船舶柴油機廢氣發電效率優化

薛海龍

(江蘇航運職業技術學院，江蘇 南通 226001)

0 引 言

隨著現代科學技術的快速發展，船舶的設計制造技術也獲得了極大進步，船舶柴油機技術的變革已經到來。此外，受到燃油價格的上升以及環保意識的不斷加強等因素影響，全球船舶柴油機設計生產商持續加大船舶柴油機節能減排的研究，利用目前可以獲得的一切技術方法來提升船舶柴油機在環保以及節能減排等方面的綜合性能。本文對船舶柴油機廢氣發電技術進行研究，對船舶發電技術發展有指導意義。

1 船舶柴油機廢氣排放模型

1.1 柴油機廢氣質量流量計算

船舶廢氣質量流量的計算方式主要有直接測量、燃料測量和碳平衡3種方法，船舶廢氣質量流量的直接測量法一般是利用相應的測量設備直接對柴油機排出的廢氣進行測量，對流量計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排出的廢氣進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廢氣進行測量的時候，需要對流入的空氣和燃油的流量進行計算，但是對于船舶的柴油機來說，流入柴油機的空氣很難計算，因此一般也不使用燃料測量法進行柴油機廢氣質量的計算；碳平衡法是通過測算柴油機消耗的油量、燃油的成分和柴油機廢氣濃度這3個量，然后進一步得出柴油機排出廢氣的質量流量。碳平衡法求解船舶柴油機排出廢氣質量的計算方法，如下式：

式中：q為柴油機排出的廢氣質量；q為流入柴油機的燃油質量。燃油常量f的計算方法如下式：

碳系數f的計算方法如下式：

船舶柴油機在不具備氣體冷卻器的情況下，廢氣的溫濕修正系數k計算式如下：

對于含有氣體冷卻器的船舶柴油機而言，廢氣的溫濕修正系數k計算如下式：

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

式中：p為飽和蒸汽壓力；p為空氣壓力。船舶柴油機廢氣流量的計算通常以濕基廢氣濃度為標準，干濃度轉換成濕基廢氣濃度c的計算方式，如下式：

式中：k為干濕修正系數；c為干基廢氣濃度。船舶柴油機廢氣單位功率質量流量的平均加權比排放計算方法如下式：

式中：q為船舶柴油機第個單組廢氣的排放質量流量；W為第個單組的加權系數；P為第個單組的制動功率。

1.2 柴油機廢氣排放預測模型構建

船舶柴油機廢氣排放預測模型的輸入參數的選擇需要從影響柴油機廢氣排放功能的因素著手。船舶柴油機廢氣排放的影響因素主要有環境、運行工況以及壓縮比等。由于船舶工作環境的變化不是很大，因此環境因素對柴油機廢氣的排放可以忽略；船舶柴油機的壓縮比在正常工作的時候是不會進行調整的，因此不需要考慮壓縮比對廢氣排放的影響。那么柴油機廢氣排放的主要影響因素就是船舶柴油機的工況，船舶柴油機的工況主要包括轉速以及功率等。

在轉速恒定的情況下，隨著功率的不斷提升，柴油機缸內的噴油量逐漸增大，這使得柴油機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生局部高溫的可能性，最終形成了易于產生廢氣的環境。在船舶柴油機恒定功率的情況下，隨著柴油機轉速逐漸增大，充量系數會不斷降低，因此柴油機高溫保持的時間會縮短，這種情況下，柴油廢氣不易產生，并且隨著柴油機轉速的提升，柴油機氣缸內的氣壓也會下降，進一步遏制了廢氣的產生。因此使用船舶柴油機的功率以及轉速作為預測模型的輸入，同時使用船舶廢氣排放比值作為預測模型的輸出。

測試23組數據樣本，該數據樣本基本將船舶柴油機的運行工況覆蓋。測試樣本中，船舶柴油機的轉速、功率以及廢氣排放比值之間的關系如圖1所示。由于測試樣本數據之間的量級和單位不同，因此需要對測試的樣本數據進行預處理，然后才能作為船舶柴油機廢氣排放預測模型的輸入參數，歸一化之后的樣本數據y計算方法如下式：

圖1 船舶柴油機轉速、功率以及廢氣排放值三者之間的關系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 船舶柴油機廢氣排放處理技術

