船舶主机系统可用能分布及火用损失分布的模拟方法技术方案

本发明专利技术公开了一种船舶主机系统可用能分布及火用损失分布的模拟方法，本发明专利技术为一种结合柴油机稳态系统下具体性能参数的船舶主机系统各设备可用能及火用损失分布的计算方法，通过运用热力学第一、第二定律，综合能量的数量和质量，得到主机系统的热平衡和火用分析计算公式；并用该公式结合柴油机主机系统稳态运行下的具体性能参数计算各设备进出口能量、火用量及其损失。本发明专利技术用于计算船舶主机系统稳定运行过程中，系统中各设备能流及火用流的稳态计算，数据量大且全面，结果精度较高，对于计算系统总能的效率、系统主要设备的不可逆能损失、可用能的分布，进一步余热回收的利用，以及系统节能潜力的挖掘，具有极强的指导性。

【技术实现步骤摘要】
船舶主机系统可用能分布及火用损失分布的模拟方法
本专利技术属于二冲程柴油机工作过程热力性能模拟与仿真
，尤其涉及一种船舶主机系统可用能分布及火用损失分布的模拟方法。
技术介绍
据政府间气候变化专门委员会(IPCC)2007年的气候变化综合报告显示：在1970年至2004年期间，CO2年排放量已经增加了大约80％，在2004年已占到人为温室气体排放总量的77％，且超过50％的CO2排放源于化石燃料的燃烧。DNV的研究报告指出，船舶排放的CO2量占到总排放量的2％～3％，到了2050年，航运业年的CO2排放量将增加150％～250％，占全球CO2允许范围内排放量的12％～18％。2007年，海洋环境保护委员会(MEPC)启动了新船能效设计指数(EEDI)的制定，征求各国政府主管部门的意见，自2013年年初起执行EEDI对全船的CO2排放强制标准。该标准极大改变原有船型设计理念，我国在国际市场上具有一定优势的成熟船型将面临失去市场空间的危机。从能量角度来看，节能和减排是密不可分的。对船舶柴油机来说，节省燃油消耗，会促进减排的执行。火用分析法是近年来创立的一种新的能量分析法，从朗特命名火用这个参数起，只有四十余年的历史。它综合了热力学第一定律和热力学第二定律，从能量的量和质两个方面分析能量的利用情况。热力学第二定律的精髓在于深刻的揭示了能量在传递和转换过程中能量品位必然蜕变的规律。这样，对于给定的能量而言，能量转换过程中能量品位的下降，可以用作功能力的损失(火用损失)来表示。在选定计算基准的情况下，由火用的概念采用热力学计算方法可以直接计算出物质或能流在某个状态的火用值，进而可以算出各种过程以及由若干过程组成的子系统的火用损及能量系统的总火用损，并同热损失进行对比。火用分析方不仅揭示外部有效能的损失，还揭示内部不可逆因素造成的有效能损失。同时，也可以准确揭示用能最薄弱的环节，并以火用效率和系统火用损失评价系统整体的用能状况，通过参考热效率及热损失情况，为改进设备及节约能源提出良好的对策。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种船舶主机系统可用能分布及火用损失分布的模拟方法，该方法充分利用船舶主机系统中各设备进出口工质的热力学性能参数模拟各设备的可用能分布及火用损失分布。为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种船舶主机系统可用能分布及火用损失分布的模拟方法，包括步骤：步骤1，基于热力学第一定律和热力学第二定律，建立主机系统及各设备的热平衡稳态模型和火用平衡稳态模型，根据各设备进口和出口工质的温度、压力和流量，运用热平衡稳态模型和火用平衡稳态模型即可模拟主机系统及各设备进口和出口的能流、火用流及各设备热损失分布；所述的各设备包括压气机、中冷器、燃油预热器、气缸、涡轮、缸套水冷却器、滑油冷却器及造水机；步骤2，根据压气机与涡轮的进口和出口工质的温度、压力、流量，采用压气机和涡轮的火用平衡稳态模型及火用损失模型模拟压气机和涡轮的火用损失分布；步骤3，根据热交换设备的进口和出口工质的温度、压力、流量，通过热交换设备的火用平衡稳态模型及火用损失模型模拟热交换设备的火用损失分布，所述的热交换设备包括中冷器、燃油预热器、缸套水冷却器、滑油冷却器和造水机；步骤4，根据气缸燃烧过程初始和终点的温度，通过气缸内火用平衡稳态模型及燃料燃烧过程火用损失模型模拟燃烧火用损失分布；步骤5，根据排气阀开启前和开启后气缸内压力，通过气缸内火用平衡稳态模型及烟气节流过程火用损失模型模拟节流火用损失分布；步骤6，对步骤1～5获得的主机系统及各设备的热损失分布和火用损失分布进行对比分析，获得主机系统及各设备的热效率与火用效率。