一種基于orc系統的柴油發電機廢熱發電裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于ORC系統的柴油發電機廢熱發電裝置，包括ORC冷媒循環系統、發動機缸套水循環系統、發動機尾氣系統、增壓空氣系統和外部冷卻水系統。本發明最顯著的特征是，在整個發電裝置正常運行后，因發動機的水箱和增壓中冷器無需工作，可直接切斷柴油發電機的對風扇的功率輸出，從而實現對外輸出的凈發電量大幅提升。本發明的另一個顯著特點是，利用發動機缸套水為載體充分吸收發動機氣缸壁和發動機尾氣的熱量，避免ORC冷媒與高溫廢氣直接熱交換帶來冷媒局部高溫失效的問題。通過對本系統各個部件有效控制，通過發動機廢熱回收再利用，提高發動機單位燃油消耗的發電量，縮短發電機的投資回報周期。
【專利說明】—種基于ORC系統的柴油發電機廢熱發電裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及了發動機廢熱回收利用系統，尤其是有機郎肯循環發動機廢熱回收利用系統。也即是基于有機郎肯循環發動機廢熱回收利用的系統裝置，利用制冷劑(如R245fa)從發動機的尾氣、缸套水及增壓空氣中吸收熱量，通過郎肯循環的四個階段，對外做功發電，實現從發動機廢熱回收再利用的一種系統裝置。
【背景技術】
[0002]隨著能源緊張的加劇，提高能源的利用效率變得越來越重要。節能減排成為當前最重要的課題。而基于有機郎肯循環的ORC系統，對各種工業余熱或廢熱的利用，是一個很好的提升能源利用效率的技術。
[0003]發動機的能源利用效率比較低一般為40%左右，還有大量的發動機缸套水，發動機尾氣以及為提高發動機功率而采用增壓中冷技術的增壓空氣中都包含了大量的能量，排入大氣。這一方面導致環境溫度升高；另一方面，為保證發動機正常工作需要排出這些廢熱，其還需要消耗額外的能量，進一步降低了發動機能源利用效率。
[0004]普通的郎肯循環系統用于汽輪機的發電，這種郎肯循環包括了透平、冷凝器、泵、蒸發器等裝置。采用的工質一般為水蒸汽。水從蒸發器中吸收熱量，變成高溫高壓蒸汽，驅動透平做功發電，做功后的乏汽回到冷凝器中冷凝變成液體，再由水泵驅動到蒸發器，實現一個系統循環。有機郎肯循環與普通郎肯循環類似，只是工質不同，一般采用有機物作為工質，如采用R134a，R245fa等。
[0005]基于有機郎肯循環的發動機廢熱回收裝置，就是利用發動機排出的尾氣(廢氣)的能量，低溫液態的制冷劑工質從發動機排出的尾氣中吸收熱量，蒸發成過熱高壓蒸汽，驅動膨脹機或透平做功發電，同時低壓的制冷劑乏氣在冷凝器中放出熱量，變成液態制冷劑，通過冷媒泵加壓后輸送到蒸發器中，完成整個制冷劑工質的循環，從而實現發動機廢氣能量回收。
[0006]基于現有公開技術專利中，有直接利用發動機尾氣對ORC冷媒進行加熱，但因為發動機尾氣溫度一般超過500°C，這將導致ORC冷媒在局部高溫處裂解失效。現有公開技術中，還有采用導熱油作為吸收發動機尾氣熱量，但增加一個新的油路系統，導致成本和控制的復雜及應用推廣受到限制。
【發明內容】
[0007]本發明旨在解決目前現有公開技術存在技術問題，同時也更為有效的提高發動機的廢熱利用效率，尤其是提升柴油發電機的有效凈發電量；另一個目的，在基于一種廢熱回收系統裝置正常運行情況下，提高柴油發電機單位油耗的發電量。
[0008]為解決上述問題，本發明采用以下技術方案:一種基于ORC系統的柴油發電機廢熱發電裝置，包括ORC冷媒循環系統、發動機缸套水循環系統、發動機尾氣系統、增壓空氣系統和外部冷卻水系統，其特征在于:[0009]在所述的ORC冷媒循環系統中，儲液罐中的冷媒工質首先經過冷媒泵增壓，接著進入空氣冷卻器，吸收流經空氣冷卻器中的增壓空氣的熱量；然后再依次經過預熱器和蒸發器，吸收缸套水和尾氣的熱量，蒸發相變，成為高溫高壓蒸汽；高溫高壓的冷媒再流入膨脹發電機內，從而實現對外做功發電；從膨脹機流出的是低壓氣態冷媒，然后進入冷凝器，在冷凝器中放熱，從氣態冷凝成液態；液態冷媒再回到儲液罐，從而實現整個冷媒的循環流動；
