CN103982255A - 一种用于船舶主机废热发电orc系统 - Google Patents

一种用于船舶主机废热发电orc系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于船舶主机废热发电ORC系统，包括发动机尾气回路、发动机缸套水回路、冷媒回路和外部冷却水回路。本发明是基于有机郎肯循环的动力系统，吸收发动机缸套水和发动机尾气的废热。系统中采用缸套水吸收发动机尾气热量后，再对ORC系统的冷媒进行加热；同时利用加热后的冷媒吸收发动机尾气与缸套水换热后剩余的部分热量。利用本系统，可有效解决船舶主机缸套水温度不高而导致的ORC系统蒸发压力过低，系统效率不高的问题。同时，本系统利用尾气和缸套水联合吸收热量方案，解决了有机冷媒与高温废热直接热交换带来的冷媒高温裂解的问题。本系统最大程度的回收柴油机废热的同时，对原有柴油机系统的改动较小。

Description

一种用于船舶主机废热发电ORC系统
技术领域
本发明涉及了一种基于ORC的柴油机废热回收发电系统，尤其涉及适合于船舶主机废热发电的ORC系统。也即是基于有机郎肯循环发动机废热回收发电的系统装置，利用制冷剂(如R245fa)从发动机尾气及缸套水中吸收热量，通过郎肯循环的四个阶段，对外做功发电，实现发动机的废热回收再利用。
背景技术
随着能源短缺的日益严峻，发动机的节能备受人们关注。利用ORC系统来回收发动机的废热，不仅容易实现而且热回收效率较高。发动机可回收利用的热源主要包括缸套水的热量以及向环境排放高温尾气的热量等。发动机缸套水的温度一般低于100℃，因此可以直接与ORC系统中的冷媒进行换热，实现热量的回收利用。对于船舶主机，缸套水的温度一般低于80℃，这使得对应ORC系统冷媒的蒸发压力过低，整个系统的回收效率降低。发动机的排烟温度一般高于500℃，在ORC系统中冷媒的承受温度低于350℃，这在一定程度上限制了ORC系统在发动机废热回收领域的应用。
为更高效的利用发动机的废热，基于有机郎肯循环的发动机废热回收系统装置在实现方式上也各有侧重。经过现有文献和专利的检索，发现目前存在几种不同结构形式的发动机有机郎肯循环系统并不够完善。专利号为US6986251专利，提出的发动机的废气回收装置，主要是是利用一个主泵和一个辅助泵，以减少制冷剂工质在高速主泵内产生的穴蚀问题，同时该系统中主要包括废气蒸发器、冷凝器和相关的水箱，油冷器、增压中冷器等，制冷剂工质分别冷却水箱散热器，增压中冷器，发动机油冷器等。该发明的系统中没有过多的考虑到发动机废气再循环装置，对现有装置改变比较大。专利号为CN102787889A专利，提出一种柴油机缸套水及尾气余热回收系统，分别使用发动机缸套水加热ORC系统中的预热器，发动机的尾气先经过SCR降温后再加热ORC系统中的蒸发器。该发明的系统比较复杂，缸套水和尾气分别加热预热器和蒸发器，在性能匹配及系统控制方面均较为困难，且尾气经过SCR后会有一部分能量损失。
因此，针对上述现状，如果能发明出一种高效利用发动机缸套水和尾气废热的ORC系统，特别是针对船舶主机的ORC发电系统，将大大推动其在船舶主机废热回收领域的应用。
发明内容
本发明的目的是提出一种船舶主机废热发电ORC系统，充分利用船舶主机缸套水和尾气的废热，更有效的提高其回收利用效率。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：一种用于船舶主机废热发电ORC系统，包括发动机尾气回路、发动机缸套水回路、冷媒回路和外部冷却水回路，其特征在于：
在所述的发动机尾气回路中，发动机尾气在直接排放环境前，先经过烟气换热器放热，依次把热量传递给缸套水和冷媒，从而实现尾气热量的回收；所述的烟气换热器为两级烟气换热器，第一级为发动机烟气与发动机缸套水的换热，顺流布置；第二级为发动机烟气与ORC系统冷媒的换热，也按顺流布置；
在所述的发动机缸套水回路中，缸套水在发动机自带循环水泵的作用下进入发动机缸套吸热，从发动机出来后接着进入烟气换热器中吸收尾气的热量，再进入蒸发器的水侧通道放热，实现缸套水热量和部分尾气热量的回收；
在所述的冷媒回路中，储液罐中低温低压的液态冷媒经过工质泵后变成低温高压的冷媒；接着经过蒸发器，吸收发动机的废热后蒸发，变成高温高压的气态冷媒；然后气态冷媒经过烟气换热器的冷媒侧，吸收烟气剩余可利用的热量后继续升温；从烟气换热器出来的气态冷媒进入膨胀发电机，对外做功发电，从而实现废热的回收再利用；从膨胀发电机出来的低压冷媒蒸汽，再通过冷凝器放热，成为低温低压的液态冷媒回到储液罐中；
在所述的外部冷却水回路中，外部冷却水经过冷凝器，吸收气态冷媒的热量，使其成为低温低压的冷媒。
