CN102777221A - 基于有机朗肯循环的船用柴油发电机组废气余热发电系统 - Google Patents

基于有机朗肯循环的船用柴油发电机组废气余热发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于有机朗肯循环的船用柴油发电机组废气余热发电系统，包括废气锅炉、有机工质膨胀机、减速器、交流发电机、回热器、冷凝器、有机工质增压泵和安装在废气锅炉里的蒸发器，所述蒸发器有机工质出口连接有机工质膨胀机入口，有机工质膨胀机的转轴依次连接减速器和交流发电机，有机工质膨胀机出口依次连接回热器第一入口和回热器第一出口，回热器第一出口连接冷凝器入口，冷凝器出口连接有机工质增压泵入口，有机工质增压泵出口依次连接回热器第二入口和回热器第二出口，回热器第二出口连接蒸发器有机工质入口；所述废气锅炉中通入船用柴油发电机组产生的废气。本发明能更有效地回收船用柴油发电机组的废气余热。

Description

基于有机朗肯循环的船用柴油发电机组废气余热发电系统
技术领域
本发明涉及一种船用柴油发电机组余热回收系统，具体涉及一种基于有机朗肯循环的船用柴油发电机组废气余热发电系统。
背景技术
船舶是各国经济贸易的主要运输工具，为了能够长期可靠地执行运输任务，船舶离不开电力供应。柴油发电机组由于具有热效率高、工作可靠、寿命长等一系列优点(杨贵恒，贺明智，袁春等.柴油发电机组技术手册.北京：化学工业出版社，2009)，成为船舶电站的首选。船舶在正常航行、装卸货、进出港、停泊期间的用电需求不同，则柴油发电机组的负荷也不尽相同，但总有柴油发电机组要始终处于开启状态，以保证船舶正常的用电需求。用于船舶发电的柴油机通常为中速或高速柴油机，排温较高，其排气余热属于中温余热，具有较高的品位。但是目前，柴油发电机组的排气大都直接经烟囱排向大气，几乎没有得到有效的利用。
目前船舶排气余热回收利用是针对柴油主机而言的，主要有两种方式：排气余热转换成加热热能；排气余热转换成加热热能和电能。(1)一般的中、小型船舶，由于主机的排气余热能量不大，能回收的动力很有限，所以都只考虑作为加热用途的排气余热利用方式：通过废气锅炉产生一定压力的饱和水蒸汽满足乘员生活所需的热水供应、寒冷季节的舱室取暖以及油类的加热保温等。(2)在较大功率和万吨级以上的大型柴油机商船上，利用废气锅炉代替燃油辅锅炉产生生活杂用及燃油加热等的蒸汽，还不能充分地利用主机的排气余热，因为随着发动机功率的增加，排气余热也随着增加。因此废气锅炉如果只产生杂用及加热蒸汽，就会有大量剩余，致使排烟温度不能降到合理的温度。而由排气余热回收的蒸汽热能，其最佳转换方式是使用汽轮发电机产生电能，因此，在较大功率和万吨级以上的大型柴油机商船上，凭借在船舶正常航行阶段主机负荷功率较高(>75％额定功率)、排气能量具有相当品位(特别是中速柴油机)、排气流量充裕而稳定的有利条件，对废气锅炉开始重新构思设计，包括采取降低排出气温，提高蒸发量和加装过热器、经济器等措施，所产生蒸汽除供加热和生活杂用之外，有能力通过汽轮发电机组于航行中取代柴油发电机组发电，满足全船电力负荷，形成了基于朗肯循环的废气余热发电系统。它由预热器、蒸发器、过热器、蒸汽轮机、发电机、冷凝器、锅炉给水泵等组成(沈维道等.工程热力学(第三版).北京：高等教育出版社，2001；陆金铭.船舶动力装置设计.北京：国防工业出版社，2006)。
基于朗肯循环的废气余热发电系统，却存在如下的不足：(1)易于在蒸汽轮机里形成湿蒸汽，高速小水滴冲击汽轮机叶片，会产生腐蚀损坏，缩短蒸汽轮机的使用寿命；(2)水蒸汽密度小、比容大，汽轮机(尤其是末级叶片的高度)、排气管道及冷凝器中的管道的设计尺寸较大；(3)水的沸点高、汽化潜热值大，船用柴油机废气属于中低温余热，以水为工质的朗肯循环余热发电系统在回收中低温余热时效率不高；(4)系统结构复杂、造价高；(5)船用柴油机的排温越低，装置的效率和经济性越差，因此目前船用柴油机的排温不断下降的趋势使得发展基于朗肯循环的余热发电系统面临更大挑战。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种基于有机朗肯循环的船用柴油发电机组废气余热发电系统，克服上述基于朗肯循环的船用柴油机组废气余热发电系统的不足以及更加有效地回收船用柴油发电机组的废气余热。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种基于有机朗肯循环的船用柴油发电机组废气余热发电系统，包括废气锅炉、有机工质膨胀机、减速器、交流发电机、回热器、冷凝器、有机工质增压泵和安装在废气锅炉里的蒸发器，所述蒸发器有机工质出口连接有机工质膨胀机入口，有机工质膨胀机的转轴依次连接减速器和交流发电机，有机工质膨胀机出口依次连接回热器第一入口和回热器第一出口，回热器第一出口连接冷凝器入口，冷凝器出口连接有机工质增压泵入口，有机工质增压泵出口依次连接回热器第二入口和回热器第二出口，回热器第二出口连接蒸发器有机工质入口；所述废气锅炉中通入船用柴油发电机组产生的废气。
