面向船舶多种余热梯级利用的TEG-ORC联合循环性能

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 面向船舶多种余热梯级利用的TEG-ORC联合循环性能 柳长昕叶文祥刘健豪吕冠澎赵庭祺董景明 TEG-ORC combined cycle performance for cascade recovery of various types of waste heat from vessels LIU Chang-xin,YE Wen-xiang.LIU Jian-hao,L Guan-peng.ZHAO Ting-qi,DONG Jing-ming 引用本文： 柳长昕，叶文祥，刘健豪，吕冠澎，赵庭祺，董景明.面向船舶多种余热梯级利用的TEG-ORC联合循环性能).工程科学学报， 2021,43(4:577-583.doi:10.13374.issn2095-9389.2020.01.23.001 LIU Chang-xin,YE Wen-xiang,LIU Jian-hao,L Guan-peng,ZHAO Ting-qi,DONG Jing-ming.TEG-ORC combined cycle performance for cascade recovery of various types of waste heat from vessels [J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(4):577- 583.doi:10.13374/i.issn2095-9389.2020.01.23.001 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2020.01.23.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 锌浸出渣有价金属回收及全质化利用研究进展 Research progress in the recovery of valuable metals from zinc leaching residue and its total material utilization 工程科学学报.2020,42(11)：1400htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.03.16.004 钨冶炼渣综合回收利用的研究进展 Progress of research related to the comprehensive recovery and utilization of tungsten smelting slag 工程科学学报.2018.40(12：1468htps:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.12.004 联合多种边缘检测算子的无参考质量评价算法 No-reference image quality assessment using joint multiple edge detection 工程科学学报.2018.40(8：996 https::/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2018.08.014 冻融循环对全尾砂固结体力学性能影响及无损检测研究 Mechanical properties and nondestructive testing of cemented mass of unclassified tailings under freeze-thaw cycles 工程科学学报.2019,41(11：1433htps:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.02.23.002 从选铜尾矿中选择性还原回收铁 Process of the selective reduction and recovery of iron from copper tailings 工程科学学报.2019,41(6：741htps:/oi.org10.13374.issn2095-9389.2019.06.005 基于自动多种子区域生长的遥感影像面向对象分割方法 Object-oriented remote sensing image segmentation based on automatic multiseed region growing algorithm 工程科学学报.2017,3911)：1735htps:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.11.017

面向船舶多种余热梯级利用的TEG-ORC联合循环性能 柳长昕 叶文祥 刘健豪 吕冠澎 赵庭祺 董景明 TEG-ORC combined cycle performance for cascade recovery of various types of waste heat from vessels LIU Chang-xin, YE Wen-xiang, LIU Jian-hao, L Guan-peng, ZHAO Ting-qi, DONG Jing-ming 引用本文: 柳长昕, 叶文祥, 刘健豪, 吕冠澎, 赵庭祺, 董景明. 面向船舶多种余热梯级利用的TEG-ORC联合循环性能[J]. 工程科学学报, 2021, 43(4): 577-583. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.23.001 LIU Chang-xin, YE Wen-xiang, LIU Jian-hao, L Guan-peng, ZHAO Ting-qi, DONG Jing-ming. TEG-ORC combined cycle performance for cascade recovery of various types of waste heat from vessels [J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(4): 577- 583. