CN107956525B - 基于teg-orc联合循环的船舶余热梯级回收利用系统 - Google Patents

基于teg-orc联合循环的船舶余热梯级回收利用系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于TEG‑ORC联合循环的船舶余热梯级回收利用系统，蒸气冷凝器的工质输出端输出的工质液依次经过ORC工质储存器、ORC工质泵、ORC工质冷端A、ORC工质冷端B，输送至ORC工质预热器的工质输入端，ORC工质预热器的工质输出端输出的工质液依次经过蒸气发生器、蒸气过热器、膨胀机，输送至蒸气冷凝器的工质输出端，形成循环管路。主机烟气和主发电机烟气先通过余热温差发电系统，再进入有机朗肯循环系统。本发明所述的基于TEG‑ORC联合循环的船舶余热梯级回收利用系统，可实现对船舶多种余热的梯级回收及利用；同时，将TEG与ORC技术进行有机结合，使其对余热进行利用并发电。

Description

基于TEG-ORC联合循环的船舶余热梯级回收利用系统
技术领域
本发明涉及船舶节能与环境保护技术领域，具体的说是一种基于TEG-ORC联合循环的船舶余热梯级回收利用系统。
背景技术
目前，科学技术的飞速发展加快了全球经济一体化的进程，世界各国之间的交流互通日益频繁，对外贸易量迅速增加，船舶成了世界经济发展的主要交通运输工具之一，对推动国家发展和经济的繁荣起到了极其重要的作用。随着全球化的规模不断扩展，船舶在世界经济发展中起到的作用将会越来越重要，规模只能有增无减，而大部分的船舶是通过柴油机提供动力的，这也将导致由船舶消耗的能源在整个交通运输行业中所占的比例越来越大，由此造成的环境问题也会日益严重，影响人类的健康生活。
船舶柴油机产生的热能中大约有50％得到了有效利用，其余大部分热量以废气的形式排放到了空气中，船舶柴油机产生的余热形式相对较多，主要包括船舶柴油机排烟、缸套冷却水、空冷器等余热。如果对这部分流失的余热能量加以利用，在节约能源，提高经济效益的同时，能够起到环境保护作用。因此如何有效的利用船舶废气余热，提高热能利用效率，已成为现代航运业研究的一个重要课题。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种基于TEG-ORC联合循环的船舶余热梯级回收利用系统，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TEG-ORC联合循环的船舶余热梯级回收利用系统，包括船舶微电网控制中心、第二级TEG单元B、第二级TEG单元A、第一级TEG单元B、第一级TEG单元A、蒸气冷凝器、蒸气发生器、膨胀机和ORC工质泵。所述蒸气冷凝器的工质输出端输出的工质液依次经过ORC工质储存器、ORC工质泵、ORC工质冷端A、ORC工质冷端B，输送至ORC工质预热器的工质输入端，所述ORC工质预热器的工质输出端输出的工质液依次经过蒸气发生器、蒸气过热器、膨胀机，输送至蒸气冷凝器的工质输出端，形成循环管路。所述的蒸气冷凝器的淡水输出端输出的淡水依次经过淡水冷却器、低温淡水冷端B、低温淡水冷端A，低温淡水泵，输送至蒸气冷凝器的淡水输入端，形成循环管路。
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；所述第二级TEG单元B的两端分别同低温淡水冷端B和烟气管路B接触，所述第二级TEG单元A的两端分别同低温淡水冷端A和烟气管路A接触；所述第一级TEG单元B的两端分别同ORC工质冷端B和烟气管路B接触，所述第一级TEG单元A的两端分别同ORC工质冷端A和烟气管路A接触；所述的船舶微电网控制中心连接有第二级TEG单元B、第二级TEG单元A、第一级TEG单元B和第一级TEG单元A。
