CN109812310A - 一种适用于船用低速发动机废热能量回收的余热利用*** - Google Patents

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冯永明
杜志强
朱元清
周松
张文平
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Abstract

本发明公开一种适用于船用低速发动机废热能量回收的余热利用***。包括高温有机朗肯循环子***和低温有机朗肯循环子***。***中空气冷却器为两段式设计，分为高温段和低温段；高温有机朗肯循环子***通过废气换热器、过热器、蒸发器、预热器和空气冷却器高温段来回收发动机排气和扫气空气的能量，产生日用蒸汽和输出电能；低温有机朗肯循环子***通过缸套水冷却器和空气冷却器低温段来回收缸套冷却水和扫气空气的能量，输出电能。本发明提出的余热利用***，可有效避免发动机在低负荷运行时余热利用***中换热器表面的酸腐蚀，可实现发动机全工况范围内余热能量合理、安全和有效的利用，显著提高船舶动力***热效率，降低EEDI。

Description

一种适用于船用低速发动机废热能量回收的余热利用***
技术领域
本发明涉及余热利用技术领域，特别是涉及一种适用于船用低速发动机废热能量回收的余热利用***。
背景技术
能源是人们在生活和发展中不可或缺的资源，是经济发展和人类社会的重要物质基础。全球大约90％的贸易都是通过海上运输完成的，而船舶作为能源消耗量巨大的运输工具，其对能源的高度消耗造成了船舶运行成本的增加和环境污染的问题。随着船舶节能减排的需求紧迫和海洋环境的日益恶化，国际海事组织(IMO)提出了EEDI(EnergyEfficiencyDesign Index，新船能效设计指数)的执行表，其中规定在2025年以后EEDI折减系数将达到30％，若不能达到要求，将面临高额的罚款，以补偿对环境的破坏。当前发动机的热效率一般为50％左右，燃料中仍有约50％的能量没有被利用，如果能利用这部分能量进行发电或作为辅助设备热源产生日用蒸汽，则可以部分或完全代替辅机和余热锅炉，从而提高船舶能量利用率，降低EEDI。如何有效、安全的利用这部分能量为本发明所要解决的问题。
目前船上余热利用循环***主要包括布雷顿循环和朗肯循环两种方式，其工质主要有水、有机工质和二氧化碳等。对于大型船用低速发动机来说，其废热源多为300℃以下的中低温热源，在这个温度区间内，有机朗肯循环相比其他热力循环具有明显优势。
有机朗肯循环是以沸点较低的有机物为工质的朗肯循环，具有环境友好、效率高、结构简单和负荷适应能力好等特点，可用于温度高于70℃以上的中低温热源，因此广泛应用在中低温余热回收***中。但由于船舶低速发动机燃用重油，余热利用***中的排气换热器出口温度最小值受到烟气中硫酸露点的影响，较低的排温会使烟气流中的硫酸冷凝腐蚀排气烟道，特别是在发动机低负荷时，此时的发动机排气温度较低，排气换热器的出口温度则会进一步降低，加剧了排气换热器的腐蚀，使余热利用***在低工况时无法使用。
船舶低速发动机余热源主要有发动机排气、增压空气和缸套冷却水。在船舶低速发动机常用工况范围内，排气温度在200℃～250℃之间波动，增压空气在30℃～200℃之间呈线性增长，缸套冷却水基本为恒温热源～90℃，从低负荷到高负荷，前两者占比逐渐提高，但在中低负荷，低品位能量在总损失能量中占比相对较大，因此如何提高船舶低速发动机中低负荷余热能的转化是一个重大难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于船用低速发动机废热能量回收的余热利用***，以解决上述现有技术存在的问题，在全工况范围内有效利用废热能量，实现了发动机余热能的梯级利用，具有安全性高、废热利用效率高等优点，可有效降低EEDI。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种适用于船用低速发动机废热能量回收的余热利用***，包括高温有机朗肯循环子***和低温有机朗肯循环子***；与两个子***相连的空气冷却器为两段式设计，分为高温段和低温段；
所述高温有机朗肯循环子***包括废气换热器、过热器、蒸发器、预热器、第一调节阀、第一有机工质透平、第一工质泵、第一储液罐、第一冷凝器、第一变速箱和第一发电机，低速发动机排出的废气依次流经所述废气换热器、过热器、蒸发器和预热器，经所述预热器换热后排入环境；所述废气换热器将废气换热产生日用蒸汽，所述废气换热器的蒸汽侧出口处设置有第三调节阀；所述预热器、蒸发器、过热器、第一有机工质透平、第一冷凝器、第一储液罐、第一工质泵、空气冷却器的高温段依次连接；所述第一有机工质透平、第一变速箱和第一发电机依次连接；
所述低温有机朗肯循环子***包括缸套水冷却器、第二冷凝器、第二工质泵、第二储液罐、第二调节阀、第二有机工质透平、第二变速箱和第二发电机；所述空气冷却器的低温段、缸套水冷却器、第二有机工质透平、第二冷凝器、第二储液罐、第二工质泵依次连接；所述第二有机工质透平、第二变速箱和第二发电机依次连接。
