一种舰船燃气轮机余热回收功冷联供系统

技术领域

本发明涉及一种舰船燃气轮机余热回收功冷联供系统，属于船舶与节能技术领域。

背景技术

由于燃气轮机具有结构紧凑、重量轻、功率密度高、灵活性高、对功率需求响应时间快、启动时间短、人力需求少、排放低和噪声少的优点，海军舰船愈加倾向于使用燃气轮机作为原动机，而不是柴油发动机。然而，尽管在涡轮机械，叶片材料和工艺方面有了新的进步，采用燃气轮机技术具有明显优势，但仍然存在一些缺点。与柴油发动机相比，燃气轮机通常具有更高的排气温度（约500℃），导致燃气轮机热效率和㶲效率较低，燃料消耗和运行成本较高。对海军舰船而言，提升燃料的利用效率对提升巡航能力具有重要意义。

集成高效节能余热回收循环是提高舰船能效最有效且最具可持续性的技术。当前有许多常规的动力循环可与燃气轮机动力循环结合使用以回收高温排气余热，比如水蒸气朗肯循环（SRC）、超临界朗肯循环（SCRC）、卡琳娜循环（KC）。但由于常规动力循环运行启动耗时较长，不够灵活，且需要对水进行除硬度、除盐，还需配置真空维持系统，设备占用的空间大、功率密度低，并不适合于对空间和重量有着严格控制要求的舰船使用场景。由于超临界CO

与S-CO

虽然，国际上对采用ORC回收燃气轮机排气余热的研究较多，但目前鲜有将ORC技术实际运用于舰船燃气轮机余热回收的案例。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明从如何高效利用燃气轮机余热尽可能提高舰船的动力或提升其巡航能力这一根本目的出发，提出采用非共沸混合工质有机朗肯循环（ORC）与喷射式制冷循环（ERC）构成的复合循环梯级回收舰船燃气轮机余热的功冷联供系统（图1）。该系统充分利用非共沸混合工质变温相变的特点，以及处于平衡时汽液两相的热力性质差异较大的特性实现换热流体的温度匹配及高低温两级循环工质的“自适配”，降低了系统总不可逆损失，提高了复合循环的总效率。该系统能最大限度地梯级回收燃气透平排气余热，在需要时可将余热通过ORC透平作功提供动力，具有的可用能高效转化为驱动舰船的动力，平时也可将回收的排气低温段部分余热用于供冷，提高舰载人员的舒适性。本发明通过以下技术方案实现。

一种舰船燃气轮机余热回收功冷联供系统，包括ORC供液泵1、ORC蒸汽发生器2、ORC过热器3、ORC透平4、喷射器5、制冷蒸发器6、凝汽器7、低压供液泵8、低压预热器9、低压蒸汽发生器10、低压过热器11、汽包12、混合器13、调节阀、截止阀和节流阀18；舰船燃气轮机烟气依次经过ORC过热器3、ORC蒸汽发生器2、低压过热器11、低压蒸汽发生器10和低压预热器9放出热量后从低压预热器9的烟气出口排出；低压蒸汽发生器10顶部蒸汽工质出口与低压过热器11进口连接，低压过热器11过热蒸汽工质出口的分为两路，一路通过调节阀Ⅰ14进入ORC透平4的中间补气进口，另一路通过调节阀Ⅱ15进入喷射器5工作流体进口，同时制冷蒸发器6出口与喷射器5引射流体进口相连接；低压蒸汽发生器10有机液体工质出口通过ORC供液泵1泵入汽包12，汽包12顶部出口蒸汽工质通过ORC过热器3过热后进入ORC透平4膨胀作功，汽包12的下端出口与ORC蒸汽发生器2的工质端进口连接，ORC蒸汽发生器2的工质端出口与汽包12下端进口连接；ORC透平4出口乏汽进入低压预热器9中放热后进入到混合器13中，喷射器5出口气液混合物进入到混合器13中，混合器13的混合液体工质出口进入凝汽器7冷凝为饱和工质液体，部分饱和工质液体通过截止阀Ⅱ17和节流阀18节流降压后进入制冷蒸发器6提供冷量，剩余饱和工质液体通过截止阀Ⅰ16和低压供液泵8泵入低压预热器9预热，预热后的饱和工质液体进入低压蒸发器10，完成一个循环。

所述低压预热器9采用三流体管壳式预热器同时回收舰船燃气轮机烟气和ORC透平4乏汽的热量，同时ORC蒸汽发生器2采用板翅式换热器，低压蒸汽发生器10采用管内降膜式高效紧凑式换热器。

