一种船用的多蒸发器的有机朗肯循环系统

技术领域

本发明涉及船舶工程及设备领域，特别涉及一种船用的多蒸发器的有机朗肯循环系统。

背景技术

随着经济全球化的发展，国际贸易增加，航运作为国际贸易的主要途径，在其中起重要作用。目前航运船舶主要使用的是柴油机，在燃烧柴油产生的热量中，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。随着能源短缺的情况日益严重，节能减排备受关注。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。经过对现有专利的检索，发现目前对船用有机朗肯循环的相关专利按照回收热源的数量来分：包括对船舶单一热源回收利用以及对船舶多种热源废热回收利用；按照系统的结构来分，可分为：对单独的ORC系统的研究和构建ORC与其他循环组成的复合循环对一种或多种热源废热进行回收利用。

对于单一船舶热源废热的回收利用，主要是对船舶动力装置产生的温度品位较高的烟气中的废热进行回收利用。王辉涛等在申请号为2020110108982(申请公布日2021.01.01)的专利文件中，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。该发明系统结构复杂，在性能匹配和系统控制方面较为困难。柳长昕等在申请号2017113873870(申请公布日2018.04.24)的专利文件公开了一种基于TEG-ORC联合循环的船舶废热梯级回收利用系统，通过温差发电系统和ORC系统构成复合循环，烟气先后经过上述两个系统，实现对烟气废热能量的梯级利用。该发明系统只对主机烟气热量进行回收利用，没有考虑对船舶动力装置其他部分废热的回收利用。

对多种船舶热源废热进行回收利用，可以有效增加回收热量的总量，俞小莉等在申请号为2018216915339(授权公告日为2019.10.15)的专利文件公开了一种基于温差发电与有机朗肯循环联合船用柴油机废热回收系统。该发明通过温差发电系统和ORC系统耦合，利用船舶柴油机烟气先经过TEG系统，然后经过ORC系统，缸套冷却水废热用来预热ORC系统的循环工质，从而实现回收船舶柴油机的烟气废热和缸套冷却水废热。系统使用缸套水预热ORC系统循环工质，只能回收部分缸套冷却水的热量，预热器之后的缸套冷却水温度仍然较高，需经过冷却降温才能送回主机去冷却主机。董军启等在申请号为2014101632032(授权公告日2015.08.19)的专利文件公开了一种用于船舶主机废热发电ORC系统，该发明回收利用了船舶主机烟气和缸套冷却水的废热，利用船舶主机烟气加热缸套冷却水作为ORC系统蒸发器的热源，解决了缸套冷却水温度不高导致ORC效率不高的问题，以及解决了冷媒与高温废气直接热交换导致高温裂解的问题。该发明的系统缸套冷却水在蒸发器换热之后温度还比较高，需进一步冷却，虽然提高了ORC系统的热效率，但是系统回收热量的总量降低。

因此，针对上述现状，发明一种可以同时回收多种不同温度品位的船舶废热或余热包括船舶动力装置的烟气、增压空气或缸套冷却水中所蘊含的废热或余热，且系统结构简单，占用空间较小，易于改造和安装的船用的ORC系统，有利于促进ORC系统在船舶上的推广应用和船舶节能。

发明内容

本发明的目的是提供一种船用的多蒸发器的有机朗肯循环系统，解决实现充分回收船舶多种不同温度品位废热和尽量减少系统占用空间之间协调的问题。

为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种船用的多蒸发器的有机朗肯循环系统，包括：通过管道相连的第一高压ORC回路和/或第二高压ORC回路和/或低压ORC回路，以及一发电机组；

所述的第一高压ORC回路的蒸发器与增压空气冷却回路进行换热；

所述的第二高压ORC回路的蒸发器与高温水蒸汽回路进行换热；

所述的低压ORC回路的蒸发器与缸套冷却水回路进行换热。

所述的第一高压ORC回路包括依次连接的第一工质泵、第二工质泵、第一高压蒸发器、混合连接件、发电机组和冷凝器，其中第一工质泵的进口与冷凝器出口相连，所述的第一高压蒸发器与增压空气冷却回路进行换热；

