一种回收船舶烟气余热的有机朗肯循环系统

1.本发明涉及船舶设备领域，尤其涉及一种回收船舶烟气余热的有机朗肯循环（orc）系统。

背景技术：

2.随着全球工业化进程的加快，国际贸易增加，据统计远洋船舶货物运输量占全球货物运输量的85%以上，从事全球远洋贸易的商船约有5万余艘。航运作为全球交通网的重要组成部分，绿集约是其发展目标。柴油发动机是船舶的动力核心,所使用的燃料油大多是石油炼制过程中产生的劣质残渣油，含硫量高、粘度大、残炭值也高，在燃烧过程中仅有不到50%转化成了有用功，其余的都以废热的形式释放到大气中。有机朗肯循环在众多的废热回收技术中具有易于实现，热效率较高的特点，可用于船舶的废热回收，提高船舶的能源利用率，有利于航运事业可持续发展，为国内国际双循环提供一个更健康的引擎。
3.有机朗肯循环(orc)利用低沸点的有机物作为系统循环的工质。其主要包括工质泵、蒸发器、膨胀机和冷凝器。为了更高效的回收利用船舶动力装置产生的废热，基于有机朗肯循环的船舶废热回收系统装置在实现形式研究上也各有侧重。在利用有机朗肯循环进行开发低品位能源的过程中，根据“梯级开发，多级利用”的原则，中高温热源的开发与利用多采用与热源进行多种形式的结合，在一定程度上提升了系统能源的利用率，但是也增加了系统的复杂性，给系统的高效运行带来了挑战。
4.实用新型专利（cn201420247864.9）公开了一种利用燃气轮机排气余热的有机朗肯循环发电装置，该装置在orc回路中添加了回热器，提升了orc系统的热效率，但是总体的余热回收效果仍然偏低；发明专利（cn201910363910.9）直接将主机的废气作为驱动有机朗肯循环的热源，但是没有考虑废气的波动性和添加系统后对主机产生的背压等问题，影响系统的稳定性。发明专利（cn202011010898.2）公开了一种舰船燃气轮机废热回收功冷联供系统，通过有机朗肯循环(orc)和喷射式制冷循环(erc)构成复合循环梯级回收舰船燃气轮机烟气废热，实现了功冷联供。该发明系统系统结构复杂，在性能匹配和系统控制方面较为困难。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种回收船舶烟气余热的有机朗肯循环系统，以期实现对不同温度范围的船舶废气可用余热的充分回收。
6.本发明采用的技术方案是：一种回收船舶烟气余热的有机朗肯循环系统，其包括热源以及依次设置在于热源输出端的高压蒸发器和低压蒸发器，高压蒸发器接入高压回热式orc回路，低压蒸发器接入低压orc回路；高压orc回路包括第一储液罐，第一储液罐用于存储第一有机工质，第一储液罐的出口连接第一工质泵，第一工质泵的出口连接回热器的第一进口，回热器的第一出口连接
高压蒸发器的工质进口，高压蒸发器的工质出口连接第一缓冲罐，第一缓冲罐的出口连接第一膨胀机，第一膨胀机的出口连接回热器的第二进口，回热器的第二出口连接第一冷凝器，第一冷凝器的出口接入第一储液罐；低压orc回路包括第二储液罐，第二储液罐用于存储第二有机工质，第二储液罐的出口连接第二工质泵，第二工质泵的出口连接低压蒸发器的工质进口，低压蒸发器的工质出口连接第二缓冲罐，第二缓冲罐的出口连接第二膨胀机，第二膨胀机的出口连接第二冷凝器，第二冷凝器的出口接入第二储液罐。
7.进一步地，第一储液罐与第一工质泵直接设有第一干燥过滤器，第一干燥过滤器用于过滤掉第一有机工质中的杂物和水分。