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.23.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.23.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 锌浸出渣有价金属回收及全质化利用研究进展 Research progress in the recovery of valuable metals from zinc leaching residue and its total material utilization 工程科学学报. 2020, 42(11): 1400 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.16.004 钨冶炼渣综合回收利用的研究进展 Progress of research related to the comprehensive recovery and utilization of tungsten smelting slag 工程科学学报. 2018, 40(12): 1468 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.004 联合多种边缘检测算子的无参考质量评价算法 No-reference image quality assessment using joint multiple edge detection 工程科学学报. 2018, 40(8): 996 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.08.014 冻融循环对全尾砂固结体力学性能影响及无损检测研究 Mechanical properties and nondestructive testing of cemented mass of unclassified tailings under freeze-thaw cycles 工程科学学报. 2019, 41(11): 1433 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.23.002 从选铜尾矿中选择性还原回收铁 Process of the selective reduction and recovery of iron from copper tailings 工程科学学报. 2019, 41(6): 741 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.005 基于自动多种子区域生长的遥感影像面向对象分割方法 Object-oriented remote sensing image segmentation based on automatic multiseed region growing algorithm 工程科学学报. 2017, 39(11): 1735 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.017

工程科学学报.第43卷，第4期：577-583.2021年4月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.4:577-583,April 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.23.001;http://cje.ustb.edu.cn 面向船舶多种余热梯级利用的TEG-ORC联合循环性能 柳长昕区，叶文祥，刘健豪，吕冠澎，赵庭祺，董景明 大连海事大学轮机工程学院，大连116026 ☒通信作者，E-mail:liu_changxin@dmu.edu.cn 摘要传统的温差发电(TEG)和有机朗肯循环(ORC)等技术难以兼顾船舶多种性质余热的不同特点，且利用率较低.本文提 出了一种TEG-ORC联合循环船舶余热梯级利用系统，研究了ORC底循环蒸发压力变化对系统输出功率、热效率、多级余热利 用量和成本等重要性能的影响.结果表明，TEG-ORC联合循环实现了发电成本和热效率的优化，在TEG/ORC底循环比为0.615 的工况下，主机烟气余热利用率随ORC蒸发压力的增加在小区间波动，系统的余热利用功率、输出功率和热效率均随ORC 蒸发压力的增加而增大，系统单位发电成本随ORC蒸发压力的增加而降低.在ORC蒸发压力达到0.9MPa时，主机烟气余 热利用率为62.15%.余热利用功率为1919.68W,输出功率为139.22W,热效率为7.25%，单位发电成本为3.09￥(kW-h. 