CN105626306A - 船用大型柴油机双低温热源双压力级余热回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用大型柴油机双低温热源双压力级余热回收系统，包括ORC发电回路、缸套冷气水回路、增压空气回路，其中缸套冷气水回路、增压空气回路为ORC发电回路提供低温驱动热源，低温驱动热源通过ORC发电回路转化为有用功输出，带动ORC发电回路中的发电机发电。本发明对增压空气和缸套冷却水余热梯级利用，将低品位能量变成部分高品质电能，使船舶的燃油经济性得到了很大的提高。

Description

船用大型柴油机双低温热源双压力级余热回收系统

技术领域

本发明属于内燃机节能技术，具体涉及一种用有机朗肯循环(ORC)来回收大型船舶柴油机的缸套冷却水和增压空气余热的能量回收系统装置。

背景技术

对于大型船舶柴油机，只有不到50％的能量作为有用功输出。其余大部分能量以余热的形式通过排气、冷却水等排放到船外，造成了能源的巨大浪费。对于这部分余热能的有效利用，已经成为提高船舶柴油机热效率的研究重点。目前对于船舶柴油机尾气余热的利用方式主要是用其驱动废气锅炉产生水蒸汽，其中一部分蒸汽用于供热，另一部分用于驱动朗肯循环以产生电能。而对于缸套冷却水和增压空气的余热，往往作为废气锅炉给水的预热源。事实上，大型船舶柴油机的缸套冷却水和增压空气的余热能也比较大，尤其是增压空气，其最高温度可达200摄氏度左右，余热能的品质比较高。将它们仅仅作为预热源，是不能充分利用其余热能的。

针对上述情况，如果能提出一种用有机朗肯循环来回收缸套冷却水和增压空气这种低温热源余热的系统装置，则可以使这部分能量得到有效的利用，进一步提高柴油机的热效率，减少燃油消耗。

发明内容

本发明是为了解决大型船舶柴油机余热利用效率低的问题，而提出的一种回收缸套冷却水和增压空气余热的ORC系统,使这部分低温热源的余热得到有效利用，进而提高内燃机的效率。

本发明所提供的技术方案为：船用大型柴油机双低温热源双压力级余热回收系统，包括ORC发电回路、缸套冷气水回路、增压空气回路，其中缸套冷气水回路、增压空气回路为ORC发电回路提供低温驱动热源，低温驱动热源通过ORC发电回路转化为有用功输出，带动发电机发电。

其中，上述的ORC发电回路由总路、高压分路及低压分路组成；所述ORC发电回路包括冷凝器、低压泵、回热器、低压预热器、低压蒸发器、高压泵、高压预热器、高压蒸发器、膨胀机，其中双级膨胀机、回热器乏汽侧、冷凝器工质侧、低压泵、回热器液态工质侧以及低压预热器工质侧依次连接组成ORC发电回路的总路；高压分路由高压泵、高压预热器工质侧、高压蒸发器工质侧依次连接组成；低压分路仅由低压蒸发器工质侧组成；高压分路和低压分路自总路中的低压预热器后分开，在膨胀机中汇合。

其中，上述ORC发电回路中的膨胀机为双级膨胀机。

其中，上述增压空气回路包括高压蒸发器、高压预热器、低压预热器、低温中冷器和柴油机，其中高压蒸发器空气侧，高压预热器空气侧，低压预热器空气侧、低温中冷器和柴油机依次连接。

此外，上述的船用大型柴油机双低温热源双压力级余热回收系统中缸套冷却水回路包括柴油机和低温蒸发器，柴油机与低温蒸发器的工作侧相连。

本系统中ORC发电回路内的工质在冷凝器中被冷凝成液态，经低压泵加压后到达回热器中被膨胀后的乏汽加热，然后进入低压预热器,被增压空气加热成饱和液，这时工质被分成两路：低压分路和高压分路。低压分路中，饱和液态工质直接进入低压蒸发器中和缸套冷却水换热，变成低压饱和蒸汽；高压分路中，饱和液态工质被高压泵加压，变成不饱和液态，然后进入高压预热器被增压空气加热到饱和液态，接着进入高压蒸发器中被增压空气进一步加热成饱和蒸汽。低压饱和蒸汽和高压饱和蒸汽都进入到双级膨胀机中膨胀做功，膨胀机带动电机发电。膨胀后的乏汽先通过回热器使其一部分能量被冷凝后的工质带走，然后进入冷凝器1中被冷凝成液态，至此完成本系统的ORC发电回路循环。ORC发电回路分成高低压支路是因为缸套冷却水和增压空气这两个热源的性质不同，可利用的温度段也不同，一般缸套冷却水进入柴油机的温度为75-80℃，出柴油机的温度为85-90℃，而增压空气相应的温度为40-50℃和160-200℃。为了最大程度的利用两个热源的余热能，所以采用双压力级。

缸套冷却水循环回路中，缸套冷却水从柴油机中出来后，经过低压蒸发器加热工质，温度降低到进口温度后回到柴油机内。增压空气的循环回路中，增压空气从柴油机出来后，先进入高压蒸发器加热工质使其变成饱和蒸汽，温度降低后进入高压预热器把高压分路的工质加热到饱和液态，接着通过低压预热器把总路内的工质加热到低压下的饱和液态，这时的增压空气温度还没有降到所需的入口温度，因此再到低温中冷器中将剩余的热量带走。

