CN113279830A - 一种热电联供的船舶柴油机蒸汽朗肯系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热电联供的船舶柴油机蒸汽朗肯系统，包括废气锅炉、蒸发器、透平、发电机、冷凝器、工质泵、热水换热器、热水泵、蒸发器前置阀、蒸发器后置阀、热水换热器前置阀、热水换热器后置阀。本发明结合蒸汽朗肯循环发电技术、废气锅炉技术提出了热电联供的船舶柴油机废热回收系统，以回收柴油机排气能量，提高系统热效率，通过废气锅炉对柴油机烟气进行换热，获得一定温度的导热油作为热源，使整套余热回收系统具有更加稳定灵活的运行工况，防止了废气锅炉等设备损坏直接对蒸汽朗肯循环和热水供应系统造成影响，热水供应系统通过冷凝器将冷却水进行预热，完成了蒸汽朗肯循环内乏汽的剩余热量回收。

Description

一种热电联供的船舶柴油机蒸汽朗肯系统
技术领域
本发明涉及船舶柴油机废气锅炉技术领域，具体为一种热电联供的船舶柴油机蒸汽朗肯系统。
背景技术
随着对船舶节能减排的需求紧迫，国际海事组织(IMO)明确提出船舶能效设计指数和船舶能效运营指数的执行表，规定在未来几年内逐步分阶段进行折减，新船能效设计指示EEDI的确定和实施，使船舶的节能减排工作迫在眉睫。因此更加高效且能提供多种能量形式的能量回收系统对邮轮等设计和运营具有积极的推动作用，并对全球的节能减排做出重要贡献。
船舶柴油机排气仍具有较高的温度，蕴藏着大量能量待利用，目前应用于船舶主机后排气再利用的技术主要有动力涡轮发电技术、废气锅炉技术等。动力涡轮发电技术在不影响主机运行的前提下，充分回收涡轮增压器旁通废气能量，由于需要柴油机排气量大于涡轮增压器进气量要求时才能进行发电作业，因此动力涡轮的应用受到了一定限制；废气锅炉发电技术则可灵活地实现废气的回收发电，并且柴油机变工况运行对其影响较小，但是通过锅炉后中的乏汽仍具有一定热能，通过冷凝器被带走，因此通过一定的技术手段回收该部分能量可进一步提高系统热效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热电联供的船舶柴油机蒸汽朗肯系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种热电联供的船舶柴油机蒸汽朗肯系统，包括废气锅炉、蒸发器、透平、发电机、冷凝器、工质泵、热水换热器、热水泵、蒸发器前置阀、蒸发器后置阀、热水换热器前置阀、热水换热器后置阀，所述废气锅炉的导热油出口通过三通管分别与蒸发器前置阀、热水换热器前置阀的进口相连通，蒸发器前置阀出口与蒸发器的导热油进口相连通，热水换热器的导热油出口与热水换热器后置阀的进口相连通，所述热水换热器后置阀的出口、蒸发器后置阀的出口通过三通管汇聚后与导热油泵的进口相连通，导热油泵的出口与废气锅炉的进口相连通，本实施例的热电联供的船舶柴油机蒸汽朗肯系统中，废气锅炉、热水换热器、导热油泵共同组成导热油回路，将柴油机排气热能交换至导热油，作为具备一定温度的热源，为发电系统和热水供应系统提供能量。通过导热油回路可降低排气温度、流量的变化对发电系统和热水供应系统的冲击，提升能量回收系统的稳定性。在导热油回路中，低温的导热油被导热油泵送至废气锅炉中加热，形成高温导热油，高温导热油通过管路和阀门被分配至蒸发器和热水换热器内。
作为本发明的一种优选方案，所述蒸发器的工质出口与透平的进口相连通，透平的出口与冷凝器的工质进口相连通，冷凝器的工质出口与工质泵的进口相连通，工质泵的出口与蒸发器的工质进口相连通，形成蒸汽朗肯循环回路。