所述的发电机组连接于混合连接件与发电机组之间；

所述第一工质泵和第二工质泵配合将循环工质泵入到第一高压蒸发器，所述的第一高压蒸发器内的循环工质吸收增压空气冷却回路的热量，变成工质蒸汽，随后进入到发电机组，最后进入到冷凝器中，与冷却海水换热，完成冷凝放热过程，将循环工质冷却成液体状态，完成第一高压ORC回路的循环。

所述的第二高压ORC回路包括：第二高压蒸发器，所述第二高压蒸发器进口连接于第二工质泵出口，其出口连接于混合连接件进口；所述的第二高压蒸发器与高温水蒸汽回路进行换热；所述第一工质泵和第二工质泵配合将循环工质泵入到第二高压蒸发器，所述第二高压蒸发器内的循环工质吸收高温水蒸汽回路的热量，变成工质蒸汽，随后进入到发电机组，最后进入到冷凝器中，与冷却海水换热，完成冷凝放热过程，将循环工质冷却成液体状态，完成第二高压ORC回路的循环。

所述的低压ORC回路包括：低压蒸发器，所述低压蒸发器进口连接于第一工质泵和第二工质泵之间的管路中，所述低压蒸发器出口连接于发电机组；

所述的低压蒸发器与缸套冷却水回路进行换热；所述的第一工质泵将循环工质泵入到低压蒸发器，所述低压蒸发器内的循环工质吸收缸套冷却水回路的热量，变成工质蒸汽，随后进入到发电机组，最后进入到冷凝器中，与冷却海水换热，完成冷凝放热过程，将循环工质冷却成液体状态，完成低压ORC回路的循环。

所述的发电机组包括：膨胀机和发电机，所述的膨胀机进口分别连接于混合连接件和低压蒸发器的出口，其出口连接于冷凝器；

所述膨胀机将工质蒸汽膨胀做功，并驱动发电机发电。

所述的循环工质为非共沸混合工质或纯工质。

所述的膨胀机为一台单级或者多级膨胀机，或者由多台膨胀机并联联接后构成一组膨胀机。

所述第一高压蒸发器、第二高压蒸发器和低压蒸发器以并联的方式进行连接，可以通过热源种类的多少，增减并联蒸发器的个数。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、通过多个蒸发器充分回收不同品位的热源热量，提高对船舶废热的回收利用效果，并通过利用多个蒸发器构成一个系统进行发电，来实现节约空间的效果，满足提高能量的回收量和减少占用空间的协调效果。

2、船用的多蒸发器的有机朗肯循环(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

附图说明

图1为本发明一种船用的多蒸发器的有机朗肯循环系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种船用的多蒸发器的有机朗肯循环系统，包括：通过管道相连的第一高压ORC回路、第二高压ORC回路、低压ORC回路、高温水蒸汽回路、增压空气冷却回路和缸套冷却水回路；所述的第一高压ORC回路以增压空气为热源，以低温海水为冷源；所述的第二高压ORC回路以高温水蒸汽为热源，以低温海水作为冷源；所述的低压ORC回路以缸套冷却水为热源，以低温海水为冷源，热源与工质可以直接或者间接的方式接触，如烟气不局限于使用高温水蒸汽，可以直接换热或者使用导热油等。

所述的第一高压ORC回路包括依次连接的第一工质泵6、第二工质泵7、第一高压蒸发器8、混合接头或混合罐5、发电机组3和冷凝器4，其中第一工质泵6的进口与冷凝器4出口相连，所述的第一高压蒸发器8与增压空气冷却回路进行换热；所述第一工质泵6和第二工质泵7配合将循环工质泵入到第一高压蒸发器8，所述的第一高压蒸发器8内的循环工质吸收增压空气冷却回路的热量，变成工质蒸汽，随后进入到发电机组3，最后进入到冷凝器4中，与冷却海水换热，完成冷凝放热过程，将循环工质冷却成液体状态，完成第一高压ORC回路的循环。

所述的发电机组包括：膨胀机11和发电机12，所述的膨胀机11进口分别连接于混合接头或混合罐5和低压蒸发器10的出口，其出口连接于冷凝器4；所述膨胀机11将工质蒸汽膨胀做功，并驱动发电机12发电，所述的循环工质为非共沸混合工质，所述的膨胀机为一台单级或者多级膨胀机，或者由多台膨胀机并联联接后构成一组膨胀机。