优选的，所述第一冷凝器和第二冷凝器的冷却介质均为海水。
优选的，所述高温有机朗肯循环子***以发动机排出的废气的能量为蒸发热源，以所述空气冷却器的高温段的能量为预热热源。
优选的，所述低温有机朗肯循环子***以缸套冷却水的能量为蒸发热源，以所述空气冷却器的低温段的能量为预热热源。
优选的，所述高温有机朗肯循环子***中的有机工质为正戊烷，所述低温有机朗肯循环子***中的有机工质为五氟丙烷。
优选的，在船舶低速发动机全工况范围内运行时，高温和低温有机朗肯循环子***同时工作，产生日用蒸汽和输出电能；当船舶低速发动机在45％工况以下运行时，所述高温有机朗肯循环子***中有机工质回路基本不工作，废气与所述废气换热器换热产生日用蒸汽，所述低温机朗肯循环子***正常工作，输出电能。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明中的适用于船用低速发动机全工况范围内废热能量回收的余热利用***，采用双有机工质机朗肯循环发电***，可以对船舶低速发动机全工况范围内的余热能量进行合理、安全的回收利用，有效提高动力***的热效率；
在船舶低速发动机低工况余热能量利用中，低温有机朗肯循环子***利用扫气空气的全部能量作为有机工质的预热热源，使用缸套冷却水的能量作为蒸发热源，并向外部输出电能，这样不仅避免了船舶余热利用***在船舶主机低工况时排温过低而引发的安全问题，也根据船舶低速发动机在低负荷时余热的特征，对发动机余热能量进行了合理的回收利用。
当船舶低速发动机在全工况范围内运行时，可以同时生产电能和日用蒸汽，满足了船上日常生活的需要；
本***可在船舶低速发动机低工况运行时，不需要调整发动机的性能参数或重新匹配涡轮增压器即可安全而有效的回收船舶余热能量；
空气冷却器采用两段式设计，同时连接高温有机朗肯循环子***和低温有机朗肯循环子***，并根据发动机余热随工况的变化规律和分布特征，使扫气空气的能量同时用于高温有机朗肯循环子***中有机工质的预热和低温有机朗肯循环子***中有机工质的预热，实现了对这部分能量的梯级利用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为余热利用***的整体结构示意图；
其中，1、第三调节阀，2、废气换热器，3、过热器，4、蒸发器，5、预热器，6、空气冷却器高温段，7、空气冷却器低温段，8、第一工质泵，9、第一冷凝器，10、第一有机工质透平，11、第一变速箱，12、第一发电机，13、缸套水冷却器，14、第二有机工质透平，15、第二冷凝器，16、第二工质泵，17、第二变速箱，18、第二发电机，19、第二调节阀，20、第一调节阀，21、第一储液罐，22、第二储液罐。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
本发明的目的是提供一种适用于船用低速发动机废热能量回收的余热利用***，在全工况范围内有效利用废热能量，实现了发动机余热能的梯级利用，具有安全性高、废热利用效率高等优点，可有效降低EEDI。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。
请参考图1，其中，图1为余热利用***的整体结构示意图。
如图1所示，本发明提供一种适用于船用低速发动机全工况范围内废热能量回收的余热利用***，包括两个子***：高温有机朗肯循环子***和低温有机朗肯循环子***。其中空气冷却器为两段式设计，分为高温段6和低温段7。
高温有机朗肯循环子***包括废气换热器2、过热器3、蒸发器4、预热器5、第一调节阀20、第三调节阀1、第一有机工质透平10、第一工质泵8、第一储液罐21、第一冷凝器9、空气冷却器的高温段6、第一变速箱11和第一发电机12；船舶低速发动机排出的废气依次流经废气换热器2、过热器3、蒸发器4和预热器5，经预热器5换热之后排入环境，当发动机燃用重硫油时，预热器5废气出口温度控制在150℃以上，发动机燃用低硫油时，预热器5废气出口温度控制在125℃以上；废气换热器2中给水与发动机排出的废气换热产生日用蒸汽。
高温有机朗肯循环子***以发动机涡轮后废气的能量为蒸发热源，以空气冷却器的高温段6的能量为预热热源；预热器5、蒸发器4、过热器3、第一有机工质透平10、第一冷凝器9、第一储液罐21、第一工质泵8、空气冷却器高温段6依次连接；在高温有机朗肯循环子***有机工质回路中，有机工质首先经过空气冷却器的高温段6进行预热，后依次流经预热器5、蒸发器4和过热器3进行加热，加热到过热状态的工质进入第一有机工质透平10中膨胀做功，做功之后的有机工质进入第一冷凝器9中冷凝，冷凝之后的有机工质进入第一储液罐21，最后第一工质泵8把有机工质加压送入空气冷却器高温段6进行换热；第一有机工质透平10、第一变速箱11和第一发电机12依次连接输出电能。
