CN107098422A - 一种船舶余热淡化系统及淡化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种船舶余热淡化系统及淡化方法，包含热回收蒸汽发生器、蒸汽压缩机、有机工质朗肯(ORC)循环、热水箱、冷水箱、热水热回收换热器和排水热回收换热器；所述热回收蒸汽发生器由密封板分为上下两部分，下部分为烟气热回收腔，烟气入口设有第一阀门，烟气出口设有烟气净化器和排放用第二阀门，冷却介质通入热回收换热管中换热；顶部排汽口一路通过第六阀门与真空泵相连，另一路通过第七阀门与蒸汽压缩机入口连通；所述蒸汽压缩机出口与ORC循环相连，ORC循环分别与热水箱及热水热回收换热器连接。本发明结构设计合理、制造简单、高品质、高效率、连续供应的船用余热蒸汽压缩自循环式海水淡化系统及冷热水制备装置。

Description

一种船舶余热淡化系统及淡化方法
技术领域
本发明涉及船舶余热淡化系统及淡化方法，属于海水淡化领域。
背景技术
淡水资源的匮乏已成为目前所面临的主要危机之一，尤其是在远洋船舶用水量消耗巨大和携带不便的诸多问题面前，人们对海水淡化越发地关心。船用淡水因受船舶自身、外界诸多因素的影响，不能携带大量生活淡水，且长期储存的淡水也容易滋生细菌，不利于船员的身体健康，因此开发一种便于海水制淡的装置是十分重要的。现有的海水淡化方法根据原理和方法分类，主要分为蒸馏法、膜法、结晶法，其中蒸馏法和膜法是较为高效和常用的淡化方法，这些方法都伴随一定的电能消耗，而船舶上的发电成本要高于陆地的发电成本，所以急需一种低电能消耗的、低运行成本的淡化装置。
现有的远洋船舶大多数已配备海水淡化装置，以提供船用生活水，但这些装置多存在设备庞大复杂、使用寿命短、维护不便、生产效率低、能耗高、工作环境要求高的缺点，并且这些淡化装置无法直接提供90℃以上的高温热水。
目前船舶主机的热效率只有35％～50％，还有50％以上的热量以余热的形式散失掉，虽然现在已对船舶主机余热回收做了大量的研究和利用(如wartsila余热回收技术)，一定程度上提高了余热利用效率，但仍有大量的热量以烟气和气缸冷却水的形式散失。
为避免上述海水淡化装置的缺点并提高船舶主机的热效率，有必要研发一种能够较好的利用主机余热来制备船用100℃以内的高、低温生活淡水的低电能消耗装置。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种船舶余热淡化系统及淡化方法，结构设计合理、制造简单、高品质、高效率、连续供应的船用余热蒸汽压缩自循环式海水淡化系统及冷热水制备装置。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种船舶余热淡化系统，包含热回收蒸汽发生器、蒸汽压缩机、有机工质朗肯(ORC)循环、热水箱、冷水箱、热水热回收换热器和排水热回收换热器；所述热回收蒸汽发生器由密封板分为上下两部分，下部分为烟气热回收腔，包含热回收换热管、烟气入口、烟气出口，烟气入口设有第一阀门，烟气出口设有烟气净化器和排放用第二阀门，冷却介质通入热回收换热管中换热；上部分为蒸汽发生腔，包含喷淋管以及顶部排汽口和底部排水口；喷淋管通过第三阀门与热回收换热管出口相连；底部排水口一路通过第四阀门和排水泵与排水热回收换热器连通，一路经第五阀门和供水泵与热回收换热管入口连通；顶部排汽口一路通过第六阀门与真空泵相连，另一路通过第七阀门与蒸汽压缩机入口连通；所述蒸汽压缩机出口与ORC循环相连，ORC循环分别通过第八阀门和第九阀门与热水箱及热水热回收换热器连接，热水热回收换热器的出口与冷水箱连通。
