利用混合涡轮增压器，提高船用天然气发动机效率，其方法是什么
文丨聆听娱纪
编辑丨聆听娱纪
介绍
在航运界，近年来，国际海事组织（IMO）对氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx）向大气中的污染排放发布了越来越严格的法规（见IMO二级和三级，ECA世界区域）。
同时减少船舶二氧化碳排放的问题也变得至关重要，这与控制地球温室效应的问题有关。
在这方面，国际海事组织推出的能效设计指数预计，未来几年将加大对二氧化碳排放的限制。
为了满足这些监管限制，相关船舶必须提高基于推进发动机和柴油发电机的船上系统的能量转换效率，并妥善管理其各自的运营。
船用柴油发动机是迄今为止船舶推进系统中使用最多的原动机，其特点是二冲程发动机的效率略高于50%，四冲程发动机的能效略低于50%。
使用这种发动机的车载系统的效率提高可以通过借助于热回收蒸汽发生器（HRSG）部分回收它们的废热来获得，该热回收蒸汽发电机能够为通常用于电能生产的蒸汽涡轮机提供能量，以减少车载柴油发电机的功率。
文献中也提出了不同的废热回收（WHR）蒸汽装置方案，应用于船用柴油发动机，其特点是单压或双压蒸汽装置。
与没有WHR的装置相比，这些装置获得的能量转换效率的提高在大约3%和5%之间变化。
除了WHR蒸汽装置外，通常还可以通过采用由来自发动机气缸的一部分废气提供动力的燃气轮机来获得最后一个值。
这得益于目前用于船用应用的涡轮增压器的高效率。事实上，为了向发动机气缸供应足够的空气，没有必要将所有废气输送到涡轮增压器涡轮机。
但一部分（通常约10%）可以输送到与涡轮增压器涡轮并联运行的另一个涡轮机（动力燃气轮机）用于发电。
另一种提高WHR系统效率的方法是充分利用（通过热交换器）涡轮增压器压缩机出口处的空气热量。
就燃料类型而言，使用天然气（NG）而不是更传统的重质燃料油（D）大大减少了发动机污染排放（指示性：二氧化碳−25÷−30%，一氧化碳−25%，氮氧化物–85%，硫氧化物−99÷−100%，颗粒物−90÷−99%）。
此外在中高发动机负载下，与传统船用液体燃料相比，天然气可使发动机效率提高1÷2%。
类似地，在液体燃料柴油发动机和天然气（NG）或双燃料（DF）发动机的情况下，可以通过采用WHR蒸汽装置（带或不带动力燃气轮机）来提高车载系统的效率，用于电能生产。
以这种方式，能量转换效率增加了大约与前面提到的百分比相同的百分比。
为了减少船用发动机的燃料消耗和减少二氧化碳排放，自2007年以来，三菱重工发表了几项关于开发带有集成高速电动发电机的混合涡轮增压器的工作，该涡轮增压器将用于船用柴油发动机，以替代传统的涡轮增压器。
报道了混合动力涡轮增压器在散货船二冲程柴油发动机上的应用。
在本文中，混合动力涡轮增压器的仿真模型是对已经开发和验证的双燃料四冲程船用发动机模拟器的集成。
该模型用于模拟发动机在使用天然气燃料的情况下，当原始涡轮增压器被混合动力涡轮增压器取代时的行为。
在计算的发展过程中，考虑到混合涡轮增压器的原始压缩机和涡轮机性能图保持不变。
所进行的分析可以比较发动机与原始涡轮增压器和混合涡轮增压器的运行性能。
所获得的结果以表格和图形形式表示，是指发动机在不同发动机负载和速度的稳态条件下运行。
混合动力涡轮增压器
近年来，特别是在中高功率的柴油机和DF船用发动机上使用的涡轮增压器的效率的提高通常决定了与压缩机所需扭矩相比涡轮扭矩的过量。
为了解决这个问题，一种常见的做法是从排气歧管转移一部分气缸排气（当发动机在正常连续额定值（NCR）条件下工作时，表示为10%<24>），以减少涡轮增压器（TC）涡轮的质量流量，从而使其扭矩与TC压缩机的扭矩平衡。
显然这种解决方案是以牺牲整体效率为代价的，除非这部分废气被输送到第二个涡轮机以产生动力（动力燃气涡轮机）如上所述。
另一个非常有趣的解决方案是几年前提出的，随后由三菱重工开发。该公司为船舶应用开发了一种混合动力涡轮增压器（HTC），该涡轮增压器集成了高速电动发电机，安装在TC消音器中，如图1所示。
HTC使用一部分涡轮机扭矩（源自废气能量）来驱动发电机，从而充当特定类型的废热回收系统。
HTC发电机也可以用作电动机，以提高发动机TC速度，因此此处使用的名称为电动发电机（EM-G）。这项工作没有考虑最后一个选项。
三菱EM-G的主要特性和操作测试结果在几篇论文中有报道。目前，HTC的原型用于散货船的20.09 kW MAN 7S65ME-C二冲程推进发动机。
EM-G的最大电输出功率为1300 kW<24>，可以通过逆变器控制HTC产生的电功率以及电压和频率，如下文更详细讨论的那样。
从上述考虑来看，使用混合动力涡轮增压器发电似乎确实有可能满足船舶的部分电力负荷，从而减轻柴油发电机的任务
为了详细探索这种可能性，并量化将混合动力涡轮增压器应用于不同类型船用发动机的潜在优势，在本研究中，作者建议通过模拟“生成”一个HTC。