循环工质在第一工质泵6和第二工质泵7的作用下，完成在第一高压ORC回路中的流动。循环工质在第一高压蒸发器8中与增压空气进行换热，完成蒸发吸热过程；循环工质在所述冷凝器4中与海水进行换热，完成冷凝放热过程；循环工质在所述膨胀机11中膨胀做功，带动发电机12发电，将低品位的热能转化成高品位的电。

所述第一高压ORC回路以增压空气为热源，循环工质通过第一高压蒸发器8吸收增压空气冷却回路的热量，变成工质蒸汽，进一步地，该增压空气冷却回路包括一涡轮增压器14，随后进入两级膨胀机中的第一级膨胀做功，驱动发电机12进行发电，上述第一高压ORC回路以海水为冷源，循环工质通过冷凝器4，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，如此在第一工质泵6和第二工质泵7的作用下，完成第一高压ORC回路循环。

进一步地，所述的第二高压ORC回路包括：第二高压蒸发器9，所述第二高压蒸发器9进口连接于第二工质泵7出口，其出口连接于混合接头或混合罐5进口；所述的第二高压蒸发器9与高温水蒸汽回路进行换热；所述第一工质泵6和第二工质泵7配合将循环工质泵入到第二高压蒸发器9，所述第二高压蒸发器9内的循环工质吸收高温水蒸汽回路的热量，变成工质蒸汽，随后进入到发电机组3，最后进入到冷凝器4中，与冷却海水换热，完成冷凝放热过程，将循环工质冷却成液体状态，完成第二高压ORC回路的循环。

循环工质在第一工质泵6和第二工质泵7的作用下，完成在第二高压ORC回路中的流动；循环工质在第二高压蒸发器9中与高温水蒸汽换热，完成蒸发吸热过程；循环工质在冷凝器4中释放热量，完成冷凝放热过程；循环工质在所述膨胀机中膨胀做功，带动发电机12发电。

所述第二高压ORC回路以高温水蒸汽为热源，通过高温水蒸汽回路的废气锅炉或烟气-水换热器15，利用烟气加热水产生高温的水蒸汽作为第二高压ORC回路的热源，以降低由于主机负荷变化对系统造成的影响。循环工质通过第二高压蒸发器吸收高温水蒸汽回路的热量，变成工质蒸汽，随后进入两级膨胀机中的第一级膨胀做功，驱动发电机12发电，所述第二高压ORC回路以海水为冷源，循环工质通过冷凝器4，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，如此在第一工质泵6和第二工质泵7的作用下，完成第二高压ORC回路循环。

所述的低压ORC回路包括：低压蒸发器10，所述低压蒸发器10进口连接于第一工质泵6和第二工质泵7之间的管路中，所述低压蒸发器10出口连接于发电机组3；所述的低压蒸发器10与缸套冷却水回路的缸套13进行换热；所述的第一工质泵6将循环工质泵入到低压蒸发器10，所述低压蒸发器10内的循环工质吸收缸套冷却水回路的热量，变成工质蒸汽，随后进入到发电机组3，最后进入到冷凝器中，与冷却海水换热，完成冷凝放热过程，将循环工质冷却成液体状态，完成低压ORC回路的循环。

循环工质通过低压蒸发器10吸收缸套冷却水回路的热量变成工质蒸汽，随后进入两级膨胀机的第二级，与来自第一和第二高压蒸发器的在两级膨胀机的第一级做功之后的工质蒸汽混合后继续在第二级膨胀机中做功，驱动发电机发电。

循环工质在第一工质泵6的作用下，完成在低压ORC回路中的流动；循环工质在所述低压蒸发器中与缸套冷却水换热，完成蒸发吸热过程，循环工质在冷凝器中释放热量，完成冷凝放热过程；循环工质在所述两级膨胀机的第二级中膨胀做功，带动发电机发电。

进一步地，上述的第一高压蒸发器、第二高压蒸发器和低压蒸发器以并联的方式进行连接，可以通过热源种类的多少，增减并联蒸发器的个数。

需要说明的是，上述的高温水蒸汽回路、增压空气冷却回路和缸套冷却水回路，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冷却水回路，节约了冷凝冷却水循环回路的空间。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。