[0010]在所述的發動機缸套水循環系統中，發動機缸套水首先經過循環水泵進入發動機內，吸收燃料燃燒釋放給發動機氣缸壁的熱量后，從發動機內流出，然后進入廢氣換熱器，吸收發動機尾氣的熱量；缸套水從廢氣換熱器流出后，溫度顯著升高，再依次進入蒸發器和預熱器中，把從發動機氣缸壁和發動機尾氣中吸收的熱量全部傳遞給相應的冷媒；缸套水從預熱器中流出后，溫度大幅降低，并經過循環水泵進入發動機，完成整個冷卻水系統循環，實現熱能從發動機氣缸壁和發動機尾氣向ORC冷媒的轉移；
[0011]在所述的發動機尾氣系統中，從發動機排出的高溫尾氣進入廢氣換熱器，把熱量傳遞給發動機缸套水；尾氣從廢氣換熱器流出后，排入環境；
[0012]在所述的增壓空氣系統中，環境空氣經過發動機的渦輪增壓器后，變成高溫增壓空氣；增壓空氣進入空氣冷卻器中，把熱量傳遞給冷媒，自身溫度降低，然后進入發動機；
[0013]在所述的外部冷卻水系統中，外部冷卻水經過冷凝器，吸收氣態冷媒的熱量，使其成為低溫低壓的液態冷媒。
[0014]本發明系統的工作原理是:首先利用柴油發電機的發動機缸套水，吸收發動機氣缸壁和發動機尾氣的熱量升溫，然后把熱量傳遞給ORC發電系統中冷媒工質，接著重新經過發動機缸套水泵，回到發動機內吸收熱量。在ORC冷媒系統中，冷媒經過冷媒泵增壓后，進入增壓空氣預熱器，吸收增壓空氣熱量進行預熱后，再經過由缸套水為熱源的熱水預熱器、蒸發器吸收熱量后蒸發，進入膨脹機對外做功發電，然后經過冷凝器變為液態冷媒，接著由冷媒泵增壓完成一個冷媒的工作循環。
[0015]本發明的特點如下:
[0016]—、發動機缸套水為載體的熱量吸收系統，利用發動機缸套水為載體充分吸收發動機氣缸壁和發動機尾氣的熱量，避免ORC冷媒與高溫廢氣直接熱交換帶來冷媒局部高溫失效的問題。
[0017]二、制冷劑做功裝置和能量回收裝置，制冷劑通過預熱器和蒸發器從發動機缸套水為載體的熱水系統吸收發動機廢熱后，實現冷媒工質的蒸發汽化，氣態冷媒驅動膨脹機對外做功發電，實現能量的回收利用。
[0018]三、發動機增壓空氣系統，新鮮空氣經過渦輪增壓后，變成高溫高壓氣體，經過空氣冷卻器把熱量傳遞給冷媒，在對冷媒進行加熱過程中，實現自身溫度的降低，以滿足發動機燃燒所需更多空氣，提升發動機燃油經濟性。
[0019]四、整個系統能夠充分回收發動機尾氣廢熱，氣缸壁面熱及渦輪增壓空氣的熱量，回收效率更高，并且整個系統的運行更為平穩和結構布置更為緊湊。
[0020]作為本發明的進一步改進，在ORC冷媒循環系統中，膨脹機和冷凝器之間加設回熱器，進行從工質泵出來的液態冷媒和從膨脹機出來氣態冷媒的熱交換，進一步提高熱交換能力。[0021]作為本發明的再進一步改進，通過控制系統完成以下操作:在ORC發電裝置啟動前或故障維修期間，通過閥門切換，從渦輪增壓器流出的空氣，仍舊流經空空中冷器進行冷卻；在ORC正常工作時，通過閥門切換，全部的增壓空氣流經預熱器，通過冷媒進行冷卻，此時，可以關閉發動機自身附屬的冷卻模塊單元。該冷卻模塊單元包括水箱散熱器、增壓中冷器及發動機驅動的風扇。在ORC發電系統正常工作期間，因發動機自身的冷卻風扇停止工作，使發動機單位油耗下，ORC系統的凈發電量大幅提升。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步說明。
[0023]圖1是本發明的結構框圖。
【具體實施方式】
[0024]參照附圖，本發明的一種基于ORC系統的柴油發電機廢熱發電裝置，包括ORC冷媒循環系統、發動機缸套水循環系統、發動機尾氣系統、增壓空氣系統和外部冷卻水系統等5個子系統。下面分別介紹5個子系統具體工作流程和能量傳遞過程:
[0025]I) ORC冷媒循環系統