关键词船舶能效：余热回收：梯级利用：TEG-ORC联合循环：蒸发压力 分类号TK121 TEG-ORC combined cycle performance for cascade recovery of various types of waste heat from vessels LIU Chang-xin,YE Wen-xiang,LIU Jian-hao,LU Guan-peng,ZHAO Ting-qi,DONG Jing-ming Marine Engineering College,Dalian Maritime University,Dalian 116026,China Corresponding author,E-mail:liu changxin@dlmu.edu.cn ABSTRACT High energy consumption and low energy efficiency are problems that have plagued vessels in operation for many years. Traditional technologies such as thermoelectric generator(TEG)and organic Rankine cycle(ORC)are difficult to take into account the different characteristics to various waste heat of vessels.Simultaneously,the utilization rate of vessel waste heat is relatively low.To achieve the purpose of various types of waste heat from vessels,this study presents a vessel waste heat cascade utilization device system, which is based on the TEG-ORC combined cycle.The effects of the ORC evaporation pressure on the performance of the system were analyzed,which includes the combined cycle system output power,system thermal efficiency,multi-stage waste heat utilization and power generation cost of the system.The results show that the TEG-ORC combined cycle system improves the waste heat utilization performance and the combined cycle enables the optimization of power generation cost and system thermal efficiency.Based on the condition that the TEG-ORC basic cycle ratio of 0.615,the utilization rate of flue gas waste heat generated by the main engine,fluctuates in a small interval with the increase of ORC evaporation pressure.The waste heat utilization power of each unit,output power and thermal efficiency of the system enhance with the increase in the ORC evaporation pressure.At the same time,the unit power generation cost of the system decreases with the increase in the ORC evaporation pressure.When the ORC evaporation pressure reaches 0.9 MPa, the waste heat utilization rate of the flue gas generated by the main engine is 62.15%,the waste heat utilization power of the system is 1919.68 W,the output power of the system is 139.22 W,the thermal efficiency of the system is 7.25%,and the cost of system unit power 收稿日期：202001-23 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2017YFC14046):辽宁省自然科学基金资助项目(201601063)：中央高校基本科研业务费资助项目 (3132018255,3132019330)

面向船舶多种余热梯级利用的 TEG-ORC 联合循环性能 柳长昕苣，叶文祥，刘健豪，吕冠澎，赵庭祺，董景明 大连海事大学轮机工程学院，大连 116026 苣通信作者，E-mail: liu_changxin@dlmu.edu.cn 摘    要    传统的温差发电（TEG）和有机朗肯循环（ORC）等技术难以兼顾船舶多种性质余热的不同特点，且利用率较低. 本文提 出了一种 TEG-ORC 联合循环船舶余热梯级利用系统，研究了 ORC 底循环蒸发压力变化对系统输出功率、热效率、多级余热利 用量和成本等重要性能的影响. 结果表明，TEG-ORC 联合循环实现了发电成本和热效率的优化，在 TEG/ORC 底循环比为 0.615 的工况下，主机烟气余热利用率随 ORC 蒸发压力的增加在小区间波动，系统的余热利用功率、输出功率和热效率均随 ORC 蒸发压力的增加而增大，系统单位发电成本随 ORC 蒸发压力的增加而降低. 在 ORC 蒸发压力达到 0.9 MPa 时，主机烟气余 热利用率为 62.15%，余热利用功率为 1919.68 W，输出功率为 139.22 W，热效率为 7.25%，单位发电成本为 3.09 ¥·(kW·h)–1 . 