作为优选所述ORC工质预热器的缸套水输入端连通有主机缸套水，缸套水输出端连通有淡水冷却器，所述主机缸套水和淡水冷却器之间设置有具有温度控制阀的旁通管路。
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船舶微电网控制中心。
与现有技术相比较，本发明所述的基于TEG-ORC联合循环的船舶余热梯级回收利用系统，具有以下优点：
1、本发明所述的基于TEG-ORC联合循环的船舶余热梯级回收利用系统，提供了一种能源梯级利用的船舶余热发电的方法。
2、本发明所述的基于TEG-ORC联合循环的船舶余热梯级回收利用系统，实现了不同温度、不同余热存量的船舶多种余热的梯级回收与利用，提高船舶余热的回收效率。
3、本发明所述的基于TEG-ORC联合循环的船舶余热梯级回收利用系统，采用低温ORC工质作为烟气余热TEG单元的冷端，实现温差发电的同时，又完成了ORC工质的第一级预热实现了ORC工质的第一级预热，同时使TEG单元两端产生温差并发电。
4、本发明所述的基于TEG-ORC联合循环的船舶余热梯级回收利用系统，采用缸套水作为ORC工质的第二级预热的热源来源，既避免了缸套水直接循环回淡水冷却器造成的余热浪费，又实现了ORC工质的两级预热。
5、本发明所述的基于TEG-ORC联合循环的船舶余热梯级回收利用系统，可显著提高船舶余热回收效率，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的同时降低碳排放水平。
本发明所述的基于TEG-ORC联合循环的船舶余热梯级回收利用系统，是一种对船舶多种余热的梯级回收及利用；同时，将温差发电技术与有机朗肯循环技术进行有机结合，使其对余热进行利用并发电的方法。
本发明所述的基于TEG-ORC联合循环的船舶余热梯级回收利用系统，提供一种基于TEG-ORC联合循环的船舶余热梯级回收利用的方法，该方法可实现对船舶多种余热的梯级回收及利用；同时，将TEG与ORC技术进行有机结合，使其对余热进行利用并发电。输出电功率并入船舶船舶微电网控制中心，并为船上用电设备供电。减轻了船舶发电柴油机的负荷，从根本上减少了化石能源的消耗，提升船舶能效水平并减少船舶碳排放。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。
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TEG-ORC联合循环发电系统图。
图2是本发明TEG-ORC联合循环发电系统简化图。
其中：I、余热温差发电系统，II、第二级预热系统，
1、蒸气发生器，2、蒸气过热器，3、膨胀机，4、发电机，5、蒸气冷凝器，6、ORC工质储存器，7、ORC工质泵，8、淡水冷却器，9、ORC工质预热器，10、温度控制阀，11、主机缸套水，12、主机烟气，13、主发电机烟气，14、低温淡水泵，15、低温淡水冷端B，16、低温淡水冷端A，17、第二级TEG单元B，18、第二级TEG单元A，19、烟气管路B，20、烟气管路A，21、第一级TEG单元B，22、第一级TEG单元A，23、ORC工质冷端B，24、ORC工质冷端A，25、船舶微电网控制中心。
具体实施方式
如图1和图2所示，一种基于TEG-ORC联合循环的船舶余热梯级回收利用系统，包括船舶微电网控制中心25、第二级TEG单元B17、第二级TEG单元A18、第一级TEG单元B21、第一级TEG单元A22和蒸气冷凝器5；所述蒸气冷凝器5的工质输出端输出的工质液依次经过ORC工质储存器6、ORC工质泵7、ORC工质冷端A24、ORC工质冷端B23，输送至ORC工质预热器9的工质输入端，所述ORC工质预热器9的工质输出端输出的工质液依次经过蒸气发生器1、蒸气过热器2、膨胀机3，输送至蒸气冷凝器5的工质输出端，形成循环管路。
