CN108518288A - 一种适用于lng混合动力船舶的orc复合发电系统 - Google Patents

一种适用于lng混合动力船舶的orc复合发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种适用于LNG混合动力船舶的ORC复合发电系统，其特征在于：该系统包括一级ORC回路(I)、二级ORC回路(II)、LNG/柴油双燃料主机缸套冷却水回路(III)、烟气冷却回路(IV)和LNG气化回路(V)。一级ORC回路以缸套冷却水为热源，以LNG气化冷能为冷源；二级ORC回路以烟气为热源，以LNG气化冷能为冷源。一级ORC回路通过一级冷凝器与LNG气化回路相连，通过一级蒸发器与LNG/柴油双燃料主机缸套冷却水回路相连；二级ORC回路通过二级冷凝器与LNG气化回路相连，通过二级蒸发器与烟气冷却回路相连。本发明能够有效整合LNG混合动力船舶上不同温度的冷源和热源，通过构建ORC复合系统避免大温差传热过程中的损失，提高LNG混合动力船舶的能源利用率。

Description

一种适用于LNG混合动力船舶的ORC复合发电系统
【技术领域】
本发明属于动力工程领域，涉及一种船舶余热利用系统，特别涉及一种适用于LNG混合动力船舶的ORC复合发电系统。
【背景技术】
目前航运船舶普遍采用传统燃料，燃料所占船舶运输成本的比例越来越高，燃料所造成的大气污染(特别是PM2.5)引起了广泛关注。国际海事组织(IMO)指出航运所带来的大气污染、噪声污染以及油污染占全球污染排放的4.3％，至2020年，这一比例将会上升至12.9％。寻找高效清洁的燃料是航运业可持续发展的必然趋势。液化天然气(LiquidNatureGas,LNG)是以甲烷为主要成分的无色液体。与柴油燃烧相比，LNG燃烧具有极大的排放优势。使用LNG作为燃料的船舶，其运行费能节约40％，可吸入颗粒污染物减少85％，CO2减少24％，SO2减少90％。此外，石油资源的短缺、海事排放法规的日益严峻以及天然气液化能力的提升推动了LNG混合动力船舶的发展。
LNG是将常压下气态的天然气冷却至-163℃，生产一吨LNG的动力消耗约为850kWh。然而，可以被船舶主机使用的气态LNG的温度区间为0～60℃，LNG气化成NG的过程中释放出的冷能大约为830kJkg-1。同时，船舶主机缸套冷却水的温度通常在80℃以上，烟气温度更是高达500℃。如何充分利用这些冷量和热量并进一步挖掘LNG混合动力船舶的能源综合利用率是本发明所要解决的问题。
授权公布号为CN 103982255B(授权公告日为2015.08.19)的专利文件中，公开了一种用于船舶主机废热发电ORC系统，包括发动机尾气回路、发动机缸套水回路、冷媒回路和外部冷却水回路。该专利通过采用缸套冷却水和发动机尾气释放出的热量，有效解决ORC系统蒸发压力过低的问题，同时采用海水作为冷源，采用ORC实现热电转换。该系统中ORC的冷源采用的是海水，冷凝压力受到海水温度的限制，没有涉及LNG冷能的回收利用。
授权公布号为CN103967648B(授权公告日为2015.10.28)的专利文件中，提出了一种船舶低速柴油机余热综合回收系统，包括综合余热锅炉系统、动力涡轮发电系统、汽轮机发电系统、高温冷却水利用换热设备和有机工质汽轮机发电系统。通过动力涡轮回收柴油机排气压能和低温工质汽轮机回收锅炉和空冷转换器的热水能量，并利用海水作为冷源，通过ORC循环实现热电转换，达到综合回收船舶主机余热并提高柴油机热效率的效果。该系统是针对传统的燃油船舶柴油机组的余热利用，没有涉及LNG冷能的回收利用。
