對(duì)于船用柴油機(jī),其被煙氣帶走的熱量占燃料燃燒產(chǎn)生的總熱量的比重約三分之一,本文針對(duì)船舶柴油機(jī)200℃以下的低溫?zé)煔獠捎糜袡C(jī)朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle,ORC)系統(tǒng)進(jìn)行余熱回收,并首次采用無(wú)油螺桿膨脹機(jī)做動(dòng)力主機(jī),從熱力循環(huán)系統(tǒng),主機(jī)熱力特性、主機(jī)動(dòng)力特性、密封技術(shù)和機(jī)組性能等方面,對(duì)基于無(wú)油螺桿膨脹機(jī)的船舶余熱ORC系統(tǒng)特性進(jìn)行理論與試驗(yàn)研究。本文首先對(duì)采用不同配置的ORC系統(tǒng)進(jìn)行了?分析,結(jié)果表明:柴油機(jī)煙氣余熱ORC系統(tǒng)所有部件之中,蒸發(fā)器的?損失最大,通過(guò)增加預(yù)熱器或回?zé)崞?熱效率會(huì)提升,但同時(shí)系統(tǒng)的?損失和成本也增加。對(duì)影響ORC系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)研究,形成ORC系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法:蒸發(fā)器過(guò)熱度和冷凝器的過(guò)冷度取1~2℃;無(wú)油螺桿的膨脹比和膨脹機(jī)內(nèi)效率應(yīng)盡可能地提高。其次,本文重點(diǎn)對(duì)ORC系統(tǒng)中的無(wú)油螺桿膨脹機(jī)的熱力性能進(jìn)行分析研究和試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明:在無(wú)油螺桿膨脹機(jī)工作過(guò)程中,等熵效率主要受泄漏和流動(dòng)損失的影響,其中泄漏損失的占主要因素,本文細(xì)化了各泄漏通道的計(jì)算模型,分別比較了容積效率隨嚙合間隙、齒頂間隙和端面間隙的變化趨勢(shì),其中齒頂間隙對(duì)容積效率的影響最大;文章通過(guò)分析轉(zhuǎn)子和殼體熱力變形對(duì)間隙的影響,總結(jié)出螺桿膨脹機(jī)間隙設(shè)計(jì)方法,嚙合間隙受轉(zhuǎn)子熱變形影響最大,殼體熱變形會(huì)增加轉(zhuǎn)子中心距,增大嚙合間隙;齒頂間隙受轉(zhuǎn)子力變形和殼體不規(guī)則變形的影響,需要通過(guò)修正殼體內(nèi)缸徑來(lái)消除不利影響。在對(duì)無(wú)油螺桿膨脹機(jī)的熱力性能分析的同時(shí),針對(duì)動(dòng)力性能進(jìn)行理論與試驗(yàn)研究,提出無(wú)油螺桿膨脹機(jī)軸系臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算方法,通過(guò)變轉(zhuǎn)速測(cè)振試驗(yàn),捕獲到扭轉(zhuǎn)頻率下振動(dòng)高值,該結(jié)果與理論計(jì)算基本一致。最后,搭建ORC系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái),采用新型的蒸發(fā)式冷凝器,發(fā)電功率和系統(tǒng)效率隨冷源負(fù)荷的增加而增加,環(huán)境的相對(duì)濕度和溫度對(duì)系統(tǒng)的效率影響明顯。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明實(shí)際熱效率只有5.3%,低于理論設(shè)計(jì)效率5.7%。分析比較對(duì)系統(tǒng)效率影響較大的因素包括三方面:(1)由于實(shí)際運(yùn)行中,膨脹機(jī)間隙大于理論設(shè)定值;(2)機(jī)組混入部分不凝氣;(3)輔機(jī)系統(tǒng)沒(méi)有采用變頻設(shè)計(jì),自耗電較高。通過(guò)泄漏檢測(cè)發(fā)現(xiàn),有機(jī)工質(zhì)R245fa與丁腈橡膠不兼容,聚氨酯材料具有較好的耐腐蝕效果。同時(shí),也驗(yàn)證了R245fa與常用金屬如碳鋼、不銹鋼不具有腐蝕性。通過(guò)以上理論分析和試驗(yàn)對(duì)比,得到船舶柴油機(jī)200℃以下的低溫?zé)煔庥酂岬淖罴鸦厥绽猛緩?實(shí)現(xiàn)了對(duì)煙氣余熱ORC系統(tǒng)的優(yōu)化配置,確定無(wú)油螺桿膨脹機(jī)的熱力選型和動(dòng)力模擬方法,為船舶柴油機(jī)低溫?zé)煔庥酂崂锰峁┝艘环N切實(shí)可行的解決方案。
【學(xué)位單位】：中國(guó)艦船研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：U664.121
【部分圖文】：

