專利名稱：基于有機朗肯循環(huán)的船用柴油機余熱發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種船用柴油機余熱回收系統(tǒng)，具體涉及一種基于有機朗肯循環(huán)的船用柴油機余熱發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
船舶是各國經(jīng)濟貿(mào)易的主要運輸工具，在全球經(jīng)濟發(fā)展中起到不可替代的作用。據(jù)統(tǒng)計，世界上90%以上的進出口商品是通過船舶運輸?shù)?。而船舶的主要推進動力包括中低速柴油機、燃氣輪機、核動力。船用中低速柴油機由于具有經(jīng)濟性好、可靠性高、維修方便、使用壽命長、功率范圍廣、機動性好、可燃用價格低廉的劣質(zhì)燃油等優(yōu)點，在商用運輸船舶上應用非常廣泛。目前，性能優(yōu)良的船用中低速柴油機，燃油燃燒釋放的熱能只有45% 55%轉(zhuǎn)化為柴油機的輸出功，廢氣帶走25% 35%的熱量，冷卻水帶走20% 25%的熱量，其余大約15%的熱量以機體散熱損失、不完全燃燒損失、機械損失等的形式損失掉。廢氣帶走的熱量約占燃料燃燒能量的三分之一左右，回收船用柴油機廢氣余熱可以提高燃料燃燒能量的利用率，起到很好的節(jié)能減排的效果。目前排氣余熱在船上的應用主要有兩種方式排氣余熱轉(zhuǎn)換成加熱熱能；排氣余熱轉(zhuǎn)換成加熱熱能和電能。充分而合理利用排氣余熱，要綜合考慮如下因素排氣余熱的質(zhì)量高低、排氣余熱的數(shù)量大小、余熱供應的穩(wěn)定程度、排氣余熱設備的成本、投資回收期等因素。(I)一般的中、小型船舶，由于主機的排氣余熱能量不大，能回收的動力很有限，所以都只考慮作為加熱用途的排氣余熱利用方式通過廢氣鍋爐產(chǎn)生一定壓力的飽和水蒸汽滿足乘員生活所需的熱水供應、寒冷季節(jié)的艙室取暖以及油類的加熱保溫等。(2)在較大功率和萬噸級以上的大型柴油機商船上，利用廢氣鍋爐代替燃油輔鍋爐產(chǎn)生生活雜用及燃油加熱等的蒸汽，還不能充分地利用主機的排氣余熱，因為隨著發(fā)動機功率的增加，排氣余熱也隨著增加。因此廢氣鍋爐如果只產(chǎn)生雜用及加熱蒸汽，就會有大量剩余，致使排煙溫度不能降到合理的溫度。而由排氣余熱回收的蒸汽熱能，其最佳轉(zhuǎn)換方式是使用汽輪發(fā)電機產(chǎn)生電能，因此，在較大功率和萬噸級以上的大型柴油機商船上，憑借在船舶正常航行階段主機負荷功率較高(75%以上的額定功率)、排氣能量的能質(zhì)較高(特別是中速柴油機)以及排氣流量充裕而穩(wěn)定的有利條件，對廢氣鍋爐開始重新構(gòu)思設計，包括采取降低排溫、提高蒸發(fā)量、加裝過熱器和經(jīng)濟器等措施，所產(chǎn)生蒸汽除供加熱和生活雜用之外，有可能通過汽輪發(fā)電機組于航行中取代柴油發(fā)電機組發(fā)電，滿足全船電力負荷，形成了基于朗肯循環(huán)的船用柴油機廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)。它由預熱器、蒸發(fā)器、過熱器、蒸汽輪機、發(fā)電機、冷凝器、鍋爐給水泵等組成(沈維道等，工程熱力學(第三版)，北京高等教育出版社，2001 ;陸金銘，船舶動力裝置設計，北京國防工業(yè)出版社，2006)?；诶士涎h(huán)的船用柴油機余熱發(fā)電系統(tǒng)在實際船舶中的應用卻存在如下幾個重要的制約因素(I)基于朗肯循環(huán)的船用柴油機余熱發(fā)電系統(tǒng)易于在蒸汽輪機里形成濕蒸汽，高速小水滴沖擊汽輪機葉片，會產(chǎn)生腐蝕損壞，縮短蒸汽輪機的使用壽命；(2)水蒸汽密度小、比容大，汽輪機(尤其是末級葉片的高度)、排氣管道及冷凝器中的管道的設計尺寸較大；(3)水的沸點高、汽化潛熱值大，船用柴油機廢氣屬于中低溫余熱，基于朗肯循環(huán)的船用柴油機余熱發(fā)電系統(tǒng)在回收中低溫余熱時效率不高；(4)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、造價高；
