Energy Conversion and Management 132 (2017) 347–360
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Energy Conversion and Management
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Analysis of the backpressure effect of an Organic Rankine Cycle (ORC) evaporator on the exhaust line of a turbocharged heavy duty diesel power generator for marine applications
Constantine N. Michos a, Simone Lion a,b,uArr;, Ioannis Vlaskos a, Rodolfo Taccani b
- Ricardo Deutschland GmbH, Schwauml;bisch Gmuuml;nd, Germany
- University of Trieste, Trieste, Italy
a r t i c l e i n f o
Article history:
Received 8 August 2016
Received in revised form 11 November 2016 Accepted 12 November 2016
Available online 25 November 2016
Keywords:
Marine engine
Organic Rankine Cycle
Turbocharging
Engine backpressure
Optimization
a b s t r a c t
In marine and power generation sectors, waste heat recovery technologies are attracting growing atten-tion in order to increase heavy duty diesel engines efficiency and decrease fuel consumption, with the purpose of respecting stringent emissions legislations.
In this work, the backpressure effect of an Organic Rankine Cycle (ORC) evaporator on the exhaust line of a turbocharged, V12 heavy duty diesel engine, for typical marine and power generation applications has been investigated using the commercial software Ricardo WAVE. Three different state-of-the art tur-bocharging strategies are assessed in order to counterbalance the increased pumping losses of the engine due to the boiler installation: fixed turbine, Waste-Gate (WG) and Variable Geometry Turbine (VGT). At the same time, the steady-state thermodynamic performance of two different ORC configurations, simple tail-pipe evaporator and recuperated simple tail-pipe evaporator layouts, are assessed, with the scope of further increasing the engine power output, recovering unutilized exhaust gas heat. Several different working fluids, suitable for medium-high temperature waste heat recovery, are evaluated and screened, considering, as well, health and safety issues. Thermodynamic cycle parameters such as, for example, evaporation and condensing pressures, working fluid mass flow and cycle temperatures, are optimized in order to obtain the maximum improvement in Brake Specific Fuel Consumption (bsfc).
From the engine side point of view, a VGT turbocharger is the most favorable solution to withstand increased backpressure, while, regarding the ORC side, between the considered fluids and layouts, ace-tone and a recuperated cycle show the most promising performance.
2016 Elsevier Ltd. All rights reserved.
1. Introduction
Organic Rankine Cycle (ORC) technologies for large marine die-sel engines are constantly gaining increased interest as waste heat recovery solutions by engine and ORC system manufacturers due to their potential of considerably decreasing fuel consumption, operating costs and greenhouse gas emissions, as can be evidenced by relevant commercial activities in the market [1–3].
Systems proposed in feasibility studies, or already fully inte-grated on board ships, are meant to recover heat from a number of different sources, such as, for example, exhaust gas, jacket cool-ing water, lube oil and charge air, using cycle configurations of var-ious levels of complexity and organic working fluids usually
uArr; Corresponding author at: Ricardo Deutschland GmbH, Guuml;glingstrabe 66, Schwauml;bisch Gmuuml;nd 73529, Germany.
E-mail addresses: simone.lion@ricardo.com, simone.lion@phd.units.it (S. Lion).
http://dx.doi.org/10.1016/j.enconman.2016.11.025 0196-8904/ 2016 Elsevier Ltd. All rights reserved.
selected according to the temperature level of the heat source, in order to maximize thermodynamics performance.
Furthermore, ORC systems are also under development to recover heat from lower temperature heat sources from two stroke marine propulsion unit of MW size, in particular, focusing on engine jacket water heat recovery [4].
However, fitting an Organic Rankine Cycle (ORC) system on the exhaust line of an engine has also some drawbacks: for example, safety issues, due to possible fluid-exhaust gas contact, increased weight and complexity of the overall system and increased engine backpressure, which could lead to performance degradation. As discussed in this paper, engine backpressure can be counterbal-anced implementing appropriate turbocharging strategies.
