一种船舶低速柴油机EGR冷却器S‑CO2和ORC联合循环余热利用系统的制作方法

本发明涉及的是一种余热回收系统，具体地说是船舶柴油机余热回收系统。

背景技术：

应用EGR技术能够有效的解决船舶低速柴油机NOx的排放问题，使船舶满足Tier III排放法规的要求。然而，该技术由于将船舶低速柴油机排放的废气重新导入气缸内燃烧，导致柴油机燃烧变差，油耗增加。有研究表明，在船舶低速柴油机EGR率为27％的情况下，能够使船舶低速柴油机满足Tier III排放标准，但油耗会增加4g/kWh，使柴油机的经济性变差。将EGR技术和余热利用技术相结合能够同时有效地解决船舶低速柴油机污染物NOx排放和能耗两大问题。通过余热利用技术将EGR冷却器的能量进行回收，将其转化为电能或直接传动回馈到低速柴油机输出端，能够有效的降低船舶低速柴油机的综合油耗，提高船舶低速柴油机的燃油经济性，抵消船舶低速柴油机采用EGR技术处理污染物排放问题时所带来的油耗增加问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供将超临界CO₂布雷顿循环和有机郎肯循环组成的联合循环与船舶低速柴油机EGR系统相结合，利用EGR冷却器的能量发电或直接传动回馈到低速柴油机输出端，提高船舶低速柴油机的燃油经济性，降低船舶低速柴油机采用EGR技术处理污染物排放问题时所带来油耗增加问题的一种船舶低速柴油机EGR冷却器S-CO₂和ORC联合循环余热利用系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种船舶低速柴油机EGR冷却器S-CO₂和ORC联合循环余热利用系统，其特征是：包括排气集箱、EGR冷却器、主EGR设备、进气集箱、ORC蒸发器、ORC冷凝器、ORC回热器、ORC膨胀机、S-CO₂冷却器、S-CO₂膨胀机、S-CO₂压缩机，EGR冷却器包括EGR冷却器高温侧、EGR冷却器低温侧，ORC蒸发器包括ORC蒸发器高温侧、ORC蒸发器低温侧，ORC回热器包括ORC回热器高温侧、ORC回热器低温侧；

排气集箱一方面通过主烟气管道经EGR冷却器高温侧连接主EGR设备，另一方面通过烟气旁通管连接主EGR设备，主EGR设备连接进气集箱；

EGR冷却器低温侧出口连通S-CO₂膨胀机进口，S-CO₂膨胀机出口连通ORC蒸发器高温侧进口，ORC蒸发器高温侧出口连通S-CO₂冷却器进口，S-CO₂冷却器出口连通S-CO₂压缩机进口，S-CO₂压缩机出口连通EGR冷却器低温侧进口，S-CO₂膨胀机连接发电机；

ORC蒸发器低温侧出口连通ORC膨胀机进口，ORC膨胀机出口连通ORC回热器高温侧进口，ORC回热器高温侧出口连通ORC冷凝器进口，ORC冷凝器出口连通ORC回热器低温侧进口，ORC回热器低温侧出口连通ORC蒸发器低温侧进口，ORC膨胀机连接发电机；

EGR冷却器、S-CO₂膨胀机、ORC蒸发器、S-CO₂冷却器、S-CO₂压缩机构成S-CO₂回路，ORC蒸发器、ORC膨胀机、ORC回热器、ORC冷凝器构成ORC回路。

本发明一种船舶低速柴油机EGR冷却器S-CO₂和ORC联合循环余热利用系统，其特征是：包括排气集箱、EGR冷却器、主EGR设备、进气集箱、ORC蒸发器、ORC冷凝器、ORC回热器、ORC膨胀机、S-CO₂冷却器、S-CO₂膨胀机、S-CO₂压缩机、S-CO₂回热器、导热油加热器，EGR冷却器包括EGR冷却器高温侧、EGR冷却器低温侧，ORC蒸发器包括ORC蒸发器高温侧、ORC蒸发器低温侧，ORC回热器包括ORC回热器高温侧、ORC回热器低温侧，S-CO₂回热器包括S-CO₂回热器高温侧、S-CO₂回热器低温侧，导热油加热器包括导热油加热器高温侧、导热油加热器低温侧；

