CN106555624A - 热能回收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的热能回收系统包括蒸发器、过热器、膨胀机、动力回收机、凝结器、泵和控制部。控制部具备：发动机负荷计算部；最大转速决定部，根据表示发动机负荷与泵的最大转速之间的关系的关系式以及发动机负荷来决定最大转速，该最大转速是夹点温度成为目标夹点温度时的泵的转速；以及转速调整部，调整泵的转速，以使流入膨胀机的工作介质的过热度成为基准值以上，并且使泵的转速处于由最大转速决定部决定的最大转速以下的范围内。由此，既能抑制膨胀机的故障，又能通过膨胀机稳定地回收动力。

Description

热能回收系统
技术领域
本发明涉及热能回收系统。
背景技术
以往，已知一种用于回收向发动机提供的增压空气的余热的热能回收系统。例如，日本专利公开公报特开2011-74897号(以下称为“专利文献1”)公开一种热能回收系统(流体机械驱动系统)，其包括蒸发器(第2热交换器)、过热器(第3热交换器)、使从过热器流出的工作介质膨胀的膨胀机、连接于膨胀机的流体机械、使从膨胀机流出的工作介质凝结的凝结器、以及将从凝结器流出的工作介质向蒸发器送出的循环泵。蒸发器使从空气压缩机喷出后向发动机提供之前的增压空气与工作介质进行热交换，从而使工作介质蒸发。过热器使从废气锅炉流出的蒸气与从蒸发器流出的工作介质进行热交换，从而加热工作介质。
通常，这类系统对工作介质的循环量(循环泵的转速)进行控制，以使流入膨胀机的工作介质的过热度处于规定的范围内，从而防止因液态的工作介质流入膨胀机而膨胀机发生故障，并由膨胀机回收尽可能多的动力。
然而，在专利文献1记载的热能回收系统中，对蒸发器的加热介质(增压空气)的供应量和对过热器的加热介质(蒸气)的供应量会相互独立地变化，在以使流入膨胀机的工作介质的过热度处于规定范围内的方式控制泵的转速的情况下，利用膨胀机的动力回收状态有时会变得不稳定。
例如，当对过热器的加热介质的供应量(向过热器投入的热量)增大时，从过热器流出的工作介质的过热度变大，因此为了增加工作介质的循环量而提高泵的转速。在此情况下，有时会发生蒸发器的夹点温度(从增压空气的温度减去工作介质的饱和温度的值)△T变得过小的情况(参照图5)。此时，在蒸发器中工作介质的蒸发状态变得不稳定，结果导致膨胀机的驱动状态、即动力的回收状态变得不稳定。具体而言，虽然泵的频率恒定，但膨胀机的吸入压力变大变小，结果造成流体机械的输出发生变化。另一方面，当对蒸发器的增压空气的供应量(向蒸发器投入的热量)减少时，夹点温度ΔT也变小，与上述同样地，利用膨胀机的动力回收状态变得不稳定。其中，图5是表示蒸发器中的热交换量与加热介质(增压空气、蒸气)的温度及工作介质的温度之间的关系的例子的图。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热能回收系统，既能抑制膨胀机的故障，又能通过膨胀机稳定地回收动力。
为了解决上述问题，可以考虑在确保蒸发器的夹点温度为目标夹点温度以上的范围内，根据流入膨胀机的工作介质的过热度来控制泵的转速。此时，为了计算所述夹点温度，需要使用向蒸发器流入的增压空气的流量以及从蒸发器流出的增压空气的温度等。然而，难以检测向蒸发器流入的增压空气的流量。为了应对这种情况，例如可以考虑将节流部件插入热交换器(蒸发器)的上游或下游的流路而测量其前后的差压(压力差)，也可以考虑不追加节流部件而测量热交换器的前后差压。但是，因为空间的限制而难以插入节流部件，而且，热交换器的前后差压会变化，且需要测量“不到数十Pa”的微差压，因此，实际上难以测量该前后差压。也就是，难以测量增压空气的流量。此外，经过蒸发器的增压空气的温度受到蒸发器的热容的影响，因此从蒸发器流出的增压空气的温度变化比增压空气的流量变化晚一点。因此，难以正确计算根据增压空气的流量或温度等变化的夹点温度。