步骤1所述的气缸排烟火用损失模型如下：Qe＝c·m·(TP-T0)其中，Eexh为气缸排烟火用损失；m为排烟流量；k为烟气绝热指数；TP为排烟温度；T0为环境温度；Hp为排气温度下标准烟气的比焓，可查表获得；Sp为排气温度下标准烟气的比熵，可查表获得；H0为标准烟气在对应温度T0、对应压力P0下的焓值；S0为标准烟气在对应温度T0、对应压力P0下的熵值；c为对应排烟温度下的标准烟气定压比热值。步骤2中所述的压气机火用损失模型如下：其中，El,comp表示主机系统稳定运行下压气机火用损失；k为空气绝热指数；R为空气气体常数；T1为压气机入口空气温度；p1、p2分别为压气机入口和出口空气压力。步骤2中所述的涡轮火用损失模型如下：其中，El,turbo为主机系统稳定运行下涡轮火用损失；k为烟气绝热指数；R*为烟气气体常数；T4为涡轮空气出口温度；p3、p4分别为涡轮入口和出口空气压力。步骤3中所述的热交换设备的火用损失模型如下：Q＝c·m·(THf-TLf)其中，El,heat为主机系统稳定运行下换热过程火用损失；Q为流体热交换量；c为对应温度下流体的定压比热值；m为测量的流体流量；THf、TLf分别为流体高温和低温侧温度；T0为环境温度。步骤4中所述的燃料燃烧过程火用损失模型如下：Δs＝Qdw×(0.0038+0.1365×H/C+0.0104×S/C)/T0其中，El,comb为燃料燃烧过程火用损失；m为燃油流量；k为烟气绝热指数；T0为环境温度；Tb、pb分别为燃烧开始时缸内气体温度和压力；Tc、pc分别为燃烧终止时气缸烟气温度和压力；Δs为燃烧的生成物与反应物的熵差；Qdw为燃料的低位发热值；H、C、S分别表示燃油中氢、碳、硫的质量比。步骤5所述的烟气节流过程火用损失模型如下：其中，El,thro表示烟气节流过程火用损失；m表示气缸出口烟气流量；R表示烟气气体常数；k表示烟气绝热指数；T0为环境温度；p1、p2分别为多变膨胀过程终点和自由排气过程终点的气缸压力。针对船舶主机系统，本专利技术引入火用分析法并基于利用柴油机运行过程中各项性能参数模拟火用损失分布，获得稳定运行下船舶主机系统及各设备火用损失情况；且将火用损失分布模拟结果同船舶能耗分布及热损失进行比较，获得能量损失的数量及品质，为指导改进船舶主机系统及各设备的节能减排添砖加瓦。本专利技术具有如下优点和有益效果：系统通过对废气和缸套水能量利用潜力进一步挖掘，达到最大限度利用余热能量的数量和质量。对比分析在能量综合利用方面，发现余热回收系统是该主机系统的重要组成部分，也是主机系统研究的重要内容。附图说明图1为本专利技术方法的具体流程图；图2为船舶柴油机主机系统及设备示意图，其中，C表示压气机，T表示废气涡轮，SAC表示中冷器，ENGINE代表气缸，WHB表示废气锅炉，SH表示集汽联箱，HOT表示燃油箱，HOP表示燃油预热器，LOT表示滑油箱，LOC表示滑油冷却器，CWC代表缸套水冷却器，IC表示中央冷却器，FWG表示制淡机，1表示压气机进口空气，2表示中冷器进口空气，3表示气缸进口空气，4表示涡轮进口烟气，5表示废气锅炉进口烟气，6表示废气锅炉出口烟气，7表示燃油预热器进口燃油，8表示气缸进口燃油，9表示气缸燃油回流，10表示气缸进口滑油，11表示滑油冷却器进口滑油，12表示滑油冷却器出口滑油，13表示气缸出口缸套水，14表示造水机进口缸套水，15表示造水机出