排气集箱一方面通过主烟气管道经EGR冷却器高温侧连接主EGR设备，另一方面通过烟气旁通管连接主EGR设备，主EGR设备连接进气集箱；

EGR冷却器低温侧出口连通S-CO₂膨胀机进口，S-CO₂膨胀机出口连通导热油加热器高温侧进口，导热油加热器高温侧出口连通S-CO₂回热器高温侧进口，S-CO₂回热器高温侧出口连通S-CO₂冷却器进口，S-CO₂冷却器出口连通S-CO₂压缩机进口，S-CO₂压缩机出口连通S-CO₂回热器低温侧进口，S-CO₂回热器低温侧出口连通EGR冷却器低温侧进口，S-CO₂膨胀机连接发电机；

ORC蒸发器低温侧出口连通ORC膨胀机进口，ORC膨胀机出口连通ORC回热器高温侧进口，ORC回热器高温侧出口连通ORC冷凝器进口，ORC冷凝器出口连通ORC回热器低温侧进口，ORC回热器低温侧出口连通ORC蒸发器低温侧进口，ORC蒸发器高温侧出口通过导热油泵连通导热油加热器低温侧进口，导热油加热器低温侧出口连通ORC蒸发器高温侧进口，ORC膨胀机连接发电机；

EGR冷却器、S-CO₂膨胀机、导热油加热器、ORC蒸发器、S-CO₂回热器、S-CO₂冷却器、S-CO₂压缩机构成S-CO₂回路，ORC蒸发器、ORC膨胀机、ORC回热器、ORC冷凝器构成ORC回路。

本发明还可以包括：

1、S-CO2回路上设置S-CO₂回热器，S-CO₂回热器包括S-CO₂回热器高温侧、S-CO₂回热器低温侧，ORC蒸发器高温侧出口与S-CO₂冷却器进口之间设置S-CO₂回热器高温侧，S-CO₂压缩机出口与EGR冷却器低温侧进口之间设置S-CO₂回热器低温侧。

2、S-CO₂回路上设置S-CO₂回热器，S-CO₂回热器包括S-CO₂回热器高温侧、S-CO₂回热器低温侧，S-CO₂膨胀机出口与ORC蒸发器高温侧进口之间设置S-CO₂回热器高温侧，S-CO₂压缩机出口与EGR冷却器低温侧进口之间设置S-CO₂回热器低温侧。

3、ORC冷凝器出口与ORC回热器低温侧进口之间安装储液罐和增压泵。

4、S-CO₂膨胀机与S-CO₂压缩机同轴。

5、所述的S-CO₂回路为超临界CO₂布雷顿循环回路，ORC回路为有机郎肯循环回路；S-CO₂回路的热源为EGR冷却器的烟气能量，ORC回路的热源为S-CO₂回路膨胀机出口的S-CO₂。

本发明的优势在于：本发明将EGR和ORC系统相结合，能够同时有效的解决船舶低速柴油机NOx污染物排放和能耗两大问题，降低船舶低速柴油机NOx的排放，同时提高船舶低速柴油机的综合能效。S-CO₂与EGR排气直接接触换热，且EGR排气具有较高的压力，提高了EGR冷却器的排气侧换热系数，使EGR冷却器具有结构紧凑的优点，有利于该系统在船舶机舱的布置。同时通过ORC回收一部分S-CO₂系统回热器的能量，降低S-CO₂的回热度，使S-CO₂的与EGR排气具有更好的匹配度，提高了系统的综合效率。