作为本发明的一种优选方案，，所述冷凝器的水出口与热水换热器的水进口相连，预热后的水在热水换热器中得到二次加热，并由热水换热器7的水出口流出，输送至用户端。
作为本发明的一种优选方案，，所述透平采用向心透平、轴流透平或混流透平，可根据实际的工质、压力、温度、流量选用不同的形式。
作为本发明的一种优选方案，，所述蒸发器、冷凝器和热水换热器均采用管壳式或板式，其效果更好。
作为本发明的一种优选方案，，所述蒸发器前置阀、热水换热器前置阀采用调节式的蝶阀，蒸发器后置阀、热水换热器后置阀可采用开关式的截止阀，以达到更佳的控制效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本热电联供的船舶柴油机蒸汽朗肯系统中，结合蒸汽朗肯循环发电技术、废气锅炉技术提出了热电联供的船舶柴油机废热回收系统，以回收柴油机排气能量，提高系统热效率，通过废气锅炉对柴油机烟气进行换热，获得一定温度的导热油作为热源，使整套余热回收系统具有更加稳定灵活的运行工况。并防止了废气锅炉等设备损坏直接对蒸汽朗肯循环和热水供应系统造成影响。
2、本热电联供的船舶柴油机蒸汽朗肯系统中，热源分配阀组使整体系统运行更加灵活便捷，允许系统根据热、电的需求对热源进行分配。
3、本热电联供的船舶柴油机蒸汽朗肯系统中，热水供应系统通过冷凝器将冷却水进行预热，完成了蒸汽朗肯循环内乏汽的剩余热量回收，再通过热水换热器进一步加热获得符合要求的热水，该二次加热的方式降低了蒸汽朗肯循环的热量损耗，提升了系统的整体热效率。
4、本热电联供的船舶柴油机蒸汽朗肯系统中，发电系统采用了蒸汽朗肯循环，其结构简单，可接受较广的热源温度，实现高效发电，系统的适用范围更广。
附图说明
图1是本发明的热电联供的船舶余热回收系统流程图。
图中各标号的含义：
废气锅炉1；蒸发器2；透平3；发电机4；冷凝器5；工质泵6；热水换热器7；热水泵8；蒸发器前置阀9；蒸发器后置阀10；热水换热器前置阀11；热水换热器后置阀12。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种热电联供的船舶柴油机蒸汽朗肯系统，如图1所示，包括废气锅炉1、蒸发器2、透平3、发电机4、冷凝器5、工质泵6、热水换热器7、热水泵8、蒸发器前置阀9、蒸发器后置阀10、热水换热器前置阀11、热水换热器后置阀12，废气锅炉1的导热油出口通过三通管分别与蒸发器前置阀9、热水换热器前置阀11的进口相连通，蒸发器前置阀9出口与蒸发器2的导热油进口相连通，热水换热器7的导热油出口与热水换热器后置阀12的进口相连通，热水换热器后置阀12的出口、蒸发器后置阀10的出口通过三通管汇聚后与导热油泵8的进口相连通，导热油泵8的出口与废气锅炉1的进口相连通。
进一步的，废气锅炉1中的导热油被加热形成高温导热油，废气锅炉1的导热油出口通过三通管与蒸发器前置阀9、热水换热器前置阀11的进口相连；蒸发器前置阀9出口与蒸发器2的导热油进口相连，作为朗肯循环的热源；热水换热器前置阀11出口与热水换热器7的导热油进口相连，作为热水供应系统的主热源；热水换热器7的导热油出口与热水换热器后置阀12的进口相连，热水换热器后置阀12的出口与蒸发器后置阀10的出口通过三通管汇聚后与导热油泵8的进口相连，导热油泵8的出口与废气锅炉1的进口相连，完成导热油循环回路。