申请公布号为CN106762215A(申请公布日为2017.05.31)的专利文件中，公开了一种船舶低速主机高温缸套冷却水ORC余热利用系统，该系统包括透平膨胀机、交流发电机、冷凝器、有机工质压力泵、蒸发器和再热器。该系统以主机高温缸套水和尾气余热作为热源，以船舶中央冷却水作为冷源，采用ORC实现热电转换。该系统的冷凝压力受中央冷却水温度的限制，没有涉及LNG冷能的回收利用。
授权公布号为CN103343718B(授权公告日为2016.06.01)的专利文件中，公开了一种LNG燃料动力船舶的LNG燃料主机余热利用系统，该系统利用冷却LNG燃料主机产生的热量加热乙二醇水溶液。该系统能够减少船舶电站的容量，降低营运成本，节能环保；有效缓解采用电加热乙二醇水溶液的方式所消耗的能源。乙二醇水溶液的容量有限，且热量难以存储，该系统没有涉及LNG冷能的回收利用。
申请公布号为CN106150578A(申请公布日为2016.11.23)的专利文件中，公开了一种多级耦合LNG冷能利用循环发电系统，其特征在于：它包括三级LNG冷能利用循环发电系统、海水泵和LNG循环泵。该系统采用LNG冷能作为冷源，采用海水作为热源，通过ORC实现热点转换。第一级和第二级冷能利用ORC系统采用R1150作为循环工质，第三级冷能利用ORC系统采用R1270作为循环工质。该系统的蒸发压力收到海水温度的限制，没有利用LNG混合动力船舶上的高品位热源。
鉴于此，实有必要提供一种可以解决上述技术问题且适用于LNG混合动力船舶的ORC复合发电系统。
【发明内容】
针对以上技术问题，本发明提供了一种适用于LNG混合动力船舶的ORC复合发电系统，有效地利用LNG气化冷能、LNG/柴油双燃料主机缸套冷却水废热和烟气废热，降低热源和冷源之间的温差，减少传热过程中的损失，实现高效热电转换，具有显著的经济效益和社会效益，符合节能降耗减排的基本国策。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种适用于LNG混合动力船舶的ORC复合发电系统，其特征在于：它包括一级ORC回路、二级ORC回路、LNG/柴油双燃料主机缸套冷却水回路、烟气冷却回路和LNG气化回路；所述的一级ORC回路被所述的LNG气化回路产生的冷能和所述的LNG/柴油双燃料主机缸套冷却水回路产生的热能驱动；所述的二级ORC回路被所述的LNG气化回路产生的冷能和所述的烟气冷却回路产生的热能驱动。
作为本发明的优选实施例，所述的LNG气化回路包括依次连接的LNG压力泵、流量调节阀、一级减压阀、二级减压阀和辅助加热器，所述的LNG气化回路与所述的一级ORC回路通过一级冷凝器进行热交换，与二级ORC回路通过二级冷凝器进行热交换。
作为本发明的优选实施例，所述的一级ORC回路包括一级冷凝器、一级透平、一级发电机、一级蒸发器和一级工质循环泵；循环工质在所述的一级工质循环泵作用下，完成在所述的一级ORC回路中的流动；循环工质在所述的一级冷凝器中吸收来自所述的LNG气化回路中的冷能，完成冷凝放热的过程；循环工质在所述的一级蒸发器中吸收来自所述的LNG/柴油双燃料主机缸套冷却水回路中的热量，完成蒸发吸热的过程；循环工质在一级透平的作用下，推动一级发电机完成热电转换过程。
作为本发明的优选实施例，所述的二级ORC回路包括二级冷凝器、二级透平、二级发电机、二级蒸发器和二级工质循环泵；循环工质在所述的二级工质循环泵作用下，完成在所述的二级ORC回路中的流动；循环工质在所述的二级冷凝器中吸收来自所述的LNG气化回路中的冷能，完成冷凝放热的过程；循环工质在所述的二级蒸发器中吸收来自所述的烟气冷却回路中的热量，完成蒸发吸热的过程；循环工质在二级透平的作用下，推动一级发电机完成热电转换过程。
