CN111852598A - 船舶余热回收发电*** - Google Patents

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冯金勇
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Abstract

本发明提供了一种船舶余热回收发电***。该***包括：主机，主机产生烟气；第一换热装置，第一换热装置与主机连通；气液分离装置，与第一换热装置连通；膨胀机，与气液分离装置的蒸汽出口连通，用于利用蒸汽发电；混合装置，用于将膨胀做功的乏汽与分离装置的液体混合成气液两相混合物；制热***，制热***与混合装置连通，用于将混合后的气液两相混合物液化为第一混合工质；第一混合工质为至少包括两种工质的混合物，其中至少一种工质的沸点低于100摄氏度。相对于现有技术中采用水作为工质，可以在烟气的温度不高的情况下也产生供发电用的蒸汽，进而提高热量的利用率。

Description

船舶余热回收发电***
技术领域
本发明涉及船舶节能技术领域，具体涉及一种船舶余热回收发电***。
背景技术
国际海事组织(IMO)确立了“船舶能效设计指数”(EEDI)和“船舶能效管理计划”(SEEMP)两项船舶能效标准。这是第一个专门针对国际海运温室气体减排的强制性法律文件，并已于2013年1月1日在安放龙骨的400总吨及以上国际航行船舶上实施。
已知的柴油机热效率一般为45％～50％。冷却水通过对外换热带走热量约20％～25％。废气带走的热量约25％～30％。目前，二冲程低速柴油机拥有所有热机中最高的效率——接近50％，但仍有一半以上的燃料能量未被利用。
主机排气余热回收发电技术，属于热能的二次利用技术，可提高燃油利用率，降低装机功率。因此，采用船舶主机排气余热发电技术是减少CO2排放、降低EEDI的一个重要技术方向。
目前工业上对于中低温排气余热回收发电形式中主要为蒸汽朗肯循环发电和有机朗肯循环(ORC)发电，不同的形式根据其循环特点应用于不同领域、不同场合中。船舶柴油机排气多为260℃-350℃中低温热源，且船舶在运行过程中，随着海况的变化，主机的运行负荷也跟着变化，排气的参数也跟着变化，因此排气余热回收***容易偏离设计工况。目前国外部分船舶已有应用蒸汽朗肯循环发电技术，该技术在船舶排气余热回收发电中存在以下不足：
(1)对于中低温热源，水或者有机物作为工质，水蒸汽或有机物蒸汽定温蒸发，蒸发设备受节点温差的限制，无法将排气的温度降到理想的范围，无法充分回收余热；
(2)当主机运行负荷偏离船舶余热回收发电***设计工况时，***余热回收的效率降低，无法充分回收余热。
针对上述船舶主机余热回收中存在的不足，提供一种能对中低温热源进行回收且***余热回收的效率较高的船舶余热回收发电***是需要解决的技术问题。
发明内容
为了至少部分解决上述的问题，本发明提供了一种船舶余热回收发电***。该船舶余热回收发电***包括：
主机，所述主机产生烟气；
第一换热装置，所述第一换热装置与所述主机连通，用于将第一混合工质与所述烟气热交换，进而加热所述第一混合工质；
气液分离装置，所述气液分离装置与所述第一换热装置连通，用于将所述第一混合工质受热产生的液体工质和蒸汽分离；
膨胀机发电机组，所述膨胀机发电机组与所述气液分离装置的蒸汽出口连通，用于利用所述蒸汽发电；
混合装置，所述混合装置分别与所述气液分离装置的液侧工质出口以及所述膨胀机发电机组的出口连通，用于将所述分离后的液体工质和降温降压的所述蒸汽混合；以及
制热***，所述制热***与所述混合装置连通，用于对混合后的所述液体工质和所述蒸汽气液混合物冷凝并将所述气液混合物液化为所述第一混合工质；
其中，所述第一混合工质为至少包括两种工质的混合物，其中至少一种所述工质的沸点低于100摄氏度。
在可选的实施方式中，所述液体工质为所述第一混合工质中部分蒸发为所述蒸汽后的混合物，所述蒸汽为所述第一混合工质中沸点最低的工质蒸发而形成。
