导热油锅炉和温差热电装置一体化热电联产系统的制作方法

本发明涉及船用柴油机节能环保技术，尤其涉及一种结合导热油锅炉一体化设计回收柴油机排气余热从而实现热电联产的热电联产设备。

背景技术：

现有的船用柴油机排气余热温差发电装置从换热型式区分主要有两种：直接式和间接式。直接式的温差发电装置是将温差热电片贴敷在排气管道上，直接利用排气热量提供热电转换的能量。相比直接式温差发电系统，间接式温差发电装置利用导热油充当中间换热介质，具有热量利用率高，发电模块可扩展性强，工作介质温度稳定，安装布置灵活等特点，适用于船用大功率柴油机使用，但是由于增加了换热单元和导热油循环单元，结构也相对复杂，增加了前期成本投入。

船用导热油废气锅炉相比传统蒸汽锅炉，工作介质具有高温低压的特点，且系统安全性强，因此在船舶上逐步得到推广应用。导热油锅炉本体即相当于一套气液换热器，通过导热油的循环换热回收柴油机排气能量以供用热设备使用。同时该锅炉系统自身具有一套完备的导热油强制循环单元，以保证导热油的安全运行和有序循环。

但依靠现有的导热油锅炉对柴油机排气热量的回收利用仍显不足。首先是利用率的不足：导热油在锅炉本体与柴油机排气换热后，循环流经用热设备释放热量，最后回到锅炉继续换热。在这个过程中一般导热油温度降低量大概在20~30℃，回流到锅炉本体时导热油仍具有较高的温度，这就导致在锅炉本体中与导热油换热后排出的尾气仍具有较高的热能，因此锅炉总的换热效率不高。再者使用现有的导热油锅炉方案对排气热能的利用型式单一，只能满足用热设备的用热需求，无法转换成其它能量型式，满足能量综合利用的需求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种导热油锅炉和温差热电装置一体化热电联产系统，其在发挥间接式温差发电装置安装布置灵活、发电模块扩展性强的优势的前提下，提升了排气能量利用率，扩展了能量利用形式，降低了结构复杂性和初期成本投入，并能保证温差发电装置提供稳定的电能输出。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种导热油锅炉和温差热电装置一体化热电联产系统，包括导热油锅炉、用热设备、循环泵组及温差发电装置，导热油锅炉、用热设备、循环泵组及温差发电装置通过循环管路依次连通；

导热油锅炉用于将船用柴油机排出的气体与导热油进行换热，并将换热后的导热油输出给用热设备；

用热设备用于接收导热油传递的热量，并在循环泵组的泵送作用下将降温后的导热油输出至温差发电装置；

温差发电装置包括相互并联的多个温差电机、导热油分配管路、导热油汇流管路、冷却介质分配管路、冷却介质汇流管路、以及分别与多个温差电机一一对应的多根导热油分配支管、多根导热油汇流支管、多根冷却介质分配支管和多根冷却介质汇流支管；导热油分配管路的入口与循环泵组的出口连通，用于接收降温后的导热油，导热油分配管路的出口通过多根导热油分配支管分别连通多个温差电机的导热油入口，多个温差电机的导热油出口分别通过多根导热油汇流支管连通所述导热油汇流管路，导热油汇流管路的出口与导热油锅炉的导热油入口连通，各所述导热油汇流支管上设有流量平衡阀；冷却介质分配管路的入口用于接收由外部流入的冷却介质，冷却介质分配管路的出口通过多根冷却介质分配支管分别连通多个温差电机的冷却介质入口，多个温差电机的冷却介质出口分别通过多根冷却介质汇流支管连通冷却介质汇流管路，各冷却介质汇流支管上设有流量平衡阀。

本发明通过结合船用导热油锅炉和温差发电装置提出一种一体化热电联产装置技术方案，并对温差发电单元的管路流量分配、维护清洗措施作了针对性设计。本发明至少具有以下优点和特点：

（1）发明的一体化热电联产系统同时实现了热能和电能两种能量形式的利用，提高了船用柴油机排气余热利用效率和质量；

（2）发明的一体化热电联产系统降低了原有装置的结构复杂度，减少了装置初期投入的成本，且安装布置灵活；

（3）温差发电装置的结构同时兼顾考虑了系统的安全性和维护保养需求，具有较好的可靠性，同时通过对导热油管路进行针对性的设计，使流入各温差电机的导热油的流量保持均匀一致，确保温差发电装置能提供稳定的电能输出，提高发电品质。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的导热油锅炉和温差热电装置一体化热电联产系统的结构示意图。

