如何利用超临界二氧化碳动力循环，提升双燃料发动机的热能效率
编辑|白客观书
前言
我们在研究船用双燃料发动机工作效率的过程中，遇到了一个备受关注的问题，那就是如何是使用超临界二氧化碳（CO2）动力循环对它进行优化，这种循环方式，之所以能够在能源转换领域引起了关注，是因为它具备一系列潜在的优势。
超临界CO2动力循环是一种基于CO2让热量循环的系统，它在高温高压条件下具有优异的热力学性质，我们将这种工质在过渡到超临界状态后，可以减少压缩能耗。
船用双燃料发动机通常可以燃烧多种不同类型的燃料，如柴油和天然气，我们在利用超临界CO2动力循环进行系统优化时，可以根据不同燃料的特性调整循环参数，从而实现最佳的能量转换效率。
超临界CO2动力循环还可以与余热回收技术相结合，进而提高系统的整体效率，船舶在运行过程中会产生大量的余热，如果能够将这些余热有效地利用起来，从而驱动超临界CO2循环，这将有助于降低能源浪费并增强系统的热能利用效率。
动力循环系统概念
我们在这个实验中，选取了由MAN B&W生产的MAN L35/44DF涡轮增压发动机，这将会被用于船舶的电力推进方面，而在使用液化天然气（LNG）作为燃料时，船用双燃料发动机在100%负荷下的输出功率却大打折扣。
通过我们的观察发现，双燃料发动机的排气量和进气量并没有太明显的差异，因为它们的热容量都约为1.0-1.1 kJ/(kg·K)。
这些可回收热量的多少，取决于它们采集温度的间隔，所有从196°C到50°C的进气热都可以拿去回收利用，而排气热只能在约120°C左右利用，这是出于安全考虑的限制，以及考虑到浮力会影响烟雾排放的原因。
鉴于冷却水（约90°C）是区域供热和海水淡化的理想热源，我们根据这个设计的船用双燃料发动机，废热回收系统的目的，是利用废热进行动力增强。
由于船舶中不需要排气处理系统，那么具有相对较高温度的烟气会直接被排放，排放热通过再生式超临界CO2预热器直接提取，我们考虑到进气时候的温度相对较低，所以不会对有机工质造成风险，因此采用热气循环压缩制冷机（TERC），将进气废热转化为冷凝水。
在超临界CO2预热器循环系统中，有很多元器件相辅相成同时工作，其中就包括加热器、热交换器、涡轮（T）、压缩机（C）和气体冷却器，TERC系统包括发电机、喷射器、泵、阀、蒸发器和冷凝器，在超临界CO2预热器循环中，压缩机首先压缩低温CO2流，然后允许其进入热交换器，在那里它被涡轮出口的排气加热。
它被加热后，会流入加热器，并继续被船用双燃料发动机的排气加热，在此之后CO2蒸汽在涡轮中膨胀，产生输出功率，排气中的CO2在热交换器的热侧释放热量。
最终冷却水与它交换热量，并将其冷却至接近临界温度。在TERC中，我们选择了R245fa作为制冷剂（在船用发动机废热回收的动力循环中广泛使用），其臭氧消耗潜能为0。
这些工作流体会在冷凝器出口会被分成两股，第一部分经过泵的压缩后，会进入发生器回收发动机进气废热，然后它作为主要流进入喷射器，第二部分经过节流阀降压，然后进入蒸发器输出冷却能力，蒸发器出口的制冷剂会被吸入喷射器作为次要流，这两部分流体会在喷射器中汇合，并一起流入冷凝器。
我们由此做出了几个合理的假设：（1）废热回收系统最终会达到稳态；（2）我们可以忽略管道中的压降和热损失；（3）流体机械的绝热效率会保持不变；（4）我们可以忽略势能和动能。
动力循环的建模
我们所提出的废热回收系统模型，建立在MATLAB平台上，工作流体的热物性参数是通过嵌入REFPROP数据库获得的，基于质量和能量的守恒，我们可以得到废热回收系统中每个组件的稳态模型。
由此，我们在以下假设的前提下，可以建立其详细模型（1）喷射器内的压降可以忽略不计；（2）主次流入口的速度可以忽略不计；（3）两个流体的混合过程假设为等压过程；（4）喷射器内部能量损失通过喷嘴、混合和扩散效率建模。
由于纯工质的化学能，我们可以忽略热力循环，同时为了评估和优化所提出的船用发动机和废热回收组合系统，我们还专门采用了一些评价指标来评估SCPC、TERC和组合系统。
