CN107939624B - 基于多能互补的船舶余热利用发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多能互补的船舶余热利用发电系统，包括：太阳能槽式集热温差发电子系统、烟气余热温差发电子系统和余热有机朗肯循环发电子系统；工质泵、导热油热端A、导热油热端B和太阳能槽式集热器通过管路连接形成高温管路循环。高温烟气通过烟气余热温差发电子系统后进入有机朗肯循环子系统；有机朗肯循环冷端A和B及工质预热器分别作为有机工质的两级余热。本发明所述的基于多能互补的船舶余热利用发电系统，实现对船舶多种余热的回收，且实现余热的梯级利用；同时与太阳能有机结合，互补发电。系统所发电能并入船舶微电网，降低了船舶发电柴油机的燃油消耗，减少了化石能源在船舶能源消耗中所占比例，实现船舶能效提升。

Description

基于多能互补的船舶余热利用发电系统
技术领域
本发明涉及一种涉及船舶节能与环境保护技术领域，具体的说是一种船舶余热梯级利用并与太阳能互补发电的系统。
背景技术
目前，交通运输行业在现代经济发展和工业生产中扮演着重要的角色，同时也是能源消耗和造成环境污染的重点行业，交通运输行业产生的CO2占整个工业的比重高达23％。船舶作为最经济的运输工具之一，具有单位质量货物移动单位距离耗能低的优点，适合远距离、大运量运输，对国家的发展和世界经济的繁荣具有极其重要的作用。与此同时由于巨大的规模，船舶运输的能源消耗在整个交通运输中占相当大的比例，因此船舶运输是世界各国节能减排和应对气候变化的重点领域，提高能效将对航运业的发展产生重大的影响。
随着造船业的发展，船舶航行的燃料费用有显著增高趋势，其在船舶运营总费用开支成本中占有很大的比例。据统计表明，小型运输船占25％-30％，定期客货船约占35％，散货船约占50％，油船约占60％。因此，船舶节能极为重要，是关系到国民经济发展的重大问题。
现代船舶主机的做功热效率最大可达到50％左右，其余的热量主要以船舶废气、水或滑油冷却以及热辐射等方式排放到大气环境中。这不仅造成了能源浪费，同时也导致了环境污染，其中以船舶废气中的CO2为代表的温室气体所导致的全球温室效应尤为严重。如果我们能够将这部分能量回收利用，例如将船舶的废气余热、缸套冷却水余热等应用于发电、制热、制冷等，这样可以有效提高船舶柴油机的燃油利用率，从而获得巨大的经济价值，并且满足国际公约的要求，并减少了由于废气排放对环境的破坏。
太阳能储量巨大且可再生，如果将其作为辅助能源并利用到船上，也定会在船舶的能效提升起到一定的作用。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种基于多能互补的船舶余热利用发电系统，用于解决现有的船舶能源利用率低下的缺点。本发明采用的技术手段如下：
一种基于多能互补的船舶余热利用发电系统，包括：太阳能槽式集热温差发电子系统、烟气余热温差发电子系统和余热有机朗肯循环发电子系统；所述的太阳能槽式集热温差发电子系统包括低温淡水泵、工质泵、太阳能槽式集热器、导热油热端A、导热油热端B、第一级温差发电单元A、第一级温差发电单元B、低温淡水冷端A和低温淡水冷端B；所述的工质泵、导热油热端A、导热油热端B和太阳能槽式集热器通过管路连接，内部工作介质为导热油，导热油吸收太阳能槽式集热器收集的热量，形成高温管路循环，所述的低温淡水泵、低温淡水冷端A和低温淡水冷端B通过管路连接形成低温管路；所述第一级温差发电单元A的两端分别同导热油热端A和低温淡水冷端A接触，所述第一级温差发电单元B的两端分别同导热油热端B和低温淡水冷端B接触。