图2示出了根据本发明一实施例的温差电机的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步说明。

图1示出了根据本发明一实施例的导热油锅炉和温差热电装置一体化热电联产系统的结构示意图。请参考图1，根据本发明一实施例的一种导热油锅炉和温差热电装置一体化热电联产系统，包括导热油锅炉1、用热设备2、循环泵组3及温差发电装置4。导热油锅炉1、用热设备2、循环泵组3及温差发电装置4通过循环管路5依次连通，形成导热油循环回路。

导热油锅炉1用于将船用柴油机排出的气体与导热油进行换热，并将换热后的导热油输出给用热设备2。图1示出了导热油锅炉1的柴油机废气入口11和柴油机排气出口12。用热设备2用于接收导热油传递的热量，并在循环泵组3的泵送作用下将降温后的导热油输出至温差发电装置4。

温差发电装置4包括相互并联的多个温差电机40、导热油分配管路41、导热油汇流管路42、冷却介质分配管路43、冷却介质汇流管路44、以及分别与多个温差电机40一一对应的多根导热油分配支管45、多根导热油汇流支管46、多根冷却介质分配支管47和多根冷却介质汇流支管48。导热油分配管路41的入口与循环泵组3的出口连通，用于接收降温后的导热油，导热油分配管路41的出口通过多根导热油分配支管45分别连通多个温差电机40的导热油入口，多个温差电机40的导热油出口分别通过多根导热油汇流支管46连通导热油汇流管路42。导热油汇流管路42的出口与导热油锅炉1的导热油入口连通，各导热油汇流支管46上设有流量平衡阀49a。冷却介质分配管路43的入口用于接收由外部流入的冷却介质，冷却介质分配管路43的出口通过多根冷却介质分配支管47分别连通多个温差电机40的冷却介质入口，多个温差电机40的冷却介质出口分别通过多根冷却介质汇流支管48连通冷却介质汇流管路44，各冷却介质汇流支管48上设有流量平衡阀（图中未示出）。

导热油管路的设计方案是保证温差发电装置电能高效稳定输出的关键。导热油经过用热设备2换热后进入温差发电装置的导热油分配管路41，将流量分配至各导热油分配支管45，每一路导热油分配支管45连接一个温差电机40，流经各温差电机40的导热油经过导热油汇流支管46汇集到导热油汇流管路42，最终回流至导热油锅炉1。在这一过程中，由于温差电机40是采用并联连接的方式，如果进入各支管路的导热油流量不均匀，会影响温差电机热端温度分布的一致性，从而导致各温差电机发电电压差别较大引起电压环流，对整体发电性能产生不利影响。为保证各支管路流量和温度的一致性，在每组温差电机的导热油汇流支管46上设有流量平衡阀49a，并在每组温差电机的冷却介质汇流支管48上也设有流量平衡阀。通过阀的调节可保证各支管路导热油和冷却介质的流量的一致性。进一步地，本申请还对导热油分配管路与导热油汇流管路的横截面积比例、以及冷却介质分配管路与冷却介质汇流管路的横截面积比例做了限定，以使各支管路的流量分配更加均匀：经过计算和优化，设置导热油分配管路41与导热油汇流管路42的横截面积之比为0.6~0.65，设置冷却介质分配管路43与冷却介质汇流管路44的横截面积之比为0.6~0.65。

温差电机40是温差发电装置的核心部件，所并联的温差电机40的数量可根据柴油机功率、排气参数、导热油载热量等数据核算而得出。

图2示出了根据本发明一实施例的温差电机的结构示意图。请参考图2。各温差电机40包括多块温差热电片401、导热油流道403、冷却介质流道405以及紧固件407。多块温差热电片401的热端通过导热胶粘结在导热油流道403的外壁上，使得散热损失尽量小，热能利用率尽量大；多块温差热电片401的冷端通过导热胶粘结在冷却介质流道405的外壁上，冷却介质流道405通过紧固件407固定在导热油流道403上。在图中的实施例中，温差热电片401的内表面为热端，外表面为冷端。导热油流道403内的循环介质为导热油，作为温差热电片热源，冷却介质流道405内的冷却介质作为温差热电片的冷源，从而在多块温差热电片401的热端与冷端之间形成温差。

