CN113550800B - 一种船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节***，涉及有机朗肯循环余热发电技术领域。该***包括主***和子***，主***包括：发动机、冷凝器和多个工质泵，冷凝器包括冷却水进口和冷却水出口；子***为组分调节***，包括分馏塔、多个动力泵、多个控制阀、控制器及与控制器通信连接的温度传感器、工质组分浓度传感器。本发明的温度传感器得到冷却水进口的温度，通过优化计算得到此温度下最优的混合工质组分配比，将温度传感器与工质组分浓度传感器的数值作为控制器的输入量，根据组分计算结果控制控制阀和动力泵，直到工质组分浓度传感器的组分为目标组分。本发明以海水温度变化作为控制策略，冷却水作为生活用水，能量利用率高。

Description

一种船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节***

技术领域

本发明涉及有机朗肯循环余热发电技术领域，具体涉及一种船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节***。

背景技术

当前我国在工程上有大量余热资源未得到有效利用，其中船舶一般搭载低转速柴油机作为动力源，柴油机的热效率在40-50%左右，大量的热能分别通过尾气和冷却液排放到空气和海水中，有机朗肯循环***可以回收尾气余热提高动力***的整体利用效率。

工质是影响有机朗肯循环热效率的重要因素，纯工质在蒸发和冷凝等相变过程中保持恒温，而非共沸工质会产生温度滑移，可以减少换热过程的㶲损失，提高循环效率。当混合工质的配比发生变化时，可以在不同热源或冷却条件下提供最大热效率。

黄仁龙，罗向龙，陈颖等，一种非共沸混合工质有机朗肯循环***（实用新型专利），CN206233960U。提出了一种有机朗肯循环组分调节***，该***可以通过分液冷凝器有效调整混合工质组分来适应工况的变化。

李惟毅，徐博睿，使用混合有机工质的内置热泵的有机朗肯循环***（发明专利），CN104033200B。提出一种在同一***中调节混合有机工质组分的方法。

现有技术未提供具体的适用场景与混合工质组合，同时升温后的冷却水可以作为船舶上的生活热水，已有***未实现该需求。

因此，亟需提供一种船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节***，以解决现有技术中存在的无法满足升温后的冷却水可以作为船舶上的生活热水的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节***，将冷却***结合海水温度变化作为组分调节控制策略，同时将冷凝器出口的冷却水用于船舶生活用水，实现冷却***的能量应用。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

本发明提供了一种船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节***，包括主***和子***，主***包括：发动机、冷凝器和多个工质泵，冷凝器包括冷却水进口和冷却水出口；子***为组分调节***，包括分馏塔、多个动力泵、多个控制阀、控制器及与控制器通信连接的温度传感器、工质组分浓度传感器；

组分调节***的控制方法包括：温度传感器得到冷却水进口的温度一，通过优化计算得到温度一下最优的混合工质组分配比，将温度传感器与工质组分浓度传感器的数值作为控制器的输入量，根据前述的组分计算结果控制多个控制阀和多个动力泵，直到工质组分浓度传感器的组分为目标组分。

进一步地，组分调节***还包括多个储液罐，包括储液罐一、储液罐二和储液罐三。

进一步地，船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节***还包括蒸发器、膨胀机和回热器，蒸发器的热源进口连接发动机的出口、热源出口连接膨胀机的蒸汽进口，膨胀机的蒸汽出口连接回热器的气体进口，回热器的气体出口连接冷凝器的热气进口，冷凝器的热气出口连接储液罐一，储液罐一的出口一通过工质泵一连接回热器的液体进口，回热器的液体出口连接蒸发器的液体进口，储液罐一的出口二连接组分控制***。

进一步地，储液罐一的出口二经过工质泵二连接分馏塔的进口，分馏塔的高沸点出口连接储液罐二、低沸点出口连接储液罐三。

进一步地，分馏塔的高沸点出口经过控制阀一连接至储液罐二、低沸点出口经过控制阀二连接至储液罐三。

进一步地，船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节***还包括混合器，混合器设置在储液罐一的下方，储液罐二经动力泵一连接至混合器，储液罐三经动力泵二连接至混合器，混合器的出口经过工质泵一连接至回热器的液体进口。

进一步地，温度传感器设置在冷凝器的冷却水进口处，工质组分浓度传感器设置在混合器处。

进一步地，船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节***还包括流量传感器，流量传感器设置在混合器的出口至工质泵的管路上。

进一步地，船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节***还包括生活用水池，冷凝器的冷却水出口连接至生活用水池。

进一步地，冷凝器的冷源为与海水温度相同的淡水，控制器将冷却水出口的水温度控制在40℃。

与现有技术相比，本发明提供的船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节***，将船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节与船用生活用水结合，根据不同海水温度匹配最合适的工质组分；采用以冷却水入口温度作为控制输入量的控制策略，通过调整相关的阀与泵实现最优工质组分的混合。对于非共沸工质的组分调节，首先需要根据热源情况找出效率更高的工质组合，本发明通过大量仿真计算确定了适用于船舶的有机混合工质。现有的船用有机朗肯循环技术中，只涉及余热发电技术，并未提及冷却水的来源与用途，本发明中冷却***结合海水温度变化作为组分调节控制策略，同时将冷凝器出口的冷却水用于船舶生活用水，实现冷却***的能量应用。