The literature about engine backpressure and turbocharging strategies in marine applications is rather sparse [5–9]. In [5–7] the development of a control strategy to improve engine perfor-mance by dynamically varying the turbine nozzle area in response
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Nomenclature
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bmep |
brake mean effective pressure, bar |
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bsfc |
brake specific fuel consumption, g kWh 1 |
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cp |
specific heat, kJ kg 1 LC 1 |
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mf |
mass flow, kg s 1 |
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N |
engine speed, rpm |
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nc 全文共63490字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 有机朗肯循环（ORC）蒸发器对船用涡轮增压重负荷柴油发电机排气管线的背压影响分析 康斯坦丁N.米科斯 西蒙娜 扬尼斯 鲁道夫 在船舶和发电领域，为了提高重型柴油发动机的效率并降低燃料消耗，余热回收技术正受到越来越多的关注，其目的是遵守严格的排放法规。 在这项工作中，已经使用商业软件Ricardo WAVE研究了有机朗肯循环（ORC）蒸发器对用于典型船舶和发电应用的涡轮增压V12重型柴油发动机的排气管线的背压效应。评估了三种不同的最先进的涡轮增压策略，以便平衡由于锅炉安装引起的发动机增加的泵送损失：固定涡轮机，废气门（WG）和可变几何涡轮机（VGT）。同时，评估了两种不同ORC结构，简单尾管蒸发器和简化尾管蒸发器布置的稳态热力学性能，并进一步增加了发动机功率输出的范围，回收了未利用的废气热量。评估和筛选适用于中高温余热回收的几种不同的工作流体，并考虑健康和安全问题。热力学循环参数（例如蒸发和冷凝压力，工作流体质量流量和循环温度）被优化以获得制动比燃料消耗（bsfc）的最大改进。 从发动机的角度来看，VGT涡轮增压器是承受背压增加的最佳解决方案，而在ORC方面，所考虑的流体和布局之间，ace-tone和恢复循环显示最有前途的性能。 2016爱思唯尔有限公司保留所有权利。 1.介绍 由于发动机和ORC系统制造商的废热回收解决方案可能会显着降低燃料消耗，运营成本和温室气体排放，因此大型船用柴油发动机的有机朗肯循环（ORC）技术一直受到越来越多的关注。证明了市场上的相关商业活动[1-3]。 在可行性研究中提出的或已经完全集成在船上的系统意味着从多种不同来源（例如废气，夹套冷却水，润滑油和增压空气）回收热量，使用通常是各种复杂程度和有机工作流体的循环配置根据热源的温度水平选择，以最大化热力学性能。 此外，ORC系统也正在开发中，以便从MW型两冲程船用推进装置的低温热源回收热量，特别是侧重于发动机水套的热回收[4]。 然而，在发动机的排气管路上安装有机朗肯循环（ORC）系统也存在一些缺点：例如，由于可能的流体废气接触导致的安全问题，整个系统的重量和复杂性增加以及发动机背压增加，这可能会导致性能下降。正如本文所讨论的那样，发动机反压可以通过适当的涡轮增压策略进行反压。 关于发动机背压和涡轮增压战略在海洋应用的文献相当稀少[5-9]。 [5-7]通过动态改变涡轮喷嘴面积来改善发动机性能的控制策略的开发 uArr;通讯作者：德国Schwauml;bischGmuuml;nd73529，Guuml;glingstrabe66里卡多德国有限公司。 电子邮件地址：simone.lion@ricardo.com，simone.lion@phd.units.it（S. Lion）。 http://dx.doi.org/10.1016/j.enconman.2016.11.025 0196-8904 / 2016 Elsevier Ltd.