所述的烟气余热温差发电子系统包括：主发电机烟气、主机烟气、有机朗肯循环工质冷端A、有机朗肯循环工质冷端B、第三级温差发电单元A、第三级温差发电单元B、烟气管路A、烟气管路B、第二级温差发电单元A、第二级温差发电单元B；所述主发电机烟气连通烟气管路A，所述主机烟气连通烟气管路B；所述第二级温差发电单元A的两端分别同低温淡水冷端A和烟气管路A接触，所述第二级温差发电单元B的两端分别同低温淡水冷端B和烟气管路B接触；所述第三级温差发电单元A的两端分别同有机朗肯循环工质冷端A和烟气管路A接触，所述第三级温差发电单元B的两端分别同有机朗肯循环工质冷端B和烟气管路B接触。
所述余热有机朗肯循环发电子系统包括工质预热器、蒸气发生器、蒸气过热器、膨胀机、蒸气冷凝器、工质储存罐和有机朗肯循环工质泵；所述有机朗肯循环工质冷端A和有机朗肯循环工质冷端B内的工质液依次经过工质预热器、蒸气发生器、蒸气过热器和膨胀机，进入蒸气冷凝器的工质输入端，所述蒸气冷凝器的工质输出端依次经过工质储存罐和有机朗肯循环工质泵，输送至所述有机朗肯循环工质冷端A，形成管路循环。
作为优选所述的主发电机烟气先经过烟气管路A，在温差发电子系统中实现余热温差发电，再进入蒸气过热器；所述主机烟气首先经过烟气管路B，在温差发电子系统中实现余热温差发电，再进入蒸气发生器。
作为优选所述工质预热器的缸套水输入端输入有主机缸套水，缸套水输出端连通有缸套水冷却器，所述主机缸套水的输出端和缸套水冷却器的输入端设置有具有温控阀的旁通管路。
作为优选所述的膨胀机连接有用于供电的发电机，所述的发电机连接有用于控制的电网控制中心，所述的电网控制中心连接有主发电机。
与现有技术相比较，本发明所述的基于多能互补的船舶余热利用发电系统，具有以下优点：
1、本发明所述的基于多能互补的船舶余热利用发电系统，提供了一种回收船舶余热并与太阳能互补发电的的途径。
2、本发明所述的基于多能互补的船舶余热利用发电系统，实现了从高温到低温等船舶多种余热的回收利用，提高船舶余热的利用率。
3、本发明所述的基于多能互补的船舶余热利用发电系统，将不同温度的烟气应用于系统不同位置，实现了余热的梯级利用。
4、本发明所述的基于多能互补的船舶余热利用发电系统，在烟气余热温差发电子系统中采用两级布置的温差发电单元，提高对余热的利用率且提高系统整体输出功率。
5、本发明所述的基于多能互补的船舶余热利用发电系统，采用低温有机朗肯循环工质对温差发电单元冷端进行冷却，维持温差发电单元冷端温度，使温差发电单元两端产生温差并发电，同时也为工质进行了一级预热。
6、本发明所述的基于多能互补的船舶余热利用发电系统，对有机朗肯循环工质进行两级预热，第一级为温差发电单元冷端，第二级采用船舶主机缸套水预热，提高了余热的利用率。
7、本发明所述的基于多能互补的船舶余热利用发电系统，采用太阳能槽式集热作为补充热源，并使其作为一级温差发电单元的热源，在日照充足时提高整个系统的输出功率，无日照条件时对系统的运行也不产生影响。
8、本发明所述的基于多能互补的船舶余热利用发电系统，输出功率较大，可明显减少船舶主发电柴油机的燃油消耗，降低化石能源在船舶能源消耗中的比重，大幅提升船舶能效水平。
本发明所述的基于多能互补的船舶余热利用发电系统，是一种将太阳能槽式集热温差发电、烟气余热温差发电、余热有机朗肯循环发电深度融合、互补发电的系统，其技术核心为温差发电技术与有机朗肯循环技术。
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详细的说明。