进一步地，所述有机工质膨胀机的进汽压力不低于0.7MPa，排气背压不低于0.1MPa。
进一步地，所述冷凝器的压力不低于0.1MPa。
进一步地，所述冷凝器采用舷外海水冷却。
进一步地，所述有机工质增压泵的增压压力不低于0.7MPa。
进一步地，所述有机工质为干流体有机工质或等熵流体有机工质。
本发明的原理是利用低沸点有机工质在比较低的温度下就能成为高压气体的性质，采用有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，ORC)发电系统来回收船用柴油发电机组的排气余热。
有益效果：与基于朗肯循环的船用柴油机余热发电系统相比，本发明具有如下显著优点：
1)与水蒸汽相比，有机工质密度大、比热容小，这可使膨胀机、排气管道及冷凝器中的管道的设计尺寸较小。
2)低沸点有机工质具有良好的热力学性质，有机工质的汽化潜热比水低很多，不仅可以在吸收较少的热量后使有机物从液态转化为饱和或过热状态，而且有机工质的蒸发温度相对于水来说比较低，因此本发明比基于朗肯循环的柴油机余热发电系统具有更高的热效率，能有效回收船用柴油发电机组排气的余热。
3)与水蒸汽不同，有机工质在膨胀机中膨胀做功时，从高压到低压始终保持干燥状态，这就消除了形成湿蒸汽的可能性以及当高速液滴冲击膨胀机时产生腐蚀损坏的可能性。所以，本发明涉及的技术方案比水蒸汽汽轮机能更有效地适用部分负荷运行及在大的功率变动范围内有效工作。
4)与水蒸汽相比，有机工质冷凝压力高，整个系统在接近和稍高于大气压力下工作，使得有机工质的泄漏现象大大减少。
5)对于使用干流体或等熵流体做循环工质的有机朗肯循环而言，工质可在蒸发压力下的饱和蒸汽状态进入透平膨胀做功，省去了过热段，提高了工质在蒸发器里的换热系数，简化了蒸发器的结构，节省了换热面积的投资。
附图说明
图1为基于有机朗肯循环的船用柴油发电机组废气余热发电系统结构示意图。
图中：1-废气锅炉；2-有机工质膨胀机；3-减速器；4-交流发电机；5-回热器；6-冷凝器；7-有机工质增压泵；8-蒸发器；9-涡轮增压器；10-排气总管；11-船用柴油发电机组。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，船用柴油发电机组11产生的废气首先进入排气总管10，然后废气由排气总管10进入涡轮增压器9当中的废气涡轮(未图示)，废气在废气涡轮中膨胀做功后进入本发明基于有机朗肯循环的船用柴油发电机组废气余热发电系统中的废气锅炉1，此时废气的温度较高，一般不低于350℃。本发明提供的机构包括：废气锅炉1、有机工质膨胀机2、减速器3、交流发电机4、回热器5、冷凝器6、有机工质增压泵7和蒸发器8。其中，350℃左右的废气进入废气锅炉1中，加热蒸发器8管道内的有机工质液体，有机工质液体被加热为高压(不低于0.7MPa)饱和的有机工质蒸汽，流入有机工质膨胀机2，有机工质蒸汽在有机工质膨胀机2内逐级膨胀，从而推动有机工质膨胀机2的转轴高速旋转，输出机械能，经过减速器3减速后驱动交流发电机4产生适合船上使用的电能，高压(不低于0.7MPa)饱和的有机工质蒸汽在有机工质膨胀机2内膨胀做工后全部流入回热器5，通过冷凝器6后冷却成饱和液体，有机工质增压泵7用于将冷凝器6里的有机工质液体加压至少0.7MPa，压缩成高压液体后泵入回热器5，回热器5利用有机工质膨胀机2出口过热乏汽的热量加热加压后的有机工质液体，加热后的有机工质液体回流入蒸发器8。
废气锅炉1安装在船用柴油发电机组11的烟囱内。
蒸发器8为高蒸发压力、饱和蒸汽蒸发器。
有机工质膨胀机2为高进汽压力的膨胀机，其排气背压不低于0.1MPa，可采用向心透平、螺杆式、滚动转子式及涡旋式膨胀机其中的一种。
冷凝器6的冷凝压力不低于0.1MPa。
冷凝器6采用舷外海水冷却。
有机工质增压泵7为高增压压力的泵，可选用离心泵。
有机工质可选R11、R113、R123、R141B、R236EA、R245CA、R245FA、R365MFC、丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷其中的一种(除R11为等熵流体有机工质外，其它均为干流体有机工质)。
为节省空间，有机工质膨胀机2、减速器3、交流发电机4三者安装在同一个底盘(未图示)上。
回热器5和冷凝器6均可采用结构紧凑、传热系数高的板式换热器。