船舶柴油機排放的廢氣中包含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氣和水，選擇性是指只對氮氧化合物進行還原。在選擇性催化還原系統中，廢氣中的硫含量對整個系統的工作效率有很大的影響，并且整個系統要在適當的溫度范圍內才可以獲得相對較高的轉換效率。為了能夠很好控制選擇催化還原系統的溫度，使用高壓選擇性催化還原系統，并且通過設置廢氣旁通閥門的方法，對排氣溫度進行控制，船舶柴油機廢氣排放系統結構如圖2所示。

圖2 柴油機廢氣排放處理系統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的后面，這是為了能夠方便地控制選擇性催化還原系統的溫度，船舶柴油機廢氣進入動力渦輪之后會激發動力渦輪做功，動力渦輪會帶動船舶上的發電機發電。添加了廢氣旁通閥門之后，會降低渦輪的輸出功率，從而影響到壓氣機做功；壓氣機功率降低之后，就會導致進氣量降低以及燃燒不充分，進一步降低了熱效率，從而導致柴油機排出的廢氣溫度上升。因此需要匹配新的渦輪增壓器，并且通過調整噴油定時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的壓縮功率，如下式：

3 船舶動力渦輪發電技術

3.1 動力渦輪數學建模

動力渦輪的工作效率高，因此可以充分利用船舶柴油機排出的廢氣做功，進一步提升船舶電力系統的工作效率。在對船舶柴油機排出的廢氣進行旁通調制的過程中，將船舶柴油機輸出的廢氣送給渦輪的同時，也將廢氣送給動力渦輪，在船舶柴油機廢氣的作用下，動力渦輪可以驅動船舶上的發電機工作。船舶動力渦輪的輸出等熵溫度的求解方法，如下式：

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

其中η為動力渦輪的效率。

船舶柴油機廢氣旁通閥門的開度r情況直接決定了動力渦輪的工作情況，當閥門開度r大于0時，船舶動力渦輪開始工作；當閥門開度r等于0時，船舶動力渦輪停止工作。船舶動力渦輪的功率和廢氣閥門開度之間的關系如圖3所示。可以看出，隨著廢氣閥門開度的變大，動力渦輪的功率也隨著變大。這是因為廢氣閥門開度的增大會導致流入動力渦輪的廢氣流量增大，并且船舶動力渦輪的入口溫度也會提升，最終使得船舶動力渦輪的輸出功率變大。

圖3 閥門開度和動力渦輪功率之間的關系Fig. 3 Relationship between valve opening and power turbine power

3.2 動力渦輪發電效率優化仿真

當船舶柴油機工作過程中負荷相對較低的時候，則可以打開船舶柴油機的廢氣旁通閥門以提升動力渦輪的入口廢氣流量，則這時候船舶的動力渦輪開始工作。當船舶柴油機的負荷較高時，則不打開船舶柴油機的廢氣閥門，這時候船舶動力渦輪停止工作。因此通過控制船舶柴油機廢氣閥門的通斷，可以調節船舶柴油機和渦輪之間的匹配關系。

當船舶柴油機的工況從50%跌落到25%的時候，則此時逐漸打開船舶柴油機廢氣旁通閥門，船舶動力渦輪開始工作，并帶動發電機發電。在仿真過程中，設置仿真時間為3 000 s，船舶柴油機在1 500 s的時候減速，此時船舶柴油機廢氣閥門開始逐漸打開，渦輪出口流量如圖4所示。可以看出，船舶柴油機轉速降低之后，船舶柴油機氣缸的輸出功率也會減小，這使得系統的整體排氣量降低，同時船舶柴油機廢氣閥門逐漸打開，導致流進船舶動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

當船舶柴油機的工況從25%上升至50%的時候，則此時逐漸關閉船舶柴油廢氣旁通閥門，船舶動力渦輪停止工作，發電機停止發電。在仿真過程中，設置仿真時間為3 000 s，船舶柴油機在1 500 s的時候開始加速，此時船舶柴油機廢氣閥門逐漸關閉，渦輪出口流量如圖5所示。可以看出，隨著船舶柴油機轉速的提升以及船舶柴油機廢氣閥門的逐漸閉合，船舶柴油機氣缸所產生的廢氣將全部流進渦輪，最終導致渦輪的廢氣流量快速增大。

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

4 結 語

隨著全球各國對經濟可持續發展的重視，越來越多的國家對節能減排進行研究，以提升對能源的利用效率，其中船舶節能是其中一個重要的節能減排措施。本文對船舶柴油機廢氣發電的效率優化進行仿真研究，對船舶節能減排的發展以及環境的保護有促進作用。