具体的，蒸汽朗肯循环回路中，蒸发器2的工质出口与透平3的进口相连，为其供给工质蒸汽，做功后形成乏汽，乏汽由透平3的出口流出，透平3的出口与冷凝器5的工质进口相连，乏汽对冷却水进行预热，冷凝器5的工质出口与工质泵6的进口相连，工质泵6的出口与蒸发器2的工质进口相连，形成蒸汽朗肯循环回路。
本实施例热水供应系统中，冷却水被外界水泵输送至冷凝器5的水进口，被预热后的水由冷凝器5的水出口流出，冷凝器5的水出口与热水换热器7的水进口相连，预热后的水在热水换热器中得到二次加热，并由热水换热器7的水出口流出，输送至用户端。
值得说明的是，透平3可采用向心透平、轴流透平或混流透平，可根据实际的工质、压力、温度、流量选用不同的形式。
此外，蒸发器2、冷凝器5和热水换热器7可采用多种不同的形式，如管壳式、板式等。
较优地，蒸发器前置阀9、热水换热器前置阀11可采用调节式的蝶阀，蒸发器后置阀10、热水换热器后置阀12可采用开关式的截止阀，以达到更佳的控制效果。
本实施例的热电联供的船舶柴油机蒸汽朗肯系统中，废气锅炉1、热水换热器7、导热油泵8共同组成导热油回路，将柴油机排气热能交换至导热油，作为具备一定温度的热源，为发电系统和热水供应系统提供能量。
通过导热油回路可降低排气温度、流量的变化对发电系统和热水供应系统的冲击，提升能量回收系统的稳定性。
在导热油回路中，低温的导热油被导热油泵8送至废气锅炉1中加热，形成高温导热油，高温导热油通过管路和阀门被分配至蒸发器和热水换热器内。
进入蒸发器中的高温导热油作为蒸汽朗肯循环的热源加热其中的水形成蒸汽，导热油由此被冷却；进入热水换热器7的高温导热油作为生活用热水的主要热源，加热并产生生活用热水，冷却后的导热油与从蒸发器出来的导热油一同回流至导热油泵，完成整个导热油循环。
蒸发器2、透平3、发电机4、冷凝器5、工质泵6共同组成蒸汽朗肯循环发电系统，完成将热能转化为电能的能量转化和余热回收功能。
蒸汽朗肯循环发电系统中，工质泵6在进入蒸发器前为液态，经过与蒸发器2中的导热油换热后，形成具有一定压力和温度的气态工质。气态工质进入透平3并推动叶轮旋转做功，带动发电机4发电并对外输出电力，做功后的工质压力温度均下降，形成乏汽，进入冷凝器5。乏汽在冷凝器5中进行换热，将剩余热能传递给冷却水，使冷却水温度上升，同时乏汽被冷凝回液态工质。冷凝的液态工质进入工质泵中，并输送回蒸发器2，完成整个蒸汽朗肯循环回路。
热水供应系统主要由冷凝器5和热水换热器7组成。常温或温度较低的冷却水由外界水泵供给入本系统内，进入冷凝器5中，冷却水吸收蒸汽朗肯循环中乏汽的热量，温度上升，起到预热效果；预热后的热水进入热水换热器7中，被更高温度的导热油二次加热，并形成符合温度要求的热水，被输送出系统至用户端使用。
在蒸发器前后以及热水换热器前后均布置有阀门，包括蒸发器前置阀9、蒸发器后置阀10、热水换热器前置阀11、热水换热器后置阀12，组成热源分配阀组，通过对热源分配阀组的调节可实现电能和热水的控制，以满足用户对电和热的需求变化。
本实施例的热电联供的船舶柴油机蒸汽朗肯系统工作方法包括制热模式、发电模式和热电联产模式，具体如下：
A.制热模式：关闭蒸发器前置阀9和蒸发器后置阀10；开启热水换热器前置阀11、热水换热器后置阀12；导热油泵8开启，工质泵6关闭。使导热油全部通过热水换热器7进行换热，形成符合要求的热水，并对外供应。