(5)船用柴油機的排溫越低，裝置的效率和經(jīng)濟性越差，因此目前船用柴油機的排溫不斷下降的趨勢使得發(fā)展基于朗肯循環(huán)的船用柴油機余熱發(fā)電系統(tǒng)面臨更大挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠提高船用柴油機余熱的利用效率、結(jié)構(gòu)緊湊、運行可靠的基于有機朗肯循環(huán)的船用柴油機余熱發(fā)電系統(tǒng)。本發(fā)明的基于有機朗肯循環(huán)的船用柴油機余熱發(fā)電系統(tǒng)包括有安裝在船舶上的以船舶柴油機廢氣余熱為熱源的廢氣鍋爐；所述廢氣鍋爐內(nèi)設置有以鍋爐熱水為熱源的蒸發(fā)器，蒸發(fā)器可加熱循環(huán)通過的有機工作介質(zhì)并產(chǎn)生蒸汽；所述蒸發(fā)器的介質(zhì)蒸汽出口經(jīng)過汽輪機，再由汽輪機的冷卻介質(zhì)回流口與增壓泵的入口連接，增壓泵的出口連接蒸發(fā)器的介質(zhì)入口 ；所述汽輪機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。所述增壓泵與蒸發(fā)器的介質(zhì)入口之間還連接有一個可對介質(zhì)進行預熱的換熱器。所述換熱器中具有與外部熱源連接的加熱管道，作為預熱熱源。所述蒸發(fā)器的介質(zhì)蒸汽出口與汽輪機之間的管道經(jīng)過所述換熱器作為換熱器的預熱熱源。所述汽輪機的冷卻介質(zhì)回流口與增壓泵的入口之間還設置有冷凝器。 所述廢氣鍋爐具有與船舶上的熱水供應系統(tǒng)連接的熱水及水蒸汽出口。所述有機工質(zhì)為Rll、Rl 13、R123、R141B、R245CA、R245FA、R365MFC、正戊烷、異戊
烷其中的一種。與傳統(tǒng)的基于朗肯循環(huán)的船用柴油機余熱發(fā)電系統(tǒng)相比，本發(fā)明具有如下的優(yōu)
占-
^ \\\ ·
I)與水蒸汽相比，有機工質(zhì)(如正戊烷)密度大、比熱容小，這可使汽輪機(特別是其末級葉片的高度)、排氣管道及冷凝器中的管道的設計尺寸較小。2)低沸點有機工質(zhì)具有良好的熱力學性質(zhì)，有機工質(zhì)的汽化潛熱比水低很多，不僅可以在吸收較少的熱量后使有機工質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)化為飽和或過熱狀態(tài)，而且有機工質(zhì)的蒸發(fā)溫度相對于水來說比較低，因此本發(fā)明比基于朗肯循環(huán)的船用柴油機余熱發(fā)電系統(tǒng)具有較高的熱效率，對較低溫度的船用柴油機廢氣余熱的利用率更高。3)與水蒸汽不同，有機工質(zhì)在汽輪機中膨脹做功時，從高壓到低壓始終保持干燥狀態(tài)，這就消除了形成濕汽的可能性以及當高速液滴沖擊汽輪機時產(chǎn)生腐蝕損壞的可能性。所以，本發(fā)明比水蒸汽汽輪機能更有效地適用部分負荷運行及大的功率變動。4)與水蒸汽相比，有機工質(zhì)冷凝壓力高，整個系統(tǒng)可在接近和稍高于大氣壓力下工作，使得有機工質(zhì)的漏失現(xiàn)象大為降低。


圖I是本發(fā)明實施例一的系統(tǒng)原理 圖2是本發(fā)明實施例二的系統(tǒng)原理圖。
具體實施例方式實施例一
如圖I所示，該系統(tǒng)包括廢氣鍋爐I、汽輪機2、減速器3、發(fā)電機4、冷凝器5、增壓泵
6、換熱器7以及安裝在廢氣鍋爐里的蒸發(fā)器8。其中，增壓泵6用于將冷凝器5里的過冷有機工質(zhì)壓縮成高壓過冷液體后泵入換熱器7 ;換熱器7用于提高進入蒸發(fā)器8的過冷有機工質(zhì)的溫度，在換熱器7里，過冷有機工質(zhì)被來自蒸發(fā)器8的高壓過熱有機工質(zhì)氣體加熱；蒸發(fā)器8用于產(chǎn)生高壓低過熱度的有機工質(zhì)蒸汽；汽輪機2用于高壓過熱有機工質(zhì)蒸汽膨脹做功；汽輪機2通過減速器3驅(qū)動交流發(fā)電機4 ;交流發(fā)電機4用于產(chǎn)生適合船上使用的電能；冷凝器5用于將有機工質(zhì)蒸汽冷卻成低過冷度的液體。廢氣鍋爐I不僅能產(chǎn)生過熱有機工質(zhì)蒸汽，而且能產(chǎn)生一定壓力的飽和水蒸汽，通過熱水及水蒸汽出口與熱水供應系統(tǒng)連接，以滿足乘員生活所需的熱水供應、寒冷季節(jié)的艙室取暖以及油類的加熱保溫等。蒸發(fā)器8為高蒸發(fā)壓力、低過熱度的蒸發(fā)器。汽輪機2為高進汽壓力的汽輪機，其排氣背壓通常稍高于大氣壓力。冷凝器5的冷凝壓力通常稍高于大氣壓力。冷凝器5采用舷外水冷卻。泵6為高增壓壓力的泵，可選用離心泵。有機工作介質(zhì)可選Rll、R113、R123、R141B、R245CA、R245FA、R365MFC、正戊烷、異戊烷其中的一種。為節(jié)省空間，汽輪機2、減速器3、交流發(fā)電機4三者安裝在同一個底盤上。實施例二