作为优选，所述ORC循环包含冷凝器、工质泵、蒸发器和膨胀机，蒸发器的一个出口与膨胀机入口连通，膨胀机出口与冷凝器入口连通，冷凝器出口经工质泵与蒸发器入口连通，膨胀机输出轴与蒸汽压缩机的驱动轴连接，蒸发器入口与蒸汽压缩机出口连接，在蒸发器内换热后，蒸发器另一个出口与热水箱及热水热回收换热器连接。
作为优选，所述冷却介质通过第十阀门、排水热回收换热器与供水泵入口相连；补给水管路经ORC循环的冷凝器、热水热回收换热器和第十二阀门也与供水泵的入口连通。
作为优选，所述所述冷却介质通过第十一阀门与供水泵入口相连。
作为优选，所述热水箱和冷水箱顶部分别设有不凝结气放空阀和阀，底部设有热水流量调节阀和冷水流量调节阀。
作为优选，蒸汽压缩机和ORC循环蒸发器之间通过第十三阀门设置有补汽或放汽支路。
作为优选，所述密封板通过连接法兰连接，热回收换热管设有翅片。
一种上述的船舶余热淡化系统的淡化方法，包括以下步骤：
步骤一：关闭第七阀门和第三阀门，打开第六阀门和真空泵对热回收蒸汽发生器上部的蒸汽发生腔抽真空，直至满足要求，然后关闭第六阀门和真空泵；
步骤二：打开第十一阀门和供水泵，以及烟气入口第一阀门和出口第二阀门，使得柴油机冷却水进入热回收蒸汽发生器的热回收换热管内，回收管外由第一阀门所引入烟气的余热，然后打开第三阀门使升温后的水通过喷淋管进入真空状态的、热回收蒸汽发生器中的蒸汽发生腔，闪蒸产生蒸汽；被回收热量后的低温烟气则经烟气净化器和第二阀门排放至大气；
步骤三；待蒸汽发生腔内温度和压力达到一定值时，打开ORC循环的工质泵，将有机工质液体泵入蒸发器，通过第十三阀门引入船舶余热锅炉产生的高温蒸汽，使得液体工质回收蒸汽冷凝潜热蒸发成高温高压蒸汽，然后经膨胀机膨胀并输出膨胀功，膨胀后的低温、低压工质进入冷凝器，被冷凝器管外的低温补给水吸热冷凝，随后继续下一个ORC循环；与此同时打开第七阀门，使得蒸汽发生腔内的蒸汽进入蒸汽压缩机，通过膨胀机输出的膨胀功驱动蒸汽压缩机压缩蒸汽，压缩后的高温、高压蒸汽则进入ORC循环的蒸发器；随着压缩蒸汽流量的增加，需逐渐减小经第十三阀门所引入的余热锅炉蒸汽；
步骤四：高温压缩蒸汽及引入的余热锅炉蒸汽，经ORC循环的冷凝器释放潜热后形成的高温水分两路，一路需打开第八阀门，使高温水进入高温水箱；另一路则需打开第九阀门使高温水经过热水热回收换热器释放热量并降温后进入冷水箱；同时打开冷、热水箱顶部的不凝结气放空阀和阀；与此同时还需要打开第十二阀门使得经ORC循环冷凝器吸热热量升温后的补给水，继续进入热水热回收换热器，吸收高温热水冷却所释放的热量，然后再与柴油机冷却水混合后进入供水泵；
步骤五：通过喷淋管喷入蒸汽发生腔内未蒸发的海水浓度会增加，并在腔内积存，当蒸汽发生腔内液位达到一定高度后，打开第五阀门使部分海水通过供水泵继续参与循环；为了有效控制腔内海水浓度，还需打开第四阀门和排水泵，使部分高浓度海水进入排水热回收换热器释放热量后排出，此时需打开第十阀门使柴油机冷却水也进入排水热回收器，吸热高浓度海水放出的热量，随后通过供水泵进入系统参与循环；