于是，本发明人通过认真研究后发现，发动机负荷与增压空气的流量、温度之间存在一定的相关性，即，可以根据发动机负荷计算夹点温度。另一方面，已知计算夹点温度所需要的工作介质的流量及流入蒸发器的工作介质的压力这些因素与泵的转速之间有一定的相关性。根据上述内容，本发明人得到了如下构思：发动机负荷与在夹点温度成为目标夹点温度时的泵的转速之间存在相关性，并且，通过预先计算该相关性，可以在确保夹点温度为目标夹点温度以上的状态下控制泵的转速。
本发明是基于上述构思而完成的发明。本发明的一个方面涉及热能回收系统，其包括：蒸发器，使向发动机提供的增压空气与工作介质进行热交换，从而使该工作介质蒸发；过热器，使从所述蒸发器流出的工作介质与加热介质进行热交换，从而加热所述工作介质；膨胀机，使从所述过热器流出的工作介质膨胀；动力回收机，连接于所述膨胀机；凝结器，使从所述膨胀机流出的工作介质凝结；泵，将从所述凝结器流出的工作介质向所述蒸发器送出；以及控制部，其中，所述控制部具备：发动机负荷计算部，计算发动机负荷；最大转速决定部，根据表示所述发动机负荷与所述泵的最大转速之间的关系的关系式、以及由所述发动机负荷计算部计算出的发动机负荷，决定所述最大转速，其中，该最大转速是夹点温度成为目标夹点温度时的所述泵的转速，该夹点温度是从所述蒸发器内的所述增压空气的温度减去所述工作介质的饱和温度而得的值；以及转速调整部，调整所述泵的转速，以使流入所述膨胀机的工作介质的过热度成为基准值以上，并且使所述泵的转速处于由所述最大转速决定部决定的最大转速以下的范围内。
根据本发明的上述结构，既能抑制膨胀机的故障，又能通过膨胀机稳定地回收动力。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式所涉及的热能回收系统的概略结构的图。
图2是表示控制部的控制内容的流程图。
图3是表示发动机负荷与泵的最大转速(最大频率)之间的关系的图。
图4是表示发动机负荷与增压空气的流量Q之间的关系、以及发动机负荷与增压空气的温度T之间的关系的图。
图5是表示蒸发器中的热交换量与加热介质(增压空气、蒸气)的温度及工作介质的温度之间的关系的例子的图。
具体实施方式
参照图1至图4，对本发明的一实施方式的热能回收系统进行说明。
如图1所示，该热能回收系统具备带增压机的发动机1和回收来自带增压机的发动机1的余热的热能回收装置2。在本实施方式中，热能回收系统安装于船舶上。但是，该热能回收系统也可以安装于船舶以外的内燃机。
首先，对带增压机的发动机1进行说明。带增压机的发动机1具备增压机10、空气冷却器14、发动机16(船舶用的发动机16)、热交换器18、用于储存水的水箱20和锅炉22。
增压机10具备用于压缩空气的压缩机11和连接于该压缩机11的涡轮12。从压缩机11喷出的增压空气经由第1吸气管路31被提供到空气冷却器14。
空气冷却器14使从压缩机11喷出的增压空气与冷却介质进行热交换，从而冷却增压空气。在本实施方式中，将海水用作冷却介质。从空气冷却器14流出的增压空气经由第2吸气管路32被提供到发动机16。此外，燃料也被提供到发动机16。从发动机16排出的废气经由第1排气管路33流入涡轮12。
