船舶低速柴油机及其余热回收系统的数学建模与仿真研究

摘要

世界船舶运输消耗了大量的燃料，与此同时为了减少船舶CO2的排放，缓解温室效应，国际海事组织（IMO）提出了EEDI法案，对能效不达标的船舶，船东需缴纳一定数量的罚金以补偿对环境的破坏。面对日益严格的排放法规，船舶柴油机余热回收技术已成为国内外船舶领域的研究热点。　　本文以6S50ME-C8.2型船舶低速二冲程柴油机及其余热回收系统为研究对象，采用动力涡轮和余热锅炉的余热回收方式对尾气能量进行回收。根据模块化建模思想分别建立了柴油机和余热锅炉的数学模型，基于 MATLAB/Simulink仿真平台搭建了其仿真模型，并根据实验数据验证了仿真模型的准确性。结果表明，柴油机模型和余热锅炉模型的稳态仿真值与试验值非常接近，动态仿真结果与实际特性相符，模型具有良好的实时仿真能力，能够满足工程应用对仿真时间和精度的要求。　　本文建立了动力涡轮和双压蒸汽轮机的仿真模型，按照参数传递关系连接各个设备的仿真模型，得到了柴油机及其余热回收系统的总体仿真模型。在不同的主机负荷和环境温度下，对机组进行了稳态仿真，同时在主机负荷突减、突增和连续变化三种情况下对机组主要参数的动态特性响应变化进行了研究。结果表明：随着主机负荷的突变，动力涡轮功率、蒸汽轮机功率以及余热回收系统总功率的变化趋势与负荷变化趋势相同。　　基于所搭建的仿真模型，本文对不同负荷下系统的余热回收潜力进行了计算，对比了加装余热回收系统前后的系统热效率。结果表明：相比于动力涡轮，余热锅炉和蒸汽轮机的余热回收潜力相对较大，可以将余热锅炉和蒸汽轮机的优化作为余热回收系统性能优化的关键环节。同时，即使调制主机会使主机热效率下降，但是加装余热回收系统后总热效率提高，可以达到节能减排的目的。　　本文的研究成果可以为船舶柴油机余热回收系统的设计方案提供参考，为控制系统的策略性研究打下基石。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 船舶柴油机余热回收技术发展现状

1.3 船舶柴油机及其余热回收系统仿真研究发展现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 余热回收系统及其建模方法

2.1 研究对象

2.2 动态仿真模型理论研究

2.3 本章小结

第3章 船舶柴油机的数学模型及仿真研究

3.1 柴油机的平均值模型

3.2 柴油机本体

3.3 涡轮增压器

3.4 进排气系统

3.5 中冷器

3.6 柴油机的仿真模型

3.7 仿真结果及验证

3.8 本章小结

第4章 余热锅炉的数学建模与仿真研究

4.1 余热锅炉简介及系统分解

4.2 烟气侧

4.3 单相区

4.4 两相区

4.5 余热锅炉的仿真模型

4.6 仿真结果及验证

4.7 本章小结

第5章 船舶柴油机余热回收系统仿真研究与综合分析

5.1 船舶柴油机及其余热回收系统仿真模型

5.2 稳态仿真结果

5.3 动态仿真结果

5.4 船舶余热回收系统综合分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