废气复合透平系统的热技术经济学分析和设计优化

中图分类号：G353.12文献标识码： A 文章编号：

摘要：用热技术经济学原理与BOX非线性约束(复合型)优化法相结合的方法，对大型柴油机动力系统中废气复合透平系统(Turbo Compound System或TCS)进行了热技术经济分析研究和设计优化计算。探讨的方法也可用作动力厂(站)可行性研究阶段方案设计时的参考。关键词：废气复合透平； 热经济学； 优化设计

Abstract: hot technology economics principle and BOX nonlinear constraints (Compound) optimization method combined with the method of dynamic System of large diesel engine exhaust gas turbine composite System (Turbo Compound System or TCS) hot technology economic analysis research and design optimization calculation. Discusses the method also used for utility plants (station) the feasibility study stage design reference.

Keywords: waste gas turbine compound; Hot economics; Optimization design

符号说明

下限值b-上限值C-定压比热En-能量，(kJ)I-隐式约束方程总数J-能量系统或单元的能流输出总数P-输出功率，(kW)R-设计变量总数T-温度(℃)或增压器的废气透平

下标

环境1，2-能量及技术经济区1、2a-新鲜空气bt-废气增压器前c-废气增压器的压缩机e-排气ebt-增压器前的废气ep-由柴油发电机发电exh-增压器后的废气hf-重燃油j,j’-第j或j’能量流m-机械ME-喷入柴油主机的燃油pa-定压压缩空气pe-定压废气PT-动力透平shaft-柴油机的主轴t-透平或温度T-增压器的废气透平

前言

从80年代初开始，大型柴油机增压器制造商一直致力于不断提高其效率的研究开发，结果是大大减少了产生柴油机压缩进气的增压器消耗的废气量；在此基础上，进一步配套设计了一种动力透平，用以转换这种高效增压系统省下的废气能量，产生有用的动力(如电力、机械功)。已有实例在大型柴油机船舶动力站(5 000 kW以上)采用这套系统，经济性十分明显，投资回收期不到两年［1］。诚然，任何动力系统设计中，如采用较高效率的设备，虽其经济性会提高，但也增加系统的初始投资，以致同时增加产品的折旧成本。因此，动力系统的经济设计和设备的经济选择常常是互相矛盾的，要进行优化平衡，才有可能达到最佳的参数组合。对此，提出利用热技术经济学与非线性数学规划法中的Box’s Complex法［2，3］相结合的方法，通过建立废气复合透平系统的优化设计模型，对该动力系统进行结合实例的优化设计计算和热技术经济研究分析，以探讨较为合理的大型柴油机废气透平复合系统参数的优化选择方法和途径。本文探讨的方法也可作为动力厂(站)可行性研究方案设计研究之用。

废气复合透平系统的物理模型

图1是并联型废气复合透平系统的物理模型，废气从大型柴油机内排出，一部分推动与增压器的空压机同轴的废气涡轮，生产压缩空气。如果采用高效增压器，则此废气涡轮不必消耗所有的柴油机排出废气就能生产足够的柴油机进气。因此剩余的废气可以引给动力透平，再由该透平产生额外的有用电力。而传统的增压系统则是将所有的废气用于增压器产生压缩空气，如有过剩则采用旁通阀将之引弃以浪费这部分废气能量。