所述饱和工质液体采用临界温度及沸点较高的烷烃、芳香烃或线性硅氧烷与低沸点制冷剂组合的非共沸混合工质。

所述非共沸混合工质为CO2/丙酮、NH3/H2O、NH3/LiNO3、NH3/NaSCN、丙烷/正己烷或H2O/LiBr。

该舰船燃气轮机余热回收功冷联供系统的工作原理为：

舰船燃气轮机烟气作为余热热源依次进入ORC过热器3、ORC蒸汽发生器2、低压过热器11、低压蒸汽发生器10和低压预热器9放出热量。低压蒸汽发生器10顶部出口蒸汽工质进入低压过热器11过热，过热后的过热蒸汽工质分为两路，一路通过调节阀Ⅰ14进入ORC透平4中间补气作功，另一路通过调节阀Ⅱ15进入喷射器5工作流体入口作为工作流体，同时制冷蒸发器6出口蒸汽作为引射流体进入喷射器5引射流体进口，工作流体与引射流体在喷射器5进行动量、热量与质量交换。低压蒸汽发生器10剩余有机液体工质通过ORC供液泵1泵入汽包12，汽包12顶部出口蒸汽工质通过ORC过热器3过热后进入ORC透平4膨胀作功，ORC透平4出口乏汽进入低压预热器9中进行放热的热量交换，低压预热器9出口气液混合物与喷射器5出口气液混合物在混合器13混合均匀后进入凝汽器7冷凝为饱和工质液体，部分饱和工质液体通过截止阀Ⅱ17和节流阀18节流降压后进入制冷蒸发器6提供冷量，剩余饱和液体通过截止阀Ⅰ16和低压供液泵8泵入低压预热器9预热，预热后的液体进入低压蒸发器10，完成一个循环。

上述ORC蒸汽发生器2的工质为常规的ORC蒸汽发生器工质。

本发明的有益效果是：

（1）基于非共沸混合工质的ORC动力循环及ERC制冷循环构建了高效回收利用舰船燃气轮机烟气余热的复合循环，该循环充分利用非共沸混合工质变温相变的特点，以及处于平衡时汽液两相流体的热力性质差异较大的特性实现换热流体的温度匹配及高低温两级循环工质的“自适配”，降低了系统总不可逆损失，提高了复合循环的总效率；

（2）该系统最大限度地梯级回收燃气透平排气余热，在需要时可将余热具有的可用能高效转化为驱动舰船的动力，平时也可将回收的排气低温段部分余热用于供冷，提高舰载人员的舒适性；

（3）在研究复合循环内传热过程的基础上，首次提出了在复合循环的低温段采用三流体管壳式预热器同时回收排气的低温段余热和复合循环高温级ORC透平乏汽的热量，同时采用板翅式蒸汽发生器及管内降膜蒸汽发生器高效紧凑式换热器作为高低温级蒸汽发生装置，板翅式蒸汽发生器结合了板式换热及翅片式扩展表面换热技术的高效性，具有传热系数高、承压强度大的优点，而管内降膜蒸汽发生器则利用了薄液膜流动蒸发时沸腾换热系数较高的优点。这些新颖的高效紧凑式换热技术能强化高低温两相区的传热，增强换热效率，减小设备体积，提高系统的功率密度。

附图说明

图1是本发明舰船燃气轮机余热回收功冷联供系统的示意图；

图中：1-ORC供液泵，2-ORC蒸汽发生器，3-ORC过热器，4-ORC透平，5-喷射器，6-制冷蒸发器，7-凝汽器，8-低压供液泵，9-低压预热器，10-低压蒸汽发生器，11-低压过热器，12-汽包，13-混合器，14-调节阀Ⅰ，15-调节阀Ⅱ，16-截止阀Ⅰ，17-截止阀Ⅱ，18-节流阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，该舰船燃气轮机余热回收功冷联供系统，包括ORC供液泵1、ORC蒸汽发生器2、ORC过热器3、ORC透平4、喷射器5、制冷蒸发器6、凝汽器7、低压供液泵8、低压预热器9、低压蒸汽发生器10、低压过热器11、汽包12、混合器13、调节阀、截止阀和节流阀18；舰船燃气轮机烟气依次经过ORC过热器3、ORC蒸汽发生器2、低压过热器11、低压蒸汽发生器10和低压预热器9放出热量后从低压预热器9的烟气出口排出；低压蒸汽发生器10顶部蒸汽工质出口与低压过热器11进口连接，低压过热器11过热蒸汽工质出口的分为两路，一路通过调节阀Ⅰ14进入ORC透平4的中间补气进口，另一路通过调节阀Ⅱ15进入喷射器5工作流体进口，同时制冷蒸发器6出口与喷射器5引射流体进口相连接；低压蒸汽发生器10有机液体工质出口通过ORC供液泵1泵入汽包12，汽包12顶部出口蒸汽工质通过ORC过热器3过热后进入ORC透平4膨胀作功，汽包12的下端出口与ORC蒸汽发生器2的工质端进口连接，ORC蒸汽发生器2的工质端出口与汽包12下端进口连接；ORC透平4出口乏汽进入低压预热器9中放热后进入到混合器13中，喷射器5出口气液混合物进入到混合器13中，混合器13的混合液体工质出口进入凝汽器7冷凝为饱和工质液体，部分饱和工质液体通过截止阀Ⅱ17和节流阀18节流降压后进入制冷蒸发器6提供冷量，剩余饱和工质液体通过截止阀Ⅰ16和低压供液泵8泵入低压预热器9预热，预热后的饱和工质液体进入低压蒸发器10，完成一个循环。

