一种船用动力机组冷却与余热利用系统及其利用方法专利检索- 以发动机在结构上与锅炉或冷凝器结合为特征的蒸汽机装置专利检索查询-专利查询网

一种船用动力机组冷却与余热利用系统及其利用方法
申请号	CN201710124897.2	申请日	2017-03-03	公开(公告)号	CN106988808A	公开(公告)日	2017-07-28
申请人	天津博帆科技发展有限公司;			发明人	张于峰;
摘要	本发明公开了一种船用动力机组冷却与余热利用系统，包括船用动力机组、导热油炉、膨胀机、水下冷凝器、增压器和烟气换热器；其冷却与余热的利用方法为：船用动力机组缸套内的有机介质发生沸腾相变换热成为高温高压气态形式，同时，高温烟气进入导热油炉加热导热油；气态有机介质送入膨胀机推动其输出机械功；输出膨胀功后的有机介质进入水下冷凝器被冷凝成低温液态形式，经过增压器后进入烟气换热器，并与烟气在烟气换热器内完成换热，温度提升后的有机介质进入船用动力机组的缸套中，完成一个冷却与余热利用的循环。本发明可使发电系统达到全年基本稳定运行的模式，节省了传统的冷却循环系统的能耗，提高了动力输出/发电的净效率。
权利要求	1.一种船用动力机组冷却与余热利用系统，包括船用动力机组和导热油炉，所述船用动力机组的烟气出口连接至所述导热油炉，其特征在于，所述船用动力机组的蒸汽出口连接有膨胀机，所述膨胀机连接至所述船用动力机组作为辅助动力源，和/或连接至发电机带动其发电作为船舶自身用电；所述膨胀机的介质出口连接有设置在船体舷外的水下冷凝器，所述水下冷凝器的液体出口通过增压器连接有设置在所述导热油炉的排烟通道上的烟气换热器，所述烟气换热器的烟气出口连接至大气，其介质出口连接至所述船用动力机组的介质入口。 2.根据权利要求1所述的船用动力机组冷却与余热利用系统，其特征在于，所述船用动力机组的缸套内的冷却介质采用有机介质。 3.根据权利要求2所述的船用动力机组冷却与余热利用系统，其特征在于，所述有机介质采用四氟乙烷与3～10％润滑油，二氯氟乙烷与3～10％润滑油，或四氟乙烷和二氯氟乙烷与3～10％润滑油的其中一种组成。 4.根据权利要求1所述的船用动力机组冷却与余热利用系统，其特征在于，所述发电机采用剩磁自励模式的三相异步发电机。 5.一种基于上述权利要求1-4任意一项所述的船用动力机组冷却与余热利用系统的冷却与余热的利用方法，其特征在于，包括以下步骤： (1)制备并安装上述权利要求1-4任意一项所述的船用动力机组冷却与余热利用系统； (2)船用动力机组缸套内的有机介质发生沸腾相变换热成为高温高压气态形式，同时，船用动力机组排放的高温烟气进入导热油炉加热导热油； (3)转变为具有压能的气态有机介质通过管道送入膨胀机，推动膨胀机输出机械功，输出的机械功输出至船用动力机组作为辅助动力，和/或输出至发电机带动其发电作为船舶自身用电； (4)输出膨胀功后的有机介质进入水下冷凝器被冷凝成低温液态形式； (5)冷凝后的低温液态有机介质经过增压器提升压力后进入烟气换热器；同时，导热油炉排放的烟气进入烟气换热器； (6)低温高压有机介质与烟气在烟气换热器内完成换热，温度降低后的烟气直接排放到大气中；温度提升后的有机介质进入船用动力机组的缸套中，完成一个冷却与余热利用的循环； (7)重复步骤(2)至步骤(6)，达成船用动力机组冷却与余热的循环利用。