8.进一步地，第一膨胀机的旁通回路中安装有第一旁通阀，第一旁通阀平时处于关闭状态，在出现紧急状况（如膨胀机飞车）时迅速打开，卸载负荷保护系统不被损害。
9.进一步地，第一有机工质在高压蒸发器中与烟气进行换热成过热蒸汽状态；过热蒸汽状态的第一有机工质在第一膨胀机中膨胀做功以带动发电机发电；膨胀机流出的高温第一有机工质在回热器中与第一工质泵抽取的液态第一有机工质进行换热后输出至第一冷凝器，第一冷凝器在冷源的作用对流经的第一有机工质冷凝放热成液态的第一有机工质，以存储至第一储液罐。
10.具体地，主机排出的高温烟气首先流经所述的排烟机中，然后被排入高压orc回路中，以减轻因烟道过长、流动阻力过大所造成的柴油机背压。第一有机工质作为循环工质在第一工质泵的作用下流入回热器，与从第一膨胀机流出的高温工质在回热器中进行换热升温；循环工质在所述的高压蒸发器中与烟气进行换热，循环工质完成蒸发吸热过程，处于过热蒸汽状态；第一缓冲罐对工质有一定缓冲作用，能保证工质压力的稳定；循环工质在所述的第一膨胀机中膨胀做功，带动发电机发电，将低品位热能转为高品位电能；经第一膨胀机流出的高温工质蒸汽与从第一工质泵流出的液体工质在回热器中完成换热过程；循环工质在所述的第一冷凝器中与低温海水换热，完成冷凝放热过程；循环工质在所述的第一储液罐中储存，避免液体工质在第一冷凝器中积存过多导致传热面积减小、影响冷凝器冷凝效果；循环工质在所述的第一干燥过滤器中过滤掉系统中包含的杂物和水分等；所述的第一旁通阀安装在第一膨胀机的旁通回路中，该阀平时处于关闭状态，在出现紧急状况（如膨胀机飞车）时迅速打开，卸载负荷保护系统不被损害。
11.进一步地，第二储液罐与第二工质泵直接设有第二干燥过滤器，第二干燥过滤器用于过滤掉第二有机工质中的杂物和水分。
12.进一步地，第二膨胀机的旁通回路中安装有第二旁通阀，第二旁通阀平时处于关闭状态，在出现紧急状况（如膨胀机飞车）时迅速打开，卸载负荷保护系统不被损害。
13.进一步地，第二有机工质在低压蒸发器中与烟气进行换热成过热蒸汽状态；过热蒸汽状态的第二有机工质在第二膨胀机中膨胀做功以带动发电机发电；膨胀机流出的高温第二有机工质输出至第二冷凝器，第二冷凝器在冷源的作用对流经的第二有机工质冷凝放热成液态的第二有机工质，以存储至第二储液罐。
14.具体地，低压orc回路的循环工质（即第二有机工质）在第二工质泵的作用下流入低压蒸发器中，与烟气进行二次换热，循环工质完成蒸发吸热过程，处于过热蒸汽状态；第二缓冲罐对工质有一定缓冲作用，能保证工质压力的稳定；循环工质在所述的第二膨胀机
中膨胀做功，带动发电机发电，将低品位热能转为高品位电能；循环工质在所述的第二冷凝器中与低温海水换热，完成冷凝放热过程；循环工质在所述的第二储液罐中储存，避免液体工质在第二冷凝器中积存过多导致传热面积减小、影响冷凝器冷凝效果；循环工质在所述的第二干燥过滤器中过滤掉系统中包含的杂物和水分等；所述的第二旁通阀安装在第二膨胀机的旁通回路中，该阀平时处于关闭状态，在出现紧急状况（如膨胀机飞车）时迅速打开，卸载负荷保护系统不被损害。
15.进一步地，所述热源为船舶主机排出的高温烟气为热源，冷源为低温海水。
16.进一步地，船舶主机输出的烟气经由排烟机依次输出至高压蒸发器和低压蒸发器。
17.进一步地，高压回热式orc回路和低压orc回路均以船舶主机排出的高温烟气为热源且以低温海水为冷源。
