[发明专利]一种适用于船用低速发动机废热能量回收的余热利用系统

说明书

本发明公开一种适用于船用低速发动机废热能量回收的余热利用系统。包括高温有机朗肯循环子系统和低温有机朗肯循环子系统。系统中空气冷却器为两段式设计，分为高温段和低温段；高温有机朗肯循环子系统通过废气换热器、过热器、蒸发器、预热器和空气冷却器高温段来回收发动机排气和扫气空气的能量，产生日用蒸汽和输出电能；低温有机朗肯循环子系统通过缸套水冷却器和空气冷却器低温段来回收缸套冷却水和扫气空气的能量，输出电能。本发明提出的余热利用系统，可有效避免发动机在低负荷运行时余热利用系统中换热器表面的酸腐蚀，可实现发动机全工况范围内余热能量合理、安全和有效的利用，显著提高船舶动力系统热效率，降低EEDI。

技术领域

本发明涉及余热利用技术领域，特别是涉及一种适用于船用低速发动机废热能量回收的余热利用系统。

背景技术

能源是人们在生活和发展中不可或缺的资源，是经济发展和人类社会的重要物质基础。全球大约90％的贸易都是通过海上运输完成的，而船舶作为能源消耗量巨大的运输工具，其对能源的高度消耗造成了船舶运行成本的增加和环境污染的问题。随着船舶节能减排的需求紧迫和海洋环境的日益恶化，国际海事组织(IMO)提出了EEDI(EnergyEfficiencyDesign Index，新船能效设计指数)的执行表，其中规定在2025年以后EEDI折减系数将达到30％，若不能达到要求，将面临高额的罚款，以补偿对环境的破坏。当前发动机的热效率一般为50％左右，燃料中仍有约50％的能量没有被利用，如果能利用这部分能量进行发电或作为辅助设备热源产生日用蒸汽，则可以部分或完全代替辅机和余热锅炉，从而提高船舶能量利用率，降低EEDI。如何有效、安全的利用这部分能量为本发明所要解决的问题。

目前船上余热利用循环系统主要包括布雷顿循环和朗肯循环两种方式，其工质主要有水、有机工质和二氧化碳等。对于大型船用低速发动机来说，其废热源多为300℃以下的中低温热源，在这个温度区间内，有机朗肯循环相比其他热力循环具有明显优势。

有机朗肯循环是以沸点较低的有机物为工质的朗肯循环，具有环境友好、效率高、结构简单和负荷适应能力好等特点，可用于温度高于70℃以上的中低温热源，因此广泛应用在中低温余热回收系统中。但由于船舶低速发动机燃用重油，余热利用系统中的排气换热器出口温度最小值受到烟气中硫酸露点的影响，较低的排温会使烟气流中的硫酸冷凝腐蚀排气烟道，特别是在发动机低负荷时，此时的发动机排气温度较低，排气换热器的出口温度则会进一步降低，加剧了排气换热器的腐蚀，使余热利用系统在低工况时无法使用。

船舶低速发动机余热源主要有发动机排气、增压空气和缸套冷却水。在船舶低速发动机常用工况范围内，排气温度在200℃～250℃之间波动，增压空气在30℃～200℃之间呈线性增长，缸套冷却水基本为恒温热源～90℃，从低负荷到高负荷，前两者占比逐渐提高，但在中低负荷，低品位能量在总损失能量中占比相对较大，因此如何提高船舶低速发动机中低负荷余热能的转化是一个重大难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于船用低速发动机废热能量回收的余热利用系统，以解决上述现有技术存在的问题，在全工况范围内有效利用废热能量，实现了发动机余热能的梯级利用，具有安全性高、废热利用效率高等优点，可有效降低EEDI。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种适用于船用低速发动机废热能量回收的余热利用系统，包括高温有机朗肯循环子系统和低温有机朗肯循环子系统；与两个子系统相连的空气冷却器为两段式设计，分为高温段和低温段；