对循环系统的优化
我们完成上述的操作后，可以获得废气的质量分数：N2 = 73.13%、O2 = 13.86%、H2O = 4.53%、CO2 = 8.48%。
我们可以使用REFPROP获得废气的热物理参数，传统的电驱动船用制冷系统的制冷能力系数（COP）约为3.9，
系统性能对系统运行参数非常敏感，因此有必要优化这些参数以最大化系统性能，在我们所提出的系统中，等效总电力输出被设置为优化所提出的系统的单一目标函数，因为它可以全面评估系统性能，并与发动机的燃料效率和特定燃料消耗（与二氧化碳排放成正比）相关。
我们用到的遗传算法（GA），是热力系统中广泛使用的优化方法，它基于自然遗传学原理，寻找全局最优解。
我们在本工作中，采用了GA来找到组合系统等效总电力输出的最大值，随后我们进行系统比较、组件可逆功分析、参数研究和系统优化。
系统性能的比较和可逆功分析基于一定的设计条件，我们在对参数的研究中，会对选定的参数进行分析，其余参数保持不变，系统的优化基于参数研究获得的合理参数范围。
我们从热力学、经济和环境的角度来看，单一船用双燃料发动机和所提出的组合系统的性能并不是一个小的数字。
我们由此可以看出，四台MAN L35/44DF船用双燃料发动机的总输出功率为12.72MW，燃料效率为48.58%。在LNG的低热值为50,047kJ/kg的情况下，特定燃料消耗为148.06g/kWh。
当我们与所提出的废热回收系统相结合时，由SCPC利用的废气温度从365°C降低到180.44°C的时候，具有196°C温度的进气被TERC回收，并将温度降低到51.55°C。
这表明TERC有潜力充分回收进气热量，经过进一步优化，不再需要空气冷却器，即将其替换为TERC的发电机，通过与所提出的废热回收系统结合，产生了886.45kW的电功率和1169.79kW的冷却能力，至此系统的电气效率和一次能源率分别提高到51.97和56.77%。
我们基于对系统优化的结果、决策变量的最优值已经得到了最终的结论，在结论中值得我们注意的是，压缩机压比、热交换器效率和发生器温度的最优值位于边界上，同时其他三个参数在边界条件内有最优解。
我们在最优条件下，进气废热可以完全吸收，进气冷却器可以省略，排气温度降低到179.90°C，恰好适合作为船舶热回收蒸汽发生器（HRSG）的热源。因此，额外产生了906.74 kW的功率和1349.01 kW的冷却能力。
我们从整个系统的角度来看（即船用双燃料发动机与所提出的废热回收系统相结合），总等效功率输出、燃油效率、单位燃料消耗和单位CO2排放分别为13.96 MW、53.33%、137.87 g/kWh和537.44 g/kWh。
我们为了直观展示所提出的废热回收系统的实用性，并揭示优化所得到的更精确的运行状态，在设计和最优结果下，并没有将废热回收系统的参数进行隐藏。
我们可以看出，在与单一船用双燃料发动机相比的时候，所提出的综合系统在设计条件下的整体性能提高了9.27%，经过我们的优化，系统性能提升率达到了9.78%，也就是说，发动机的燃油效率提高了4.75个百分点，这相当于燃料节省了13.19 g/kWh，二氧化碳排放减少了52.56 g/kWh。
我们在最终的参数研究中，在其余参数固定不变的情况下，分析关键参数带来的影响，分析用选参数的间隔不能无限小，而图中出现的峰值最多只是冰山一角。
结语
我们通过这次的实验，分析了废热回收系统的性能，从而深入了解了各个组件在系统中的作用和效率，通过模型的构建和分析，我们发现了系统中的改进空间，随即进行了优化。
优化结果表明，在合理的边界条件下，系统的工作效率和性能得到了显著的提升，通过参数研究和全局优化，我们明确了操作参数的最优值，从而为实际应用提供了具体指导。
我们此次的研究，让船用双燃料发动机的工作效率得到了改善，通过有力的方法和实证分析，给未来船用双燃料发动机的设计和优化带来重要的借鉴价值。
参考文献
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