作为本发明的优选实施例，所述的LNG/柴油双燃料主机缸套冷却水回路包括一级蒸发器、一级板式换热器、一级冷却液循环泵、流量调节阀和LNG/柴油双燃料主机。
作为本发明的优选实施例，所述的烟气冷却回路包括二级蒸发器、二级板式换热器、烟气交互池、流量调节阀和二级冷却液循环泵。
作为本发明的优选实施例，LNG吸热气化成气体后，与柴油在所述的LNG/柴油双燃料主机内混合燃烧，为船舶提供动力。
作为本发明的优选实施例，所述的一级ORC回路所采用的制冷剂为R600，所述的二级ORC回路所采用的制冷剂为R245fa。
作为本发明的优选实施例，所述的主机缸套冷却水回路和所述的烟气冷却回路均采用乙二醇与丙三醇的混合溶液为循环工质。
作为本发明的优选实施例，所述的LNG气化回路提供所述的一级ORC回路和二级ORC回路需要的冷能；所述的主机缸套冷却水回路提供所述的一级ORC回路需要的热能，所述的烟气冷却回路提供所述的二级ORC回路需要的热能。
与现有技术相比，本发明基于能量梯级利用的LNG混合动力船舶热管理系统至少具有以下优点：1.整合了LNG混合动力船舶上LNG气化过程中释放出来的冷能、烟气冷却回路的废热和LNG/柴油双燃料主机冷却的废热，在进行余热回收的同时，充分利用冷能，提高能源利用率，降低船舶运输成本中燃料费用的比例，为新能源船舶的发展和应用奠定基础。2.所构建的ORC复合，一级ORC以LNG/柴油双燃料主机缸套冷却水回路中的废热为热源，以LNG气化过程中释放的冷能为冷源，二级ORC以烟气冷却液中的废热为热源，经过了一级ORC的LNG气化过程中释放的冷能为冷源，实现工质的相变换热。如此，减小了每一级ORC回路中蒸发温度和冷凝温度的差值，降低了ORC系统中透平、冷凝器和蒸发器的损失。3.本发明采用能够有效冷却船舶主机，降低烟气排放温度，减少了污染排放，保证其能运行在安全温度范围之内。4.本发明一级和二级ORC回路分别采用R600和R245fa作为循环工质，充分考虑了工质的热力特性与运行温度的优化匹配。主机缸套冷却水回路和烟气冷却回路采用乙二醇和丙三醇的混合液，确保了换热效率，使得系统能够稳定运行，安全可靠，便于工程实施。
【附图说明】
图1为本发明的一种适用于LNG混合动力船舶的ORC复合发电系统的第一种实施方式的原理图。
图2为本发明的一种适用于LNG混合动力船舶的ORC复合发电系统的第二种实施方式的原理图。
图3为本发明的一种适用于LNG混合动力船舶的ORC复合发电系统的烟气冷却回路的原理图。
图4本发明的一种适用于LNG混合动力船舶的ORC复合发电系统控制原理图。
附图中的标记如下表：
标记 名称 标记 名称
1 LNG储液罐 16 二级冷凝器
2 LNG压力泵 17 二级板式换热器
3 流量调节阀 18 烟气交互池
4 一级减压阀 19 流量调节阀
5 二级减压阀 20 冷却液循环泵
6 辅助加热器 21 一级板式换热器
7 一级冷凝器 22 冷却液循环泵
8 一级工质循环泵 23 流量调节阀
9 一级蒸发器 24 LNG/柴油双燃料主机
10 一级透平 25 中央冷却水系统
11 一级发电机 26 一级辅助板式换热器
12 二级发电机 27 二级辅助板式换热器
13 二级透平
14 二级蒸发器
15 二级工质循环泵
标记 名称 标记 名称
301 洗气液补液口 306 过滤装置
302 排气口 307 循环泵
303 锥形导气罩 308 冷却液循环泵
304 换热盘管
305 洗气液
【具体实施方式】
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