关键词    船舶能效；余热回收；梯级利用；TEG-ORC 联合循环；蒸发压力 分类号    TK121 TEG-ORC combined cycle performance for cascade recovery of various types of waste heat from vessels LIU Chang-xin苣 ，YE Wen-xiang，LIU Jian-hao，LÜ Guan-peng，ZHAO Ting-qi，DONG Jing-ming Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China 苣 Corresponding author, E-mail: liu_changxin@dlmu.edu.cn ABSTRACT    High energy consumption and low energy efficiency are problems that have plagued vessels in operation for many years. Traditional technologies such as thermoelectric generator (TEG) and organic Rankine cycle (ORC) are difficult to take into account the different characteristics to various waste heat of vessels. Simultaneously, the utilization rate of vessel waste heat is relatively low. To achieve the purpose of various types of waste heat from vessels, this study presents a vessel waste heat cascade utilization device system, which is based on the TEG-ORC combined cycle. The effects of the ORC evaporation pressure on the performance of the system were analyzed, which includes the combined cycle system output power, system thermal efficiency, multi-stage waste heat utilization and power generation cost of the system. The results show that the TEG-ORC combined cycle system improves the waste heat utilization performance and the combined cycle enables the optimization of power generation cost and system thermal efficiency. Based on the condition that the TEG-ORC basic cycle ratio of 0.615, the utilization rate of flue gas waste heat generated by the main engine, fluctuates in a small interval with the increase of ORC evaporation pressure. The waste heat utilization power of each unit, output power and thermal efficiency of the system enhance with the increase in the ORC evaporation pressure. At the same time, the unit power generation cost of the system decreases with the increase in the ORC evaporation pressure. When the ORC evaporation pressure reaches 0.9 MPa, the waste heat utilization rate of the flue gas generated by the main engine is 62.15%, the waste heat utilization power of the system is 1919.68 W, the output power of the system is 139.22 W, the thermal efficiency of the system is 7.25%, and the cost of system unit power 收稿日期: 2020−01−23 基金项目: 国家重点研发计划资助项目（2017YFC14046）；辽宁省自然科学基金资助项目（201601063）；中央高校基本科研业务费资助项目 （3132018255，3132019330） 工程科学学报，第 43 卷，第 4 期：577−583，2021 年 4 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 4: 577−583, April 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.23.001; http://cje.ustb.edu.cn

