1本文研究目的与意义

1.2内燃机余热回收中的朗肯底循环技术研究现状

1.3本文研究的主要内容

第二章 重型柴油机热平衡分析

2.2热平衡基础理论

2.3热平衡实验

2.4柴油机余热能分析

2.5本章小结

第三章 底循环余热回收系统综合评价体系 (MA-ES)

3.2MA-ES模型介绍

3.3MA-ES评价体系应用

3.4本章小结

第四章 柴油机大温差余热回收底循环系统综合评价

4.1余热回收系统模型

4.2单级和双级底循环余热回收系统综合性能评价

4.3 本章小结

第五章 蓄热-有机朗肯循环梯级余热回收系统 (OS+ORC)实验研究和优化

5.1OS+ORC梯级回收系统设计与仿真

5.2OS+ORC梯级回收系统实验

5.3OS+ORC优化潜力分析

5.4本章小结

第六章 双朗肯循环 (RC+ORC) 梯级余热回收系统实验探索

6.1RC+ORC梯级余热回收系统设计和搭建

6.2实验方法

6.3RC+ORC系统性能实验

6.4RC+ORC多工况实验

6.5本章小结

第七章 双朗肯循环梯级余热回收系统优化

7.1多热源驱动C-ORC系统介绍

7.2系统模型

7.3热力性能分析

7.4技术经济性分析

7.5本章小结

第八章 总结与展望

8.1全文总结

8.2本文创新点

8.3工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