专利名称：基于有机朗肯循环的船用柴油机余热发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种船用柴油机余热回收系统，具体涉及一种基于有机朗肯循环的船用柴油机余热发电系统。
背景技术：
船舶是各国经济贸易的主要运输工具，在全球经济发展中起到不可替代的作用。据统计，世界上90%以上的进出口商品是通过船舶运输的。而船舶的主要推进动力包括中低速柴油机、燃气轮机、核动力。船用中低速柴油机由于具有经济性好、可靠性高、维修方便、使用寿命长、功率范围广、机动性好、可燃用价格低廉的劣质燃油等优点，在商用运输船舶上应用非常广泛。目前，性能优良的船用中低速柴油机，燃油燃烧释放的热能只有45% 55%转化为柴油机的输出功，废气带走25% 35%的热量，冷却水带走20% 25%的热量，其余大约15%的热量以机体散热损失、不完全燃烧损失、机械损失等的形式损失掉。废气带走的热量约占燃料燃烧能量的三分之一左右，回收船用柴油机废气余热可以提高燃料燃烧能量的利用率，起到很好的节能减排的效果。目前排气余热在船上的应用主要有两种方式排气余热转换成加热热能；排气余热转换成加热热能和电能。充分而合理利用排气余热，要综合考虑如下因素排气余热的质量高低、排气余热的数量大小、余热供应的稳定程度、排气余热设备的成本、投资回收期等因素。(I)一般的中、小型船舶，由于主机的排气余热能量不大，能回收的动力很有限，所以都只考虑作为加热用途的排气余热利用方式通过废气锅炉产生一定压力的饱和水蒸汽满足乘员生活所需的热水供应、寒冷季节的舱室取暖以及油类的加热保温等。(2)在较大功率和万吨级以上的大型柴油机商船上，利用废气锅炉代替燃油辅锅炉产生生活杂用及燃油加热等的蒸汽，还不能充分地利用主机的排气余热，因为随着发动机功率的增加，排气余热也随着增加。因此废气锅炉如果只产生杂用及加热蒸汽，就会有大量剩余，致使排烟温度不能降到合理的温度。而由排气余热回收的蒸汽热能，其最佳转换方式是使用汽轮发电机产生电能，因此，在较大功率和万吨级以上的大型柴油机商船上，凭借在船舶正常航行阶段主机负荷功率较高(75%以上的额定功率)、排气能量的能质较高(特别是中速柴油机)以及排气流量充裕而稳定的有利条件，对废气锅炉开始重新构思设计，包括采取降低排温、提高蒸发量、加装过热器和经济器等措施，所产生蒸汽除供加热和生活杂用之外，有可能通过汽轮发电机组于航行中取代柴油发电机组发电，满足全船电力负荷，形成了基于朗肯循环的船用柴油机废气余热发电系统。它由预热器、蒸发器、过热器、蒸汽轮机、发电机、冷凝器、锅炉给水泵等组成(沈维道等，工程热力学(第三版)，北京高等教育出版社，2001 ;陆金铭，船舶动力装置设计，北京国防工业出版社，2006)。基于朗肯循环的船用柴油机余热发电系统在实际船舶中的应用却存在如下几个重要的制约因素(I)基于朗肯循环的船用柴油机余热发电系统易于在蒸汽轮机里形成湿蒸汽，高速小水滴冲击汽轮机叶片，会产生腐蚀损坏，缩短蒸汽轮机的使用寿命；(2)水蒸汽密度小、比容大，汽轮机(尤其是末级叶片的高度)、排气管道及冷凝器中的管道的设计尺寸较大；(3)水的沸点高、汽化潜热值大，船用柴油机废气属于中低温余热，基于朗肯循环的船用柴油机余热发电系统在回收中低温余热时效率不高；(4)系统结构复杂、造价高；
(5)船用柴油机的排温越低，装置的效率和经济性越差，因此目前船用柴油机的排温不断下降的趋势使得发展基于朗肯循环的船用柴油机余热发电系统面临更大挑战。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够提高船用柴油机余热的利用效率、结构紧凑、运行可靠的基于有机朗肯循环的船用柴油机余热发电系统。本发明的基于有机朗肯循环的船用柴油机余热发电系统包括有安装在船舶上的以船舶柴油机废气余热为热源的废气锅炉；所述废气锅炉内设置有以锅炉热水为热源的蒸发器，蒸发器可加热循环通过的有机工作介质并产生蒸汽；所述蒸发器的介质蒸汽出口经过汽轮机，再由汽轮机的冷却介质回流口与增压泵的入口连接，增压泵的出口连接蒸发器的介质入口 ；所述汽轮机驱动发电机发电。所述增压泵与蒸发器的介质入口之间还连接有一个可对介质进行预热的换热器。所述换热器中具有与外部热源连接的加热管道，作为预热热源。所述蒸发器的介质蒸汽出口与汽轮机之间的管道经过所述换热器作为换热器的预热热源。所述汽轮机的冷却介质回流口与增压泵的入口之间还设置有冷凝器。 所述废气锅炉具有与船舶上的热水供应系统连接的热水及水蒸汽出口。所述有机工质为Rll、Rl 13、R123、R141B、R245CA、R245FA、R365MFC、正戊烷、异戊
烷其中的一种。与传统的基于朗肯循环的船用柴油机余热发电系统相比，本发明具有如下的优
占-
^ \\\ ·