如圖2所示，該系統(tǒng)為可同時回收其他余熱的基于有機朗肯循環(huán)的船用柴油機余熱發(fā)電系統(tǒng)。本實施例與實施例一的差別在于換熱器7中的高壓過冷有機工質(zhì)由與外部熱源連接的加熱管道9加熱，外部熱源可以是船上其他余熱源，如主機缸套冷卻水、高溫增壓空
與坐
Vi寸O
權(quán)利要求
1.一種基于有機朗肯循環(huán)的船用柴油機余熱發(fā)電系統(tǒng)，包括有安裝在船舶上的以船舶柴油機廢氣余熱為熱源的廢氣鍋爐(I )，其特征是所述廢氣鍋爐內(nèi)設置有以鍋爐熱水為熱源的蒸發(fā)器(8)，蒸發(fā)器可加熱循環(huán)通過的有機工作介質(zhì)并產(chǎn)生蒸汽；蒸發(fā)器(8)的介質(zhì)蒸汽出口經(jīng)過汽輪機(2)，再由汽輪機的冷卻介質(zhì)回流口與增壓泵(6)的入口連接，增壓泵的出口連接蒸發(fā)器的介質(zhì)入口 ；所述汽輪機驅(qū)動發(fā)電機(4)發(fā)電。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于有機朗肯循環(huán)的船用柴油機余熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征是所述增壓泵與蒸發(fā)器的介質(zhì)入口之間還連接有一個可對介質(zhì)進行預熱的換熱器(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于有機朗肯循環(huán)的船用柴油機余熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征是所述換熱器(7)中具有與外部熱源連接的加熱管道(9)，作為預熱熱源。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于有機朗肯循環(huán)的船用柴油機余熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征是所述蒸發(fā)器(8)的介質(zhì)蒸汽出口與汽輪機之間的管道經(jīng)過所述換熱器(7)作為換熱器的預熱熱源。
5.根據(jù)權(quán)利要求I一 4之一所述的基于有機朗肯循環(huán)的船用柴油機余熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征是所述汽輪機的冷卻介質(zhì)回流口與增壓泵的入口之間還設置有冷凝器(5)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I一 4之一所述的基于有機朗肯循環(huán)的船用柴油機余熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征是所述廢氣鍋爐(I)具有與船舶上的熱水供應系統(tǒng)連接的熱水及水蒸汽出口。
7.根據(jù)權(quán)利要求I一 4之一所述的基于有機朗肯循環(huán)的船用柴油機余熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征是所述有機工作介質(zhì)為RlI、Rl 13、R123、R141B、R245CA、R245FA、R365MFC、正戊烷、異戊烷其中的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種船用柴油機余熱回收系統(tǒng)，具體涉及一種基于有機朗肯循環(huán)的船用柴油機余熱發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括有安裝在船舶上的以船舶柴油機廢氣余熱為熱源的廢氣鍋爐；所述廢氣鍋爐內(nèi)設置有以鍋爐熱水為熱源的蒸發(fā)器，蒸發(fā)器可加熱循環(huán)通過的有機工作介質(zhì)并產(chǎn)生蒸汽；所述蒸發(fā)器的介質(zhì)蒸汽出口經(jīng)過汽輪機，再由汽輪機的冷卻介質(zhì)回流口與增壓泵的入口連接，增壓泵的出口連接蒸發(fā)器的介質(zhì)入口；所述汽輪機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。本發(fā)明能夠提高船用柴油機余熱的利用效率、結(jié)構(gòu)緊湊、運行可靠。
文檔編號F01D15/10GK102628412SQ201210116850
公開日2012年8月8日 申請日期2012年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月20日
發(fā)明者楊東, 馬哲樹 申請人:江蘇科技大學