18.进一步地，不同orc回路的循环工质均在所述的两级膨胀机中膨胀做功，在所述的冷凝器中与海水换热，完成冷凝放热过程。烟气经过所述的排烟机、高压蒸发器和低压蒸发器后被排向大气，循环工质在所述的第一工质泵和第二工质泵的作用下加压变成高压液体工质，分别送入高压蒸发器和低压蒸发器，完成蒸发吸热的过程。
19.进一步地，系统的第一有机工质或第二有机工质使用非共沸混合工质。
20.进一步地，还包括烟气冷却回路，烟气冷却回路对低压orc回路排出的烟气进行冷却。
21.进一步地，第一膨胀机和第二膨胀机为单级或者多级膨胀机；第一冷凝器和第二为单级或者多级冷凝器。
22.本发明采用以上技术方案，改进了传统的余热回收方法，在烟气管路中添加了排烟机，以防止船舶主机产生背压；在高压orc系统中添加了回热器，降低了换热器所承受的负荷；低压orc系统中烟气温度略低，不再设置回热器，减少设备投资成本。有利于促进船用orc系统的推广安装。本发明至少具有以下优点：1、本发明的回收船舶烟气余热的有机朗肯循环（orc）系统，在烟气回路中安装了排烟机，减轻了因烟道过长、流动阻力过大所造成的船舶柴油机背压。2、本发明的回收船舶烟气余热的有机朗肯循环（orc）系统，可利用非共沸工质变温相变特性和平衡时气液两相热力性质差异较大的特性实现换热流体温度匹配，降低系统的不可逆损失，提高循环效率。3、本发明的回收船舶烟气余热的有机朗肯循环（orc）系统，在高压orc回路中安装有回热器，可以利用膨胀机出口的高温工质蒸汽对即将进入蒸发器内的低温液态工质换热，减小换热器所承受的负荷，提高系统的热效率。
附图说明
23.以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；图1为本发明一种回收船舶烟气余热的有机朗肯循环系统的结构示意图；图中：1、主机；2、排烟机；3、高压蒸发器；4、第一缓冲罐；5、第一膨胀机；6、第一旁通阀；7、回热器；8、第一冷凝器；9、第一储液罐；10、第一干燥过滤器；11、第一工质泵；12、低压蒸发器；13、第二缓冲罐；14、第二膨胀机；15、第二旁通阀；16、第二冷凝器；17、第二储液罐；18、第二干燥过滤器；19、第二工质泵。
具体实施方式
24.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
25.如图1所示，本发明提供一种技术方案：一种回收船舶烟气余热的有机朗肯循环（orc）系统，以回收船舶主机所产生的废热，提高能源的利用效率。该系统包括高压orc和低压orc回路以及烟气冷却回路。
26.所述的烟气从主机（1）流出，经过排烟机（2）流入高压orc回路，高压orc回路包括高压蒸发器（3）；第一缓冲罐（4）；第一膨胀机（5）；第一旁通阀（6）；回热器（7）；第一冷凝器（8）；第一储液罐（9）；第一干燥过滤器（10）；第一工质泵（11）。所述的高压orc回路以高温烟气为热源，循环工质通过高压蒸发器（3）与高温烟气换热，完成蒸发吸热的过程，变成高温蒸汽，在第一缓冲罐（4）的作用下，工质的压力得到稳定，随即进入第一膨胀机（5）做功，驱动发电机发电，将低品位热能转为高品位电能；从第一膨胀机（5）中流出的高温工质蒸汽仍具有相当的利用价值，若直接冷凝会使冷凝器承受较大的负荷，流入回热器（7）中与被第一工质泵（11）加压的低温液体工质进行换热，更好的利用其热能；所述高压orc回路中的第一冷凝器（8）以海水为冷源，循环工质通过第一冷凝器（8）与海水换热，完成冷凝放热过程，将循环工质冷却成液体状态，循环工质依次通过；第一储液罐（9）和第一干燥过滤器（10），流入第一工质泵（11），在第一工质泵（11）的作用下完成一次循环。