本发明的一种用于船舶主机废热发电ORC系统，是基于有机郎肯循环的动力系统，吸收发动机缸套水和发动机尾气的废热。系统中采用缸套水吸收发动机尾气热量后，再对ORC系统的冷媒进行加热；同时利用加热后的冷媒吸收发动机尾气与缸套水换热后剩余的部分热量。利用本系统，可有效解决船舶主机缸套水温度不高而导致的ORC系统蒸发压力过低，系统效率不高的问题。同时，本系统利用尾气和缸套水联合吸收热量方案，解决了有机冷媒与高温废热直接热交换带来的冷媒高温裂解的问题。本系统最大程度的回收柴油机废热的同时，对原有柴油机系统的改动较小。
作为本发明的进一步改进，在膨胀发电机和冷凝器之间加设回热器，进行从工质泵出来的液态冷媒和从膨胀发电机出来的气态冷媒的热交换，进一步提高整个系统的废热回收效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1是本发明的结构框图。
具体实施方式
参照附图，本发明的一种用于船舶主机废热发电ORC系统，包括发动机尾气回路、发动机缸套水回路、冷媒回路和外部冷却水回路。
在所述的发动机尾气回路中，发动机尾气在直接排放环境前，先经过烟气换热器8放热，依次把热量传递给缸套水和冷媒，从而实现尾气热量的回收。本系统中的烟气换热器为两级烟气换热器，第一级为发动机烟气与发动机缸套水的换热，顺流布置；第二级为发动机烟气与ORC系统冷媒的换热，也按顺流布置。在实际运行中，为了符合环保要求及烟气换热器的可靠使用，从烟气换热器出来的烟气温度不能过低，一般不能低于140℃。
在所述的发动机缸套水回路中，缸套水在发动机自带循环水泵的作用下进入发动机缸套吸热，从发动机出来后接着进入烟气换热器8的水侧通道，吸收尾气的部分热量，再经过蒸发器4的水侧通道，向冷媒放热，实现缸套水热量和尾气部分热量的回收。在实际的运行中，需要控制缸套水的水温：水温太低，发动机节温器不会全开，缸套水的热量不能完全利用；水温太高，发动机高温报警，甚至自动停机。
在所述的冷媒回路中，储液罐1中的低温低压液态冷媒经过工质泵2升压，接着经过蒸发器4，吸收发动机的废热后蒸发，变成高温高压的气态冷媒；然后气态冷媒进入烟气换热器8的冷媒侧通道，吸收烟气剩余可利用的热量，继续升温；从烟气换热器8出来的气态冷媒再进入膨胀发电机5，对外做功发电，从而实现船舶主机的废热再利用；从膨胀发电机出来的低压气态冷媒，再通过冷凝器6，向外部冷却水放热，成为低温低压的液态冷媒回到储液罐1中。为了进一步提高整个系统的废热回收效率，可以在膨胀发电机5和冷凝器6之间加设回热器3，进行从工质泵2出来的液态冷媒和从膨胀发电机5出来气态冷媒的热交换。使用的冷媒为制冷剂工质，如R245fa。为保证蒸发器的换热效果，蒸发器竖直布置，冷媒从蒸发器的下端进入，从蒸发器的上端流出。
在所述的外部冷却水回路中，外部冷却水经过冷凝器6，用来吸收气态冷媒的热量，使其成为低温低压的液态冷媒。
应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于船舶主机废热发电ORC系统，包括发动机尾气回路、发动机缸套水回路、冷媒回路和外部冷却水回路，其特征在于：
在所述的发动机尾气回路中，发动机尾气(12)在直接排放环境前，先经过烟气换热器(8)放热，依次把热量传递给缸套水(11)和冷媒(10)，从而实现尾气热量的回收；所述的烟气换热器(8)为两级烟气换热器，第一级为发动机烟气与发动机缸套水的换热，顺流布置；第二级为发动机烟气与ORC系统冷媒的换热，也按顺流布置；
在所述的发动机缸套水回路中，缸套水(11)在发动机自带循环水泵的作用下进入发动机缸套吸热，从发动机出来后接着进入烟气换热器(8)中吸收尾气的热量，再进入蒸发器(4)的水侧通道放热，实现缸套水热量和部分尾气热量的回收；
在所述的冷媒回路中，储液罐(1)中低温低压的液态冷媒(10)经过工质泵(2)后变成低温高压的冷媒；接着经过蒸发器(4)，吸收发动机的废热后蒸发，变成高温高压的气态冷媒；然后气态冷媒经过烟气换热器(8)的冷媒侧，吸收烟气剩余可利用的热量后继续升温；从烟气换热器(8)出来的气态冷媒进入膨胀发电机(5)，对外做功发电，从而实现废热的回收再利用；从膨胀发电机(5)出来的低压冷媒蒸汽，再通过冷凝器(6)放热，成为低温低压的液态冷媒回到储液罐(1)中；
在所述的外部冷却水回路中，外部冷却水经过冷凝器，吸收气态冷媒的热量，使其成为低温低压的冷媒。
2.如权利要求1所述的一种用于船舶主机废热发电ORC系统，其特征在于在所述的膨胀发电机(5)和冷凝器(6)之间加设回热器(3)，进行从工质泵出来的液态冷媒和从膨胀发电机(5)出来的气态冷媒的热交换。
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