CN103352772A - 内燃机多品位余热利用的联合循环热电转换系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种内燃机多品位余热利用的联合循环热电转换系统，该系统由高温级循环和低温级循环组成联合有机朗肯循环，由内燃机的排气余热、增压中冷余热、废气再循环余热和冷却水余热提供热量，由冷风提供冷量，具有高温级工质泵、高温级回热器、高温级排气加热器、高温级EGR加热器、高温级膨胀机、高温级冷凝器、低温级工质泵、低温级回热器、低温级冷却水加热器、低温级增压空气加热器、低温级排气加热器、低温级EGR加热器、低温级膨胀机、低温级冷凝器、低温级冷凝器风扇和发电机。本发明可以实现内燃机多品位余热的综合高效利用，且高低温级均采用超临界膨胀循环时不可逆损失较小，可有效提高内燃机的整体效率。

Description

内燃机多品位余热利用的联合循环热电转换系统

技术领域

本发明涉及内燃机节能技术应用领域，具体的说，是涉及一种适用于内燃机多品位余热高效利用的联合循环热电转换系统。

背景技术

内燃机是应用最为广泛的动力装置之一，目前我国已经成为世界第一的内燃机制造大国，2010年内燃机总产量7500万台，出口2240万台，总功率超过13.5亿千瓦，其消耗的石油约占我国石油总量的66%以上；同时，内燃机也是CO₂主要排放源之一。因此，开展内燃机节能研究、提高内燃机燃油利用率是我国节能减排工作的重要需求。

研究表明，从目前内燃机的能量平衡来看，动力输出功率一般只占燃油燃烧总热量的30%～45%（柴油机）或20%～30%（汽油机），其中有近60%的燃烧热量以高温废气和冷却介质等多种余热形式被排放到大气中。研究表明，通过有机朗肯循环作为内燃机底循环来回收内燃机的余热，进而提高内燃机的整体热效率，具有很好应用前景。

然而，内燃机的余热能呈现多种形式分布，而且具有多品位、大跨度温差的明显特征，也就是各部分余热能呈现出低品位能到高品位能的多样特性，表1给出了某重型柴油机能量平衡分布以及余热能品位的特点。这个特征是提高内燃机余热利用效率的关键点，也是目前余热利用率不高的制约因素。目前的研究和技术大多无法同时对内燃机各部分余热能进行充分地、高效地回收转化利用，而是退而求其次集中在对其中某一项、或者某两项进行回收。而对于高品位余热的温差利用，通常采用水作为工作介质或者采用导热油先与高品位余热换热，对其进行品位降级后再利用。前者效率低且装置庞大，无法适应在作为移动动力装置的内燃机上广泛应用；而后者由于对废气余热进行了能量降级处理，使得通过底循环回收的膨胀功大大减少，底循环效率也较低，同时通过导热油循环的二次换热，使得不可逆损失进一步加大。

因此，如何针对内燃机余热能的典型特点，充分、高效地回收具有多品位、大跨度温差特征的多种形式余热能，提高内燃机余热利用效率，是内燃机余热利用领域的重要技术，有必要针对上述状况对余热回收技术进行创新。

表1某重型柴油机能量平衡及余热能品位特点

发明内容

本发明根据内燃机余热能的典型特点，提供了一种内燃机多品位余热利用的联合循环热电转换系统，该系统采用高低温级有机朗肯循环耦合的方式，实现内燃机多品位余热的高效利用，提高内燃机的整体效率。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种内燃机多品位余热利用的联合循环热电转换系统，该系统包括高温级工质泵、高温级回热器、高温级排气加热器、高温级EGR加热器、高温级膨胀机、高温级冷凝器、低温级工质泵、低温级回热器、低温级冷却水加热器、低温级增压空气加热器、低温级排气加热器、低温级EGR加热器、低温级膨胀机、低温级冷凝器、低温级冷凝器风扇、第一发电机、第二发电机；

高温级循环中，所述高温级工质泵出口与所述高温级回热器冷流体入口相连，所述高温级回热器冷流体出口依次连接所述高温级排气加热器、所述高温级EGR加热器、所述高温级膨胀机，所述高温级膨胀机出口与所述高温级回热器热流体入口相连，所述高温级回热器热流体出口与所述高温级冷凝器热流体入口相连，所述高温级冷凝器热流体出口与所述高温级工质泵入口连接；