27.所述的低压orc回路包括低压蒸发器（12）、第二缓冲罐（13）、第二膨胀机（14）、第二旁通阀（15）、第二冷凝器（16）、第二储液罐（17）、第二干燥过滤器（18）、第二工质泵（19）。所述的低压orc回路以通过高压蒸发器（3）中流出的中低温烟气为热源，循环工质通过低压蒸发器（12）与中低温烟气换热，完成蒸发吸热的过程，变成工质蒸汽，在第二缓冲罐（13）的作用下，工质的压力得到稳定，随即进入第二膨胀机（14）做功，驱动发电机发电，将低品位热能转为高品位电能；所述的低压orc回路以海水为冷源，循环工质在第二冷凝器（16）的作用下与海水换热，完成冷凝放热过程，将循环工质冷却成液体状态，循环工质依次通过第二储液罐（17）和第二干燥过滤器（18），流入第二工质泵（19），在第二工质泵（19）的作用下完成一次循环。
28.进一步地，第一膨胀机和第二膨胀机为单级或者多级膨胀机；第一冷凝器和第二为单级或者多级冷凝器。
29.上述的orc回路与高温烟气回路构成了系统的热源回路，为系统蒸发提供热量。由于系统利用海水作为冷源，将需要冷却放热的工质、水蒸汽或者工质直接通过管路与海水换热，不需要构成一个特定的冷凝水回路，节约了冷凝水循环回路的空间。高低温的临界温度在420k左右，两个子系统使用不同的工质对船舶主机的废热进行梯级回收。高压orc系统中设有回热器，利用膨胀机出口的高温工质蒸汽对即将进入蒸发器的液态工质进行换热，以减轻换热器的负荷，更好的利用热能。低压orc系统不设回热器，低温膨胀机将工质的内能转化为机械能，实现高温热源的二次回收。本发明能够有效回收船舶主机所产生的废气余热，实现余热的充分利用，提高船舶的能源利用率。
30.本发明采用以上技术方案，改进了传统的余热回收方法，在烟气管路中添加了排烟机，以防止船舶主机产生背压；在高压orc系统中添加了回热器，降低了换热器所承受的负荷；低压orc系统中烟气温度略低，不再设置回热器，减少设备投资成本。有利于促进船用
orc系统的推广安装。至少具有以下优点：1、本发明的回收船舶烟气余热的有机朗肯循环（orc）系统，在烟气回路中安装了排烟机，减轻了因烟道过长、流动阻力过大所造成的船舶柴油机背压。2、本发明的回收船舶烟气余热的有机朗肯循环（orc）系统，可利用非共沸工质变温相变特性和平衡时气液两相热力性质差异较大的特性实现换热流体温度匹配，降低系统的不可逆损失，提高循环效率。3、本发明的回收船舶烟气余热的有机朗肯循环（orc）系统，在高压orc回路中安装有回热器，可以利用膨胀机出口的高温工质蒸汽对即将进入蒸发器内的低温液态工质换热，减小换热器所承受的负荷，提高系统的热效率。
31.显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。

技术特征：

1.一种回收船舶烟气余热的有机朗肯循环系统，其特征在于：其包括热源以及依次设置在于热源输出端的高压蒸发器和低压蒸发器，高压蒸发器接入高压回热式orc回路，低压蒸发器接入低压orc回路；高压orc回路包括第一储液罐，第一储液罐用于存储第一有机工质，第一储液罐的出口连接第一工质泵，第一工质泵的出口连接回热器的第一进口，回热器的第一出口连接高压蒸发器的工质进口，高压蒸发器的工质出口连接第一缓冲罐，第一缓冲罐的出口连接第一膨胀机，第一膨胀机的出口连接回热器的第二进口，回热器的第二出口连接第一冷凝器，第一冷凝器的出口接入第一储液罐；低压orc回路包括第二储液罐，第二储液罐用于存储第二有机工质，第二储液罐的出口连接第二工质泵，第二工质泵的出口连接低压蒸发器的工质进口，低压蒸发器的工质出口连接第二缓冲罐，第二缓冲罐的出口连接第二膨胀机，第二膨胀机的出口连接第二冷凝器，第二冷凝器的出口接入第二储液罐。