图1是本发明基于多能互补的船舶余热利用发电系统的系统总图。
图2是本发明太阳能槽式集热温差发电子系统图。
图3是本发明烟气余热温差发电子系统图。
图4是本发明有机朗肯循环子系统图。
其中：I1、低温淡水泵，I2、工质泵，I3、太阳能槽式集热器，I4、导热油热端A，I5、导热油热端B，I6、第一级温差发电单元A，I7、第一级温差发电单元B，I8、低温淡水冷端A，I9、低温淡水冷端B，
II1、主发电机烟气，II2、主机烟气，II3、有机朗肯循环工质冷端A，II4、有机朗肯循环工质冷端B，II5、第三级温差发电单元A，II6、第三级温差发电单元B，II7、烟气管路A，II8、烟气管路B，II9、第二级温差发电单元A，II10、第二级温差发电单元B，
III1、主机缸套水，III2、工质预热器，III3、温控阀，III4、缸套水冷却器，III5、蒸气发生器，III6、蒸气过热器，III7、膨胀机，III8、发电机，III9、主发电机，III10、蒸气冷凝器，III11、工质储存罐，III12、有机朗肯循环工质泵，III13、电网控制中心。
具体实施方式
如图1到图4所示，一种基于多能互补的船舶余热利用发电系统，包括：太阳能槽式集热温差发电子系统、烟气余热温差发电子系统和余热有机朗肯循环发电子系统；所述的太阳能槽式集热温差发电子系统包括低温淡水泵I1、工质泵I2、太阳能槽式集热器I3、导热油热端AI4、导热油热端B I5、第一级温差发电单元AI6、第一级温差发电单元B I7、低温淡水冷端AI8和低温淡水冷端B I9。
所述的工质泵I2、导热油热端AI4、导热油热端B I5和太阳能槽式集热器I3通过管路连接,内部工作介质为导热油，导热油吸收太阳能槽式集热器I3收集的热量，形成高温管路循环，所述的低温淡水泵I1、低温淡水冷端AI8和低温淡水冷端B I9通过管路连接形成低温管路；所述第一级温差发电单元AI6的两端分别同导热油热端AI4和低温淡水冷端AI8接触，所述第一级温差发电单元B I7的两端分别同导热油热端B I5和低温淡水冷端B I9接触。
引入太阳能作为补充热源，用太阳能加热循环的导热油，使其作为第一级温差发电单元AI6和第一级温差发电单元B I7的热源；第一级温差发电单元AI6和第一级温差发电单元B I7的冷端均采用低温淡水冷却。
所述的烟气余热温差发电子系统包括：主发电机烟气II1、主机烟气II2、有机朗肯循环工质冷端AII3、有机朗肯循环工质冷端B II4、第三级温差发电单元AII5、第三级温差发电单元B II6、烟气管路AII7、烟气管路B II8、第二级温差发电单元AII9、第二级温差发电单元B II10。
所述主发电机烟气II1连通烟气管路AII7，所述主机烟气II2连通烟气管路B II8；所述第二级温差发电单元AII9的两端分别同低温淡水冷端AI8和烟气管路AII7接触，所述第二级温差发电单元B II10的两端分别同低温淡水冷端B I9和烟气管路B II8接触；所述第三级温差发电单元AII5的两端分别同有机朗肯循环工质冷端AII3和烟气管路AII7接触，所述第三级温差发电单元B II6的两端分别同有机朗肯循环工质冷端B II4和烟气管路BII8接触。
主机烟气II2和主发电机烟气II1作为第二级温差发电单元AII9、第二级温差发电单元B II10、第三级温差发电单元AII5和第三级温差发电单元B II6的热源。
烟气管路AII7和烟气管路B II8上部和下部分别布置了第二级温差发电单元AII9、第二级温差发电单元B II10、第三级温差发电单元AII5和第三级温差发电单元BII6，提升烟气余热在余热温差发电子系统部分的利用率，同时增加此部分输出功率。