其中低压预热器9采用三流体管壳式预热器同时回收舰船燃气轮机烟气和ORC透平4乏汽的热量，同时ORC蒸汽发生器2采用板翅式换热器，低压蒸汽发生器10采用管内降膜式高效紧凑式换热器；ORC过热器3的余热烟气进口温度为500℃，烟气流量1kg/s，非共沸混合工质采用CO2/丙酮二元工质对，质量分数为0.6:0.4，质量流量为0.5kg/s。系统在ORC满负荷运行且燃料消耗相同的条件下，舰船输出功率增加5-8%，复合循环的热效率≥10%，烟气的最终排放温度控制在100℃以内。

实施例2

如图1所示，该舰船燃气轮机余热回收功冷联供系统，包括ORC供液泵1、ORC蒸汽发生器2、ORC过热器3、ORC透平4、喷射器5、制冷蒸发器6、凝汽器7、低压供液泵8、低压预热器9、低压蒸汽发生器10、低压过热器11、汽包12、混合器13、调节阀、截止阀和节流阀18；舰船燃气轮机烟气依次经过ORC过热器3、ORC蒸汽发生器2、低压过热器11、低压蒸汽发生器10和低压预热器9放出热量后从低压预热器9的烟气出口排出；低压蒸汽发生器10顶部蒸汽工质出口与低压过热器11进口连接，低压过热器11过热蒸汽工质出口的分为两路，一路通过调节阀Ⅰ14进入ORC透平4的中间补气进口，另一路通过调节阀Ⅱ15进入喷射器5工作流体进口，同时制冷蒸发器6出口与喷射器5引射流体进口相连接；低压蒸汽发生器10有机液体工质出口通过ORC供液泵1泵入汽包12，汽包12顶部出口蒸汽工质通过ORC过热器3过热后进入ORC透平4膨胀作功，汽包12的下端出口与ORC蒸汽发生器2的工质端进口连接，ORC蒸汽发生器2的工质端出口与汽包12下端进口连接；ORC透平4出口乏汽进入低压预热器9中放热后进入到混合器13中，喷射器5出口气液混合物进入到混合器13中，混合器13的混合液体工质出口进入凝汽器7冷凝为饱和工质液体，部分饱和工质液体通过截止阀Ⅱ17和节流阀18节流降压后进入制冷蒸发器6提供冷量，剩余饱和工质液体通过截止阀Ⅰ16和低压供液泵8泵入低压预热器9预热，预热后的饱和工质液体进入低压蒸发器10，完成一个循环。

其中低压预热器9采用三流体管壳式预热器同时回收舰船燃气轮机烟气和ORC透平4乏汽的热量，同时ORC蒸汽发生器2采用板翅式换热器，低压蒸汽发生器10采用管内降膜式高效紧凑式换热器；非共沸混合工质为NH3/H2O。

实施例3

如图1所示，该舰船燃气轮机余热回收功冷联供系统，包括ORC供液泵1、ORC蒸汽发生器2、ORC过热器3、ORC透平4、喷射器5、制冷蒸发器6、凝汽器7、低压供液泵8、低压预热器9、低压蒸汽发生器10、低压过热器11、汽包12、混合器13、调节阀、截止阀和节流阀18；舰船燃气轮机烟气依次经过ORC过热器3、ORC蒸汽发生器2、低压过热器11、低压蒸汽发生器10和低压预热器9放出热量后从低压预热器9的烟气出口排出；低压蒸汽发生器10顶部蒸汽工质出口与低压过热器11进口连接，低压过热器11过热蒸汽工质出口的分为两路，一路通过调节阀Ⅰ14进入ORC透平4的中间补气进口，另一路通过调节阀Ⅱ15进入喷射器5工作流体进口，同时制冷蒸发器6出口与喷射器5引射流体进口相连接；低压蒸汽发生器10有机液体工质出口通过ORC供液泵1泵入汽包12，汽包12顶部出口蒸汽工质通过ORC过热器3过热后进入ORC透平4膨胀作功，汽包12的下端出口与ORC蒸汽发生器2的工质端进口连接，ORC蒸汽发生器2的工质端出口与汽包12下端进口连接；ORC透平4出口乏汽进入低压预热器9中放热后进入到混合器13中，喷射器5出口气液混合物进入到混合器13中，混合器13的混合液体工质出口进入凝汽器7冷凝为饱和工质液体，部分饱和工质液体通过截止阀Ⅱ17和节流阀18节流降压后进入制冷蒸发器6提供冷量，剩余饱和工质液体通过截止阀Ⅰ16和低压供液泵8泵入低压预热器9预热，预热后的饱和工质液体进入低压蒸发器10，完成一个循环。

其中低压预热器9采用三流体管壳式预热器同时回收舰船燃气轮机烟气和ORC透平4乏汽的热量，同时ORC蒸汽发生器2采用板翅式换热器，低压蒸汽发生器10采用管内降膜式高效紧凑式换热器；非共沸混合工质为NH3/LiNO3。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。