如图1所示，一种适用于LNG混合动力船舶的ORC复合发电系统，该系统包含：一级ORC回路(I)、二级ORC回路(II)、LNG/柴油双燃料主机缸套冷却水回路(III)、烟气冷却回路(IV)和LNG气化回路(V)。
上述一级ORC回路(I)包括一级冷凝器7、一级工质循环泵8、一级蒸发器9、一级透平10和一级发电机11。上述一级ORC回路(I)以主机缸套冷却水为热源，循环工质通过一级蒸发器9，吸收LNG/柴油双燃料主机缸套冷却水回路(III)中的热量，变成高温蒸汽；随后进入一级透平10推动一级发电机11发电；上述一级ORC回路(I)以LNG气化回路冷能为冷源，循环工质通过一级冷凝器7，吸收LNG气化回路(V)的冷能，，将一级循环工质冷却成液体状态。如此，在一级工质循环泵8的作用下，完成一级ORC循环。考虑到热源温度范围通常在80℃～90℃，优选地，将一级ORC回路首先吸收LNG气化回路释放出的冷能，以降低冷源和热源之间的温差，减少一级循环工质相变过程中的不可逆损失。
上述二级ORC回路(II)包括二级冷凝器16、二级工质循环泵15、二级蒸发器14、二级透平13和二级发电机12。上述二级ORC回路(II)以烟气冷却回路为热源，循环工质通过二级蒸发器14，吸收烟气冷却回路(IV)中的热量，变成高温蒸汽；随后进入二级透平13推动二级发电机12发电；上述二级ORC回路(II)以LNG气化回路冷能为冷源，循环工质通过二级冷凝器16，吸收LNG气化回路(V)的冷能，将二级循环工质冷却成液体状态。如此，在二级工质循环泵15的作用下，完成二级ORC循环。考虑到热源温度范围通常在300℃～500℃，优选地，将二级ORC回路在一级ORC回路之后吸收LNG气化回路释放出的冷能，以降低冷源和热源之间的温差，减少二级循环工质相变过程中的不可逆损失。
优选地，实施例中的一级ORC和二级ORC采用的工质考虑了其热力特性与冷热源温度的优化匹配。一级ORC回路的循环工质为R600，二级ORC回路采用R245fa作为工质。主机缸套冷却水回路和烟气冷却回路采用乙二醇和丙三醇作为工质。
上述LNG气化回路(V)中，设有辅助电加热6，以保证ORC非正常工况下LNG的气化温度，满足LNG混合动力船舶的气化比和动力性能要求。LNG在充分气化后，进入LNG/柴油双燃料主机24中与柴油混合燃烧，为船舶提供动力。出于同种考虑，在LNG/柴油双燃料主机缸套冷却水回路(III)和烟气冷却回路(IV)中分别设置一级板式换热器21和二级板式换热器17，与船舶中央冷却系统相连，以满足ORC非正常工况下主机和烟气的冷却需求。
如图2所示，作为本发明的第二实施例，在第一实施例的基础上添加一级辅助板式换热器26和二级辅助板式换热器27，构建一个辅助循环回路(VI)，该回路中的循环介质一次吸收主机缸套冷却水余热和烟气余热，能够有效提高ORC的蒸发压力，以此提高ORC的热电转换效率。优选地，辅助循环回路中采用乙二醇和丙三醇作为工质。
优选地，上述板式换热器均为逆流式板式换热器。
如图3所示，优选地，实施例中的烟气冷却回路包括洗气液补液口301、排气口302、锥形导气罩303、换热盘管304、洗气液305、过滤装置306、循环泵307和冷却液循环泵308。烟气冷却回路中的循环介质通过换热盘管304对烟气进行冷却并吸收烟气的热量。
如图4所示，优选地，第一实施例中的各个回路均受中央控制器控制。主机运行参数决定了LNG气化比例，即LNG的气化流量。在满足LNG气化温度和流量的前提下，综合主机缸套冷却水回路运行参数和烟气冷却回路运行参数，启动两级ORC回路。若ORC回路的排气背压和工质流量不符合要求，则重新调整主机缸套冷却水回路和烟气冷却回路的参数。各参数由中央控制器统一协调，以此来保证该实施例的安全高效运行。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利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专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (5)