578 工程科学学报，第43卷，第4期 generation is 3.09(kW-h) KEY WORDS ship energy efficiency;waste heat recovery;cascade utilization;TEG-ORC combined cycle;evaporation pressure 作为航运业主要载体的远洋船舶，其有效能源 行了评估.目前，基于ORC的船舶余热利用存在 利用效率不足50%川，大部分能源消耗以废热的形 难以回收多种类、多温度区间的船舶余热等局限 式排放到环境中，造成巨大能源浪费的同时也导致 Miller等2-1]提出了一种将TEG和ORC相结 碳排放居高不下；据国际海事组织(IMO)调查显示)， 合的系统，高温烟气可以先通过TEG单元，在发电 目前国际航运业的CO2排放量已占到全球CO2排 的同时实现温降，后进入蒸发器中预热ORC工 放量总量的3%左右，若不采取相关解决措施，到 质，实现废热的充分利用；Qiu和Hayden!建立了 2050年该比例预计将增至18%.因此，开展基于余 一种微型热电联产系统的数学模型，并通过实验 热回收的船舶能效提升技术研究，是缓解能源短缺 研究了系统的输出性能：舒歌群等6在面向 压力和应对严苛法律法规要求的有效途径之一， 汽车尾气余热回收的ORC系统中，引入TEG单 船舶余热种类较多且回收潜力巨大，众多研 元，为烟气预降温的同时做发电性能的补充，并开 究结果已证明了温差发电(TEG)技术和有机朗肯 循环(ORC)技术在船舶余热利用与能效提升方面 展了不同临界条件下联合系统性能的理论研究. 的巨大潜力.Georgopoulou等)提出了一种面向船 船舶余热具有温度梯度大、可回收体量多等 舶应用的TEG模型，并对其回收船舶低品位余热 特点.为弥补传统余热利用方式的不足，在前期研 的潜力进行了评估.鉴于温差热电材料转换效率 究基础上401-1，本文提出了一种基于TEG-ORC 不高且普通TEG装置对船舶余热回收效果有待提 联合循环的船舶余热梯级利用新方法，并通过实 升，Yan,Liu和其他研究学者在汽车尾气余热回收 验研究探讨了ORC底循环蒸发压力对系统输出 研究基础上，针对船舶余热特点及其换热瓶颈，设 性能、热效率、单位发电成本、主机烟气余热利用 计了基于多种船舶余热的HP-TEG装置，并开展 率等主要性能参数的影响 了理论及实验研究4o,Yang和Yeh从热力学性 TEG-ORC联合循环热力学模型 能和最佳经济性入手，对基于ORC营运船舶主机 烟气余热回收装置的最大净输出功率和热效率进 TEG-ORC联合循环系统基本原理如图I所示 W The third-stage preheater Evaportator h Charge air Cylinder liner water WoRc-Wop We TEG cold end Condenser TEG Working Flue gas medium pump TEG hot end TEG bottom cycle 图1TEG-ORC联合循环系统理论模型 Fig.1 Theoretical model of the thermoelectric generator and organic Rankine cycle(TEG-ORC)combined cycle 根据Seeback效应原理，在忽略散热损失的情 式中：W为温差发电片热端吸收功率，W。为温差 况下，最终可以得出TEG系统的输出功率WEG及 发电片冷端放热功率，单位均为W 转换效率1为： (1)TEG底循环冷端 WTEG =Wh-We (1) 工质在温差发电底循环冷端进行第一级预 1=1-We/W (2) 热，其余热利用功率表示为：

generation is 3.09 ¥·(kW·h)–1 . KEY WORDS    ship energy efficiency；waste heat recovery；cascade utilization；TEG-ORC combined cycle；evaporation pressure 作为航运业主要载体的远洋船舶，其有效能源 利用效率不足 50% [1] ，大部分能源消耗以废热的形 式排放到环境中，造成巨大能源浪费的同时也导致 碳排放居高不下；据国际海事组织（IMO）调查显示[2] ， 目前国际航运业的 CO2 排放量已占到全球 CO2 排 放量总量的 3% 左右，若不采取相关解决措施，到 2050 年该比例预计将增至 18%. 因此，开展基于余 热回收的船舶能效提升技术研究，是缓解能源短缺 压力和应对严苛法律法规要求的有效途径之一. 船舶余热种类较多且回收潜力巨大，众多研 究结果已证明了温差发电（TEG）技术和有机朗肯 循环（ORC）技术在船舶余热利用与能效提升方面 的巨大潜力. Georgopoulou 等[3] 提出了一种面向船 舶应用的 TEG 模型，并对其回收船舶低品位余热 的潜力进行了评估. 鉴于温差热电材料转换效率 不高且普通 TEG 装置对船舶余热回收效果有待提 升，Yan，Liu 和其他研究学者在汽车尾气余热回收 研究基础上，针对船舶余热特点及其换热瓶颈，设 计了基于多种船舶余热的 HP–TEG 装置，并开展 了理论及实验研究[4–10] ；Yang 和 Yeh[11] 从热力学性 能和最佳经济性入手，对基于 ORC 营运船舶主机 烟气余热回收装置的最大净输出功率和热效率进 行了评估. 目前，基于 ORC 的船舶余热利用存在 难以回收多种类、多温度区间的船舶余热等局限. Miller 等[12–13] 提出了一种将 TEG 和 ORC 相结 合的系统，高温烟气可以先通过 TEG 单元，在发电 的同时实现温降，后进入蒸发器中预热 ORC 工 质，实现废热的充分利用；Qiu 和 Hayden[14] 建立了 一种微型热电联产系统的数学模型，并通过实验 研究了系统的输出性能[14] ；舒歌群等[15– 16] 在面向 汽车尾气余热回收的 ORC 系统中，引入 TEG 单 元，为烟气预降温的同时做发电性能的补充，并开 展了不同临界条件下联合系统性能的理论研究. 船舶余热具有温度梯度大、可回收体量多等 特点. 