B.发电模式：关闭热水换热器前置阀11、热水换热器后置阀12；开启蒸发器前置阀9和蒸发器后置阀10；导热油泵8开启，工质泵6开启。使导热油全部通过蒸发器2进行换热，蒸汽朗肯循环回路完成对能量的转化和电能输出。冷凝器5的水出口仍将产生较低温度的热水，此时可将热水旁通，不输送至用户端。
C.热电联产模式：蒸发器后置阀10、热水换热器后置阀12开启；导热油泵8开启，工质泵6开启；蒸发器前置阀9、热水换热器前置阀11根据实际需求或运行状态调节开度大小，以调控热水和电能的供应比例。
本发明的热电联供的船舶柴油机蒸汽朗肯系统中，通过废气锅炉对船舶柴油机废热进行回收，以获得特定要求的热源，并通过朗肯循环和热水供应系统完成电、热的回收转化，具有如下优点：
(1)通过废气锅炉对柴油机烟气进行换热，获得一定温度的导热油作为热源，使整套余热回收系统具有更加稳定灵活的运行工况。并防止了废气锅炉等设备损坏直接对蒸汽朗肯循环和热水供应系统造成影响。
(2)热源分配阀组使整体系统运行更加灵活便捷，允许系统根据热、电的需求对热源进行分配。
(4)热水供应系统通过冷凝器将冷却水进行预热，完成了蒸汽朗肯循环内乏汽的剩余热量回收，再通过热水换热器进一步加热获得符合要求的热水，该二次加热的方式降低了蒸汽朗肯循环的热量损耗，提升了系统的整体热效率。
(5)发电系统采用了蒸汽朗肯循环，其结构简单，可接受较广的热源温度，实现高效发电，系统的适用范围更广。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种热电联供的船舶柴油机蒸汽朗肯系统，其特征在于：包括废气锅炉(1)、蒸发器(2)、透平(3)、发电机(4)、冷凝器(5)、工质泵(6)、热水换热器(7)、热水泵(8)、蒸发器前置阀(9)、蒸发器后置阀(10)、热水换热器前置阀(11)、热水换热器后置阀(12)，所述废气锅炉(1)的导热油出口通过三通管分别与蒸发器前置阀(9)、热水换热器前置阀(11)的进口相连通，蒸发器前置阀(9)出口与蒸发器(2)的导热油进口相连通，热水换热器(7)的导热油出口与热水换热器后置阀(12)的进口相连通，所述热水换热器后置阀(12)的出口、蒸发器后置阀(10)的出口通过三通管汇聚后与导热油泵(8)的进口相连通，导热油泵(8)的出口与废气锅炉(1)的进口相连通。
2.根据权利要求1所述的热电联供的船舶柴油机蒸汽朗肯系统，其特征在于：所述蒸发器(2)的工质出口与透平(3)的进口相连通，透平(3)的出口与冷凝器(5)的工质进口相连通，冷凝器(5)的工质出口与工质泵(6)的进口相连通，工质泵(6)的出口与蒸发器(2)的工质进口相连通。
3.根据权利要求1所述的热电联供的船舶柴油机蒸汽朗肯系统，其特征在于：所述冷凝器(5)的水出口与热水换热器(7)的水进口相连。
4.根据权利要求1所述的热电联供的船舶柴油机蒸汽朗肯系统，其特征在于：所述透平(3)采用向心透平、轴流透平或混流透平。
5.根据权利要求1所述的热电联供的船舶柴油机蒸汽朗肯系统，其特征在于：所述蒸发器(2)、冷凝器(5)和热水换热器(7)均采用管壳式或板式。
6.根据权利要求1所述的热电联供的船舶柴油机蒸汽朗肯系统，其特征在于：所述蒸发器前置阀(9)、热水换热器前置阀(11)采用调节式的蝶阀。
7.根据权利要求1所述的热电联供的船舶柴油机蒸汽朗肯系统，其特征在于：所述蒸发器后置阀(10)、热水换热器后置阀(12)采用开关式的截止阀。
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