1.一种适用于LNG混合动力船舶的ORC复合发电系统，其特征在于：它包括一级ORC回路(I)、二级ORC回路(II)、LNG/柴油双燃料主机缸套冷却水回路(III)、烟气冷却回路(IV)和LNG气化回路(V)；所述的一级ORC回路被所述的LNG气化回路产生的冷能和所述的LNG/柴油双燃料主机缸套冷却水回路产生的热能驱动，包括一级冷凝器(7)、一级工质循环泵(8)、一级蒸发器(9)、一级透平(10)和一级发电机(11)；所述的二级ORC回路被所述的LNG气化回路产生的冷能和所述的烟气冷却回路产生的热能驱动，包括二级冷凝器(16)、二级工质循环泵(15)、二级蒸发器(14)、二级透平(13)和二级发电机(12)；所述的LNG/柴油双燃料主机缸套冷却水回路包括一级蒸发器(9)、一级板式换热器(21)、一级冷却液循环泵(22)、流量调节阀(23)和LNG/柴油双燃料主机(24)；所述的烟气冷却回路包括二级蒸发器(14)、二级板式换热器(17)、烟气交互池(18)、流量调节阀(19)和二级冷却液循环泵(20)；所述的一级板式换热器(21)和二级板式换热器(17)分别与船舶中央冷却系统(25)相连；所述的LNG气化回路包括依次连接的LNG压力泵(2)、流量调节阀(3)、一级减压阀(4)、二级减压阀(5)和辅助加热器(6)；所述的LNG气化回路通过所述的一级ORC回路中的一级冷凝器(7)吸收一级循环工质的热量，通过所述的二级ORC回路中的二级冷凝器(16)与二级循环工质进行热交换。
2.如权利要求1所述的一种适用于LNG混合动力船舶的ORC复合发电系统，其特征在于：LNG在一级冷凝器(7)和二级冷凝器(16)中分别吸收热量气化成气体后，与柴油在所述的LNG/柴油双燃料主机的燃烧室(24)内混合燃烧；所述的LNG/柴油双燃料主机可以是单点、多点喷射LNG/柴油双燃料发动机或者缸内直喷式LNG/柴油双燃料主机；所述的LNG/柴油双燃料发动机在进气总管上设置有温度传感器，通过传感器采集的信号判断LNG的供给比例。
3.如权利要求1所述的一种适用于LNG混合动力船舶的ORC复合发电系统，其特征在于：所述的一级ORC回路和二级ORC回路的循环工质分别采用R600和R245fa；所述的LNG/柴油双燃料主机缸套冷却水回路和烟气冷却回路采用的工质是乙二醇与丙三醇的混合溶液；所述的一级ORC回路和二级ORC回路中所采用的一级蒸发器、一级冷凝器、二级蒸发器和二级冷凝器是逆流式板式换热器；所述的一级工质循环泵和二级工质循环泵是多级离心泵，所述的一级透平和二级透平是单级向心径流反动式透平膨胀机；所述的一级发电机和二级发电机是交流发电机。
4.如权利要求1所述的一种适用于LNG混合动力船舶的ORC复合发电系统，其特征在于：所述的LNG气化回路依次为所述的一级ORC回路和二级ORC回路提供冷能；所述的LNG/柴油双燃料主机缸套冷却水回路为所述的一级ORC回路提供热能；所述的烟气冷却回路为所述的二级ORC回路提供热能。
5.如权利要求1所述的一种适用于LNG混合动力船舶的ORC复合发电系统，其特征在于：所述的LNG气化温度、主机冷却温度和烟气冷却温度均由传感器实测，并由中央控制器统一调节。
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