提供发明内容部分是为了以简化的形式来介绍对概念的选择，它们在下文的具体实施方式中将被进一步描述。发明内容部分无意标识本公开的重要特征或必要特征，也无意限制本公开的范围。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了本发明实施例的船用有机朗肯循环工质组分调节***的结构示意图。

附图标记：

1-发动机；2-蒸发器；201-热源进口；202-热源出口；3-膨胀机；4-回热器；5-冷凝器；501-冷却水进口；502-冷却水出口；6-混合器；7-流量传感器；8-分馏塔；9-控制器；10-生活用水池；11-工质泵一；12-工质泵二；13-动力泵一；14-动力泵二；15-储液罐一；16-储液罐二；17-储液罐三；18-温度传感器；19-工质组分浓度传感器；20-控制阀一；21-控制阀二。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“第一”、“第二”等等可以指代不同的或相同的对象。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

如图1所示，本实施例提供了一种船用有机朗肯循环工质组分调节***，包括主***和子***，其中非共沸工质组合采用了苯/间二甲苯（benzene/m-xylene）的组合，主***为有机朗肯循环***，包括：发动机1、冷凝器5和多个工质泵，其中，冷凝器5用于将膨胀机3出来的乏气冷凝，具体地，冷凝器5包括冷却水进口501和冷却水出口502；工质泵用于将加压后的混合工质输送给蒸发器2。子***为组分调节***，包括分馏塔8、多个动力泵、多个控制阀、控制器9及与控制器9通信连接的温度传感器18、工质组分浓度传感器19；分馏塔8根据混合工质沸点不同对其进行分流。具体地，本实施例的发动机1为船用柴油机。

其中，组分调节***的控制方法包括：温度传感器18得到冷却水进口501的温度一，通过优化计算得到温度一下最优的混合工质组分配比，将温度传感器18与工质组分浓度传感器19的数值作为控制器9的输入量，根据前述的组分计算结果控制多个控制阀和多个动力泵，直到工质组分浓度传感器19的组分为目标组分。

进一步地，本实施例的船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节***还包括蒸发器2、膨胀机3和回热器4，蒸发器2用于对混合工质加热完成液相到气相转换，蒸发器2的热源进口201连接发动机1的出口、热源出口202连接膨胀机3的蒸汽进口。膨胀机3用于高温蒸汽推动膨胀机3转动实现发电，膨胀机3的蒸汽出口连接回热器4的气体进口。回热器4用于将膨胀机3出口的热能再次传递给工质泵出口的液态有机工质，回热器4的气体出口连接冷凝器5的热气进口，冷凝器5的热气出口连接储液罐一15，储液罐一15的出口一通过工质泵一11连接回热器4的液体进口，回热器4的液体出口连接蒸发器2的液体进口，储液罐一15的出口二连接组分控制***。

优选地，本实施例的组分调节***还包括多个储液罐，具体地，包括储液罐一15、储液罐二16和储液罐三17，多个动力泵与多个储液罐，用于存储与传递冷凝器5中的工质。

具体地，储液罐一15的出口二经过工质泵二12连接分馏塔8的进口，分馏塔8的高沸点出口连接储液罐二16、低沸点出口连接储液罐三17。更为具体地，分馏塔8的高沸点出口经过控制阀一20连接至储液罐二16、低沸点出口经过控制阀二21连接至储液罐三17。

优选地，本实施例的船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节***还包括混合器6，混合器6设置在储液罐一15的下方，储液罐二16经动力泵一13连接至混合器6，储液罐三17经动力泵二14连接至混合器6，混合器6的出口经过工质泵一11连接至回热器4的液体进口。可选地，本实施例的温度传感器18设置在冷凝器5的冷却水进口501处，工质组分浓度传感器19设置在混合器6处。

优选地，本实施例的船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节***还包括流量传感器7和生活用水池10，流量传感器7设置在混合器6的出口至工质泵的管路上，冷凝器5的冷却水出口502连接至生活用水池10。

本实施例的船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节***的工作过程如下：

液态混合工质经蒸发器2后变为高温蒸汽，高温蒸汽推动膨胀机3做功，带动发电机发电，膨胀机3的乏气通过回热器4进入冷凝器5，冷凝后的液相工质进入储液罐一15，储液罐一15中的工质一方面经工质泵一11流经回热器4进入蒸发器2的液相入口完成一次循环。储液罐一15中的工质另一方面进入组分调节***，首先根据组分控制策略将储液罐一15中的一部分工质经工质泵二12导入到分馏塔8中，其中低沸点工质（苯，benzene）进入储液罐三17，高沸点工质（间二甲苯，m-xylene）进入储液罐二16，控制阀一20与控制阀二21用于控制分馏塔8的高沸点出口和低沸点出口液体的流量，储液罐二16与储液罐三17中的工质分别经动力泵一13与动力泵二14导入混合器6形成新的混合工质组合。动力泵一13与动力泵二14的转速由控制器9进行控制，分别调节苯和间二甲苯的流量，进而控制混合工质的组分浓度。