为弥补传统余热利用方式的不足，在前期研 究基础上[4–10, 17–18] ，本文提出了一种基于 TEG-ORC 联合循环的船舶余热梯级利用新方法，并通过实 验研究探讨了 ORC 底循环蒸发压力对系统输出 性能、热效率、单位发电成本、主机烟气余热利用 率等主要性能参数的影响. 1    TEG-ORC 联合循环热力学模型 TEG-ORC 联合循环系统基本原理如图 1 所示. The third-stage preheater Evaportator The secondary preheater Condenser TEG hot end Working medium pump Cylinder liner water Flue gas TEG bottom cycle ORC bottom cycle Expander Charge air Flue gas TEG cold end TEG W3 WORC=Wexp WC W1 W2 W4 h4 h1 h7 m h5 Wexp WTEG Wh h6 h3 h2 图 1 TEG-ORC 联合循环系统理论模型 Fig.1 Theoretical model of the thermoelectric generator and organic Rankine cycle (TEG-ORC) combined cycle 根据 Seeback 效应原理，在忽略散热损失的情 况下，最终可以得出 TEG 系统的输出功率 WTEG 及 转换效率 η1 为： WTEG = Wh − Wc （1） η1= 1− Wc/Wh （2） 式中： Wh 为温差发电片热端吸收功率， Wc 为温差 发电片冷端放热功率，单位均为 W. （1）TEG 底循环冷端. 工质在温差发电底循环冷端进行第一级预 热，其余热利用功率表示为： · 578 · 工程科学学报，第 43 卷，第 4 期

柳长昕等：面向船舶多种余热梯级利用的TEG-ORC联合循环性能 579. W1=m(h2-h1) (3) Wi=Wh+W2+W3+W4 (10) (2)二级预热器（主机缸套水预热器） ORC底循环的热效率表示为： 工质在二级预热器中由主机缸套水为其进行 式中，m为工质流速，kgs';h、h2为工质经温差发 预热，其吸热功率表示为： 电底循环冷端预热前后的焓值，3为工质经二级预 W2=m(h3-h2) (4) 热器预热后的焓值，h4为工质经三级预热器预热后 (3)三级预热器（增压空气预热器） 的焓值，hs为饱和蒸气的焓值，h6为膨胀后乏汽的 工质在三级预热器中由增压空气为其进行预 焓值，为工质经冷凝器冷凝后的焓值，单位均为 热，其吸热功率表示为： kJ-(kg-K) 工质在蒸发器内先定压吸热成为饱和液态， Wa m(hs -ha) (11) 再定温吸热成为饱和气态，其吸热功率表示为： (5)膨胀机 工质通过工质泵从冷凝器输送到温差发电底 工质蒸气在膨胀机内膨胀做功，膨胀机的输 循环冷端，工质泵消耗的功率可表示为： 出功率表示为： Wpump=m(h1-h） (5) Wexp =m(h6-hs) (12) ORC底循环的输出功率表示为： (6)工质泵 WoRC Wexp -Wpump (6) W3=m(h4-h3) (13) 2=Wep/(W1+W2+W3+W4) (7) (4)蒸发器 TEG-ORC联合循环系统总输出功率表示为： 2实验设计 Ws WTEG+WORC (8) TEG-ORC联合循环系统热效率表示为： 2.1基本原理 =Ws/Wi=(WTEG WoRC)/(Wh W2+W3+W4) 基于TEG-ORC联合循环的船舶余热梯级利 (9) 用装置系统原理图如图2所示.该联合循环系统 TEG-ORC联合循环系统总余热利用功率表示为： 主要包括TEG底循环和ORC底循环 Output power -Exhaust ORC working Jacket water fluid circulation Fresh water Jacket water pump expansion cabinet Jacket water Sea water circulation pump Fresh air Third preheater Evaporator Main Expander Charge air engine Air cooler 上xhaust Compressor Turbocharger TEG hot side TEG TEG cold side Condenser Fresh air ORC pump Expansion cabinet Fresh water pump Central cooler Sea water outlet Sea water inlet 图2基于TEG-ORC联合循环的船舶余热梯级利用装置系统原理图 Fig.2 Schematic of a ship waste heat cascade utilization system based on the TEG-ORC combined cycle 在TEG底循环中，为克服其热端与烟气热源 烟气余热第一次利用的同时，ORC底循环的有机 的换热瓶颈，设计了热管强化换热装置，其冷凝段 工质作为冷源，吸收烟气余热同时实现其第一级 作为TEG底循环的热端.在TEG底循环实现主机 预热，经过吸收后的主机烟气温度降低，保证了