低温级循环中，所述低温级工质泵出口与所述低温级回热器冷流体入口相连，所述低温级回热器冷流体出口与所述低温级冷却水加热器入口相连，所述低温级冷却水加热器出口与所述高温级冷凝器冷流体入口相连，所述高温级冷凝器冷流体出口依次连接所述低温级增压空气加热器、所述低温级排气加热器、所述低温级EGR加热器、所述低温级膨胀机，所述低温级膨胀机出口与所述低温级回热器热流体入口相连，所述低温级回热器热流体出口与所述低温级冷凝器入口相连，所述低温级冷凝器出口与所述低温级工质泵入口连接，所述低温级冷凝器连接有低温级冷凝器风扇；

所述高温级膨胀机与所述第一发电机、所述低温级膨胀机与所述第二发电机同轴连接，所述述第一发电机和所述第二发电机用于将回收的能量以电能形式输出。

所述高温级循环和所述低温级循环的工作条件均为超临界膨胀循环，即高温级工质泵、低温级工质泵出口压力均为所选工质的临界压力以上，高温级回热器、高温级排气加热器、高温级EGR加热器、高温级冷凝器、低温级回热器、低温级冷却水加热器、低温级增压空气加热器、低温级排气加热器、低温级EGR加热器冷流体侧工作压力均为所选工质的临界压力以上，使得高温级膨胀机和低温级膨胀机入口的工质均为超临界状态。

本系统分别利用高低温级有机朗肯循环作为内燃机排气余热和冷却水余热的主要回收利用技术手段，利用废气再循环冷却余热和增压中冷余热对两级循环工质进行梯级再加热来提升工质的能量品位和做功能力；同时实现两级循环的耦合及协同优化，一方面通过协同优化实现不同品位的能量（内燃机提供的余热和有机朗肯循环回收利用后剩余能量）在联合循环中的梯级转化利用，根据不同能量品位优化与工作介质的换热位置和过程；另一方面通过两级循环工作介质联合膨胀使得联合循环进一步耦合，提高系统效率。

本发明的有益效果是：

本发明由高温级循环和低温级循环组成联合有机朗肯循环，由内燃机的各部分余热——排气余热、增压中冷余热、废气再循环余热和冷却水余热给联合循环提供热量，实现了内燃机各部分余热的全面综合利用，可有效提高内燃机整体的燃油经济效率，且较单级循环有明显的提升。

针对内燃机余热具有多品位、大温差的特点，利用高温级循环主要回收高品位余热、低温级循环主要回收低品位余热，利用其他不同品位的余热能对联合循环进行梯级加热，并按照能级匹配原则排列不同换热器在联合循环中的顺序，实现多品位余热在同一系统的最大限度利用，使得各部分余热回收利用率均较高。

由于高品位余热温度较高，采用分解温度较高的有机工质作为工作流体，不同于以往的传统朗肯循环采用水作为工作流体，可以一定程度上提高系统效率，实现系统装置小型化。

当高温级和低温级均采用超临界膨胀有机朗肯循环，可有效地减小系统不可逆损失，这是由于超临界膨胀循环中的有机工质通过吸收热量直接从液态过渡到超临界状态，从而避开了两相区，这使得工质与热源之间具有更好的热匹配性，从而更好地吸收热源的热量，提高能源转化效率。

附图说明

附图是本发明所提供的联合循环热电转换系统的结构示意图。

图中：1-高温级工质泵；2-高温级回热器；3-高温级排气加热器；4-高温级EGR加热器；5-高温级膨胀机；6-高温级冷凝器；7-低温级工质泵；8-低温级回热器；9-低温级冷却水加热器；10-低温级增压空气加热器；11-低温级排气加热器；12-低温级EGR加热器；13-低温级膨胀机；14-低温级冷凝器；15-低温级冷凝器风扇；16-第一发电机；17-第二发电机；18-内燃机气缸；19-压气机；20-废气涡轮。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述，以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

如附图所示，本实施例披露了一种内燃机多品位余热利用的联合循环热电转换系统，该系统主要由高温级循环和低温级循环组成联合有机朗肯循环，由内燃机的各部分余热热源：排气、增压空气、再循环废气和冷却水给联合有机朗肯循环提供热量，由冷风给联合循环提供冷量。本系统包括的主要部件为：高温级工质泵1、高温级回热器2、高温级排气加热器3、高温级EGR加热器4、高温级膨胀机5、高温级冷凝器6、低温级工质泵7、低温级回热器8、低温级冷却水加热器9、低温级增压空气加热器10、低温级排气加热器11、低温级EGR加热器12、低温级膨胀机13、低温级冷凝器14、低温级冷凝器风扇15、第一发电机16、第二发电机17、内燃机气缸18、压气机19、废气涡轮20。