步骤六：当冷、热水箱内水量达到一定值后便可通过热水流量调节阀和冷水流量调节阀调节冷热水流量，达到实际需求的用水温度，以满足船舶生活用水需求。
有益效果：本发明的船舶余热淡化系统及淡化方法，柴油机排汽经余热锅炉热回收后所排放的烟气温度仍高于100℃，通过热回收换热器可回收这部分热量，用于加热60～70℃的柴油机冷却水，升温后可闪蒸得到低温蒸汽，然后再有蒸汽压缩机压缩升温升压，为得到高温水并同时解决蒸汽压缩机驱动问题，引入ORC循环回收蒸汽冷凝潜热后通过膨胀机驱动蒸汽压缩机，进而保证了系统运行的低能耗，同时由于柴油机冷却水及烟气余热的回收，可进一步提升柴油的一次能源利用效率；只要压缩蒸汽压力大于一个大气压，高温水箱内的冷凝水温度就能达到100℃，同时可将部分高温水冷却至低温水，通过高低温水箱的设置，实现100℃以内的高、低温淡水制备；此外，利用低温补给水回收ORC循环冷凝器释放的热量和部分高温水变低温水所释放的热量，随后参与淡化系统循环，还可进一步提高系统能源利用效率，避免过度引用柴油机冷却水可能引发的问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中：1—热回收蒸汽发生器，1a—过滤网，1b—喷淋管，1c—密封板，1d—热回收换热管，1e—烟气入口，1f—烟气出口，2—蒸汽压缩机，3—膨胀机，4—蒸发器，5—冷凝器，6—热水热回收换热器，7—排水热回收换热器，8—排水泵，9—供水泵，10—工质泵，11—冷水箱，12—热水箱，13—真空泵，14—第六阀门，15—第一阀门，16—第二阀门，17—第十阀门，18—第十一阀门，19—第三阀门，20—第七阀门，21—第十三阀门，22—第八阀门，23—第九阀门，24、25—不凝结气放空阀，26—第四阀门，27—第十二阀门，28—第五阀门，29—热水流量调节阀，30—冷水流量调节阀，31—螺栓，32—烟气净化器。
具体实施方式
如图1所示，一种船舶余热淡化系统，包含热回收蒸汽发生器1，蒸汽压缩机2，有机工质朗肯(ORC)循环，热水箱12，冷水箱11、热水热回收换热器6，排水热回收换热器7；所述热回收蒸汽发生器1由密封板1c分为上下两部分，通过连接法兰和螺栓31连接，下部分为烟气热回收腔，包含带翅膀的热回收换热管1d、烟气入口1e、烟气出口1f，烟气入口设有第一阀门15，烟气出口设有烟气净化器32和排放用第二阀门16；上部分为蒸汽发生腔，包含喷淋管1b、过滤网1a，以及顶部排汽口和底部排水口；喷淋管1b通过第三阀门19与换热管1d出口相连；底部排水口一路通过第四阀门26和排水泵8与排水热回收换热器7连通，一路经第五阀门28和供水泵9与换热管1d入口连通；顶部排汽口一路通过第六阀门14与真空泵13相连，另一路通过第七阀门20与蒸汽压缩机2入口连通；所述蒸汽压缩机2出口与ORC循环入口相连，所述ORC循环出口分别通过第八阀门22与热水箱12连通和第九阀门23及热水热回收换热器6与冷水箱11连通。
在本发明中，ORC循环由冷凝器5、工质泵10、蒸发器4和膨胀机3组成，所述蒸发器4出口与膨胀机3入口连通，所述膨胀机3出口与冷凝器5入口连通，所述冷凝器5出口经工质泵10与蒸发器4入口连通，所述膨胀机3输出轴与蒸汽压缩机2的驱动轴连接，蒸发器4入口与蒸汽压缩机出口连接，在蒸发器4内换热后，蒸发器4另一个出口与热水箱6及热水热回收换热器11连接。