涡轮12利用废气的膨胀能量驱动，通过该涡轮12的驱动力使压缩机11驱动。从涡轮12流出的废气经由第2排出管路34向热交换器18被送出。热交换器18使从涡轮12排出的废气和水进行热交换，从而使水蒸发(产生水蒸气)。
经由第1供水管路35向热交换器18提供储存在水箱20内的水。水箱20内的水也经由第2供水管路36被提供到锅炉22。从热交换器18流出的水蒸气及从锅炉22流出的水蒸气经由蒸气管路37被提供到热能回收装置2以外的蒸气利用装置及后述的过热器42。在蒸气管路37设有可调整开度的开闭阀V。
接着，对热能回收装置2进行说明。热能回收装置2具备蒸发器40、过热器42、膨胀机44、动力回收机46、凝结器48、泵50、将蒸发器40、过热器42、膨胀机44、凝结器48及泵50按此顺序串联连接的循环流路52、以及进行各种控制的控制部60。
蒸发器40设置于第1吸气管路31。蒸发器40使从压缩机11喷出后流入空气冷却器14之前的增压空气与液态的工作介质进行热交换，从而加热工作介质，或使工作介质的至少一部分蒸发。
过热器42在循环流路52中设置于蒸发器40的下游侧的部位。此外，过热器42连接于蒸气管路37。过热器42使从蒸发器40流出的工作介质与通过蒸气管路37提供的水蒸气(加热介质)进行热交换，从而加热工作介质。即，在本实施方式中，将水蒸气用作向过热器42提供的加热介质。
膨胀机44在循环流路52中设置于过热器42的下游侧的部位。膨胀机44使从过热器42流出的气态的工作介质膨胀。在本实施方式中，将容积式螺旋膨胀机用作膨胀机44，其具备借助从过热器42流出的气态的工作介质的膨胀能量旋转驱动的转子。具体而言，膨胀机44具备公母一对的螺杆转子。
动力回收机46连接于膨胀机44。在本实施方式中，将发电机用作动力回收机46。该动力回收机46具备与膨胀机44的一对螺杆转子中的一方相连接的转轴。动力回收机46通过让所述转轴伴随所述螺杆转子的旋转而旋转，从而产生电力。另外，除了发电机以外，也可以将压缩机等用作动力回收机46。
在本实施方式中，在循环流路52中的过热器42和膨胀机44之间的部位设置有油分离器54。油分离器54用于分离工作介质中含有的润滑油。通过油分离器54分离的润滑油被提供到膨胀机44，更详细而言，被提供到转子的轴承。
凝结器48在循环流路52中设置于膨胀机44的下游侧的部位。凝结器48使从膨胀机44流出的工作介质与冷却介质进行热交换，从而使工作介质凝结。在本实施方式中，将海水用作向凝结器48提供的冷却介质。
泵50在循环流路52中设置于凝结器48的下游侧的部位(凝结器48与蒸发器40之间的部位)。泵50将在凝结器48中被凝结的液态的工作介质加压到规定压力后向蒸发器40送出。对于泵50，可采用具备叶轮来作为转子的离心泵、转子由一对齿轮构成的齿轮泵等。
控制部60对泵50的转速f(频率f)进行控制，以使流入膨胀机44的工作介质(在循环流路52中的过热器42和膨胀机44之间的部位流动的工作介质)的过热度Tsh成为基准值以上，并且使泵50的转速f处于根据发动机负荷决定的泵50的最大转速fmax以下的范围内。具体而言，控制部60具备发动机负荷计算部62、最大转速决定部64、转速调整部66和加热介质调整部68。
发动机负荷计算部62计算发动机负荷。在本实施方式中，发动机负荷计算部62根据向发动机16提供的燃料的供应量计算发动机负荷。