W1 = m(h2 −h1) （3） （2）二级预热器（主机缸套水预热器）. 工质在二级预热器中由主机缸套水为其进行 预热，其吸热功率表示为： W2 = m(h3 −h2) （4） （3）三级预热器（增压空气预热器）. 工质在三级预热器中由增压空气为其进行预 热，其吸热功率表示为： 工质在蒸发器内先定压吸热成为饱和液态， 再定温吸热成为饱和气态，其吸热功率表示为： 工质通过工质泵从冷凝器输送到温差发电底 循环冷端，工质泵消耗的功率可表示为： Wpump = m(h1 −h7) （5） ORC 底循环的输出功率表示为： WORC = Wexp − Wpump （6） η2 = Wexp/ (W1 + W2 + W3 + W4) （7） TEG-ORC 联合循环系统总输出功率表示为： Ws = WTEG + WORC （8） TEG-ORC 联合循环系统热效率表示为： η = Ws/Wt=(WTEG +WORC) / (Wh + W2 + W3 + W4) （9） TEG-ORC 联合循环系统总余热利用功率表示为： Wt = Wh + W2 + W3 + W4 （10） ORC 底循环的热效率表示为： h1 h2 h3 h4 h5 h6 h7 式中，m 为工质流速，kg·s–1 ； 、 为工质经温差发 电底循环冷端预热前后的焓值， 为工质经二级预 热器预热后的焓值， 为工质经三级预热器预热后 的焓值， 为饱和蒸气的焓值， 为膨胀后乏汽的 焓值， 为工质经冷凝器冷凝后的焓值，单位均为 kJ·(kg·K)–1 . W4 = m(h5 −h4) （11） （5）膨胀机. 工质蒸气在膨胀机内膨胀做功，膨胀机的输 出功率表示为： Wexp = m(h6 −h5) （12） （6）工质泵. W3 = m(h4 −h3) （13） （4）蒸发器. 2    实验设计 2.1    基本原理 基于 TEG-ORC 联合循环的船舶余热梯级利 用装置系统原理图如图 2 所示. 该联合循环系统 主要包括 TEG 底循环和 ORC 底循环. Evaporator Turbocharger TEG hot side TEG Jacket water pump expansion cabinet Condenser Air cooler Ship renewable energy microgrid Third preheater Compressor Exhaust Fresh water circulation Fresh air Output power ORC working fluid circulation Sea water Fresh water pump ORC pump Main engine TEG cold side Central cooler Jacket water pump Expansion cabinet Jacket water Exhaust Fresh air Jacket water Charge air Jacket water cooler Second preheater Expander Sea water outlet Sea water inlet 图 2 基于 TEG-ORC 联合循环的船舶余热梯级利用装置系统原理图 Fig.2 Schematic of a ship waste heat cascade utilization system based on the TEG-ORC combined cycle 在 TEG 底循环中，为克服其热端与烟气热源 的换热瓶颈，设计了热管强化换热装置，其冷凝段 作为 TEG 底循环的热端. 在 TEG 底循环实现主机 烟气余热第一次利用的同时，ORC 底循环的有机 工质作为冷源，吸收烟气余热同时实现其第一级 预热，经过吸收后的主机烟气温度降低，保证了 柳长昕等： 面向船舶多种余热梯级利用的 TEG-ORC 联合循环性能 · 579 ·

580 工程科学学报，第43卷，第4期 ORC底循环余热利用的安全性 元、预热器单元、数据监测采集单元、控制单元五 在ORC底循环中，有机工质在TEG单元冷端 部分组成.其中，TEG单元包括模拟烟气加热单 实现第一级预热后，利用主机缸套水余热、增压空 元、冷却单元、负载电路、控制电路等：ORC发电 气余热实现第二级、第三级预热：随后，通过回收 单元包括蒸发器、小型涡旋膨胀机、冷凝器、工质 主机烟气剩余可用余热，有机工质在蒸发器出口 泵、储液罐、控制电路等：预热器单元包括缸套水 汽化，进入膨胀机做功并带动发电机发电，做功后 换热器、增压空气预热器、控制电路等：数据监测 的乏汽到达冷凝器冷却成液体，再次作为冷却介 采集单元以及控制单元主要包括电路控制单元、 质返回到TEG底循环冷端，完成循环 压力传感器、温度传感器、热电偶、数据采集装 2.2实验设置 置、滑动变阻器等.为保证实验数据的准确性，热 船舶余热梯级利用TEG-ORC联合循环实验 电转换单元、各级预热器、实验管路等均用保温 系统如图3所示，主要由TEG单元、ORC发电单 材料等做好保温与隔热 (a) M A 图3TEG-ORC联合循环实验系统(A一电路控制单元：B一模拟烟气加热单元：C一缸套水余热利用单元：D一增压空气余热利用单元：E一蒸发 器：F一小型涡旋膨胀机：G一工质罐：H一冷凝器：一工质泵：」一数据监测和采集单元：K一流量传感器：L一温度传感器：M一压力传感器：N一背 压阀：O一滑动变阻器) Fig.3 TEG-ORC combined cycle experimental system (A-circuit control unit;B-simulated exhaust heating unit;C-cylinder liner water waste heat utilization unit,D-charge air waste heat utilization unit,E-evaporator,F-small scroll expander,G-working fluid tank,H-condenser,I-working fluid pump;J-data monitoring acquisition unit K-flow sensor,L-temperature sensor,M-pressure sensor,N-back pressure valve;O-slide rheostat) 本研究选取R22为ORC底循环工质，并将一 保持ORC底循环工质流量不变，通过改变其 台用其作为工质的小型涡旋压缩机改装为联合循 蒸发压力，得到不同工况下TEG底循环和ORC底 环实验系统的膨胀机.