2.根据权利要求1所述的一种回收船舶烟气余热的有机朗肯循环系统，其特征在于：第一储液罐与第一工质泵直接设有第一干燥过滤器，第一干燥过滤器用于过滤掉第一有机工质中的杂物和水分；第一膨胀机的旁通回路中安装有第一旁通阀，第一旁通阀平时处于关闭状态，在出现紧急状况时迅速打开，卸载负荷保护系统不被损害。3.根据权利要求1所述的一种回收船舶烟气余热的有机朗肯循环系统，其特征在于：第一有机工质在高压蒸发器中与烟气进行换热成过热蒸汽状态；过热蒸汽状态的第一有机工质在第一膨胀机中膨胀做功以带动发电机发电；膨胀机流出的高温第一有机工质在回热器中与第一工质泵抽取的液态第一有机工质进行换热后输出至第一冷凝器，第一冷凝器在冷源的作用对流经的第一有机工质冷凝放热成液态的第一有机工质，以存储至第一储液罐。4.根据权利要求1所述的一种回收船舶烟气余热的有机朗肯循环系统，其特征在于：第二储液罐与第二工质泵直接设有第二干燥过滤器，第二干燥过滤器用于过滤掉第二有机工质中的杂物和水分；第二膨胀机的旁通回路中安装有第二旁通阀，第二旁通阀平时处于关闭状态，在出现紧急状况时迅速打开，卸载负荷保护系统不被损害。5.根据权利要求1所述的一种回收船舶烟气余热的有机朗肯循环系统，其特征在于：第二有机工质在低压蒸发器中与烟气进行换热成过热蒸汽状态；过热蒸汽状态的第二有机工质在第二膨胀机中膨胀做功以带动发电机发电；膨胀机流出的高温第二有机工质输出至第二冷凝器，第二冷凝器在冷源的作用对流经的第二有机工质冷凝放热成液态的第二有机工质，以存储至第二储液罐。6.根据权利要求1所述的一种回收船舶烟气余热的有机朗肯循环系统，其特征在于：船舶主机输出的烟气经由排烟机依次输出至高压蒸发器和低压蒸发器。7.根据权利要求1所述的一种回收船舶烟气余热的有机朗肯循环系统，其特征在于：高压回热式orc回路和低压orc回路均以船舶主机排出的高温烟气为热源且以低温海水为冷源。8.根据权利要求1所述的一种回收船舶烟气余热的有机朗肯循环系统，其特征在于：系统的第一有机工质或第二有机工质使用非共沸混合工质。9.根据权利要求1所述的一种回收船舶烟气余热的有机朗肯循环系统，其特征在于：还包括烟气冷却回路，烟气冷却回路对低压orc回路排出的烟气进行冷却。
10.根据权利要求1所述的一种回收船舶烟气余热的有机朗肯循环系统，其特征在于：第一膨胀机和第二膨胀机为单级或者多级膨胀机；第一冷凝器和第二为单级或者多级冷凝器。

技术总结

本发明公开一种回收船舶烟气余热的有机朗肯循环系统，其包括热源以及依次设置在于热源输出端的高压蒸发器和低压蒸发器，高压蒸发器接入高压回热式ORC回路，低压蒸发器接入低压ORC回路；高低温的临界温度在420K左右，两个子系统使用不同的工质对船舶主机的废热进行梯级回收。高压ORC系统中设有回热器，利用膨胀机出口的高温工质蒸汽对即将进入蒸发器的液态工质进行换热，以减轻换热器的负荷，更好的利用热能。低压ORC系统不设回热器，低温膨胀机将工质的内能转化为机械能，实现高温热源的二次回收。本发明能够有效回收船舶主机所产生的废气余热，实现余热的充分利用，提高船舶的能源利用率。源利用率。源利用率。