Claims (6)

1.一种基于有机朗肯循环的船用柴油发电机组废气余热发电系统，包括废气锅炉、有机工质膨胀机、减速器、交流发电机、回热器、冷凝器、有机工质增压泵和安装在废气锅炉里的蒸发器，所述蒸发器有机工质出口连接有机工质膨胀机入口，有机工质膨胀机的转轴依次连接减速器和交流发电机，有机工质膨胀机出口依次连接回热器第一入口和回热器第一出口，回热器第一出口连接冷凝器入口，冷凝器出口连接有机工质增压泵入口，有机工质增压泵出口依次连接回热器第二入口和回热器第二出口，回热器第二出口连接蒸发器有机工质入口；所述废气锅炉中通入船用柴油发电机组产生的废气。
2.根据权利要求1所述基于有机朗肯循环的船用柴油发电机组废气余热发电系统，其特征在于：所述有机工质膨胀机的进汽压力不低于0.7MPa，排气背压不低于0.1MPa。
3.根据权利要求1所述基于有机朗肯循环的船用柴油发电机组废气余热发电系统，其特征在于：所述冷凝器的压力不低于0.1MPa。
4.根据权利要求1所述基于有机朗肯循环的船用柴油发电机组废气余热发电系统，其特征在于：所述冷凝器采用舷外海水冷却。
5.根据权利要求1所述基于有机朗肯循环的船用柴油发电机组废气余热发电系统，其特征在于：所述有机工质增压泵的增压压力不低于0.7MPa。
6.根据权利要求1所述基于有机朗肯循环的船用柴油发电机组废气余热发电系统，其特征在于：所述有机工质为干流体有机工质或等熵流体有机工质。
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