在可选的实施方式中，所述第一混合工质为氨水，制热***循环工质为较高浓度氨水，也可选用其他有机工质如R245fa、R123、R134a、R22等。
在可选的实施方式中，所述制热***设置在所述混合装置和所述第一换热装置之间。
在可选的实施方式中，还包括第二换热装置，所述第二换热装置的热侧位于所述混合装置和所述制热***之间，所述第二换热装置的冷侧位于所述第一换热装置和所述制热***之间。
在可选的实施方式中，还包括第三换热装置，所述第三换热装置的热侧位于所述气液分离装置和所述混合装置之间，所述第三换热装置的冷侧位于所述第二换热装置的冷侧和所述第一换热装置之间。
在可选的实施方式中，所述第三换热装置的热侧和所述混合装置之间设置有调压阀，用于控制所述液体工质输入到所述混合装置中的压力。
在可选的实施方式中，所述制热***包括依次连通的第一冷凝器、压缩机、第二冷凝器和节流阀；
所述第一冷凝器用于将所述气液混合物的热量传递给制热剂工质，通过换热，所述气液混合物冷凝为液态，所述制热剂工质受热蒸发为低温低压的制热剂蒸汽；
所述压缩机用于将低温低压的制热剂蒸汽压缩为高温高压的制热剂蒸汽；
所述第二冷凝器用于将高温高压的制热剂蒸汽的热量传递给水以加热水；
所述节流阀用于将所述第二冷凝器后的制热剂节流降压为低压制热剂。
根据本发明的船舶余热回收发电***，可以将主机(比如船舶柴油机)产生的烟气所携带的能量充分地利用，弥补现有技术的余热回收***中存在的不足。并且第一混合工质可以作为循环工质，充分回收烟气所携带的能量，将回收的热能转化为电能，同时船舶余热回收发电***还包括制热***，能利用无法转化为电能的低温余热制热而产生热水，从而进一步地提高热能的利用率。
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，
图1为本发明的实施例提供的船舶余热回收发电***的结构示意图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
图1为本发明的实施例提供的船舶余热回收发电***的结构示意图。如图1所示，该***包括：主机10、第一换热装置21、气液分离装置31、膨胀机40、发电机80、混合装置51、制热***60。
具体地，在该实施例1中，主机10可以为船舶用柴油机等动力输出单元。主机10能够产生烟气。该烟气可以为中高温烟气。第一换热装置21与主机10连通，用于将第一混合工质与烟气热交换，进而加热第一混合工质。具体地，第一换热装置21与主机10的排气通道相连通，使得主机10排出的烟气可以进入到第一换热装置21中。第一换热装置21进而可以利用具有中高温的烟气加热第一混合工质。例如，第一换热装置21可以为工业用换热器。该第一换热装置21可以包括热侧和冷侧。冷侧和热侧可以为相互缠绕并热接触的管道。热侧用于流通烟气，冷侧用于流通第一混合工质，使得热侧能向冷侧进行热传递，进而将冷侧的第一混合工质加热。该第一换热装置21以及后面说明的第二换热装置22以及第三换热装置23均可以为现有技术中的工业用换热器，在此不再赘述。
第一混合工质为至少包括两种工质的混合物，其中至少一种工质的沸点低于100摄氏度。例如，第一混合工质可以为氨水混合物，其中，氨气的沸点低于100摄氏度，使得氨水混合物受热后，氨气容易蒸发形成氨蒸汽，剩余的部分则为含有少量的氨气的水。较佳地，氨是有标准的常规化学溶剂，广泛应用于农业、制冷、电力工业等，处理得当，是符合生态学的安全化学制剂，且氨水工质价格比有机工质便宜得多。相对于现有技术中采用水作为工质，可以在烟气的温度不高的情况下也产生供发电用的蒸汽，进而提高热量的利用率。
另外，与水、有机工质相比，在蒸发过程中氨水变温蒸发，可以减少工质吸热过程的不可逆损失，与热源温度形成良好的匹配特性，提高热源利用率。第一混合工质受热后形成液体工质以及蒸汽(例如氨水蒸汽)。氨的临界压力为12MPa，以氨水作为工质可在较高的吸热温度下降低承压部件的工作压力，有利于船舶余热回收发电***的饱和换热设备以及管道***的设计和运行，降低设备投资。