中國(guó)艦船研究院博士學(xué)位論文很大程度上是有賴(lài)于 Turboden 公司，后者在 2015 年迎來(lái)新的增長(zhǎng)前，每年均安裝 1 25 臺(tái)套機(jī)組，且還有 43 套新機(jī)組在建。由圖 1- 2 可以看出，特殊領(lǐng)域的裝機(jī)容量比重沒(méi)有隨著時(shí)間而產(chǎn)生顯著改變，內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的廢熱回收從 2013 年到 2015 年之間直穩(wěn)定在 68%。在同樣的發(fā)展階段，水泥行業(yè)的應(yīng)用變得趨勢(shì)平穩(wěn)，而鋼鐵行業(yè)（11.3%）廢棄能量回收領(lǐng)域（9.3%）均有市場(chǎng)份額的提升。2016 年，總計(jì)裝機(jī)容量為 255MW 的新 ORC 機(jī)組投入運(yùn)行，這一數(shù)據(jù)相較于 2015 年降了 28%。這很大程度上是由于，在 2016 年總共只有 16MW 裝機(jī)容量的新余熱回收機(jī)投入運(yùn)營(yíng)。而在 2015 年和 2014 年，這一數(shù)據(jù)分別為 122MW 和 53MW。電價(jià)和燃?xì)鈨r(jià)的急劇下跌可能是這次下滑的罪魁禍?zhǔn)�。除此以外，以太�?yáng)能和風(fēng)能為代表的新能源成為了競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手�？偣灿谐^(guò) 460MW 新裝機(jī)容量的余熱回收發(fā)電機(jī)組已經(jīng)宣布投入運(yùn)行或在建。這其包括在印度尼西亞的Sarulla大型地?zé)岚l(fā)電項(xiàng)目（3×110MW閃蒸汽和地?zé)崴?lián)合循環(huán)），項(xiàng)目將在 2019 年完工并隨之帶來(lái)一個(gè)預(yù)計(jì)為 150MW 的新地?zé)崴厥瞻l(fā)電項(xiàng)目[48]。

成為了競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。總共有超過(guò) 460MW 新裝機(jī)容量的余熱回收發(fā)電機(jī)組已經(jīng)宣布投入運(yùn)行或在建。這包括在印度尼西亞的Sarulla大型地?zé)岚l(fā)電項(xiàng)目（3×110MW閃蒸汽和地?zé)崴?lián)合循環(huán)）項(xiàng)目將在 2019 年完工并隨之帶來(lái)一個(gè)預(yù)計(jì)為 150MW 的新地?zé)崴厥瞻l(fā)電項(xiàng)目[48]。圖 1- 1 各應(yīng)用領(lǐng)域 ORC 裝機(jī)容量變化趨勢(shì)

圖 2- 1 ORC 系統(tǒng)示意圖1243PhPPec圖2 有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)壓－焓圖圖 2- 2 ORC 工質(zhì)壓－焓圖以看到，具有較高壓力 Pe 的低沸點(diǎn)有機(jī)制冷工質(zhì)在壓力 Pe 下，溫度達(dá)到 Pe 對(duì)應(yīng)的飽和溫度 Te 的蒸氣進(jìn)入膨脹機(jī)做功，同時(shí)工質(zhì)在膨脹過(guò)程中，溫膨脹機(jī)排出（狀態(tài)點(diǎn) 2），壓力降至 Pc，進(jìn)入冷凝和液體（狀態(tài)點(diǎn) 3），最后由工質(zhì)泵加壓至 Pe 后（
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 吳華根;羅江鋒;關(guān)麗瑩;邢子文;;螺桿空壓機(jī)轉(zhuǎn)子受力有限元計(jì)算研究[J];流體機(jī)械;2014年02期

2 吳慧媛;何雪明;戴進(jìn);;基于CFD的雙螺桿壓縮機(jī)的三維動(dòng)態(tài)仿真分析研究[J];中國(guó)機(jī)械工程;2013年24期

3 刁安娜;周斌;盧筍;;無(wú)油螺桿壓縮機(jī)裝配間隙的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];壓縮機(jī)技術(shù);2013年06期

4 吳華根;唐昊;陳文卿;邢子文;;雙螺桿水蒸氣膨脹機(jī)的研究與開(kāi)發(fā)[J];西安交通大學(xué)學(xué)報(bào);2014年03期

5 吳安民;周偉中;;船舶柴油機(jī)余熱利用技術(shù)研究[J];柴油機(jī);2012年05期

6 張紅光;劉彬;梁虹;陳研;楊凱;吳玉庭;王偉;;柴油機(jī)排氣余熱的有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)[J];北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2012年09期

7 談西鋒;李惟毅;史維秀;;非共沸混合工質(zhì)用于螺桿膨脹機(jī)雙循環(huán)低溫余熱回收系統(tǒng)的理論研究[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2012年06期

8 沈蘇雯;;日本船企加速開(kāi)發(fā)綠色新船型[J];中國(guó)船檢;2011年12期

9 景國(guó)輝;范建新;;船舶柴油機(jī)總能利用系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展概況[J];柴油機(jī);2010年06期

10 方金莉;魏名山;王瑞君;馬朝臣;;采用中溫有機(jī)朗肯循環(huán)回收重型柴油機(jī)排氣余熱的模擬[J];內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào);2010年04期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前7條

1 袁瑋瑋;螺桿膨脹機(jī)間隙設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐研究[D];中國(guó)艦船研究院;2017年

2 汪峰;C航運(yùn)公司船舶節(jié)能減排的對(duì)策研究[D];大連海事大學(xué);2011年

3 梅磊;船舶柴油機(jī)新型余熱回收利用系統(tǒng)研究[D];武漢理工大學(xué);2011年

4 呂登科;基于朗肯循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣能量回收利用研究[D];天津大學(xué);2009年

5 謝光明;船舶降速航行的經(jīng)濟(jì)性和排放變化分析[D];大連海事大學(xué);2009年

6 楊智博;基于有機(jī)朗肯循環(huán)的柴油機(jī)廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)研究[D];哈爾濱理工大學(xué);2006年

7 黃翔超;有機(jī)工質(zhì)雙循環(huán)螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)研究[D];天津大學(xué);2006年

本文編號(hào)：2843823