保留所有权利。 命名法 bmep刹车平均有效压力，巴 bsfc制动比油耗，g kWh 1 cp比热，kJ kg 1 LC 1 mf质量流量，kg s 1 N发动机转速，rpm ncyl气缸数 压力，巴 PMEP泵送平均有效压力，巴 q比热交换量 SI表面指数 T温度 UA传热系数 v具体容积 Vd发动机排量 w具体工作 Dp压降 DT温降 Euml;有效性 q密度 煮沸（温度） 刹车制动（动力） c临界点 冷却水 缸筒 Euml;电 Euml;扩展 EG废气 EVAP蒸发 冻结（温度） 燃料燃料（注入） HL热量损失 在入口是等熵LIQ液体 出风口 P PUMP 比率（蒸发/冷凝压力） REC恢复 suph过热 TC涡轮增压器 热（效率） 对热油 工作流体 VAP汽 缩略语 AFR空燃比 空调压缩机 CAC充气冷却器 CFC氟利昂 CNDR冷凝器 CWHX冷却水换热器 DSUP减温器 Euml;扩展 EES工程方程求解器 EGHX废气热交换器 EVAP蒸发器 全球变暖潜能值 HCFC氢氟氯碳化物 HFC氢氟烃 HX换热器 IMO国际海事组织 LMTD对数平均温差 液化天然气 MFR质量流量比 NFPA国家消防局 氮氧化物氮氧化物 ODP臭氧消耗潜力 ORC有机朗肯循环 PRHT预热器 RECP同流换热器 RORC再生有机朗肯循环 SCR选择性催化还原 SOI开始注射 SUBC过冷却器 SUPH过热 Ť涡轮 TOHX热油换热器 VER体积膨胀率 VGT可变几何涡轮机 WG废气门 WHR废热回收 介绍了背压变化。赫尔曼[8]还提出了一种新型增压涡轮增压系统，以处理潜艇发动机的稳态和动态反压条件，而Hield [9]提出了涡轮增压柴油机响应稳态的详细结果，状态和动态背压变化，重点集中在解释相关过程。 这个话题经常在文献中讨论，除海洋以外的应用，例如车辆和几百千瓦尺寸的固定式发动机。 例如，Katsanos等人[10]提出了一项理论研究来调查应用于重型卡车柴油发动机的兰金循环的余热回收效率潜力。从模拟结果中可以获得约10.2％的最大燃油经济性，并且还讨论了发动机背压。 霍斯特等。 [11]提出了一个动态仿真模型，与测试台测量值进行比较，以预测动态高速公路情景下的燃料节约潜力。作者观察到，作为ORC的废热回收系统可以将燃油效率提高约3.4％，但重量增加和发动机背压增加等影响不可忽视。对于稳定状态的高速驾驶条件，可预期平均20至5毫巴的背压，但在加速高峰期可达到较高的背压。 贝等人[12]提出了一个使用CFD方法的ORC翅片管式蒸发器的仿真模型。发动机侧采用一维方式建模。据报道，所考虑的四缸涡轮增压发动机的背压有限（高达2毫巴），预计燃油消耗增加1％。 迪巴蒂斯塔等人。 [13]讨论了由于ORC板式换热器安装在轻型商用车推进器的涡轮增压IVECO F1C 3.0 L发动机的尾管上而引起背压增加的影响。所提出的板式锅炉导致背压增加超过250毫巴。他们得出结论认为，VGT涡轮机策略可以缓解增加的泵送损失的缺陷影响。还研究了锅炉非设计运行条件和增重问题。 Allouache等人[14]报道了一项关于在6.7升康明斯重型柴油发动机尾管上安装排气换热器的研究。换热器已经过测试，以优化使用R245fa作为ORC工作流体的压降。还报告了在整个负载/转速范围内5％范围内的恢复潜力和发动机热效率提高的估计值。 Yamaguchi等人[15]提出了一个可行性研究，关于从具有高压和低压EGR（废气再循环）回路的6缸重型柴油发动机回收废气热量，以及两种不同的增压策略来平衡增加的背压。在使用ORC系统时，在公路巡航条件下以80km / h的恒定速度改善燃油经济性，单级为2.7％，双级涡轮增压结构为2.9％。 在文献中，有几项关于ORC在海洋应用中的介绍的研究，但并不是所有的研究都考虑到对内燃机的影响。 Song等人[16]研究了ORC的余热回收潜力，以从沪东机械有限公司生产的中速996千瓦船用柴油机的冷却水和废气中回收热量。经济评估以及非设计条件被考虑。提出了一种优化的系统，使用环戊烷，冷却水作为预热源，废气作为工作介质的蒸发源，与分离的体积系统相比，仅获得约1.4％的功率输出。 Reini等人[17]提出了一项关于从输出功率为5.7 MW的船用双燃料发动机废气中回收废热的研究。选择的工作液体是甲苯，简单的循环结构被认为是增加功率输出效益方面最令人感兴趣的。考虑到投资回收期的热经济分析也已经开展。 Burel等人在[18]中分析了将液化天然气（LNG）用作推进燃料的油罐车安装和ORC的可能性。 Baldi等人在两篇不同的着作[19,20]中提出了基于典型船舶操作剖面分析的柴油机ORC余热回收系统优化技术的使用。案例研究使用MaK 8M32C四冲程柴油发动机作为基准发动机，功率输出为3840 kW，一些辅助装置的功率为683 kW。一些典型的船舶应用考虑节省燃料的潜力。 