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第 39 卷 第 10 期 2017 年 10 月 舰船科学技术 SHIP SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol. 39, No. 10 Oct. , 2017 超临界二氧化碳涡轮发电在船舶余热利用上的技术分析 李某某 (海军驻航天一院军事代表室，XX 100076) 摘 要: 船舶动力技术水平关系到国家经济发展与军事安某某，其中实现其发动机排气余热高效利用是一项关 键技术。船舶具有多种余热利用的途径，现代船舶对于电能的需求越来越大，利用余热进行发电具有前景。超临界 二氧化碳具有良好的密度和流动特性，可在中低温区实现高效的涡轮机械作功，相比温差发电或燃气轮机发电具有 明确的效率优势。本文对比分析了超临界二氧化碳涡轮发电的发展现状和关键技术，并针对船舶参数开展 30 kW 级 超临界二氧化碳涡轮发电机的研制，在氮吹试验中实现了 36 kW/36.5 kr/min 的功率输出，可进一步验证并推进超临 界二氧化碳涡轮发电在船舶余热利用上的发展。 关键词：超临界二氧化碳；涡轮发电；余热；船舶；效率 中图分类号：TG172 文献标识码：A 文章编号： 1672 – 7649(2017)10 – 0084 – 04 doi：10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.10.016 Analysis of waste-heat utilization by supercritical carbon dioxide turbine generator in ship LI Pei-jian (Navy Equipment Department in CALT Military Repressentative Bureau, Beijing 100076, China) Abstract: The level of ship power equipment is key issue of State economy and military. One of the key technologies is waste-heat utilization of engine exhaust emission. Electrical energy is more and more important in modern ship, generating electricity from the waste heat is promising. With good characteristic of density and fluxion, supercritical carbon dioxide shows efficient power ability in the low temperature zone, having huge advantage than thermoelectric and combustion gas turbine. The development and technology are investigated of supercritical carbon dioxide turbine generator. A 30 kWs prototype is developed according to the ship parameters. The turbine generator maximum outputs 36 kW/36.5 kr/min during experiment using nitrogen, which can make advance on waste-heat utilization in ship. Key words: supercritical carbon dioxide；turbine-generator；waste heat；ship；efficiency 0 引　言 船舶动力装置技术水平关系到国家海上经济的发 展以及军事安某某问题，目前柴油机是应用最为普遍的 船舶动力装置；相对昂贵的燃气轮机也因其突出的动 力重量比而在军用舰艇上得以发展，如美国海军的 DDG-1000 型导弹驱逐舰、英国皇家海军的“伊丽莎白 女王”号航空母舰和 45 型驱逐舰[1]；此外，电力推进 装置或混合动力装置也得到越来越多的关注。 无论是柴油机或是燃气轮机，能量利用率仅在 50% 左右，尾气均具有较高的温度（约 200 ℃～500 ℃）， 蕴含着大量的能量[2]。目前船舶中对排气余热的利用 主要分为余热换热、余热制冷、余热制淡以及余热发 电等几种形式。涉及到的余热利用装置主要包括涡轮 增压器、废气锅炉、涡轮发电装置、海水淡化装置 等。其中利用余热发电的方式可直接给船舶供给电 力，符合现代船舶对电能的需求，具有广阔的前景[3]。 余热发电具有多种可行性的方案，一方面需要分析对 比每种方案的原理与特点，另一方面需要探索技术更 先进效率更优化的新方案，实现船舶余热的高效利用。 1 船舶上余热发电的形式 传统的船舶上的余热发电形式通常有温差发电以 及燃气轮机发电 2 种。 1.1 余热温差发电 温差发电是基于塞贝克效应的一种可以直接将热 收稿日期: 2017 – 02 – 21 作者简介: 李某某 (1979 – )，男，工程师，研究方向为导弹总体及伺服技术。 第 39 卷 李某某：超临界二氧化碳涡轮发电在船舶余热利用上的技术分析 · 85 · 能转换为电能的技术，起始于 20 世纪 40 年代，已成 功通过放射性同位素温差发电的形式在航天器上用于 长时间发电。塞贝克效应是指当 2 种不同的金属相接 并且 2 个结点保持不同的温度，就会有电流连续不断 的流过电路，是由德国科学家赛贝克于 1821 年发现的[4]。 如图 1 所示，不同材料 AB 两端的电势差为： V = αAB(T1 − T2) = αAB"T ， (1) 其中 αAB 称为相对赛贝克系数，且 αAB = lim "T →0 V "T = dV 。 d"T (2) 图 2 Capstone 公司 C 系列涡轮发电机结构 Fig. 2 The C series turbo-generator structure of Capstone corporation 动性[7]。但由于气体温度对燃气轮机的效率影响极 大，通常只有在气体温度超过 1 000 ℃ 后，燃气轮机 才能有较好的性能[8]。而船舶发动机的排气余热通常 在 400 ℃ 以下，对于燃气轮机来说仅是低品质能量， 因此燃气轮机发电在船舶上的应用更倾向于主发动机 发电而非利用余热发电。 图 1 赛贝克效应示意图 Fig. 1 The diagram of seebeck effect 温差发电具有无运动部件、无污染、无噪声等优 点，是绿色环保的发电方式。在集装箱船等船舶上具 有一定的应用前景[5]。由于金属材料的赛贝克系数很 低，材料的无量纲热电优值 ZT 在 0.1 以下，目前性能 最好的商业化热电材料的 ZT 值仅在 1 左右，因此温差 发电效率不高。随着纳 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 lectric generator[J]. Gas Turbine Technology, 2007, 20(4): 19-24. [8] 高峰, 孙某某, 刘某某. 二氧化碳发电前沿技术发展简述[J]. 海 军工程大学学报, 2015, 12(4): 92-96. GAO Feng, SUN Rong, LIU Shui-gen. Introductiion of supercritical CO2 power generation technology[J]. Journal of Naval University of Engineering, 2015, 12(4): 92-96. 

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