对于组分调节***，首先温度传感器18得到冷却水进口501的温度，通过优化计算得到此温度下最优的混合工质组分配比，将温度传感器18与工质组分浓度传感器19的数值作为控制器9的输入量，根据前述的组分计算结果控制控制阀一20与控制阀二21，动力泵一13与动力泵二14，直到工质组分浓度传感器19的浓度值为目标组分浓度。

冷凝器5的冷源为与海水温度相同的淡水，并且将冷却水出口502的水温度控制在40℃，冷却水全部流入生活用水池10中，冷却水进口501水温随海水温度变化，当海水温度变化时，采用组分控制策略实现当时水温下最佳的工质配比。

本实施例的船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节***，将船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节与船用生活用水结合，根据不同海水温度匹配最合适的工质组分；采用以冷却水入口温度作为控制输入量的控制策略，通过调整相关的阀与泵实现最优工质组分的混合。对于非共沸工质的组分调节，首先需要根据热源情况找出效率更高的工质组合，本发明通过大量仿真计算确定了适用于船舶的有机混合工质。现有的船用有机朗肯循环技术中，只涉及余热发电技术，并未提及冷却水的来源与用途，本发明中冷却***结合海水温度变化作为组分调节控制策略，同时将冷凝器5的冷却水出口502的冷却水用于船舶生活用水，实现冷却***的能量应用。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节***，其特征在于，包括主***和子***，主***包括：发动机（1）、冷凝器（5）和多个工质泵，冷凝器（5）包括冷却水进口（501）和冷却水出口（502）；子***为组分调节***，包括分馏塔（8）、多个动力泵、多个控制阀、控制器（9）及与控制器（9）通信连接的温度传感器（18）、工质组分浓度传感器（19）；

组分调节***的控制方法包括：温度传感器（18）得到冷却水进口（501）的温度一，通过优化计算得到温度一下最优的混合工质组分配比，将温度传感器（18）与工质组分浓度传感器（19）的数值作为控制器（9）的输入量，根据组分计算结果控制多个控制阀和多个动力泵，直到工质组分浓度传感器（19）的组分为目标组分；

所述组分调节***还包括多个储液罐，包括储液罐一（15）、储液罐二（16）和储液罐三（17）；

所述船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节***还包括蒸发器（2）、膨胀机（3）和回热器（4），蒸发器（2）的热源进口（201）连接发动机（1）的出口、热源出口（202）连接膨胀机（3）的蒸汽进口，膨胀机（3）的蒸汽出口连接回热器（4）的气体进口，回热器（4）的气体出口连接冷凝器（5）的热气进口，冷凝器（5）的热气出口连接储液罐一（15），储液罐一（15）的出口一通过工质泵一（11）连接回热器（4）的液体进口，回热器（4）的液体出口连接蒸发器（2）的液体进口，储液罐一（15）的出口二连接组分控制***。

2.根据权利要求1所述的一种船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节***，其特征在于，储液罐一（15）的出口二经过工质泵二（12）连接分馏塔（8）的进口，分馏塔（8）的高沸点出口连接储液罐二（16）、低沸点出口连接储液罐三（17）。

3.根据权利要求1所述的一种船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节***，其特征在于，分馏塔（8）的高沸点出口经过控制阀一（20）连接至储液罐二（16）、低沸点出口经过控制阀二（21）连接至储液罐三（17）。

4.根据权利要求1所述的一种船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节***，其特征在于，还包括混合器（6），混合器（6）设置在储液罐一（15）的下方，储液罐二（16）经动力泵一（13）连接至混合器（6），储液罐三（17）经动力泵二（14）连接至混合器（6），混合器（6）的出口经过工质泵一（11）连接至回热器（4）的液体进口。

5.根据权利要求4所述的一种船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节***，其特征在于，温度传感器（18）设置在冷凝器（5）的冷却水进口（501）处，工质组分浓度传感器（19）设置在混合器（6）处。

6.根据权利要求4所述的一种船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节***，其特征在于，还包括流量传感器（7），流量传感器（7）设置在混合器（6）的出口至工质泵的管路上。

7.根据权利要求1所述的一种船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节***，其特征在于，还包括生活用水池（10），冷凝器（5）的冷却水出口（502）连接至生活用水池（10）。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种船用有机朗肯循环非共沸工质组分调节***，其特征在于，冷凝器（5）的冷源为与海水温度相同的淡水，控制器（9）将冷却水出口（502）的水温度控制在40℃。

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