需要注意的是：柴油机功率越大，本系统的效果越佳，因此本系统适合于大型船舶柴油机。

本发明的特点及有益效果是，突破以往对于缸套冷却水和增压空气这类低温热源的应用，而用这部分余热驱动双压力级ORC发电回路产生高品质的电能，使得这部分能量得到有效的利用，也就提高了船舶柴油机的效率。

附图说明

图1为本发明的发明原理结构示意图。

其中：

1.包括冷凝器2.低压泵3.回热器4.低压预热器

5.低压蒸发器6.高压泵7.高压预热器8.高压蒸发器

9.膨胀机10.低温中冷器11.柴油机

具体实施方式

以下结合附图并通过实施例对本发明的原理与系统做进一步的说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而非是限定性的，不以此限定本发明的保护范围。

船用大型柴油机双低温热源双压力级余热回收系统，其系统结构是：包括ORC发电回路、缸套冷气水回路、增压空气回路，其中缸套冷气水回路、增压空气回路为ORC发电回路提供低温驱动热源，低温驱动热源通过ORC发电回路转化为有用功输出，带动ORC发电回路中的发电机发电。

2.根据权利要求1所述的船用大型柴油机双低温热源双压力级余热回收系统，其特征在于所述的ORC发电回路由总路、高压分路及低压分路组成。ORC发电回路包括冷凝器1、低压泵2、回热器3、低压预热器4、低压蒸发器5、高压泵6、高压预热器7、高压蒸发器8、膨胀机9，ORC热力发电回路的高压分路由高压泵6、高压预热器7工质侧、高压蒸发器8工质侧依次连接组成；低压分路仅有低压蒸发器4工质侧；两分路在低压预热器4后从总路中分开，在双级膨胀机9中汇合。双级膨胀机9、回热器3乏汽侧、冷凝器1工质侧、低压泵2、回热器3液态工质侧以及低压预热器4工质侧依次连接组成ORC的总路，与高低压分路连接起来共同组成整个ORC系统。高压蒸发器8空气侧、高压预热器7空气侧、低压预热器4空气侧、低温中冷器10依次连接组成增压空气回路在柴油机外的部分。缸套冷却水回路在柴油机外的部分只有低温蒸发器5的工质侧。

本发明的工作过程为：从冷凝器1出来的液态工质被低压泵2加压后，先在回热器3中被膨胀后的乏汽初步加热，然后到低温蒸发器4中被增压空气加热到低压下的饱和液态，饱和液态的工质被分成两部分：一部分直接经低压蒸发器5被缸套冷却水加热成低压下的饱和蒸汽，另一部分经高压泵6加压后先到高压预热器7中被增压空气加热成高压下的饱和液体，然后再到高压蒸发器8中被增压空气进一步加热成高压下的饱和蒸汽。高低压饱和蒸汽均进入到双级膨胀机9中膨胀做功，进而使膨胀机9带动发电机发电。膨胀后的乏汽经过回热器3后，最终进入冷凝器1中被冷凝成液态。

以上对发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (6)

1.船用大型柴油机双低温热源双压力级余热回收系统，其特征在于包括ORC发电回路、缸套冷气水回路、增压空气回路，其中缸套冷气水回路、增压空气回路为ORC发电回路提供低温驱动热源，低温驱动热源通过ORC发电回路转化为有用功输出，带动ORC发电回路中的发电机发电。

2.根据权利要求1所述的船用大型柴油机双低温热源双压力级余热回收系统，其特征在于所述的ORC发电回路由总路、高压分路及低压分路组成。

3.根据权利要求2所述的船用大型柴油机双低温热源双压力级余热回收系统，其特征在于所述的ORC发电回路包括冷凝器、低压泵、回热器、低压预热器、低压蒸发器、高压泵、高压预热器、高压蒸发器、膨胀机，其中双级膨胀机、回热器乏汽侧、冷凝器工质侧、低压泵、回热器液态工质侧以及低压预热器工质侧依次连接组成ORC发电回路的总路；高压分路由高压泵、高压预热器工质侧、高压蒸发器工质侧依次连接组成；低压分路仅由低压蒸发器工质侧组成；高压分路和低压分路自总路中的低压预热器后分开，在膨胀机中汇合。

4.根据权利要求3所述的船用大型柴油机双低温热源双压力级余热回收系统，其特征在于所述ORC发电回路中的膨胀机为双级膨胀机。

5.根据权利要求3所述的船用大型柴油机双低温热源双压力级余热回收系统，其特征在于所述增压空气回路包括高压蒸发器、高压预热器、低压预热器、低温中冷器和柴油机，其中高压蒸发器空气侧，高压预热器空气侧，低压预热器空气侧、低温中冷器和柴油机依次连接。

6.根据权利要求1-5任一项所述的船用大型柴油机双低温热源双压力级余热回收系统，其特征在于所述缸套冷却水回路包括柴油机和低温蒸发器，柴油机与低温蒸发器的工作侧相连。