相比传统的膨胀机，涡旋压 循环的输出功率、各级预热器的余热利用功率，并 缩机除专为压缩过程进行的外形设计带来的效率 通过工质在各级预热单元中温度、压力的变化，计 下降外，其作为膨胀机使用的工作效率是可以接 算得到热效率、主机烟气余热利用量、发电成本 受的，而效率下降的主要原因是不能满足作为膨 等主要性能参数 胀机使用时要求的内置体积比.通过对涡旋膨胀 不同工质蒸发压力下系统的余热利用功率如 机的CFD模拟可知，即使不对外形和内部结构作 图4所示.由图可知，在不同蒸发压力下，TEG底 任何改变，其也可以用作涡旋式膨胀机920 循环的余热利用功率通常在330W上下小幅度波 动、ORC底循环中蒸发器的余热利用功率最大， 3 数据与分析 这与TEG和ORC各底循环输出功率变化的实验 为了更加直观的对TEG底循环和ORC底循 数据趋势一致；此外，二级和三级预热器的余热利 环规模及不同规模下系统性能进行比较，将TEG 用功率基本稳定，只是在0.7、0.73和0.76MPa蒸 底循环对主机烟气余热利用量QEG与ORC底循 发压力工况下为零.其原因在于，当蒸发压力为 环对主机烟气利用量QoRc的比QEG/QoRc定义 0.6、0.63和0.66MPa时，有机工质在TEG换热单 为TEG/ORC底循环比，以T表示.以前期变底循 元内部可实现汽化，其在TEG底循环中对主机烟 环比实验研究为依据，本研究中设定=0.615 气的利用受到较大影响：当蒸发压力为0.7、0.73

ORC 底循环余热利用的安全性. 在 ORC 底循环中，有机工质在 TEG 单元冷端 实现第一级预热后，利用主机缸套水余热、增压空 气余热实现第二级、第三级预热；随后，通过回收 主机烟气剩余可用余热，有机工质在蒸发器出口 汽化，进入膨胀机做功并带动发电机发电，做功后 的乏汽到达冷凝器冷却成液体，再次作为冷却介 质返回到 TEG 底循环冷端，完成循环. 2.2    实验设置 船舶余热梯级利用 TEG-ORC 联合循环实验 系统如图 3 所示，主要由 TEG 单元、ORC 发电单 元、预热器单元、数据监测采集单元、控制单元五 部分组成. 其中，TEG 单元包括模拟烟气加热单 元、冷却单元、负载电路、控制电路等；ORC 发电 单元包括蒸发器、小型涡旋膨胀机、冷凝器、工质 泵、储液罐、控制电路等；预热器单元包括缸套水 换热器、增压空气预热器、控制电路等；数据监测 采集单元以及控制单元主要包括电路控制单元、 压力传感器、温度传感器、热电偶、数据采集装 置、滑动变阻器等. 为保证实验数据的准确性，热 电转换单元、各级预热器、实验管路等均用保温 材料等做好保温与隔热. L L M C D E G F H J I B A N M C B F D E G K O H A I J (a) (b) 图 3 TEG-ORC 联合循环实验系统（A—电路控制单元；B—模拟烟气加热单元；C—缸套水余热利用单元；D—增压空气余热利用单元；E—蒸发 器；F—小型涡旋膨胀机；G—工质罐；H—冷凝器；I—工质泵；J—数据监测和采集单元；K—流量传感器；L—温度传感器；M—压力传感器；N—背 压阀；O—滑动变阻器） Fig.3 TEG-ORC combined cycle experimental system (A—circuit control unit; B—simulated exhaust heating unit; C—cylinder liner water waste heat utilization unit; D—charge air waste heat utilization unit; E—evaporator; F—small scroll expander; G—working fluid tank; H—condenser; I—working fluid pump; J —data monitoring acquisition unit; K —flow sensor; L —temperature sensor; M —pressure sensor; N —back pressure valve; O —slide rheostat) 本研究选取 R22 为 ORC 底循环工质，并将一 台用其作为工质的小型涡旋压缩机改装为联合循 环实验系统的膨胀机. 相比传统的膨胀机，涡旋压 缩机除专为压缩过程进行的外形设计带来的效率 下降外，其作为膨胀机使用的工作效率是可以接 受的，而效率下降的主要原因是不能满足作为膨 胀机使用时要求的内置体积比. 通过对涡旋膨胀 机的 CFD 模拟可知，即使不对外形和内部结构作 任何改变，其也可以用作涡旋式膨胀机[19–20] . 3    数据与分析 为了更加直观的对 TEG 底循环和 ORC 底循 环规模及不同规模下系统性能进行比较，将 TEG 底循环对主机烟气余热利用量 QTEG 与 ORC 底循 环对主机烟气利用量 QORC 的比 QTEG/QORC 定义 为 TEG/ORC 底循环比，以 Γ 表示. 以前期变底循 环比实验研究为依据，本研究中设定 Γ=0.615. 保持 ORC 底循环工质流量不变，通过改变其 蒸发压力，得到不同工况下 TEG 底循环和 ORC 底 循环的输出功率、各级预热器的余热利用功率，并 通过工质在各级预热单元中温度、压力的变化，计 算得到热效率、主机烟气余热利用量、发电成本 等主要性能参数. 不同工质蒸发压力下系统的余热利用功率如 图 4 所示. 由图可知，在不同蒸发压力下，TEG 底 循环的余热利用功率通常在 330 W 上下小幅度波 动、ORC 底循环中蒸发器的余热利用功率最大， 这与 TEG 和 ORC 各底循环输出功率变化的实验 数据趋势一致；此外，二级和三级预热器的余热利 用功率基本稳定，只是在 0.7、0.73 和 0.76 MPa 蒸 发压力工况下为零. 其原因在于，当蒸发压力为 0.6、0.63 和 0.66 MPa 时，有机工质在 TEG 换热单 元内部可实现汽化，其在 TEG 底循环中对主机烟 气的利用受到较大影响；当蒸发压力为 0.7、0.73 · 580 · 工程科学学报，第 43 卷，第 4 期