[发明专利]船用大型柴油机双低温热源双压力级余热回收系统

说明书

技术领域

本发明属于内燃机节能技术，具体涉及一种用有机朗肯循环(ORC)来回收大型船舶 柴油机的缸套冷却水和增压空气余热的能量回收系统装置。

背景技术

对于大型船舶柴油机，只有不到50％的能量作为有用功输出。其余大部分能量以余热 的形式通过排气、冷却水等排放到船外，造成了能源的巨大浪费。对于这部分余热能的 有效利用，已经成为提高船舶柴油机热效率的研究重点。目前对于船舶柴油机尾气余热 的利用方式主要是用其驱动废气锅炉产生水蒸汽，其中一部分蒸汽用于供热，另一部分 用于驱动朗肯循环以产生电能。而对于缸套冷却水和增压空气的余热，往往作为废气锅 炉给水的预热源。事实上，大型船舶柴油机的缸套冷却水和增压空气的余热能也比较大， 尤其是增压空气，其最高温度可达200摄氏度左右，余热能的品质比较高。将它们仅仅 作为预热源，是不能充分利用其余热能的。

针对上述情况，如果能提出一种用有机朗肯循环来回收缸套冷却水和增压空气这种 低温热源余热的系统装置，则可以使这部分能量得到有效的利用，进一步提高柴油机的 热效率，减少燃油消耗。

发明内容

本发明是为了解决大型船舶柴油机余热利用效率低的问题，而提出的一种回收缸套 冷却水和增压空气余热的ORC系统,使这部分低温热源的余热得到有效利用，进而提高内 燃机的效率。

本发明所提供的技术方案为：船用大型柴油机双低温热源双压力级余热回收系统， 包括ORC发电回路、缸套冷气水回路、增压空气回路，其中缸套冷气水回路、增压空气 回路为ORC发电回路提供低温驱动热源，低温驱动热源通过ORC发电回路转化为有用功 输出，带动发电机发电。

其中，上述的ORC发电回路由总路、高压分路及低压分路组成；所述ORC发电回路 包括冷凝器、低压泵、回热器、低压预热器、低压蒸发器、高压泵、高压预热器、高压 蒸发器、膨胀机，其中双级膨胀机、回热器乏汽侧、冷凝器工质侧、低压泵、回热器液 态工质侧以及低压预热器工质侧依次连接组成ORC发电回路的总路；高压分路由高压泵、 高压预热器工质侧、高压蒸发器工质侧依次连接组成；低压分路仅由低压蒸发器工质侧 组成；高压分路和低压分路自总路中的低压预热器后分开，在膨胀机中汇合。

其中，上述ORC发电回路中的膨胀机为双级膨胀机。

其中，上述增压空气回路包括高压蒸发器、高压预热器、低压预热器、低温中冷器 和柴油机，其中高压蒸发器空气侧，高压预热器空气侧，低压预热器空气侧、低温中冷 器和柴油机依次连接。

此外，上述的船用大型柴油机双低温热源双压力级余热回收系统中缸套冷却水回路 包括柴油机和低温蒸发器，柴油机与低温蒸发器的工作侧相连。

本系统中ORC发电回路内的工质在冷凝器中被冷凝成液态，经低压泵加压后到达回 热器中被膨胀后的乏汽加热，然后进入低压预热器,被增压空气加热成饱和液，这时工质 被分成两路：低压分路和高压分路。低压分路中，饱和液态工质直接进入低压蒸发器中 和缸套冷却水换热，变成低压饱和蒸汽；高压分路中，饱和液态工质被高压泵加压，变 成不饱和液态，然后进入高压预热器被增压空气加热到饱和液态，接着进入高压蒸发器 中被增压空气进一步加热成饱和蒸汽。低压饱和蒸汽和高压饱和蒸汽都进入到双级膨胀 机中膨胀做功，膨胀机带动电机发电。膨胀后的乏汽先通过回热器使其一部分能量被冷 凝后的工质带走，然后进入冷凝器1中被冷凝成液态，至此完成本系统的ORC发电回路 循环。ORC发电回路分成高低压支路是因为缸套冷却水和增压空气这两个热源的性质不 同，可利用的温度段也不同，一般缸套冷却水进入柴油机的温度为75-80℃，出柴油机的 温度为85-90℃，而增压空气相应的温度为40-50℃和160-200℃。为了最大程度的利用 两个热源的余热能，所以采用双压力级。

缸套冷却水循环回路中，缸套冷却水从柴油机中出来后，经过低压蒸发器加热工质， 温度降低到进口温度后回到柴油机内。增压空气的循环回路中，增压空气从柴油机出来 后，先进入高压蒸发器加热工质使其变成饱和蒸汽，温度降低后进入高压预热器把高压 分路的工质加热到饱和液态，接着通过低压预热器把总路内的工质加热到低压下的饱和 液态，这时的增压空气温度还没有降到所需的入口温度，因此再到低温中冷器中将剩余 的热量带走。

需要注意的是：柴油机功率越大，本系统的效果越佳，因此本系统适合于大型船舶 柴油机。