在本发明中，热回收用船舶柴油机冷却水管路分别通过第十阀门17、排水热回收换热器7，和第十一阀门18与供水泵9入口相连；补给水管路经ORC循环的冷凝器5、热水热回收换热器6和第十二阀门27也与供水泵9的入口连通。所述热水箱12和冷水箱11顶部分别设有不凝结气放空阀24和阀25，底部分别设有热水流量调节阀29和冷水流量调节阀30。所述蒸汽压缩机2和ORC循环蒸发器4之间通过第十三阀门21设置有补汽或放汽支路。
在本发明中，通过连接法兰和密封板1c的设置，可对热回收蒸汽发生器1进行拆卸，进而清洗密封板1c、蒸汽发生腔内壁、热回收换热管及翅片1d和热回收腔内壁所形成的水垢和烟气积灰，保证系统的热回收效率并延长其使用寿命。
一种船舶余热淡化系统的淡化方法，包括以下步骤：
步骤一：关闭第七阀门20和第三阀门19，打开第六阀门14和真空泵13对热回收蒸汽发生器1上部的蒸汽发生腔抽真空，直至真空度基本不发生变化，然后关闭第六阀门14和真空泵13；
步骤二：打开第十一阀门18和供水泵9，以及烟气入口第一阀门15和出口第二阀门16，使得柴油机冷却水进入热回收蒸汽发生器1的换热管1d内，回收管外由第一阀门15所引入烟气的余热，然后打开第三阀门19使升温后的水通过喷淋管1b进入真空状态的、热回收蒸汽发生器1中的蒸汽发生腔，闪蒸产生蒸汽；被回收热量后的低温烟气则经烟气净化器32和第二阀门16排放至大气；
步骤三；待蒸汽发生腔内温度和压力达到一定值时，打开ORC循环的工质泵10，将有机工质液体泵入蒸发器4，通过第十三阀门21引入船舶余热锅炉产生的高温蒸汽，使得液体工质回收蒸汽冷凝潜热蒸发成高温高压蒸汽，然后经膨胀机3膨胀并输出膨胀功，膨胀后的低温、低压工质进入冷凝器5，被冷凝器管外的低温补给水吸热冷凝，随后继续下一个ORC循环；与此同时打开第七阀门20，使得蒸汽发生腔内的蒸汽进入蒸汽压缩机2，通过膨胀机3输出的膨胀功驱动蒸汽压缩机2压缩蒸汽，压缩后的高温、高压蒸汽则进入ORC循环的蒸发器4；随着压缩蒸汽流量的增加，需逐渐减小经第十三阀门21所引入的余热锅炉蒸汽；
步骤四：高温压缩蒸汽及引入的余热锅炉蒸汽，经ORC循环的冷凝器4释放潜热后形成的高温水分两路，一路需打开第八阀门22，使高温水进入高温水箱；另一路则需打开第九阀门23使高温水经过热水热回收换热器5释放热量并降温后进入冷水箱；同时打开冷、热水箱顶部的不凝结气放空阀25和阀24；与此同时还需要打开第十二阀门27使得经ORC循环冷凝器吸热热量升温后的补给水，继续进入热水热回收换热器5，吸收高温热水冷却所释放的热量，然后再与柴油机冷却水混合后进入供水泵9；
步骤五：通过喷淋管1b喷入蒸汽发生腔内未蒸发的海水浓度会增加，并在腔内积存，当蒸汽发生腔内液位达到一定高度后，打开第五阀门28使部分海水通过供水泵9继续参与循环；为了有效控制腔内海水浓度，还需打开第四阀门26和排水泵8，使部分高浓度海水进入排水热回收换热器7释放热量后排出，此时需打开第十阀门17使柴油机冷却水也进入排水热回收器，吸热高浓度海水放出的热量，随后通过供水泵9进入系统参与循环；
步骤六：当冷、热水箱内水量达到一定值后便可通过热水流量调节阀29和冷水流量调节阀30调节冷热水流量，达到实际需求的用水温度，以满足船舶生活用水需求；只要压缩蒸汽压力大于1个大气压，冷凝后进入高温水箱内的水的温度就能高达100℃，进而可实现100℃以下的冷热水制备。
