Implementation of Exhaust Gas Recirculation for Double Stage Waste Heat Recovery System on arge Container Ship
Authors
Andreasen, Morten Lind ; Marissal, Matthieu Aurelien
Term
4. term
Education
Publication year
2014
Submitted on
2014-06-03
Pages
142
Abstract
Store skibe kan spare brændstof og reducere CO2 ved at udnytte spildvarme fra motorudstødningen og omdanne den til elektricitet via et spildvarmegenvindingssystem (Waste Heat Recovery System, WHRS). Samtidig begrænser IMO NOx- og SOx-udledninger i Emission Control Areas (ECA). En måde at opfylde de strengere NOx-grænser i Tier III-standarden er udstødningsgasrecirkulation (Exhaust Gas Recirculation, EGR), hvor en del af udstødningen føres tilbage til motoren. Det sænker iltindholdet og den adiabatiske flammetemperatur, hvilket markant reducerer NOx. Specialet undersøger, om WHRS og EGR kan fungere sammen, og hvilken ydelse der kan opnås. Brændstofsammensætningen er repræsenteret ud fra nedre brændværdi; forbrændingen af en surrogatblanding med tilsvarende energi- og elementsammensætning er simuleret med Glassman-mekanismen (en standard forbrændingsmodel). Luftoverskuddet følger MANs anbefalinger; ingen cross-over er antaget. WHRS’en omdanner varme i udstødningen til strøm via et eller flere Rankine-kredsløb – et dampsystem, hvor vand fordampes, overhedes, udvider gennem en turbine og fortætter igen. Højere temperatur og tryk ved turbineindløbet øger virkningsgraden, i overensstemmelse med tidligere resultater. Et WHRS med to kredsløb er opstillet for at udnytte tilgængelige varmekilder og nå højest mulige kombination af tryk og temperatur. Systemdesignet er optimeret med en genetisk algoritme og en Hessian-baseret (andenordens) solver til driftspunkter. Resultaterne viser, at systemet kan levere 400–1900 kW med et vægtet gennemsnit på 958 kW over skibets forbrugsprofil. Forbrugsprofilen har stor betydning for den vægtede gennemsnitlige effekt, mens fordelingen mellem drift i Tier II og Tier III har langt mindre betydning. Det optimale lavtryk ligger typisk mellem 3,5 og 4 bar, og det optimale højtryk op til 12,4 bar. Med gennemsnitlig varmegenvinding kan CO2-udledningen reduceres med omkring 5.000 ton/år, hvilket forbedrer EEDI (Energy Efficiency Design Index) med cirka 3,5 %. En tredje kredsløbssløjfe, kun brugt i Tier III, er også undersøgt: Den øger de samlede varmevekslerarealer med cirka 40 %, men kan løfte effektproduktionen i Tier III til næsten 3.000 kW – op til 50 % mere. Samlet set kan WHRS og EGR kombineres for at overholde NOx-krav og samtidig genvinde betydelig energi.
Large ships can save fuel and cut CO2 by capturing waste heat from engine exhaust and turning it into electricity using a Waste Heat Recovery System (WHRS). At the same time, the International Maritime Organization (IMO) limits NOx and SOx emissions inside Emission Control Areas (ECAs). One way to meet the stricter NOx limits in the Tier III standard is Exhaust Gas Recirculation (EGR), which routes part of the exhaust back to the engine. This lowers oxygen levels and the adiabatic flame temperature, strongly reducing NOx. This thesis examines whether WHRS and EGR can operate together and what performance can be achieved. Fuel composition is represented using lower heating value; combustion of a surrogate mixture with similar energy and elemental makeup is simulated with the Glassman mechanism (a standard combustion model). The excess air ratio follows MAN guidance; no cross-over is considered. The WHRS converts exhaust heat to electricity via one or more Rankine cycles—a steam-cycle process where water is evaporated, superheated, expanded through a turbine, and then condensed. Higher turbine inlet temperature and pressure increase efficiency, consistent with earlier studies. A two-cycle WHRS is configured to use available heat sources and reach the highest feasible pressure–temperature combination. The design is optimized with a genetic algorithm and a Hessian-based (second-order) solver for operating set points. Results show the system can deliver 400–1900 kW, with a weighted average of 958 kW over the ship’s consumption profile. The consumption profile strongly affects the weighted average power, while the split between Tier II and Tier III operating modes matters much less. Optimal low pressure is generally 3.5–4 bar, and high pressure up to 12.4 bar. With average heat recovery, CO2 emissions can be reduced by about 5,000 t/year, improving the EEDI (Energy Efficiency Design Index) by roughly 3.5%. Adding a third cycle used only in Tier III increases total heat-exchanger area by about 40%, but can raise Tier III power output to almost 3,000 kW—up to a 50% gain. Overall, WHRS and EGR can be combined to meet NOx limits while recovering substantial energy.
[This abstract was generated with the help of AI]
Keywords
Documents