需要说明的是，液体工质相比于氨水蒸汽以及第一混合工质中氨含量较低。所以下面的说明书中，第一混合工质为氨含量较高的氨水(富氨溶液)；液体工质也即为氨含量较少的氨水混合物(贫氨溶液)，蒸汽即为主要部分的氨气以及剩余部分的水蒸气所组成的氨水蒸汽。
以下以第一混合工质为氨含量较高的氨水(富氨溶液)；液体工质也即为氨含量较少的氨水混合物(贫氨溶液)，蒸汽即为主要部分的氨气以及剩余部分的水蒸气进行说明。
第一混合工质受热后会产生液体工质和蒸汽。具体地，在本实施例中，氨水受热后产生氨蒸汽以及含有少量的氨气的氨水混合物。该混合物通过管道进入到与第一换热装置21相连接的气液分离装置31中。混合物进入到气液分离装置31中后，蒸汽(例如氨蒸汽)通过设置在气液分离装置31的例如上部的管道进入到与其相连接的膨胀机40中，膨胀机40进而可以利用氨蒸汽发电。气液分离装置31中的含有少量的氨气的氨水混合物(液体工质)可以通过设置在气液分离装置31的例如下部的管道流出。
具有高温高压的蒸汽在膨胀机40中做功后，变成低压低温的蒸汽后由膨胀机发电机组40的出口排出。混合装置51可以分别与气液分离装置31的液体工质出口以及膨胀机发电机组40的出口连通，用于将液体工质和降低温度的蒸汽混合。蒸汽可以在混合装置51中与含有少量的氨气的水混合，进而形成气液混合物。
具体地，膨胀机40可以为高进气压力的透平，可以采用向心透平、离心透平、螺杆膨胀机等形式。发电机可以根据功率等级和转速情况，选择高速发电机或者低速发电机。如果采用高速发电机，则膨胀机直接与发电机同轴或者通过联轴器连接。如果采用低速发电机，则膨胀机40与发电机80之间可以采用减速齿轮箱进行连接。
制热***60与混合装置51连通，用于对混合装置51中混合后产生的混合物(即液体工质和蒸汽的气液混合物)进行冷凝，并且将气液混合物液化为第一混合工质。具体地，制热***60可以与混合装置51连通，用于利用混合后的气液混合物(含有少量氨的氨水混合物和氨蒸汽)的热量加热水，进而产生热水，同时也将气液混合物冷凝液化为第一混合工质。
具体地，制热***60可以包括依次连通的第一冷凝器61、压缩机62、第二冷凝器63、节流阀64。所述第一冷凝器61的进口与节流阀64出口连接，第一冷凝器61的出口与压缩机62连接。第一冷凝器61的热侧以混合装置51的气液两相的气液混合物(混合后的液体工质和蒸汽的气液混合物)为热源，冷侧为制热剂工质(例如，高浓度氨水)，目的是将气液混合物的热量传递给制热剂工质，通过换热，将来自混合装置51的气液混合物冷凝为液态，第一冷凝器61中的制热剂工质受热蒸发为低温低压的制热剂蒸汽，例如低温低压的氨水蒸汽。
所述制热***60的压缩机62，其用于将低温低压的制热剂蒸汽压缩为高温高压的制热剂蒸汽，可通过控制压缩机62的性能调节压缩后的蒸汽温度和压力。所述压缩机62的进口与第一冷凝器61的出口连接，压缩机62的出口与第二冷凝器63连接。
所述制热***60的第二冷凝器63用于将高温高压的制热剂蒸汽的热量传递给水进而加热水。具体地，所述第二冷凝器63的冷侧流通待加热的水，热侧流通高温高压的制热剂蒸汽(例如氨水蒸汽)，热侧的进口与压缩机62的出口连接，热侧的出口与节流阀64连接，如此用于将高温高压的氨水蒸汽的热量传递给待加热的水进而加热待加热的水，氨水蒸汽经过放热后冷凝为饱和的氨水溶液(即制热剂工质)。节流阀64的主要功能对高压氨水溶液进行节流降压，将进口高压氨水溶液调节为低压的气液两相氨水。所述节流阀64的进口与第二冷凝器63热侧出口相接，其出口与第一冷凝器61的冷侧进口连接。
制热***60可以将气液混合物冷凝形成第一混合工质(氨水)，同时也对待加热的水进行加热，进而产出热水，从而充分地利用了余热发电***的热量，提高的热能的利用率。