本发明的系统稳定运行时，通过蒸汽压缩机2和ORC循环蒸发器之间支路上的第十三阀门21，可引入余热锅炉的高温蒸汽，也可排出部分压缩机2出来的压缩蒸汽，以此实现膨胀机输出功与蒸汽压缩机驱动功的匹配；具体为：当压缩蒸汽冷凝释放的热量经ORC循环回收后所输出的功大于蒸汽压缩机的驱动功时，可通过第十三阀门21排出一定的压缩蒸汽；当压缩蒸汽冷凝释放的热量经ORC循环回收后所输出的功小于蒸汽压缩机的驱动功时，需通过第十三阀门21引入部分余热锅炉所产生的高温蒸汽；
本发明的系统及装置通过上述流程的重复，不断实现海水的淡化，解决了船用淡水制取麻烦的问题，回收主机的冷却水热量和烟气热量，极大的提高了船舶余热的利用效率。通过ORC循环有效回收蒸汽冷凝潜热满足蒸汽压缩机驱动功的需求，极大的减小了系统运行能耗。该系统及装置设计简单，便于使用，效率高、产量高，还可以引用到生活中其他余热、废热，污水淡化方面。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种船舶余热淡化系统，其特征在于：包含热回收蒸汽发生器(1)、蒸汽压缩机(2)、ORC循环、热水箱(12)、冷水箱(11)、热水热回收换热器(6)和排水热回收换热器(7)；所述热回收蒸汽发生器(1)由密封板(1c)分为上下两部分，下部分为烟气热回收腔，包含热回收换热管(1d)、烟气入口(1e)、烟气出口(1f)，烟气入口(1e)设有第一阀门(15)，烟气出口(1f)设有烟气净化器(32)和排放用第二阀门(16)，冷却介质通入热回收换热管(1d)中换热；上部分为蒸汽发生腔，包含喷淋管(1b)以及顶部排汽口和底部排水口，喷淋管(1b)通过第三阀门(19)与热回收换热管(1d)出口相连；底部排水口一路通过第四阀门(26)和排水泵(8)与排水热回收换热器(7)连通，一路经第五阀门(28)和供水泵(9)与热回收换热管(1d)入口连通；顶部排汽口一路通过第六阀门(14)与真空泵(13)相连，另一路通过第七阀门(20)与蒸汽压缩机(2)入口连通；所述蒸汽压缩机(2)出口与ORC循环相连，ORC循环分别通过第八阀门(22)和第九阀门(23)与热水箱(12)及热水热回收换热器(6)连接，热水热回收换热器(6)的出口与冷水箱(11)连通。
2.根据权利要求1所述的船舶余热淡化系统，其特征在于：所述ORC循环包含冷凝器(5)、工质泵(10)、蒸发器(4)和膨胀机(3)，蒸发器(4)的一个出口与膨胀机(3)入口连通，膨胀机(3)出口与冷凝器(5)入口连通，冷凝器(5)出口经工质泵(10)与蒸发器(4)入口连通，膨胀机(3)输出轴与蒸汽压缩机(2)的驱动轴连接，蒸发器(4)另一入口与蒸汽压缩机(2)出口连接，在蒸发器(4)内换热后，蒸发器(4)另一个出口与热水箱(12)及热水热回收换热器(6)连接。
3.根据权利要求2所述的船舶余热淡化系统，其特征在于：所述冷却介质通过第十阀门(17)、排水热回收换热器(7)与供水泵(9)入口相连；补给水管路经ORC循环的冷凝器(5)、热水热回收换热器(6)和第十二阀门(27)也与供水泵(9)的入口连通。
4.根据权利要求3所述的船舶余热淡化系统，其特征在于：所述冷却介质通过第十一阀门(18)与供水泵(9)入口相连。
5.根据权利要求4所述的船舶余热淡化系统，其特征在于：所述热水箱(12)和冷水箱(11)顶部分别设有不凝结气放空阀(25)和阀(24)，底部设有热水流量调节阀(29)和冷水流量调节阀(30)。