I)与水蒸汽相比，有机工质(如正戊烷)密度大、比热容小，这可使汽轮机(特别是其末级叶片的高度)、排气管道及冷凝器中的管道的设计尺寸较小。2)低沸点有机工质具有良好的热力学性质，有机工质的汽化潜热比水低很多，不仅可以在吸收较少的热量后使有机工质从液态转化为饱和或过热状态，而且有机工质的蒸发温度相对于水来说比较低，因此本发明比基于朗肯循环的船用柴油机余热发电系统具有较高的热效率，对较低温度的船用柴油机废气余热的利用率更高。3)与水蒸汽不同，有机工质在汽轮机中膨胀做功时，从高压到低压始终保持干燥状态，这就消除了形成湿汽的可能性以及当高速液滴冲击汽轮机时产生腐蚀损坏的可能性。所以，本发明比水蒸汽汽轮机能更有效地适用部分负荷运行及大的功率变动。4)与水蒸汽相比，有机工质冷凝压力高，整个系统可在接近和稍高于大气压力下工作，使得有机工质的漏失现象大为降低。
图I是本发明实施例一的系统原理 图2是本发明实施例二的系统原理图。
具体实施例方式实施例一
如图I所示，该系统包括废气锅炉I、汽轮机2、减速器3、发电机4、冷凝器5、增压泵
6、换热器7以及安装在废气锅炉里的蒸发器8。其中，增压泵6用于将冷凝器5里的过冷有机工质压缩成高压过冷液体后泵入换热器7 ;换热器7用于提高进入蒸发器8的过冷有机工质的温度，在换热器7里，过冷有机工质被来自蒸发器8的高压过热有机工质气体加热；蒸发器8用于产生高压低过热度的有机工质蒸汽；汽轮机2用于高压过热有机工质蒸汽膨胀做功；汽轮机2通过减速器3驱动交流发电机4 ;交流发电机4用于产生适合船上使用的电能；冷凝器5用于将有机工质蒸汽冷却成低过冷度的液体。废气锅炉I不仅能产生过热有机工质蒸汽，而且能产生一定压力的饱和水蒸汽，通过热水及水蒸汽出口与热水供应系统连接，以满足乘员生活所需的热水供应、寒冷季节的舱室取暖以及油类的加热保温等。蒸发器8为高蒸发压力、低过热度的蒸发器。汽轮机2为高进汽压力的汽轮机，其排气背压通常稍高于大气压力。冷凝器5的冷凝压力通常稍高于大气压力。冷凝器5采用舷外水冷却。泵6为高增压压力的泵，可选用离心泵。有机工作介质可选Rll、R113、R123、R141B、R245CA、R245FA、R365MFC、正戊烷、异戊烷其中的一种。为节省空间，汽轮机2、减速器3、交流发电机4三者安装在同一个底盘上。实施例二
如图2所示，该系统为可同时回收其他余热的基于有机朗肯循环的船用柴油机余热发电系统。本实施例与实施例一的差别在于换热器7中的高压过冷有机工质由与外部热源连接的加热管道9加热，外部热源可以是船上其他余热源，如主机缸套冷却水、高温增压空
与坐
Vi寸O
权利要求
1.一种基于有机朗肯循环的船用柴油机余热发电系统，包括有安装在船舶上的以船舶柴油机废气余热为热源的废气锅炉(I )，其特征是所述废气锅炉内设置有以锅炉热水为热源的蒸发器(8)，蒸发器可加热循环通过的有机工作介质并产生蒸汽；蒸发器(8)的介质蒸汽出口经过汽轮机(2)，再由汽轮机的冷却介质回流口与增压泵(6)的入口连接，增压泵的出口连接蒸发器的介质入口 ；所述汽轮机驱动发电机(4)发电。
2.根据权利要求I所述的基于有机朗肯循环的船用柴油机余热发电系统，其特征是所述增压泵与蒸发器的介质入口之间还连接有一个可对介质进行预热的换热器(7)。
3.根据权利要求2所述的基于有机朗肯循环的船用柴油机余热发电系统，其特征是所述换热器(7)中具有与外部热源连接的加热管道(9)，作为预热热源。
4.根据权利要求2所述的基于有机朗肯循环的船用柴油机余热发电系统，其特征是所述蒸发器(8)的介质蒸汽出口与汽轮机之间的管道经过所述换热器(7)作为换热器的预热热源。
5.根据权利要求I一 4之一所述的基于有机朗肯循环的船用柴油机余热发电系统，其特征是所述汽轮机的冷却介质回流口与增压泵的入口之间还设置有冷凝器(5)。
6.根据权利要求I一 4之一所述的基于有机朗肯循环的船用柴油机余热发电系统，其特征是所述废气锅炉(I)具有与船舶上的热水供应系统连接的热水及水蒸汽出口。
7.根据权利要求I一 4之一所述的基于有机朗肯循环的船用柴油机余热发电系统，其特征是所述有机工作介质为RlI、Rl 13、R123、R141B、R245CA、R245FA、R365MFC、正戊烷、异戊烷其中的一种。
全文摘要
本发明涉及一种船用柴油机余热回收系统，具体涉及一种基于有机朗肯循环的船用柴油机余热发电系统。该系统包括有安装在船舶上的以船舶柴油机废气余热为热源的废气锅炉；所述废气锅炉内设置有以锅炉热水为热源的蒸发器，蒸发器可加热循环通过的有机工作介质并产生蒸汽；所述蒸发器的介质蒸汽出口经过汽轮机，再由汽轮机的冷却介质回流口与增压泵的入口连接，增压泵的出口连接蒸发器的介质入口；所述汽轮机驱动发电机发电。本发明能够提高船用柴油机余热的利用效率、结构紧凑、运行可靠。
文档编号F01D15/10GK102628412SQ201210116850
公开日2012年8月8日 申请日期2012年4月20日 优先权日2012年4月20日
发明者杨东, 马哲树 申请人:江苏科技大学