第二级温差发电单元AII9和第二级温差发电单元B II10与第一级温差发电单元AI6和第一级温差发电单元B I7共用一个冷源，即低温淡水同时为第一级温差发电单元和第二级温差发电单元的冷端进行冷却。
所述余热有机朗肯循环发电子系统包括工质预热器III2、蒸气发生器III5、蒸气过热器III6、膨胀机III7、蒸气冷凝器III10、工质储存罐III11和有机朗肯循环工质泵III12。
所述有机朗肯循环工质冷端AII3和有机朗肯循环工质冷端B II4内的工质液依次经过工质预热器III2、蒸气发生器III5、蒸气过热器III6和膨胀机III7，进入蒸气冷凝器III10的工质输入端，所述蒸气冷凝器III10的工质输出端依次经过工质储存罐III11和有机朗肯循环工质泵III12，输送至所述有机朗肯循环工质冷端AII3，形成管路循环。
第三级温差发电单元AII5和第三级温差发电单元B II6的冷端采用有机朗肯循环的低温工质进行冷却，有机朗肯循环工质蒸气通过蒸气冷凝器III10后温度降低并冷凝成液态，在有机朗肯循环工质泵III12的带动下重新循环至有机朗肯循环工质冷端AII3和有机朗肯循环工质冷端B II4为第三级温差发电单元冷端进行冷却，不仅维持了第三级温差发电单元冷端的低温，同时也为有机朗肯循环工质进行了第一级预热。
主机烟气II2和主发电机烟气II1通过烟气管路AII7和烟气管路B II8后分别经过蒸气发生器III5和蒸气过热器III6，加热工质使其蒸发并通入过热器确保工质全部气化，烟气先通过烟气余热温差发电子系统进行发电，烟气产生一定的温度降，利用烟气剩余余热对有机工质进行加热蒸发，实现有机朗肯循环发电，实现余热的梯级利用。
工质进入蒸气发生器III5前先通入工质预热器III2，工质预热器III2实质上为一换热器，采用船舶主机缸套水对工质进行预热。
蒸气冷凝器III10中冷凝工质蒸气的液体为低温淡水，冷却完工质蒸气后循环至温差发电子系统为第一级和第二级温差发电单元冷端进行冷却。
蒸气冷凝器III10后设置有工质储存罐，其内部装有部分液体工质，当少部分未能冷凝为液态的工质蒸气进入工质储存罐后，在罐内液体工质上部聚集，使罐内压力升高，此时工质冷凝成液体。
所述的主发电机烟气II1先经过烟气管路AII7，在温差发电子系统中实现余热温差发电，再进入蒸气过热器III6；所述主机烟气II2首先经过烟气管路B II8，在温差发电子系统中实现余热温差发电，再进入蒸气发生器III5。
所述工质预热器III2的缸套水输入端输入有主机缸套水III1，缸套水输出端连通有缸套水冷却器III4，所述主机缸套水III1的输出端和缸套水冷却器III4的输入端设置有具有温控阀III3的旁通管路。
工质预热的温度预先设定完成，通过调节主机缸套水流量实现，主机缸套水旁通一路并用温控阀III3控制这一路的开启或关闭，当温控阀III3的传感器感应到船舶主机缸套水的温度升高后，温控阀III3打开，主机缸套水部分进入旁通管路，主管路流量减小以保证工质的预热温度。
所述的膨胀机III7连接有用于供电的发电机III8，所述的发电机III8连接有用于控制的电网控制中心III13，所述的电网控制中心III13连接有主发电机III9。