在本实施例中，导热油流道403为方形管道；紧固件407为卡箍，卡箍的数量为多个。多块温差热电片401分别布置在方形管道的四个侧面上。冷却介质流道405的数量为四根，位于方形管道四个侧面上的温差热电片的冷端分别通过导热胶粘结在四根冷却介质流道405的外壁上。多个卡箍将导热油流道403、温差热电片401以及冷却介质流道紧固连接，形成一个完整的温差电机。导热油流道403的两端设有分别与导热油分配支管45和导热油汇流支管46相连接的法兰408、409。以上结构便于温差电机的安装、拆卸以及维护。

根据本发明一实施例的导热油锅炉和温差热电装置一体化热电联产系统的工作过程大致如下：导热油在导热油锅炉1中循环流动置换排气中的热能，加热后的导热油在循环泵组3的强制泵送作用下流经船舶用热设备2交换一部分热量，然后流入温差发电装置4的热端管路，作为热电转换的热源，发出的电能供应船用用电设备或者由蓄电设备储存起来。导热油携带的热能经用热设备2热交换和温差发电装置4热电转换后得到充分利用，然后循环回到导热油锅炉1继续置换排气热能。

为保证整套系统安全稳定运行，优选地，根据本发明一实施例的导热油锅炉和温差热电装置一体化热电联产系统设有油气分离器61、膨胀容器62、膨胀管道63、除气管道64以及导热油柜65。油气分离器61用于分离循环管路5中的气体。膨胀容器62设置在油气分离器61的上方，膨胀容器62设有排气出口。油气分离器61的出油口通过膨胀管道63与膨胀容器62连通，油气分离器61的出气口通过除气管道64与膨胀容器连通。随着温度的升高，导热油中低挥发份物质会以气体形式析出，这些水蒸气、空气及低挥发份气体若不及时排出，会引起局部气阻及循环泵抽空导致颤震。导热油循环流经油气分离器61时，将油中的气体分离出来后经除气管道64进入膨胀容器62后排空。膨胀容器62还可用来缓冲导热油膨胀量、稳压排气以及系统注油，膨胀容器62设有出油口，该出油口通过出油管道66与导热油柜65连通，可达到溢流泄放的作用。

进一步地，在正常循环管路5旁边设置了旁通管路71，旁通管路71由电动三通阀72控制，旁通管路71上还设有止回阀73。电动三通阀72位于导热油分配管路41的入口的上游侧，旁通管路71的两端分别与电动三通阀72和导热油汇流管路42出口的下游侧的循环管路连通。当温差发电装置4发生故障或者需维护保养时，通过控制电动三通阀72可切换导热油至旁通管路71运行，从而保证整套系统的安全性和可维护性。

为了实现导热油管路的净化，优选地，循环管路上设有用于对循环管路4中的导热油进行过滤的过滤器。其中一个过滤器81设置在循环泵组3的上游，用于过滤杂质，防止循环系统3堵塞。另一个过滤器82设置在在导热油分配管路41上，以过滤去除管路中可能存在的杂质，当运行达到一定的时间、需进行定期维护保养时，可将导热油切换至旁通管路71，并将温差发电装置4内剩余导热油泄放至导热油柜65，由于导热油分配支管45和导热油汇流支管46均通过法兰与温差电机的导热油流道连接，因此可方便地拆解出完整的温差电机，完成管路清洗。

优选地，前述的冷却介质为船用柴油机冷却水系统的冷却水；冷却介质分配管路43的入口与船用柴油机冷却水系统的冷却水出口连通，冷却介质汇流管路44的冷却介质出口与船用柴油机冷却水系统的冷却水入口连通，形成封闭的冷却水循环回路。通过柴油机冷却水系统提供温差热电片所需的冷端温度，由于不需要添加额外的设备，减少了温差发电装置4的结构复杂性和成本投入。

在一个具体的应用案例中，某船用柴油机额定功率为3570kW,烟气量为42000Nm³/h，排气温度约为280℃。排气管路与根据本发明实施例的导热油锅炉和温差热电装置一体化热电联产系统的导热油锅炉进气口连通，导热油循环量为60m³/h，导热油出锅炉温度为220℃，可满足机舱大部分用热设备需求。随后流入温差发电装置，由导热油分配管路和流量平衡阀分配进入各支管路流量，每个温差电机内导热油流量为0.5m³/h，因此可以扩展安装120组温差电机，每组发电量约为0.5kW，因此可发电60kW。

根据本发明实施例的导热油锅炉和温差热电装置一体化热电联产系统可有效回收柴油机排气热能，满足船舶用热和部分用电需求，尤其适用于船用大功率柴油机的排气热能回收利用。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。