在实施例1中，为了能更高效地利用烟气的热量，最大限度地降低了放热过程中的不可逆损失，提高热能利用效率，该***还包括第二换热装置22。进一步优选地，该***还包括第三换热装置23。具体地，第二换热装置22的热侧位于混合装置51和制热***60之间。第二换热装置22的冷侧位于第一换热装置21和制热***60之间。第二换热装置22利用从气液分离装置31出来的第二混合工质(含有少量氨气的氨水混合物)的热量对冷凝后的第一混合工质进行加热。进而保证第一混合工质在进入到第一换热装置21之前可以上升到相对较高地温度。
第三换热装置23的热侧可以位于气液分离装置31和混合装置51之间。第三换热装置23的冷侧可以位于第二换热装置22的冷侧和第一换热装置21之间。第三换热装置23利用刚从气液分离装置31中出来的液体工质的热量对冷凝后的第一混合工质进行加热，使得液体工质在进入混合装置51前可以降低到相对较低的温度，充分利用不做功部分的工质热量。
在本实施例中，气液分离装置31和混合装置51之间还可以设置有调压阀72。该调压阀72可以为两级。调压阀72可以控制气液分离装置31中液体工质进入到混合装置51中的压力，进而调节混合装置51混合后中的混合物的压力。在本实施中，该***还包括发电机80。发电机80可以与膨胀机40组成膨胀发电机组对外输出电能。
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (8)

1.一种船舶余热回收发电***，其特征在于，包括：
主机，所述主机产生烟气；
第一换热装置，所述第一换热装置与所述主机连通，用于将第一混合工质与所述烟气热交换，进而加热所述第一混合工质；
气液分离装置，所述气液分离装置与所述第一换热装置连通，用于将所述第一混合工质受热产生的液体工质和蒸汽分离；
膨胀机发电机组，所述膨胀机发电机组与所述气液分离装置的蒸汽出口连通，用于利用所述蒸汽发电；
混合装置，所述混合装置分别与所述气液分离装置的液侧工质出口以及所述膨胀机发电机组的出口连通，用于将所述分离后的液体工质和降温降压的所述蒸汽混合；以及
制热***，所述制热***与所述混合装置连通，用于对混合后的所述液体工质和所述蒸汽气液混合物冷凝并将所述气液混合物液化为所述第一混合工质；
其中，所述第一混合工质为至少包括两种工质的混合物，其中至少一种所述工质的沸点低于100摄氏度。
2.根据权利要求1所述的船舶余热回收发电***，其特征在于，所述液体工质为所述第一混合工质中部分蒸发为所述蒸汽后的混合物，所述蒸汽为所述第一混合工质中沸点最低的工质蒸发而形成。
3.根据权利要求1所述的船舶余热回收发电***，其特征在于，所述第一混合工质为氨水，制热***循环工质为较高浓度氨水，也可选用其他有机工质如R245fa、R123、R134a、R22等。
4.根据权利要求1所述的船舶余热回收发电***，其特征在于，所述制热***设置在所述混合装置和所述第一换热装置之间。
5.根据权利要求1所述的船舶余热回收发电***，其特征在于，还包括第二换热装置，所述第二换热装置的热侧位于所述混合装置和所述制热***之间，所述第二换热装置的冷侧位于所述第一换热装置和所述制热***之间。
6.根据权利要求5所述的船舶余热回收发电***，其特征在于，还包括第三换热装置，所述第三换热装置的热侧位于所述气液分离装置和所述混合装置之间，所述第三换热装置的冷侧位于所述第二换热装置的冷侧和所述第一换热装置之间。
7.根据权利要求6所述的船舶余热回收发电***，其特征在于，所述第三换热装置的热侧和所述混合装置之间设置有调压阀，用于控制所述液体工质输入到所述混合装置中的压力。
8.根据权利要求1所述的船舶余热回收发电***，其特征在于，所述制热***包括依次连通的第一冷凝器、压缩机、第二冷凝器和节流阀；
所述第一冷凝器用于将所述气液混合物的热量传递给制热剂工质，通过换热，所述气液混合物冷凝为液态，所述制热剂工质受热蒸发为低温低压的制热剂蒸汽；
所述压缩机用于将低温低压的制热剂蒸汽压缩为高温高压的制热剂蒸汽；
所述第二冷凝器用于将高温高压的制热剂蒸汽的热量传递给水以加热水；
所述节流阀用于将所述第二冷凝器后的制热剂节流降压为低压制热剂。
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