口缸套水，16表示缸套水冷却器进口缸套水，17表示气缸进口缸套水，18表示中冷器进口低温淡水，19表示中冷器出口低本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种船舶主机系统可用能分布及火用损失分布的模拟方法，其特征在于，包括步骤：步骤1，基于热力学第一定律和热力学第二定律，建立主机系统及各设备的热平衡稳态模型和火用平衡稳态模型，根据各设备进口和出口工质的温度、压力和流量，运用热平衡稳态模型和火用平衡稳态模型模拟主机系统及各设备进口和出口的能流、火用流及各设备热损失分布；所述的各设备包括压气机、中冷器、燃油预热器、气缸、涡轮、缸套水冷却器、滑油冷却器及造水机；步骤2，根据压气机与涡轮的进口和出口工质的温度、压力、流量，采用压气机和涡轮的火用平衡稳态模型及火用损失模型模拟压气机和涡轮的火用损失分布；步骤3，根据热交换设备的进口和出口工质的温度、压力、流量，通过热交换设备的火用平衡稳态模型及火用损失模型模拟热交换设备的火用损失分布，所述的热交换设备包括中冷器、燃油预热器、缸套水冷却器、滑油冷却器和造水机；步骤4，根据气缸燃烧过程初始和终点的温度，通过气缸内火用平衡稳态模型及燃料燃烧过程火用损失模型模拟燃烧火用损失分布；步骤5，根据排气阀开启前和开启后气缸内压力，通过气缸内火用平衡稳态模型及烟气节流过程火用损失模型模拟节流火用损失分布；步骤6，对步骤1～5获得的主机系统及各设备的热损失分布和火用损失分布进行对比分析，获得主机系统及各设备的热效率与火用效率。...

【技术特征摘要】
1.一种船舶主机系统可用能分布及火用损失分布的模拟方法，其特征在于，包括步骤：步骤1，基于热力学第一定律和热力学第二定律，建立主机系统及各设备的热平衡稳态模型和火用平衡稳态模型，根据各设备进口和出口工质的温度、压力和流量，运用热平衡稳态模型和火用平衡稳态模型即可模拟主机系统及各设备进口和出口的能流、火用流及各设备热损失分布；所述的各设备包括压气机、中冷器、燃油预热器、气缸、涡轮、缸套水冷却器、滑油冷却器及造水机；步骤2，根据压气机与涡轮的进口和出口工质的温度、压力、流量，采用压气机和涡轮的火用平衡稳态模型及火用损失模型模拟压气机和涡轮的火用损失分布；步骤3，根据热交换设备的进口和出口工质的温度、压力、流量，通过热交换设备的火用平衡稳态模型及火用损失模型模拟热交换设备的火用损失分布，所述的热交换设备包括中冷器、燃油预热器、缸套水冷却器、滑油冷却器和造水机；步骤4，根据气缸燃烧过程初始和终点的温度，通过气缸内火用平衡稳态模型及燃料燃烧过程火用损失模型模拟燃烧火用损失分布；步骤5，根据排气阀开启前和开启后气缸内压力，通过气缸内火用平衡稳态模型及烟气节流过程火用损失模型模拟节流火用损失分布；步骤6，对步骤1～5获得的主机系统及各设备的热损失分布和火用损失分布进行对比分析，获得主机系统及各设备的热效率与火用效率。其中步骤2中所述的压气机火用损失模型如下：其中，El,comp表示主机系统稳定运行下压气机火用损失；k为空气绝热指数；R为空气气体常数；T1为压气机入口空气温度；p1、p2分别为压气机入口和出口空气压力。2.如权利要求1所述的船舶主机系统可用能分布及火用损失分布的模拟方法，其特征在于：步骤2中所述的涡轮火用损失模型如下：其中，El,turbo为主机系统稳定运行下涡轮火用损失；k为烟气绝热指数；R*为烟气气体常数；T4为涡轮烟气出口温度；p3、p4分别为涡轮入口和出口烟气压力。3.如权利要求1所述的船舶主机系统可用能分布及火用损失分布的模拟方法，其特征在于：步骤3中所述的热交换设备的火用损失模型如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓明，刘聪，孙宝芝，李彦军，张国磊，杨龙滨，宋福元，韩怀志，张鹏，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23