所述的蒸气冷凝器5的淡水输出端输出的淡水依次经过淡水冷却器8、低温淡水冷端B15、低温淡水冷端A16，低温淡水泵14，输送至蒸气冷凝器5的淡水输入端，形成循环管路。
低温淡水循环由低温淡水泵14带动，首先进入低温淡水冷端A16，为第二级TEG单元A18的冷端进行冷却，再进入低温淡水冷端B15，为第二级TEG单元B17的冷端进行冷却；ORC工质循环由ORC工质泵7带动，首先进入ORC工质冷端A24，为第一级TEG单元A22进行冷却，再进入ORC工质冷端B23，为第一级TEG单元B21的冷端进行冷却，同时完成ORC工质的第一级预热。
主机烟气12通过烟气管路B输送至蒸气发生器1，主机烟气12出烟气管路B19后温度降低，再进入蒸气发生器1中，加热蒸气发生器1中的工质使其气化成高温蒸气。主发电机烟气13通过烟气管路A20输送至蒸气过热器2；主发电机烟气13出烟气管路A20后温度降低，再进入蒸汽过热器，为工质蒸气进行过热，保证其全部气化，作为ORC工质蒸气过热的主要热源。
所述第二级TEG单元B17的两端分别同低温淡水冷端B15和烟气管路B19接触，所述第二级TEG单元A18的两端分别同低温淡水冷端A16和烟气管路A接触；所述第一级TEG单元B21的两端分别同ORC工质冷端B23和烟气管路B19接触，所述第一级TEG单元A22的两端分别同ORC工质冷端A24和烟气管路A接触。
主机烟气12首先通过烟气管路B19，作为第一级TEG单元B21和第二级TEG单元B17的热端。第一级TEG单元B21和第二级TEG单元B17的冷端分别采用低温ORC工质和低温淡水进行冷却。主发电机烟气13首先通过烟气管路A20，作为第一级TEG单元A22和第二级TEG单元A18的热端。第一级TEG单元A22和第二级TEG单元A18的冷端分别采用低温ORC工质和低温淡水进行冷却。
所述的船舶微电网控制中心25连接有第二级TEG单元B17、第二级TEG单元A18、第一级TEG单元B21和第一级TEG单元A22。
所述ORC工质预热器9的缸套水输入端连通有主机缸套水11，缸套水输出端连通有淡水冷却器8，所述主机缸套水11和淡水冷却器8之间设置有具有温度控制阀10的旁通管路。
对ORC工质分两级预热。ORC工质首先通过余热温差发电系统，作为TEG单元冷却介质的同时完成自身的第一级预热，再通过ORC工质预热器，由主机缸套水为其进行第二级预热；主机缸套水作为余热量最大的船舶低温热源，用作ORC工质的第二级预热，降低蒸气发生器和蒸气过热器对主机烟气余热量和主发电机烟气余热量的需求。
由于主发电机烟气相对于主机烟气体量较小，因此低温ORC工质先通过ORC工质冷端A比先通过ORC工质冷端B后的温度提升小，这样设计保证了ORC工质流出ORC工质冷端A后仍保持相对较低的温度以继续为第一级TEG单元B进行冷却；由于主发电机烟气相对于主机烟气体量较小，因此低温淡水先通过低温淡水冷端A比先通过低温淡水冷端B后的温度提升小，这样设计保证了低温淡水流出低温淡水冷端A后仍保持相对较低的温度以继续为第二级TEG单元B进行冷却。
所述的膨胀机3连接有用于供电的发电机4，所述的发电机4连接有用于控制的船舶微电网控制中心25，每个温差发电单元发出的电量汇总并入电网控制中心25。
如图2所示，主机烟气12、主发电机烟气13、低温淡水冷端B15、低温淡水冷端A16、第二级TEG单元B17、第二级TEG单元A18、烟气管路B19、烟气管路A20、第一级TEG单元B21、第一级TEG单元A22、ORC工质冷端B23和ORC工质冷端A24组成余热温差发电系统I。