低温有机朗肯循环子***包括空气冷却器的低温段7、缸套水冷却器13、第二冷凝器15、第二工质泵16、第二储液罐22、第二调节阀19、第二有机工质透平14、第二变速箱17和第二发电机18；低温有机朗肯循环子***以空气冷却器的低温段7的能量为预热热源，以缸套冷却水的能量为蒸发热源；空气冷却器的低温段7、缸套水冷却器13、第二有机工质透平14、第二冷凝器15、第二储液罐22、第二工质泵16依次连接；有机工质在低温有机朗肯循环子***中，首先经过空气冷却器的低温段7进行预热，工质在其出口温度在75℃以内，后进入缸套水冷却器13进行加热，加热到85℃以内，出口过热状态的有机工质进入第二有机工质透平14中膨胀做功，做功之后的有机工质进入第二冷凝器15中冷凝，冷凝之后的有机工质进入第二储液罐22，由第二工质泵16加压送入空气冷却器的低温段7；第二有机工质透平14、第二变速箱17和第二发电机18依次连接输出电能。
***中空气冷却器分为两段式设计，高温段6和低温段7，高温段6用于预热高温有机朗肯循环子***中工质，低温段7用于预热低温有机朗肯循环子***中工质；空气冷却器高温段6与第一工质泵8和预热器5相连通，空气冷却器低温度段与第二工质泵16和缸套水冷却器13相连通。高温有机朗肯循环子***中有机工质选为正戊烷，低温有机朗肯循环子***中有机工质选为R245fa。
第一冷凝器9和第二冷凝器15的冷却工质均为海水；废气换热器2蒸汽侧出口设置第三调节阀1，通过控制日用蒸汽流量来控制废气换热器2的换热量，从而根据发动机负荷的变化来控制废气换热器2出口废气温度；第一有机工质透平10和第二有机工质透平14前都设有调节阀，通过控制进入第一、第二透平中的有机工质流量来控制***的输出功率。
船舶低速发动机在全工况范围内，高温有机朗肯循环子***和低温有机朗肯循环子***同时运行，产生日用蒸汽和输出电能；船舶低速发动机在45％工况以下运行时，高温有机朗肯循环中有机工质回路基本不工作，废气与废气换热器2换热产生日用蒸汽，低温有机朗肯循环子***正常运行，输出电能；
本发明提出的余热利用***，可有效避免发动机在低负荷运行时余热利用***中换热器表面的酸腐蚀，可实现发动机全工况范围内余热能量合理、安全和有效的利用，显著提高船舶动力***热效率，降低EEDI。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种适用于船用低速发动机废热能量回收的余热利用***，其特征在于：包括高温有机朗肯循环子***和低温有机朗肯循环子***；与两个子***相连的空气冷却器为两段式设计，分为高温段和低温段；
所述高温有机朗肯循环子***包括废气换热器、过热器、蒸发器、预热器、第一调节阀、第一有机工质透平、第一工质泵、第一储液罐、第一冷凝器、第一变速箱和第一发电机，低速发动机排出的废气依次流经所述废气换热器、过热器、蒸发器和预热器，经所述预热器换热后排入环境；所述废气换热器将废气换热产生日用蒸汽，所述废气换热器的蒸汽侧出口处设置有第三调节阀；所述预热器、蒸发器、过热器、第一有机工质透平、第一冷凝器、第一储液罐、第一工质泵、空气冷却器的高温段依次连接；所述第一有机工质透平、第一变速箱和第一发电机依次连接；
所述低温有机朗肯循环子***包括缸套水冷却器、第二冷凝器、第二工质泵、第二储液罐、第二调节阀、第二有机工质透平、第二变速箱和第二发电机；所述空气冷却器的低温段、缸套水冷却器、第二有机工质透平、第二冷凝器、第二储液罐、第二工质泵依次连接；所述第二有机工质透平、第二变速箱和第二发电机依次连接。
2.根据权利要求1所述的适用于船用低速发动机废热能量回收的余热利用***，其特征在于：所述第一冷凝器和第二冷凝器的冷却介质均为海水。
3.根据权利要求1所述的适用于船用低速发动机废热能量回收的余热利用***，其特征在于：所述高温有机朗肯循环子***以发动机排出的废气的能量为蒸发热源，以所述空气冷却器的高温段的能量为预热热源。
4.根据权利要求1所述的适用于船用低速发动机废热能量回收的余热利用***，其特征在于：所述低温有机朗肯循环子***以缸套冷却水的能量为蒸发热源，以所述空气冷却器的低温段的能量为预热热源。
5.根据权利要求1所述的适用于船用低速发动机废热能量回收的余热利用***，其特征在于：所述高温有机朗肯循环子***中的有机工质为正戊烷，所述低温有机朗肯循环子***中的有机工质为五氟丙烷。
6.根据权利要求1所述的适用于船用低速发动机废热能量回收的余热利用***，其特征在于：在船舶低速发动机全工况范围内运行时，高温和低温有机朗肯循环子***同时工作，产生日用蒸汽和输出电能；当船舶低速发动机在45％工况以下运行时，所述高温有机朗肯循环子***中有机工质回路基本不工作，废气与所述废气换热器换热产生日用蒸汽，所述低温机朗肯循环子***正常工作，输出电能。
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