其中TC压缩机和涡轮特性与MAN 51/60 DF 12V四冲程船用发动机相同，但是通过引入上述三菱EM-G对原始涡轮增压器进行了修改。
如下所述，混合动力涡轮增压器的使用涉及发动机提供的功率的电流调节逻辑的根本改变，由于在相同燃料消耗下产生的电功率增加，从而提高了其整体效率。
在从能量的角度简要解释了混合动力涡轮增压器的工作原理，并在模拟中确定了一种有用的方法来评估这种创新技术在船用系统中的优势后，现在非常重要的是考虑和面对与实现混合动力涡轮涡轮增压器相关的电气问题。
电机越来越多地不仅用于发电，还用于主推进和辅助螺旋桨。
混合动力涡轮增压器的使用对正确设计高效电机提出了重大挑战，因为强烈需要使用非常紧凑和高速的电机（12000rpm）。
克服这些问题的实际解决方案是采用具有显著性能的永磁三相交流（AC）同步发电机。
由于发电机的三相功率输出取决于涡轮增压器的速度，因此交流发电机不能直接连接到船上电网。
因此，在将交流电转换为适合船用的电压和频率之前，有必要通过直流整流器进行中间转换
网络目前的主要解决方案是应用IGBT（绝缘栅双极晶体管）技术进行有源整流，以及图2所示的逆变器。
事实上现代电力电子设备允许对电机进行非常精确的控制，具有有源前端（AFE）的电压源逆变器（VSI）如图2所示。
突出显示了使用PWM（脉宽调制）技术正确调制电桥的详细设置和不同控制回路
通过可以控制AFE功率，这样电流波形也可以被调制来控制从网络吸收的功率因数。
最重要的是，对于辅助驱动器的目的，它允许反向功率流，不同于传统的二极管桥式整流器，即使成本显著增加。
发动机模拟器
如上所述，本研究的重点是MAN 51/60 DF 12V，这是一种四冲程双燃料船用发动机，其特点是在514 rpm时具有12 MW的最大连续额定功率（MCR）。
表中显示了制造商提供的主机技术数据。
正如本文引言中所讨论的，该引擎用Matlab®-模拟®语言开发的完整热力学模拟模型，已经在之前作者的文章<29>中提出。
图3显示了完整的双燃料发动机模拟器方案，以模块化的形式组织，已经包括了HTC EM-G模块（图3中的“电动马达-发电机”块）。
模型的每个模块通过代数和微分方程和/或稳态性能图，使用填充和排空模拟方法，模拟相关发动机部件的性能和特性。
特别地，气缸模块通过热力学计算再现气缸内现象，该热力学计算随着曲柄角的变化而逐步进行。
发动机可以在米勒循环模式下运行，因为它配备了进气门打开和关闭的可变气门正时。进气门设置随发动机负载和燃料类型而变化，详见参考文献。
涡轮增压器模拟基于压缩机和涡轮的典型稳态性能图，并结合涡轮增压器轴动力学方程的数值解（图3中的TC_轴动力学块）
电动发电机模块，专门为本研究添加到图3的模型中，从发动机调速器块接收表示所需电功率的信号作为输入，并从TC_轴动力学接收涡轮增压器速度。
电动发电机组的输出信号是输送的电力和EM-G扭矩。
发动机模拟器已针对不同的稳态工况（发动机MCR的100%至25%之间），在恒定和可变速度下进行了充分验证。
对于在柴油模式和天然气模式下运行的发动机，对于验证中考虑的所有变量，可以观察到模拟器的结果与参考数据（由制造商提供）之间的良好一致性。
计算值和参考值之间的误差在发动机高负荷（85-100%MCR）下通常保持在2%以下，而在发动机中低负荷下，少数变量的误差小于4%
结论
本文对配备两种不同涡轮增压器的现有双燃料四冲程船用发动机的性能进行了仿真分析，第一种是目前使用的涡轮增压器，第二种是一种新型混合动力涡轮增压器。
除了压缩机外，该涡轮增压器的转子轴还移动一台用于发电的发电机。该发电机还用于控制涡轮增压器的速度，从而控制发动机传递的扭矩。
从这个角度来看，与原来的涡轮增压器相比，混合动力涡轮增压器是有利的，为了调节涡轮增压器的速度，通过排气阀将一定比例的空气排放到环境中，导致能量损失并改变发动机的热力学参数。
空气通过放气阀进入环境，导致能量损失并改变发动机的热力学参数。
采用混合动力涡轮增压器的主要优点是产生了不可忽略的电能，当发动机功率从100%降至25%时，电能的产生范围为发动机功率的4.1%至12.4%（见表2和表3）。
该功率可用于满足船舶的部分电能需求，减少柴油发电机的使用，从而减少燃料消耗和污染排放，特别是二氧化碳排放。
本文通过为涡轮增压器开发的仿真模型对两种涡轮增压器进行了比较，详细报道了混合动力涡轮增压器与原始涡轮增压器在大范围的发动机功率和转速下的对比。
详细报道了混合动力涡轮增压器与原始涡轮增压器在大范围的发动机功率和转速下的对比。
所获得的结果证明了混合涡轮增压器解决方案在船舶应用中的有效性，以及使该解决方案成为工业成熟产品的机会。
作者打算在不久的将来开发本研究的一个可能扩展，涉及对使用柴油的同一双燃料船用发动机的混合动力和传统涡轮增压器之间的比较。