578 工程科学学报，第43卷，第4期 generation is 3.09(kW-h) KEY WORDS ship energy efficiency;waste heat recovery;cascade utilization;TEG-ORC combined cycle;evaporation pressure 作为航运业主要载体的远洋船舶，其有效能源 行了评估.目前，基于ORC的船舶余热利用存在 利用效率不足50%川，大部分能源消耗以废热的形 难以回收多种类、多温度区间的船舶余热等局限 式排放到环境中，造成巨大能源浪费的同时也导致 Miller等2-1]提出了一种将TEG和ORC相结 碳排放居高不下；据国际海事组织(IMO)调查显示)， 合的系统，高温烟气可以先通过TEG单元，在发电 目前国际航运业的CO2排放量已占到全球CO2排 的同时实现温降，后进入蒸发器中预热ORC工 放量总量的3%左右，若不采取相关解决措施，到 质，实现废热的充分利用；Qiu和Hayden!建立了 2050年该比例预计将增至18%.因此，开展基于余 一种微型热电联产系统的数学模型，并通过实验 热回收的船舶能效提升技术研究，是缓解能源短缺 研究了系统的输出性能：舒歌群等6在面向 压力和应对严苛法律法规要求的有效途径之一， 汽车尾气余热回收的ORC系统中，引入TEG单 船舶余热种类较多且回收潜力巨大，众多研 元，为烟气预降温的同时做发电性能的补充，并开 究结果已证明了温差发电(TEG)技术和有机朗肯 循环(ORC)技术在船舶余热利用与能效提升方面 展了不同临界条件下联合系统性能的理论研究. 的巨大潜力.Georgopoulou等)提出了一种面向船 船舶余热具有温度梯度大、可回收体量多等 舶应用的TEG模型，并对其回收船舶低品位余热 特点.为弥补传统余热利用方式的不足，在前期研 的潜力进行了评估.鉴于温差热电材料转换效率 究基础上401-1，本文提出了一种基于TEG-ORC 不高且普通TEG装置对船舶余热回收效果有待提 联合循环的船舶余热梯级利用新方法，并通过实 升，Yan,Liu和其他研究学者在汽车尾气余热回收 验研究探讨了ORC底循环蒸发压力对系统输出 研究基础上，针对船舶余热特点及其换热瓶颈，设 性能、热效率、单位发电成本、主机烟气余热利用 计了基于多种船舶余热的HP-TEG装置，并开展 率等主要性能参数的影响 了理论及实验研究4o,Yang和Yeh从热力学性 TEG-ORC联合循环热力学模型 能和最佳经济性入手，对基于ORC营运船舶主机 烟气余热回收装置的最大净输出功率和热效率进 TEG-ORC联合循环系统基本原理如图I所示 W The third-stage preheater Evaportator h Charge air Cylinder liner water WoRc-Wop We TEG cold end Condenser TEG Working Flue gas medium pump TEG hot end TEG bottom cycle 图1TEG-ORC联合循环系统理论模型 Fig.1 Theoretical model of the thermoelectric generator and organic Rankine cycle(TEG-ORC)combined cycle 根据Seeback效应原理，在忽略散热损失的情 式中：W为温差发电片热端吸收功率，W。为温差 况下，最终可以得出TEG系统的输出功率WEG及 发电片冷端放热功率，单位均为W 转换效率1为： (1)TEG底循环冷端 WTEG =Wh-We (1) 工质在温差发电底循环冷端进行第一级预 1=1-We/W (2) 热，其余热利用功率表示为：generation is 3.09 ¥·(kW·h)–1 . KEY WORDS    ship energy efficiency；waste heat recovery；cascade utilization；TEG-ORC combined cycle；evaporation pressure 作为航运业主要载体的远洋船舶，其有效能源 利用效率不足 50% [1] ，大部分能源消耗以废热的形 式排放到环境中，造成巨大能源浪费的同时也导致 碳排放居高不下；据国际海事组织（IMO）调查显示[2] ， 目前国际航运业的 CO2 排放量已占到全球 CO2 排 放量总量的 3% 左右，若不采取相关解决措施，到 2050 年该比例预计将增至 18%. 因此，开展基于余 热回收的船舶能效提升技术研究，是缓解能源短缺 压力和应对严苛法律法规要求的有效途径之一. 船舶余热种类较多且回收潜力巨大，众多研 究结果已证明了温差发电（TEG）技术和有机朗肯 循环（ORC）技术在船舶余热利用与能效提升方面 的巨大潜力. Georgopoulou 等[3] 提出了一种面向船 舶应用的 TEG 模型，并对其回收船舶低品位余热 的潜力进行了评估. 鉴于温差热电材料转换效率 不高且普通 TEG 装置对船舶余热回收效果有待提 升，Yan，Liu 和其他研究学者在汽车尾气余热回收 研究基础上，针对船舶余热特点及其换热瓶颈，设 计了基于多种船舶余热的 HP–TEG 装置，并开展 了理论及实验研究[4–10] ；Yang 和 Yeh[11] 从热力学性 能和最佳经济性入手，对基于 ORC 营运船舶主机 烟气余热回收装置的最大净输出功率和热效率进 行了评估. 目前，基于 ORC 的船舶余热利用存在 难以回收多种类、多温度区间的船舶余热等局限. Miller 等[12–13] 提出了一种将 TEG 和 ORC 相结 合的系统，高温烟气可以先通过 TEG 单元，在发电 的同时实现温降，后进入蒸发器中预热 ORC 工 质，实现废热的充分利用；Qiu 和 Hayden[14] 建立了 一种微型热电联产系统的数学模型，并通过实验 研究了系统的输出性能[14] ；舒歌群等[15– 16] 在面向 汽车尾气余热回收的 ORC 系统中，引入 TEG 单 元，为烟气预降温的同时做发电性能的补充，并开 展了不同临界条件下联合系统性能的理论研究. 船舶余热具有温度梯度大、可回收体量多等 特点. 为弥补传统余热利用方式的不足，在前期研 究基础上[4–10, 17–18] ，本文提出了一种基于 TEG-ORC 联合循环的船舶余热梯级利用新方法，并通过实 验研究探讨了 ORC 底循环蒸发压力对系统输出 性能、热效率、单位发电成本、主机烟气余热利用 率等主要性能参数的影响. 1    TEG-ORC 联合循环热力学模型 TEG-ORC 联合循环系统基本原理如图 1 所示. The third-stage preheater Evaportator The secondary preheater Condenser TEG hot end Working medium pump Cylinder liner water Flue gas TEG bottom cycle ORC bottom cycle Expander Charge air Flue gas TEG cold end TEG W3 WORC=Wexp WC W1 W2 W4 h4 h1 h7 m h5 Wexp WTEG Wh h6 h3 h2 图 1 TEG-ORC 联合循环系统理论模型 Fig.1 Theoretical model of the thermoelectric generator and organic Rankine cycle (TEG-ORC) combined cycle 根据 Seeback 效应原理，在忽略散热损失的情 况下，最终可以得出 TEG 系统的输出功率 WTEG 及 转换效率 η1 为： WTEG = Wh − Wc （1） η1= 1− Wc/Wh （2） 式中： Wh 为温差发电片热端吸收功率， Wc 为温差 发电片冷端放热功率，单位均为 W. （1）TEG 底循环冷端. 工质在温差发电底循环冷端进行第一级预 热，其余热利用功率表示为： · 578 · 工程科学学报，第 43 卷，第 4 期