最大转速决定部64利用表示发动机负荷与泵50的最大转速fmax之间的关系的关系式(参照图3)，根据由发动机负荷计算部62计算出的发动机负荷决定最大转速fmax。最大转速fmax是夹点温度成为目标夹点温度时的泵50的转速f，其中，夹点温度是从蒸发器40内的增压空气的温度减去蒸发器40内的工作介质的饱和温度而得的值。另外，图3中所示的关系式可预先基于图4中所示的关系(发动机负荷与增压空气的温度T之间的关系、以及发动机负荷与增压空气的流量Q之间的关系)和蒸发器40的热传递性能等而求得，并被存储于控制部60。
转速调整部66对泵50的转速f进行控制，以使流入膨胀机44的工作介质的过热度Tsh成为基准值(即比目标过热度Ts低规定值β的值)以上，并且使泵50的转速f处于由最大转速决定部64决定的最大转速fmax以下的范围内。此外，在过热度Tsh为基准值以上，并且泵50的转速f为最大转速fmax以下时，转速调整部66提高泵50的转速f，以使泵50的转速f处于最大转速fmax以下的范围内，并且使过热度Tsh成为设定值(即比目标过热度Ts高规定值d的值)以下。其中，规定值β代表相对于目标过热度Ts的负侧的冗余度，规定值d代表相对于目标过热度Ts的正侧的冗余度。此外，根据设置于循环流路52中的过热器42和油分离器54之间的部位的压力传感器71及温度传感器72的各检测值来计算过热度Tsh。
在泵50的转速f为最大转速fmax，并且，流入膨胀机44的工作介质的过热度Tsh大于设定值时，加热介质调整部68使向过热器42提供的加热介质的供应量(本实施方式中为开闭阀V的开度)减少，从而使所述过热度Tsh成为设定值以下。
下面，参照图2，对控制部60的控制内容进行说明。
在本系统的运转开始后，控制部60判断流入膨胀机44的工作介质的过热度Tsh是否小于所述基准值(即比目标过热度Ts低规定值β的值)(步骤S11)。根据判断的结果，当过热度Tsh小于基准值时，控制部60(转速调整部66)使泵50的转速f降低(步骤S12)，再次返回步骤S11。另一方面，当过热度Tsh为基准值以上时，控制部60(最大转速决定部64)根据发动机负荷决定泵50的转速f的最大值，即最大转速fmax(步骤S13)。
然后，控制部60判断当前的泵50的转速f是否为最大转速fmax以下(即，是否确保目标夹点温度以上的夹点温度)(步骤S14)。根据判断的结果，当泵50的转速f为最大转速fmax以下时，即，夹点温度大于目标夹点温度时(即，有提高泵50的转速f的余地时)，控制部60判断所述过热度Tsh是否大于所述设定值(即比目标过热度Ts高规定值d的值)(步骤S15)。根据判断的结果，当所述过热度Tsh大于设定值时，即，有使夹点温度及过热度都变小的余地时(即，有使动力回收机46的动力回收量增加的余地时)，控制部60(转速调整部66)提高泵50的转速f(步骤S16)，并返回步骤S11。另一方面，当所述过热度Tsh为所述设定值以下时(步骤S15中为“否”)，控制部60不调整泵50的转速f而直接返回步骤S11。
此外，根据步骤S14的结果，在泵50的转速f大于最大转速fmax的情况下，即，夹点温度小于目标夹点温度时，控制部60(转速调整部66)将泵50的转速f降低到最大转速fmax(步骤S17)。
接着，控制部60判断所述过热度Tsh是否大于所述设定值(步骤S18)。根据判断的结果，当所述过热度Tsh大于所述设定值时，即，在不能提高泵50的转速f，但过热度太高的情况下，控制部60(加热介质调整部68)减小开闭阀V的开度，以使流入过热器42的加热介质(水蒸气)的流入量减少(步骤S19)，并返回步骤S11。另一方面，当所述过热度Tsh为所述设定值以下时(步骤S18中为“否”)，控制部60不调整开闭阀V的开度而直接返回步骤S11。