6.根据权利要求5所述的船舶余热淡化系统，其特征在于：蒸汽压缩机(2)和ORC循环蒸发器(4)之间通过第十三阀门(21)设置有补汽或放汽支路。
7.根据权利要求6所述的船舶余热淡化系统，其特征在于：所述密封板通过连接法兰与热回收蒸汽发生器(1)的内壁连接，热回收换热管(1d)设有翅片。
8.一种如权利要求7所述的船舶余热淡化系统的淡化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：关闭第七阀门(20)和第三阀门(19)，打开第六阀门(14)和真空泵(13)对热回收蒸汽发生器(1)上部的蒸汽发生腔抽真空，直至真空度基本不发生变化，然后关闭第六阀门(14)和真空泵(13)；
步骤二：打开第十一阀门(18)和供水泵(9)，以及烟气入口第一阀门(15)和出口第二阀门(16)，使得柴油机冷却水进入热回收蒸汽发生器(1)的热回收换热管(1d)内，回收管外由第一阀门(15)所引入烟气的余热，然后打开第三阀门(19)使升温后的水通过喷淋管(1b)进入真空状态的、热回收蒸汽发生器(1)中的蒸汽发生腔，闪蒸产生蒸汽；被回收热量后的低温烟气则经烟气净化器(32)和第二阀门(16)排放至大气；
步骤三；待蒸汽发生腔内温度和压力达到一定值时，打开ORC循环的工质泵(10)，将有机工质液体泵入蒸发器(4)，通过第十三阀门(21)引入船舶余热锅炉产生的高温蒸汽，使得液体工质回收蒸汽冷凝潜热蒸发成高温高压蒸汽，然后经膨胀机(3)膨胀并输出膨胀功，膨胀后的低温、低压工质进入冷凝器(5)，被冷凝器管外的低温补给水吸热冷凝，随后继续下一个ORC循环；与此同时打开第七阀门(20)，使得蒸汽发生腔内的蒸汽进入蒸汽压缩机(2)，通过膨胀机(3)输出的膨胀功驱动蒸汽压缩机(2)压缩蒸汽，压缩后的高温、高压蒸汽则进入ORC循环的蒸发器(4)；随着压缩蒸汽流量的增加，需逐渐减小经第十三阀门(21)所引入的余热锅炉蒸汽；
步骤四：高温压缩蒸汽及引入的余热锅炉蒸汽，经ORC循环的冷凝器(4)释放潜热后形成的高温水分两路，一路需打开第八阀门(22)，使高温水进入高温水箱；另一路则需打开第九阀门(23)使高温水经过热水热回收换热器(5)释放热量并降温后进入冷水箱；同时打开冷、热水箱顶部的不凝结气放空阀(25)和阀(24)；与此同时还需要打开第十二阀门(27)使得经ORC循环冷凝器吸热热量升温后的补给水，继续进入热水热回收换热器(5)，吸收高温热水冷却所释放的热量，然后再与柴油机冷却水混合后进入供水泵(9)；
步骤五：通过喷淋管(1b)喷入蒸汽发生腔内未蒸发的海水浓度会增加，并在腔内积存，当蒸汽发生腔内液位达到一定高度后，打开第五阀门(28)使部分海水通过供水泵(9)继续参与循环；为了有效控制腔内海水浓度，还需打开第四阀门(26)和排水泵(8)，使部分高浓度海水进入排水热回收换热器(7)释放热量后排出，此时需打开第十阀门(17)使柴油机冷却水也进入排水热回收器，吸热高浓度海水放出的热量，随后通过供水泵(9)进入系统参与循环；
步骤六：当冷、热水箱内水量达到一定值后便可通过热水流量调节阀(29)和冷水流量调节阀(30)调节冷热水流量，达到实际需求的用水温度，以满足船舶生活用水需求。
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