CN202170824U - 船舶柴油机废气热循环装置 - Google Patents

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王怡
何明浩
朱春民
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Abstract

本实用新型公开了一种船舶柴油机废气热循环装置，包括废气收集器和废气涡轮增压单元，所述废气涡轮增压单元后设置一锅炉单元，废气涡轮增压单元的废气出口和锅炉单元的废气入口通过一第一管道连接。本实用新型机理简单，能够以更大程度地降低油耗，减少温室气体排放，从而实现节能减排，同时热循环装置结构紧凑，可以根据主机舱的空间进行适当调整，大大提高了燃油热效率。

Description

船舶柴油机废气热循环装置
技术领域
本实用新型涉及一种废气热循环装置，特别是一种应用于船舶主机排放系统的废气热循环利用装置。
背景技术
随着世界经济的不断发展，各行业对石油的需求越来越多。但是石油作为不可再生资源，其稀缺性也随着社会的进步渐渐展现出来。自从1973年出现了首次石油危机以来，不断提高船舶能耗效率就成为了全世界船舶设计建造企业共同追求的目标。伴随着科技的不断进步，船舶柴油机的能耗效率也不断提高，现当今低速机的效率已经可以接近50％。但是从环境保护和降低能耗的角度出发，我们还是希望它能够达到更高的水平，从而实现更低的油耗以及更少温室气体的排放。
我们以Sulzer 12K98ME/MC型主机为例，主机轴动力输出仅占全部能量的49.3％，这也意味着燃油燃烧产生的能量中只有不到一半的能量转化为机械能用于推进，其他的能量都转化成其他形式的能量。Sulzer12K98ME/MC型主机的额定功率是68640kW，每天的耗油量将近300吨，燃烧后将向大气排放约934吨CO2，这不但给环境造成了极大的负担同时也浪费了我们有限的资源。
在没有利用的能量中主机排放的废气包含了大量的能量，达到了燃料燃烧产生总能量的25.5％，相当于有效利用能量的一半。目前我们对这部分能量的利用还非常低，造成了很大程度上的能量浪费。虽然目前船用柴油机已开始使用涡轮增压系统，但是，废气经过涡轮增压系统后，仍然具有较高的热量，这部分废气直接排向外界，属实可惜。假如这部分能量可以被利用起来，那么无疑将提高能源利用率，从而降低能源消耗减少排放。
本领域技术人员致力于在不影响主机可靠性以及安全性的前提下，在船舶系统加装废热回收系统，以更大程度地降低油耗，减少温室气体排放，从而实现节能减排。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有船舶柴油机的排放热量损失巨大，难以重复利用的不足，提供一种船舶柴油机废气热循环装置，以提高船舶主机的燃油热效率。
本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
一种船舶柴油机废气热循环装置，包括废气收集器和废气涡轮增压单元，其特点在于，所述废气涡轮增压单元后设置一锅炉单元，废气涡轮增压单元的废气出口和锅炉单元的废气入口通过一第一管道连接。
较佳地，还包括一蒸汽涡轮单元，该蒸汽涡轮单元与所述锅炉单元形成一闭合系统，锅炉单元的工质出口与蒸汽涡轮单元的工质入口通过一第二管道连接，锅炉单元的工质入口与蒸汽涡轮单元的工质出口通过一第三管道连接。
较佳地，所述蒸汽涡轮单元的输出轴与一发电机的输入轴连接。
较佳地，所述蒸汽涡轮单元的输出轴与所述发电机的输入轴之间设置一减速器。
较佳地，还包括一废气动力涡轮单元，所述废气收集器与废气动力涡轮单元通过一第四管道连接。
较佳地，所述废气动力涡轮单元的输出轴与所述蒸汽涡轮单元的传动轴通过一离合器连接。
较佳地，所述蒸汽涡轮单元与所述锅炉单元形成的闭合系统为单级压力蒸汽涡轮系统。
较佳地，所述蒸汽涡轮单元与所述锅炉单元形成的闭合系统为双级压力蒸汽涡轮系统。
本实用新型中，上述优选条件在符合本领域常识的基础上可任意组合，即得本实用新型各较佳实施例。
本实用新型的积极进步效果在于：本实用新型装置机理简单，能够以更大程度地降低油耗，减少温室气体排放，从而实现节能减排，同时热循环装置结构紧凑，可以根据主机舱的空间进行适当调整。
附图说明
图1为本实用新型的废气热循环装置的原理示意图。
具体实施方式
本实用新型的实施例将参照附图进行说明。在说明书附图中，具有类似结构或功能的元件或装置将用相同的元件符号表示。附图只是为了便于说明本实用新型的各个实施例，并不是要对本实用新型进行穷尽性的说明，也不是对本发明的范围进行限制。
如图1所示为本实用新型中的一个实施例。在该实施例中，船舶主柴油机(“主机”)1正常运转，主机1通过输出轴带动螺旋桨11转动，推动船舶前进。输出轴上还设置有轴带发电机/电动机12，用以驱动输出轴或在主机运行时产生电流，将电能汇入主配电盘10中，供船舶用电。