高温级循环中，高温级工质泵1出口与高温级回热器2冷流体入口相连，高温级回热器2冷流体出口依次与高温级排气加热器3、高温级EGR加热器4冷流体侧连接，高温级EGR加热器4冷流体出口与高温级膨胀机5入口连接，高温级膨胀机5出口与高温级回热器2热流体入口相连，高温级回热器2热流体出口与高温级冷凝器6热流体入口相连，高温级冷凝器6热流体出口与高温级工质泵1入口连接；

低温级循环中，低温级工质泵7出口与低温级回热器8冷流体入口相连，低温级回热器8冷流体出口与低温级冷却水加热器9冷流体入口相连，低温级冷却水加热器9冷流体出口与高温级冷凝器6冷流体入口相连，高温级冷凝器6冷流体出口依次与低温级增压空气加热器10、低温级排气加热器11、低温级EGR加热器12冷流体侧连接，低温级EGR加热器12冷流体出口与低温级膨胀机13入口连接，低温级膨胀机13出口与低温级回热器8热流体入口相连，低温级回热器8热流体出口与低温级冷凝器14入口相连，低温级冷凝器14出口与低温级工质泵7入口连接，所述低温级冷凝器（14）连接有低温级冷凝器风扇（15）；

高温级膨胀机5与第一发电机16、低温级膨胀机13与第二发电机17同轴连接，第一发电机16和第二发电机17用于将回收的能量以电能形式输出。

压气机19依次与低温级增压空气加热器10热流体入口、内燃机气缸18进气口连接，内燃机气缸18排气口连接废气涡轮20之后，依次与高温级排气加热器3、低温级排气加热器11热流体侧相连，内燃机气缸18的EGR出口依次与高温级EGR加热器4、低温级EGR加热器12热流体侧相连，然后与内燃机气缸18进气口连接，组成内燃机的进排气系统；内燃机气缸18冷却水出口连接低温级冷却水加热器9热流体入口，低温级冷却水加热器9热流体出口与内燃机气缸18冷却水入口相连。

本实施例的系统的具体工作原理如下：

空气首先经过压气机19压缩后在低温级增压空气加热器10中冷却，随后与再循环废气混合后进入内燃机气缸18中与燃油混合并燃烧膨胀做功；做功后的部分排气随后进入废气涡轮20中通过涡轮轴对压气机19做功，从废气涡轮20出来后的排气依次通过高温级排气加热器3、低温级排气加热器11中冷却后排入大气；而再循环废气依次经过高温级EGR加热器4、低温级EGR加热器12冷却后与增压空气混合进入内燃机气缸18；从内燃机气缸18出来的冷却水经过低温级冷却水加热器9冷却后返回内燃机气缸18。

在高温级循环中，由高温级工质泵1出来的高压低温流体进入高温级回热器2，吸收来自高温级有机工质乏气的部分热量；然后进入高温级排气加热器3中，吸收来自内燃机排气的余热；接着进入高温级EGR加热器4，吸收来自再循环废气的余热，形成高温高压的流体；该流体进入高温级膨胀机5膨胀做功，并通过第一发电机16将回收的机械能转变成电能；从高温级膨胀机5出来的低压乏气进入高温级回热器2，将部分热量传递给高温级流体，作为高温级流体的预热热源；释放热量后的高温级有机工质进入高温级冷凝器6，将热量传递给低温级流体，作为低温级流体的预热热源，释放热量后的高温级有机工质被冷却到饱和液体状态；然后进入高温级工质泵1升压，完成高温级循环。

在低温级循环中，由低温级工质泵7出来的高压低温流体进入低温级回热器8，吸收来自低温级有机工质乏气的部分热量；然后进入低温级冷却水加热器9中，吸收来自内燃机冷却水的余热；再进入高温级冷凝器6，吸收来自高温级乏气的热量；接着有机工质进入低温级增压空气加热器10，吸收来自内燃机增压中冷余热；然后进入低温级排气加热器11，与经过高温级循环换热后的排气进行换热；再进入低温级EGR加热器12，与经过高温级循环换热后的再循环废气进行换热，形成高温高压的流体；接着该流体进入低温级膨胀机13膨胀做功，并通过第二发电机17将回收的机械能转变成电能；从低温级膨胀机13出来的低压乏气进入低温级回热器8，将部分热量传递给低温级流体，作为低温级流体的预热热源；释放热量后的低温级有机工质进入低温级冷凝器14，由低温级冷凝器风扇15冷却到饱和液体状态；然后进入低温级工质泵7升压，完成低温级循环。

