摘要
随着国际石油价格的不断上涨，船舶燃料费用的支出比例也逐渐提高。同时，国际海事组织(IMO)根据船舶航运业健康发展的需求，提出了新船能效设计指数(EEDI)法规。所以，如何提高船舶燃油利用率以及降低EEDI已成为航运界不得不重视的问题。船舶余热回收属于热能的二次利用，其不仅可以改善船舶动力系统的经济性能，并且还能满足日益严格的EEDI要求。近年来，超临界CO2布雷顿循环和卡琳娜循环等新型发电技术在船舶余热回收方面展现出良好的应用前景。因此，为实现船舶主机余热能量的深度利用，本文选取8S90ME-C10.2型船用低速柴油机为研究对象，研究分析超临界CO2布雷顿循环和卡琳娜循环回收船舶主机余热能量。 首先，本文采用热平衡、(火用)平衡以及能质系数等热力学分析方法对船舶主机不同负荷下余热能量的分布情况和品质特征进行了研究分析。结果表明：涡轮后排气和旁通废气是可利用废热源的重要组成部分，具有较高的利用价值，适合作为船舶余热回收系统的热源使用。 其次，根据超临界CO2布雷顿循环和卡琳娜循环各自的应用特性，本文对超临界CO2布雷顿-卡琳娜联合循环系统进行了方案设计。在MATLAB软件中建立了联合循环系统热力学分析模型，从热力学和经济性角度对联合循环系统进行参数分析、单目标优化以及多目标优化匹配工作，从而计算分析不同负荷下联合循环系统对船舶动力系统经济性能的影响。结果表明：多目标优化匹配后的超临界CO2布雷顿-卡琳娜联合循环系统最高可输出2598.32kW的电量，最多可回收主机功率5.64%的能量。柴油机加装联合循环系统后，柴油机的有效热效率最高达到52.24%。 最后，本文采用模块化建模思想和集总参数法，在MATLAB/Simulink仿真平台上建立了柴油机平均值模型和联合循环系统动态仿真模型，研究分析了柴油机负荷突增、突降以及连续变化时联合循环系统的动态特性。结果表明：联合循环系统的主要参数与主机负荷的变化成正比关系，并且循环系统的主要参数随着主机负荷的变化存在较明显的滞后现象，说明热惯性对循环系统有较大影响。 本文的研究成果可为采用超临界CO2布雷顿循环联合卡琳娜循环来深度回收船舶主机余热提供参考，同时也可为超临界CO2布雷顿-卡琳娜联合循环系统的控制策略打下基础。
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