主机1排出的废气进入废气收集器2，主机各缸排出的废气在废气收集器2中汇集后，从出口21处进入废气涡轮增压单元3。在废气涡轮增压单元3中，废气驱动涡轮31旋转，此时，废气中的一部分内能转化为机械能，该机械能通过增压器32进行使用，图中示出废气涡轮增压单元数量为3个，技术人员明白实际数量将随着具体工况而调整。废气经过涡轮31后，其压力和温度降低，通过管道913来到锅炉单元9，废气在进入锅炉单元入口91时，还含有一定的温度和压力，此时废气与锅炉9中的工质进行热交换，热交换结束后，废气的内能进一步降低，通过锅炉单元出口92排出。
锅炉单元9与蒸汽涡轮单元6形成一闭合系统，锅炉单元9的工质出口94与蒸汽涡轮单元的工质入口61通过管道946连接，锅炉单元的工质入口93与蒸汽涡轮单元的工质出口62通过管道936连接。在一个较佳实施例中，该闭合系统中的工质为水。水在锅炉中被加热，变为高压气态水来到蒸汽涡轮单元6，推动涡轮叶片做功，同时气态水内能降低，变为低压气态水(包括液态水)通过管道936回流至锅炉单元9。本领域的技术人员能够理解，该闭合系统的单元组件数量和复杂程度远不止上文所述，例如，该闭合系统可以是单级压力蒸汽涡轮系统，则其包括废气锅炉单元、蒸汽涡轮单元、循环泵、给水泵、蒸汽包、冷凝器等元件。该闭合系统同样可以是双级压力蒸汽涡轮系统，则在这种情况下，该闭合系统包括废气锅炉单元、蒸汽涡轮单元、高压循环泵、低压循环泵、给水泵、高压蒸汽包、低压蒸汽包、冷凝器等元件。上述的单级压力蒸汽涡轮系统和双级压力蒸汽涡轮系统都是业内比较成熟的技术，本领域的技术人员可以根据需要，如机舱的空间大小、船舶的经济性要求等考虑因素，对闭合系统进行调整，在此不赘述。
锅炉单元9与蒸汽涡轮单元6形成一闭合系统的同时，循环水蒸汽也可以流出一部分为本装置以外需要加热的设备进行加热，例如，蒸汽可以通过出口95通到别处以加热需要被加热的设备，完成加热后再回到锅炉单元入口(图未示出)继续与废气进行热交换。这些额外的加热系统的运行可以通过阀门进行控制。
在锅炉中被加热的气态水来到蒸汽涡轮单元6，推动涡轮叶片做功，蒸汽涡轮单元6的输出轴转动，此时输出轴的转速非常高，所以要经过减速齿轮箱7进行减速，这样输出轴转速降低到发电机8可以承受的转速范围，此时输出轴驱动发电机8进行发电。这样，船舶柴油机的废气中的一部分热能最终转化成了电能，为人们所利用。
在一个较佳实施例中，废气收集器2另设有一废气出口22，该出口22与一废气动力涡轮单元4的废气入口41通过管道412连接，废气动力涡轮单元4的废气出口42通过管道423与前述管道913连通。这样，废气收集器2的一部分废气可以直接驱动废气动力涡轮单元4的输出轴做功。废气涡轮动力单元4的输出轴与蒸汽涡轮单元6的传动轴通过一离合器5连接，这样，废气动力涡轮单元4与蒸汽涡轮单元6共同驱动发电机8进行发电。废气经过废气动力涡轮单元4后与废气涡轮增压单元3排出的废气一道继续通过锅炉单元9与工质进行热交换，这样，系统的热效率进一步提高。在一个实施例中，船舶主机负荷在55％～100％之间时，主机排放的一部分废气通过管道412进入废气动力涡轮单元4驱动其工作，产生能量的总量由废气量决定。当主机负荷小于55％时，废气涡轮增压单元3的压力不足，为废气动力涡轮单元4供气的风口会自动关闭，此时废气动力涡轮单元4暂停工作。
发电机8发出的电力汇入主配电盘10中可以供全船各处使用，也可驱动轴带电动机用以驱动输出轴。
虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种船舶柴油机废气热循环装置，包括废气收集器和废气涡轮增压单元，其特征在于，所述废气涡轮增压单元后设置一锅炉单元，废气涡轮增压单元的废气出口和锅炉单元的废气入口通过一第一管道连接。
2.如权利要求1所述的船舶柴油机废气热循环装置，其特征在于，还包括一蒸汽涡轮单元，该蒸汽涡轮单元与所述锅炉单元形成一闭合系统，锅炉单元的工质出口与蒸汽涡轮单元的工质入口通过一第二管道连接，锅炉单元的工质入口与蒸汽涡轮单元的工质出口通过一第三管道连接。
3.如权利要求2所述的船舶柴油机废气热循环装置，其特征在于，所述蒸汽涡轮单元的输出轴与一发电机的输入轴连接。
4.如权利要求3所述的船舶柴油机废气热循环装置，其特征在于，所述蒸汽涡轮单元的输出轴与所述发电机的输入轴之间设置一减速器。
5.如权利要求3或4所述的船舶柴油机废气热循环装置，其特征在于，还包括一废气动力涡轮单元，所述废气收集器与废气动力涡轮单元通过一第四管道连接。
6.如权利要求5所述的船舶柴油机废气热循环装置，其特征在于，所述废气动力涡轮单元的输出轴与所述蒸汽涡轮单元的传动轴通过一离合器连接。
7.如权利要求2、3或4所述的船舶柴油机废气热循环装置，其特征在于，所述蒸汽涡轮单元与所述锅炉单元形成的闭合系统为单级压力蒸汽涡轮系统。
8.如权利要求2、3或4所述的船舶柴油机废气热循环装置，其特征在于，所述蒸汽涡轮单元与所述锅炉单元形成的闭合系统为双级压力蒸汽涡轮系统。
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