以某型243kW柴油机来体现应用本实施例：在高温级循环使用硅氧烷作为工质、蒸发压力为5MPa（超临界）、冷凝压力为0.15MPa，低温级使用R143a作为工质、蒸发压力为4.5MPa（超临界）、冷凝温度35℃，膨胀机等熵效率为0.7，工质泵等熵效率为0.8的情况下，本系统总共可以输出膨胀功43.1kW，使得内燃机整体效率可以达到47.5%，比原机提高了7.2%，不可逆损失4.688kW。

在高温级循环蒸发压力为1.8MPa（亚临界），低温级蒸发压力为3.6MPa（亚临界），其他均不变的情况下，本系统总共可以输出膨胀功32.2kW，内燃机整体效率可以达到45.7%，比原机提高了5.3%，不可逆损失4.978kW。

由以上数据可以明显看出，本实施例的内燃机多品位余热利用的联合循环热电转换系统能够实现内燃机余热的高效利用，提高内燃机整体效率，并且高低温级循环均为超临界膨胀循环时比亚临界循环系统效率更高，且不可逆损失更小。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种内燃机多品位余热利用的联合循环热电转换系统，其特征在于，该系统包括高温级工质泵（1）、高温级回热器（2）、高温级排气加热器（3）、高温级EGR加热器（4）、高温级膨胀机（5）、高温级冷凝器（6）、低温级工质泵（7）、低温级回热器（8）、低温级冷却水加热器（9）、低温级增压空气加热器（10）、低温级排气加热器（11）、低温级EGR加热器（12）、低温级膨胀机（13）、低温级冷凝器（14）、低温级冷凝器风扇（15）、第一发电机（16）、第二发电机（17）；

高温级循环中，所述高温级工质泵（1）出口与所述高温级回热器（2）冷流体入口相连，所述高温级回热器（2）冷流体出口依次连接所述高温级排气加热器（3）、所述高温级EGR加热器（4）、所述高温级膨胀机（5），所述高温级膨胀机（5）出口与所述高温级回热器（2）热流体入口相连，所述高温级回热器（2）热流体出口与所述高温级冷凝器（6）热流体入口相连，所述高温级冷凝器（6）热流体出口与所述高温级工质泵（1）入口连接；

低温级循环中，所述低温级工质泵（7）出口与所述低温级回热器（8）冷流体入口相连，所述低温级回热器（8）冷流体出口与所述低温级冷却水加热器（9）入口相连，所述低温级冷却水加热器（9）出口与所述高温级冷凝器（6）冷流体入口相连，所述高温级冷凝器（6）冷流体出口依次连接所述低温级增压空气加热器（10）、所述低温级排气加热器（11）、所述低温级EGR加热器（12）、所述低温级膨胀机（13），所述低温级膨胀机（13）出口与所述低温级回热器（8）热流体入口相连，所述低温级回热器（8）热流体出口与所述低温级冷凝器（14）入口相连，所述低温级冷凝器（14）出口与所述低温级工质泵（7）入口连接，所述低温级冷凝器（14）连接有低温级冷凝器风扇（15）；

所述高温级膨胀机（5）与所述第一发电机（16）、所述低温级膨胀机（13）与所述第二发电机（17）同轴连接，所述述第一发电机（16）和所述第二发电机（17）用于将回收的能量以电能形式输出。

2.根据权利要求1所述的一种内燃机多品位余热利用的联合循环热电转换系统，其特征在于，所述高温级循环和所述低温级循环的工作条件均为超临界膨胀循环，即高温级工质泵（1）、低温级工质泵（7）出口压力均为所选工质的临界压力以上，高温级回热器（2）、高温级排气加热器（3）、高温级EGR加热器（4）、高温级冷凝器（6）、低温级回热器（8）、低温级冷却水加热器（9）、低温级增压空气加热器（10）、低温级排气加热器（11）、低温级EGR加热器（12）冷流体侧工作压力均为所选工质的临界压力以上，使得高温级膨胀机（5）和低温级膨胀机（13）入口的工质均为超临界状态。