本发明所述的基于多能互补的船舶余热利用发电系统，包括太阳能槽式集热温差发电子系统、烟气余热温差发电子系统、余热有机朗肯循环发电子系统；目的在于提供一种基于多能互补的船舶余热利用发电系统及方法，该系统可实现对船舶多种余热的回收，且实现余热的梯级利用；同时与太阳能有机结合，互补发电。系统所发电能并入船舶微电网，持续为船上设备供电。降低了船舶发电柴油机的燃油消耗，减少了化石能源在船舶能源消耗中所占比例，实现船舶能效提升。本系统适用于回收船舶主机烟气余热，发电机烟气余热以及船舶缸套水余热。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于多能互补的船舶余热利用发电系统，其特征在于包括：太阳能槽式集热温差发电子系统、烟气余热温差发电子系统和余热有机朗肯循环发电子系统；
所述的太阳能槽式集热温差发电子系统包括低温淡水泵、工质泵、太阳能槽式集热器、导热油热端A、导热油热端B、第一级温差发电单元A、第一级温差发电单元B、低温淡水冷端A和低温淡水冷端B；
所述的工质泵、导热油热端A、导热油热端B和太阳能槽式集热器通过管路连接，内部工作介质为导热油，导热油吸收太阳能槽式集热器收集的热量，形成高温管路循环，所述的低温淡水泵、低温淡水冷端A 和低温淡水冷端B 通过管路连接形成低温管路；
所述第一级温差发电单元A的两端分别同导热油热端A和低温淡水冷端A 接触，所述第一级温差发电单元B的两端分别同导热油热端B和低温淡水冷端B接触；
所述的烟气余热温差发电子系统包括：主发电机烟气、主机烟气、有机朗肯循环工质冷端A、有机朗肯循环工质冷端B、第三级温差发电单元A、第三级温差发电单元B、烟气管路A、烟气管路B、第二级温差发电单元A、第二级温差发电单元B；
所述主发电机烟气连通烟气管路A，所述主机烟气连通烟气管路B；
所述第二级温差发电单元A的两端分别同低温淡水冷端A和烟气管路A接触，所述第二级温差发电单元B的两端分别同低温淡水冷端B和烟气管路B接触；
所述第三级温差发电单元A的两端分别同有机朗肯循环工质冷端A和烟气管路A接触，所述第三级温差发电单元B的两端分别同有机朗肯循环工质冷端B和烟气管路B接触；
所述余热有机朗肯循环发电子系统包括工质预热器、蒸气发生器、蒸气过热器、膨胀机、蒸气冷凝器、工质储存罐和有机朗肯循环工质泵；
所述有机朗肯循环工质冷端A和有机朗肯循环工质冷端B内的工质液依次经过工质预热器、蒸气发生器、蒸气过热器和膨胀机，进入蒸气冷凝器的工质输入端，所述蒸气冷凝器的工质输出端依次经过工质储存罐和有机朗肯循环工质泵，输送至所述有机朗肯循环工质冷端A，形成管路循环；
蒸气冷凝器中冷凝工质蒸气的液体为低温淡水，冷却完工质蒸气后循环至温差发电子系统为第一级和第二级温差发电单元冷端进行冷却；
蒸气冷凝器后设置有工质储存罐，其内部装有部分液体工质。
2.根据权利要求1所述的基于多能互补的船舶余热利用发电系统，其特征在于：
所述的主发电机烟气先经过烟气管路A，在温差发电子系统中实现余热温差发电，再进入蒸气过热器；所述主机烟气首先经过烟气管路B，在温差发电子系统中实现余热温差发电，再进入蒸气发生器。
3.根据权利要求1所述的基于多能互补的船舶余热利用发电系统，其特征在于：
所述工质预热器的缸套水输入端输入有主机缸套水，缸套水输出端连通有缸套水冷却器，所述主机缸套水的输出端和缸套水冷却器的输入端设置有具有温控阀的旁通管路。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于多能互补的船舶余热利用发电系统，其特征在于：
所述的膨胀机连接有用于供电的发电机，所述的发电机连接有用于控制的电网控制中心，所述的电网控制中心连接有主发电机。
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