Yun et al。 [21]提出了一个关于双回路ORC系统的研究，目的是从船用柴油机的排气中并行回收废热，突出的优点是在非设计条件下运行时更具通用性。结论是双回路ORC的功率输出比简单的单个系统高3％至15％。 Yfantis等人[22]提出了一个热力学模型来研究四个的第一和第二定律性能特征 配备再生有机朗肯循环（RORC）以回收废热。研究了不同的发动机运行负载，以及R245fa，R245ca，异丁烷和R123作为工作流体。从第一和第二定律角度来看，次临界和饱和蒸气再生循环被发现具有最佳性能。 二冲程船舶推进装置也被考虑在内，例如[23-26]，通常采用从废气，冷却水和清除空气中回收热量的假设。 在这项工作中，通过仿真研究了现代海洋涡轮增压柴油发电机组和可能的废气驱动的ORC系统之间的相互作用，以提高组合系统效率。 特别是考虑到不同的发动机涡轮增压策略和ORC循环参数的优化，以获得最佳的综合燃料消耗降低，对内燃机和ORC两方面进行了调查。 在发动机方面，使用里卡多公司专有的一维发动机性能仿真软件Ricardo WAVE [27]研究了将废气驱动的ORC蒸发器安装在发动机呼吸能力上的不利背压效应。对固定几何结构，废料门（WG）和可变几何涡轮增压器（VGT）增压技术进行了评估，以承受废热回收锅炉安装带来的增加的泵送损失。 在ORC方面，针对三个研究过的涡轮增压系统情景和对应于特定排气特性（质量流量和温度）的中等排气背压，在热循环方面优化的功率输出使用工程方程求解器（EES，[28]）对筛选后筛选的一组工作流体（正己烷，正辛烷，丙酮，甲苯，乙醇和MDM）计算简单和恢复废气驱动的ORC布局程序，不仅考虑热力学性能，而且考虑环境，可燃性和安全问题。在确定了最有希望的涡轮增压系统-ORC配置之后，针对中等背压情况的联合系统燃料经济改进方面，针对一系列背压值对该系统进行了进一步仿真，以评估相应的预期范围为所有可能的热交换器硬件设计节省燃料的好处。 2.基线引擎模型 仿真模型已经使用Ricardo WAVE [27]实现，考虑在满负荷条件下运行的1.5 MW高速柴油发动机（120 kW /气缸，转速为1500 rpm）。 发动机配置为V12，采用单级涡轮增压和后冷器，采用米勒进气门正时降低NOx排放。该发动机作为发电机组用于发电或市场部门，并配备了符合IMO（内部海事组织）第三阶段NOx排放法规的选择性Cat-Alytic Reduction（SCR）系统[29]。表1中列出了ISO环境条件（25 LC，1 bar）下发动机的一些基本几何特征和满载性能数据。 假定在上述报告的环境条件下，SCR系统和增压空气冷却器（CAC）的压降分别为120毫巴和100毫巴，而CAC的出口温度和SCR系统的效率是总是恒定的，分别是55 LC和65％。必须注意的是，SCR效率决定了最大允许的发动机NOx排放量，而发动机NOx排放量又通过调节喷射正时在发动机WAVE模型中进行控制。此参数 表格1 ISO环境条件下的基本引擎功能和满载性能数据（基准机箱）。 排量/缸体（l）Vd 4.31 没有气缸ncyl 12 转速（rpm）N 1500 制动平均有效压力（bar）bmep 22 AFR被困（ - ）AFR 27 国际海事组织III级氮氧化物限制（克/千瓦时） - 2.0 基线增压效率（％）gTC 59.0 也被控制以避免具有超过230巴的峰值气缸压力。 另一个与安全涡轮增压器涡轮稳态运行相关的约束是入口温度不应高于700 LC。 该模型以简化的方式模拟燃烧过程，使用实验导出的无量纲燃烧速率曲线，该曲线在检查的发动机速度，空燃比（AFR）和典型的喷射开始时间（SOI）时间内有效。为了简化计算，假设涡轮增压器的效率保持不变。涡轮机和压缩机采用准稳态方法进行修改，计算各部件的质量流量和焓升，模拟为孔口，以及产生或吸收的扭矩。 考虑到SCR热化学性能未在本文中建模和考虑，假设在稳态运行条件下，涡轮增压器涡轮下游的排气温度等于排气气体热交换器的进气温度（ EGHX或锅炉）（根据Qiu等[30]报道，在SCR系统上没有温度变化）。 ORC锅炉安装在SCR系统的下游，如图1所示，该图描述了组合Engine-EGHX的布局。选择锅炉的位置以使SCR性能几乎不受影响。
2.1。涡轮增压系统的描述 在用于大型四冲程发动机的普通涡轮增压器设计中，排气驱动的径向或轴向涡轮机联接到离心式空气压缩机。发动机排出的气体驱动与压缩机连接的涡轮机，以增加进气增压压力，从而也增加了发动机的体积效率和性能[31]。 分 全文共21153字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[12050]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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