附图说明

图1为实施方式一的结构示意图；

图2为实施方式二的结构示意图；

图3为实施方式三的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

实施方式一：

结合图1，该系统由S-CO₂回路、ORC回路组成和EGR回路组成。其中S-CO₂回路由EGR冷却器低温侧1、S-CO₂膨胀机6、ORC蒸发器高温侧2、S-CO₂回热器高温侧3、S-CO₂冷却器4、S-CO₂压缩机5和S-CO₂回热器低温侧依次连接组成。其中S-CO₂回路还包括和S-CO₂膨胀机同轴连接的发电机7，以及为S-CO₂冷却器4提供冷却水的冷却水泵8。ORC回路由ORC蒸发器低温侧2、ORC膨胀机14、ORC回热器高温侧9、ORC冷凝器10、ORC工质泵13、ORC储液罐12和ORC回热器低温侧依次连接组成。其中ORC回路还包括和ORC膨胀机14同轴连接的发电机15，以及为ORC冷凝器10提供冷却水的冷却水泵11。EGR回路由排气集箱16、主烟气管道18、EGR冷却器1高温侧、主EGR设备19和进气集箱20依次连接组成。其中EGR回路还包括用于旁通作用的烟气旁通管17。

S-CO₂回路为超临界CO₂布雷顿循环回路，ORC回路为有机郎肯循环回路。S-CO₂回路的热源为EGR冷却器的烟气能量，ORC回路的热源为S-CO₂回路膨胀机出口的S-CO₂。EGR冷却器能够将EGR排气冷却到排气酸露点之上，或通过采用耐腐蚀材料，排气可以冷却到酸露点以下。S-CO₂膨胀机6和ORC膨胀机14可以同轴连接发电机或同轴连接动力传动装置直接将输出动力回馈到低速柴油机曲轴输出端。S-CO₂压缩机可以与S-CO₂膨胀机同轴连接或单独驱动。

由船舶低速柴油机排气集箱16排出的废气首先通过与之相连的主排气管道18进入EGR冷却器1之后排入主EGR设备19，在该设备中完成脱硫、进一步冷却之后导入进气集箱20，与新鲜空气混合之后进入船舶低速柴油机气缸燃烧，排入排气集箱16。进入EGR冷却器1的排气与S-CO₂循环工质直接进行换热，提高工质的温度。由EGR冷却器1排出的高温工质则进入膨胀机6做功，膨胀机6的膨胀功则通过与之同轴的发电机7转化为电能。膨胀机6排出的S-CO₂则进入ORC蒸发器2对ORC工质进行加热，使ORC工质蒸发过热。从ORC蒸发器2排出的S-CO₂则继续进入S-CO₂回热器3对工质进行预热。从S-CO₂回热器3 排出的S-CO₂则进入S-CO₂冷却器4冷却后进入S-CO₂压缩机5进行压缩后，提高压力后的S-CO₂循环工质则进入S-CO₂回热器3进行预热完成整个循环。S-CO₂冷却器4中乏汽的能量则通过与冷却水泵8提供的冷却水换热带走。从ORC蒸发器2排出的过热工质则进入膨胀机14做功，膨胀机14的膨胀功则通过与之同轴的发电机15转化为电能。膨胀机14排出的乏汽则进入回热器9对工质进行预热。由回热器9排出的乏汽则进入ORC冷凝器10冷凝。从ORC冷凝器10排出的ORC循环液态工质则进入储液罐12，之后通过增压泵13增压之后进入回热器10预热。之后进入ORC蒸发器2中蒸发完成整个循环。ORC循环的乏汽能量通过由冷却水泵11提供的冷却水带走。

实施方式二：

结合图2，在实施方式一的基础上，更改了S-CO₂回热器3的位置，由S-CO₂膨胀机6排出的S-CO₂首先进入S-CO₂回热器3高温侧进行回热后再进入ORC蒸发器2对ORC工质加热，使ORC工质蒸发过热，S-CO2压缩机5出口经S-CO2回热器3低温侧连通EGR冷却器低温侧。

实施方式三：

结合图3，在实施方式一的基础上，为了降低ORC工质高温分解的危险，加入了保护ORC工质的导热油循环：增加了导热油加热器21、导热油泵22，并调整了S-CO₂回热器3、ORC蒸发器2的连接关系，S-CO2膨胀机出口经导热油加热器21高温侧连通S-CO₂回热器3高温侧进口，ORC蒸发器2高温侧出口通过导热油泵22连通导热油加热器21高温侧进口，导热油加热器21高温侧出口连通ORC蒸发器2高温侧进口，形成循环。