如上所述，本实施方式的热能回收系统调整泵50的转速f，以使所述过热度Tsh成为基准值以上，因此可以抑制膨胀机44的故障，而且，以使泵50的转速f处于根据所述关系式决定的最大转速fmax以下的范围内的方式对泵50的转速f进行调整，即，确保蒸发器40的夹点温度为目标夹点温度以上，因此蒸发器40中的工作介质的蒸发状态稳定，从而可通过膨胀机44稳定地回收动力。
此外，在上述实施方式中，在所述过热度Tsh为基准值以上，并且泵50的转速f为最大转速fmax以下时，转速调整部66提高泵50的转速f，以使泵50的转速f处于最大转速fmax以下的范围内，并使过热度Tsh成为设定值以下。因此，在既可抑制膨胀机44的故障，又可通过膨胀机44稳定地回收动力的状态下，能够增大动力回收机46的动力回收量。
而且，在上述实施方式中，当泵50的转速f为最大转速fmax，并且所述过热度Tsh大于设定值时，加热介质调整部68使向过热器42提供的加热介质(水蒸气)的供应量减少，以让过热度Tsh成为设定值以下。因此，能够抑制向过热器42提供过多的加热介质。
另外，本次公开的实施方式在所有方面都是一种例子而已，应理解为不是限制性的。本发明的范围基于权利要求的范围来确定，而不基于上述实施方式的说明，而且还包含在与权利要求的范围同等意义及范围内的所有变更。
例如，在上述实施方式中，示出了发动机负荷计算部62根据向发动机16提供的燃料的供应量来计算发动机负荷的例子，但是发动机负荷计算部62也可以根据增压机10的压缩机11的转速来计算发动机负荷。这样，不需使用有关发动机16的信号，就能间接地计算发动机负荷。
或者，发动机负荷计算部62也可以根据蒸发器40的前后压力差(从第1吸气管路31中蒸发器40的上游侧的部位的压力减去第1吸气管路31中蒸发器40的下游侧的部位的压力而得的值)来计算发动机负荷。
此外，也可以将板式热交换器用作过热器42，并使用压力调整阀来代替开闭阀V，该压力调整阀用于决定流入板式热交换器的蒸气的压力的最大值。在此情况下，以让流入板式热交换器的蒸气的饱和蒸汽温度为从板式热交换器流出的工作介质的设计温度以下的方式，设定压力调整阀的最大值。由此，热能回收装置2能够运转。在此情况下，省略控制部60的加热介质调整部68(步骤S18及步骤S19)。
在这里，将在上述实施方式中说明的热能回收系统加以概括。
上述实施方式的热能回收系统包括：蒸发器，使向发动机提供的增压空气与工作介质进行热交换，从而使该工作介质蒸发；过热器，使从所述蒸发器流出的工作介质与加热介质进行热交换，从而加热所述工作介质；膨胀机，使从所述过热器流出的工作介质膨胀；动力回收机，连接于所述膨胀机；凝结器，使从所述膨胀机流出的工作介质凝结；泵，将从所述凝结器流出的工作介质向所述蒸发器送出；以及控制部，其中，所述控制部具备：发动机负荷计算部，计算发动机负荷；最大转速决定部，根据表示所述发动机负荷与所述泵的最大转速之间的关系的关系式、以及由所述发动机负荷计算部计算出的发动机负荷，决定所述最大转速，其中，该最大转速是夹点温度成为目标夹点温度时的所述泵的转速，该夹点温度是从所述蒸发器内的所述增压空气的温度减去所述工作介质的饱和温度而得的值；以及转速调整部，调整所述泵的转速，以使流入所述膨胀机的工作介质的过热度成为基准值以上，并且使所述泵的转速处于由所述最大转速决定部决定的最大转速以下的范围内。
上述实施方式的热能回收系统调整泵的转速，以使流入膨胀机的工作介质的过热度成为基准值以上，因此可以抑制膨胀机的故障，而且，以使泵的转速处于根据所述关系式决定的最大转速以下的范围内的方式对泵的转速进行调整，即，确保蒸发器的夹点温度为目标夹点温度以上，因此蒸发器中的工作介质的蒸发状态稳定，从而可通过膨胀机稳定地回收动力。