说明书全文	一种船用动力机组冷却与余热利用系统及其利用方法技术领域 [0001] 本发明涉及余热综合利用，特别涉及一种船用动力机组冷却与余热利用系统及其利用方法。背景技术 [0002] 目前我国各类船舶动力机生产技术已经成熟，并且应用广泛。船用动力机组的主要类型基本为燃油动力机。目前船用动力机组的作用模式主要有提供船舶动力、电力和热量，其燃油热量的转化利用率一般少于40％，剩余的热量除生产加热和生活热水使用外，基本对外排放。如图1所示，船舶余热形式主要有两种：船用动力机组尾气热量和缸套冷却循环水热量的排放，船用动力机组尾气温度约为350-400℃，经过导热油炉，导热油炉对尾气余热进行了换热利用，同时尾气温度降至150-200℃，排放至大气中，此时，尾气与环境温度仍有120-180℃的温差，有进一步利用的空间；对于动力机缸套冷却循环水而言，进入动力机组缸套的冷却水温度为55-65℃，排出温度为85℃左右，绝大多数情况是利用缸套水冷器将缸套冷却循环水温度降低，把热量排至周围水体，造成了能量的浪费，另一方面造成了环境的污染。发明内容 [0003] 本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种船用动力机组冷却与余热利用系统及其利用方法。本发明利用有机介质替代动力机缸套内冷却水，改变冷却水在动力机内的单相换热的模式，利用有机介质合适的沸点温度，实现有机介质在动力机缸套内相变换热方式，并将排出的饱和气态有机介质直接输入到膨胀机中，进一步实现膨胀做功，进而产生的动力可作为设备的附加驱动力，亦或产生电能；同时利用船体周围水体作为冷源，对做功后的有机介质实施冷凝，冷凝后的液态有机介质再通过循环泵输送到动力机缸套中，完成对动力的冷却作用。由于冷却后的有机介质温度较低在进入动力机缸套前，利用动力及排放的烟气实施预热，将有机介质温度提升到合适的温度点后在进入缸套中。本发明可改善动力机缸套内的传热效果，减少冷却水的循环量和结垢带来的隐患；利用船体周边的水域作为冷源，亦可消除环境温度波动对冷凝温度的影响；有机介质膨胀机输出的动力可以减少船体动力消耗，如若采用有机介质循环发电方式，亦可减少船体发电机的能耗量，达到船用动力机冷却系统的改善，并同时提高船用能源的利用效率。 [0004] 本发明所采用的技术方案是：一种船用动力机组冷却与余热利用系统，包括船用动力机组和导热油炉，所述船用动力机组的烟气出口连接至所述导热油炉，所述船用动力机组的蒸汽出口连接有膨胀机，所述膨胀机连接至所述船用动力机组作为辅助动力源，和/或连接至发电机带动其发电作为船舶自身用电；所述膨胀机的介质出口连接有设置在船体舷外的水下冷凝器，所述水下冷凝器的液体出口通过增压器连接有设置在所述导热油炉的排烟通道上的烟气换热器，所述烟气换热器的烟气出口连接至大气，其介质出口连接至所述船用动力机组的介质入口。 [0005] 所述船用动力机组的缸套内的冷却介质采用有机介质。 [0006] 所述有机介质采用四氟乙烷与3～10％润滑油，二氯氟乙烷与3～10％润滑油，或四氟乙烷和二氯氟乙烷与3～10％润滑油的其中一种组成。 [0007] 所述发电机采用剩磁自励模式的三相异步发电机。 [0008] 本发明还提供一种基于上述船用动力机组冷却与余热利用系统的冷却与余热的利用方法，包括以下步骤： [0009] (1)制备并安装上述船用动力机组冷却与余热利用系统； [0010] (2)船用动力机组缸套内的有机介质发生沸腾相变换热成为高温高压气态形式，同时，船用动力机组排放的高温烟气进入导热油炉加热导热油； [0011] (3)转变为具有压能的气态有机介质通过管道送入膨胀机，推动膨胀机输出机械功，输出的机械功输出至船用动力机组作为辅助动力，和/或输出至发电机带动其发电作为船舶自身用电； [0012] (4)输出膨胀功后的有机介质进入水下冷凝器被冷凝成低温液态形式； [0013] (5)冷凝后的低温液态有机介质经过增压器提升压力后进入烟气换热器；同时，导热油炉排放的烟气进入烟气换热器； [0014] (6)低温高压有机介质与烟气在烟气换热器内完成换热，温度降低后的烟气直接排放到大气中；温度提升后的有机介质进入船用动力机组的缸套中，完成一个冷却与余热利用的循环； [0015] (7)重复步骤(2)至步骤(6)，达成船用动力机组冷却与余热的循环利用。 [0016] 本发明的有益效果是： [0017] 本发明提出的利用船用动力机组冷却和余热利用系统及其利用方法，其系统内的有机介质为一种中低沸点介质。有机介质吸收动力机缸套内的热量实现相变蒸发，可产生较高压力和温度的气态流体。利用此种热/压流体的膨胀特性，通过膨胀机实现机械能的转换，并产生直接的动力输出或带动发电机发电，实现清洁动力或电力的效果。 [0018] 如果船体需要生活热量时，可减少系统的膨胀机输出，使有机介质吸收的热量部分或全部用来满足用热需求。由此可实现动力输出/发电和供热两种模式的灵活转变，同时实现节省燃油和保护环境的功效。 [0019] 本发明提出借助周围水体对有机介质进行冷凝的方法，可以消除环境温度波动的影响，使发电系统达到全年基本稳定运行的模式，而且利用周围水体与船舶的相对运动，节省了传统的冷却循环系统的能耗，提高了动力输出/发电的净效率，使船用动力机组冷却方式和余热利用率获得较大提高，进一步提高船体能源的利用效率。附图说明 [0020] 图1：原有船用动力机组冷却和余热排放方法示意图； [0021] 图2：本发明船用动力机组冷却与余热利用系统结构示意图。 [0022] 附图标注：1、船用动力机组；2、导热油炉；3、膨胀机；4、发电机；5、水下冷凝器；6、增压器；7、烟气换热器；8、水下换热器。具体实施方式 [0023] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。 [0024] 本发明提出的利用船用动力机组冷却和余热利用系统及其利用方法，其主要的指导思想是利用有机介质替代原有水冷方式，可极大强化动力机缸套内的换热效果，并实现带压气态有机介质的直接输出，为膨胀机3的顺利工作创作了条件；同时充分利用排放的余热与水体之间的温度差，实现热动或热电转化；利用船舶的工作环境与自然水体始终相伴，因此自然水体的利用极为方便，而水体传热的性质明显高于环境气体的特性，且自然水体随季节的温度变化波动较小，尤其在炎热季节自然水体温度明显低于空气温度，是理想的冷源。同时船用动力机组1的产热温度也相对稳定，借此便利条件的热动或热发电系统将保持较为稳定的工作效率，这也为机组的设计、制造、简易化及稳定运行提供了方便条件。 [0025] 如附图1至所示，原有的船用动力机组1余热排放系统分为两种形态，途径一是烟气热的排放，通过导热油炉2后排放大气中；途径二是通过缸套内的冷却水循环，将热量排放至水下换热器8中，该水下换热器8将这部分余热排放到水体中。 [0026] 如附图2所示，本发明的船用动力机组冷却与余热利用系统，包括船用动力机组1和导热油炉2，所述船用动力机组1的烟气出口连接至所述导热油炉2，所述船用动力机组1的蒸汽出口连接有膨胀机3，所述膨胀机3连接至所述船用动力机组1作为辅助动力源，和/或连接至发电机4带动其发电作为船舶自身用电；所述膨胀机3的介质出口连接有设置在船体舷外的水下冷凝器5，所述水下冷凝器5的液体出口通过增压器6连接有设置在所述导热油炉2的排烟通道上的烟气换热器7，所述烟气换热器7的烟气出口连接至大气，其介质出口连接至所述船用动力机组1的介质入口。 [0027] 本发明中，所述发电机4采用剩磁自励模式的三相异步发电机。 [0028] 本发明中，所述船用动力机组1的缸套内的冷却介质采用有机介质代替原先的冷却水，改变冷却水在船用动力机组1内的单相换热的模式，利用有机介质合适的沸点温度，实现有机介质在船用动力机组1缸套内相变换热方式。其中，如表1所示，所述有机介质采用四氟乙烷与3～10％润滑油，二氯氟乙烷与3～10％润滑油，或四氟乙烷和二氯氟乙烷与3～10％润滑油的其中一种组成。 [0029] 表1有机介质组成及含量表 [0030] [0031] [0032] 基于上述船用动力机组冷却与余热利用系统的冷却与余热的利用方法，包括以下步骤： [0033] 步骤一，制备并安装上述船用动力机组冷却与余热利用系统。 [0034] 步骤二，利用有机介质作为船用动力机组1缸套的冷却介质，冷却过程中有机介质出现沸腾相变换热，其换热强度较原冷却水单相换热强度获得极大提高，可极大改善动力机的冷却效果；有机介质在热交换过程中完成相变，转变为高温高压气态形式；同时，船用动力机组1排放的高温烟气进入导热油炉2加热导热油。其中，所述有机介质采用上表1中的有机介质。 [0035] 步骤三，转变为具有一定压能的气态有机介质通过管道送入膨胀机3，推动膨胀机3输出机械功，输出的机械功输出至船用动力机组1作为辅助动力，直接减少船用动力机的能耗；和/或输出至发电机4带动其发电作为船舶自身用电，其中，所述发电机4采用剩磁自励模式的三相异步发电机，能够离网运行。 [0036] 步骤四，输出膨胀功后的有机介质进入安装在船体舷外的水下冷凝器5，水下冷凝器5利用江水或是海水相对船舷的流动对有机介质冷凝，使气态有机介质被冷凝成液态形式。 [0037] 步骤五，冷凝后的低温液态有机介质经过全封闭水下介质增压器6提升压力后，进入烟气换热器7；同时，导热油炉排放的烟气进入烟气换热器。低温高压有机介质与烟气在烟气换热器7内完成换热，温度降低后的烟气直接排放到大气中，温度提升至船用动力机组1缸套进口温度点后的有机介质进入船用动力机组1的缸套中，完成一个冷却与余热利用的循环。其中，所述烟气换热器7设置在船用导热油炉2的排烟通道上，用以完成烟气余热与有机介质的热交换，使烟气的余热的得以利用，在提高有机介质的温度同时，又可减少余热的排放量。 [0038] 步骤六，重复步骤二至步骤五，达成船用动力机组1冷却与余热的循环利用。 [0039] 实施例1 [0040] 设某船用动力机的尾气余热排放量和缸套冷却循环水余热排放量如表2所示；余热发电系统选用R134a为有机介质。 [0041] 表2有机介质之一物性表(R134a) [0042] [0043] 以主机为一台8PC4-2L船用动力机为例，动力机缸套原冷却循环水流量为qw＝80m3/h，船用动力机缸套冷却水进入缸套入口温度Tinw＝55℃，流出的出口温度为Toutw＝85℃。常用功率为8.23×106W，正常航行时尾气排量为mg＝14.96kg/s，经过导热油炉2后尾气温度Tg＝200℃。 [0044] 表3初始条件及计算表 [0045] [0046] 余热利用经济性计算工况选为船只年运行时间为220天/年，柴油机耗油率为175g/kW·h，柴油价格按照6115元/吨。 [0047] 按照本发明系统及方法实施改造，采用有机介质R134a取代冷却水，并将烟气排热量作为预热器的加热量，其循环方式见图2。如果膨胀功用来实施发电，计算得到其发电量见表4。 [0048] 表4船用动力机冷却与余热利用系统经济性计算表 [0049]

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