ORC工质预热器9、具有温度控制阀10的旁通管路和主机缸套水11组成第二级预热系统II。
本申请中，TEG表示温差发电技术，ORC表示有机朗肯循环技术。
本发明所述的基于TEG-ORC联合循环的船舶余热梯级回收利用系统，温度较高的有主发电机烟气余热、主机烟气余热、温度较低的有主机缸套水；其中可用余热量最大的是主机缸套水余热，主机烟气余热次之，发电机烟气余热相对较少。在烟气余热利用方面，根据主机烟气可用余热量大、ORC工质气化所需热量较多的特点，将主机烟气余热作为蒸气发生器的主要热量来源。
由于TEG发电系统与ORC发电系统对余热利用的温度区间不同，因此，采用此种设计，实现了余热的梯级利用，同时保证了余热的高利用率。
本发明所述的基于TEG-ORC联合循环的船舶余热梯级回收利用系统，ORC工质的分级预热实际上也是余热的一种分级利用，ORC工质在温差发电系统中完成第一级预热后，进入ORC工质预热器9，由主机缸套水11为其进行第二级预热，减少了ORC工质气化时对主机烟气12和主发电机烟气13的热量需求，采用主机缸套水11进行预热，也提高了对余热的利用量。过热后的高温ORC工质蒸气进入膨胀机3做功，带动发电机4发电，蒸气出膨胀机3后进入蒸气冷凝器5进行冷凝，通过ORC工质储存器6后由ORC工质泵7带动，重新进入循环。最后，每部分所发电能汇总并入船舶微电网控制中心25。
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 (1)

1.一种基于TEG-ORC联合循环的船舶余热梯级回收利用系统，其特征在于包括船舶微电网控制中心、第二级TEG单元B、第二级TEG单元A、第一级TEG单元B、第一级TEG单元A、蒸气冷凝器、蒸气发生器、膨胀机和ORC工质泵；
所述蒸气冷凝器的工质输出端输出的工质液依次经过ORC工质储存器、ORC工质泵、ORC工质冷端A、ORC工质冷端B，输送至ORC工质预热器的工质输入端，所述ORC工质预热器的工质输出端输出的工质液依次经过蒸气发生器、蒸气过热器、膨胀机，输送至蒸气冷凝器的工质输出端，形成循环管路；
所述的蒸气冷凝器的淡水输出端输出的淡水依次经过淡水冷却器、低温淡水冷端B、低温淡水冷端A，低温淡水泵，输送至蒸气冷凝器的淡水输入端，形成循环管路；
主机烟气通过烟气管路B输送至蒸气发生器，主发电机烟气通过烟气管路A输送至蒸气过热器；
所述第二级TEG单元B的两端分别同低温淡水冷端B和烟气管路B接触，所述第二级TEG单元A的两端分别同低温淡水冷端A和烟气管路A接触；
所述第一级TEG单元B的两端分别同ORC工质冷端B和烟气管路B接触，所述第一级TEG单元A的两端分别同ORC工质冷端A和烟气管路A接触；
所述的船舶微电网控制中心连接有第二级TEG单元B、第二级TEG单元A、第一级TEG单元B和第一级TEG单元A；
所述ORC工质预热器的缸套水输入端连通有主机缸套水，缸套水输出端连通有淡水冷却器，所述主机缸套水和淡水冷却器之间设置有具有温度控制阀的旁通管路；
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船舶微电网控制中心；
ORC工质在温差发电系统中完成第一级预热后，进入ORC工质预热器，由主机缸套水为其进行第二级预热，减少了ORC工质气化时对主机烟气和主发电机烟气的热量需求；过热后的高温ORC工质蒸气进入膨胀机做功，带动发电机发电，蒸气出膨胀机后进入蒸气冷凝器进行冷凝，通过ORC工质储存器后由ORC工质泵带动，重新进入循环；最后，每部分所发电能汇总并入船舶微电网控制中心。
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