在此情况下优选的是，在流入所述膨胀机的工作介质的过热度为所述基准值以上，并且所述泵的转速为所述最大转速以下时，所述转速调整部提高泵的转速，以使所述泵的转速处于所述最大转速以下的范围内，并且使流入所述膨胀机的工作介质的过热度处于比所述基准值高的设定值以下。
这样，在既可抑制膨胀机的故障，又可通过膨胀机稳定地回收动力的状态下，能够增大动力回收机的动力回收量。
进一步，在此情况下优选的是，所述控制部还具备加热介质调整部，在所述泵的转速为所述最大转速，并且流入所述膨胀机的工作介质的过热度大于所述设定值时，所述加热介质调整部使向所述过热器提供的所述加热介质的供应量减少，以使所述过热度成为所述设定值以下。
这样，能够抑制向过热器提供过多的加热介质。
此外，在上述热能回收系统中，所述发动机负荷计算部也可以根据向所述发动机提供的燃料的供应量计算所述发动机负荷。
根据上述方式，可简单地计算发动机负荷。
或者，所述发动机负荷计算部也可以根据向所述发动机提供所述增压空气的增压机的转速计算所述发动机负荷。
根据上述方式，不需使用有关发动机的信号，就能间接地计算发动机负荷。

Claims (5)

1.一种热能回收系统，其特征在于包括：
蒸发器，使向发动机提供的增压空气与工作介质进行热交换，从而使该工作介质蒸发；
过热器，使从所述蒸发器流出的工作介质与加热介质进行热交换，从而加热所述工作介质；
膨胀机，使从所述过热器流出的工作介质膨胀；
动力回收机，连接于所述膨胀机；
凝结器，使从所述膨胀机流出的工作介质凝结；
泵，将从所述凝结器流出的工作介质向所述蒸发器送出；以及
控制部，其中，
所述控制部具备：
发动机负荷计算部，计算发动机负荷；
最大转速决定部，根据表示所述发动机负荷与所述泵的最大转速之间的关系的关系式、以及由所述发动机负荷计算部计算出的发动机负荷，决定所述最大转速，其中，该最大转速是夹点温度成为目标夹点温度时的所述泵的转速，该夹点温度是从所述蒸发器内的所述增压空气的温度减去所述工作介质的饱和温度而得的值；以及
转速调整部，调整所述泵的转速，以使流入所述膨胀机的工作介质的过热度成为基准值以上，并且使所述泵的转速处于由所述最大转速决定部决定的最大转速以下的范围内。
2.根据权利要求1所述的热能回收系统，其特征在于：在流入所述膨胀机的工作介质的过热度为所述基准值以上，并且所述泵的转速为所述最大转速以下时，所述转速调整部提高泵的转速，以使所述泵的转速处于所述最大转速以下的范围内，并且使流入所述膨胀机的工作介质的过热度处于比所述基准值高的设定值以下。
3.根据权利要求2所述的热能回收系统，其特征在于：所述控制部还具备加热介质调整部，在所述泵的转速为所述最大转速，并且流入所述膨胀机的工作介质的过热度大于所述设定值时，所述加热介质调整部使向所述过热器提供的所述加热介质的供应量减少，以使所述过热度成为所述设定值以下。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的热能回收系统，其特征在于：所述发动机负荷计算部根据向所述发动机提供的燃料的供应量计算所述发动机负荷。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的热能回收系统，其特征在于：所述发动机负荷计算部根据向所述发动机提供所述增压空气的增压机的转速计算所述发动机负荷。
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