[0026]儲液罐I中的冷媒工質2首先經過冷媒泵2增壓，接著進入空氣冷卻器4，吸收流經空氣冷卻器中高達150?200°C增壓空氣的熱量；然后再依次經過預熱器5、蒸發器6，吸收缸套水的熱量，蒸發相變，成為高溫高壓蒸汽；高溫高壓的冷媒再流入膨脹發電機7內，從而實現對外做功發電；從膨脹機7流出的是低壓氣態冷媒，然后進入冷凝器8，在冷凝器8中放熱，從氣態冷凝成液態；液態冷媒再回到儲液罐1，從而實現整個冷媒的循環流動。為了進一步提高整個系統的廢熱回收效率，可以在膨脹機7和冷凝器8之間加設回熱器3，進行從工質泵2出來的液態冷媒和從膨脹機7出來氣態冷媒的熱交換。使用的冷媒為制冷劑工質，如R245fa。
[0027]2)發動機缸套水循環系統
[0028]發動機缸套水13首先經過循環水泵進入發動機9內，吸收燃料燃燒釋放給發動機氣缸壁的熱量后，從發動機內流出，然后進入廢氣換熱器10，吸收發動機尾氣的熱量；缸套水從廢氣換熱器10流出后，溫度顯著升高，再依次進入蒸發器6和預熱器5中，把從發動機氣缸壁和發動機尾氣中吸收的熱量全部傳遞給相應的冷媒；缸套水從預熱器5中流出后，溫度大幅降低，并經過循環水泵進入發動機9，完成整個冷卻水系統循環，實現熱能從發動機氣缸壁和發動機尾氣向ORC冷媒的轉移。
[0029]3)發動機尾氣系統
[0030]從發動機9排出的尾氣12溫度超過500°C，高溫尾氣進入廢氣換熱器10，把熱量傳遞給發動機缸套水；尾氣從廢氣換熱器10流出后，排入環境。通過對廢氣換熱器的優化設計，其尾氣排出的溫度控制在140°c左右，以防止發動機尾氣中硫化物等凝結，腐蝕廢氣換熱器。
[0031]4)增壓空氣系統
[0032]環境空氣經過發動機的渦輪增壓器后，變成溫度高達150?200°C的增壓空氣14。增壓空氣進入空氣冷卻器4中，把熱量傳遞給冷媒。空氣對冷媒進行預熱，自身溫度降低，保證發動機增壓空氣吸入量充足，提高發動機燃油經濟性。同時，也提升了整個ORC系統對發動機廢熱的回收利用。
[0033]在ORC發電裝置啟動前或故障維修期間，通過閥門切換，從渦輪增壓器流出的空氣，仍舊流經空空中冷器進行冷卻。在ORC正常工作時，通過閥門切換，全部的增壓空氣流經預熱器，通過冷媒進行冷卻。此時，關閉發動機自身附屬的冷卻模塊單元，該冷卻模塊單元包括水箱散熱器、增壓中冷器及發動機驅動的風扇。在ORC發電系統正常工作期間，因發動機自身的冷卻風扇停止工作，使發動機單位油耗下，ORC系統的凈發電量大幅提升。
[0034]5)外部冷卻水系統
[0035]外部冷卻水經過冷凝器8，用來吸收氣態冷媒的熱量，使其成為低溫低壓的液態冷媒。同時，在本發明中，冷凝器也可以采用冷卻空氣進行冷卻。本發明所適用的對象是柴油發電機，根據實際柴油發電機工作環境，可以采用冷卻水也可以采用冷卻空氣進行冷卻。
[0036]應該理解到的是:上述實施例只是對本發明的說明，而不是對本發明的限制，任何不超出本發明實質精神范圍內的發明創造，均落入本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于ORC系統的柴油發電機廢熱發電裝置，包括ORC冷媒循環系統、發動機缸套水循環系統、發動機尾氣系統、增壓空氣系統和外部冷卻水系統，其特征在于: 在所述的ORC冷媒循環系統中，儲液罐(I)中的冷媒工質首先經過冷媒泵(2)增壓，接著進入空氣冷卻器(4)，吸收流經空氣冷卻器中的增壓空氣的熱量；然后再依次經過預熱器(5)和蒸發器(6)，吸收缸套水的熱量，蒸發相變，成為高溫高壓蒸汽；高溫高壓的冷媒再流入膨脹發電機(7)內，從而實現對外做功發電；從膨脹機(7)流出的是低壓氣態冷媒，然后進入冷凝器(8)，在冷凝器(8)中放熱，從氣態冷凝成液態；液態冷媒再回到儲液罐(1)，從而實現整個冷媒的循環流動； 在所述的發動機缸套水循環系統中，發動機缸套水首先經過循環水泵進入發動機(9)內，吸收燃料燃燒釋放給發動機氣缸壁的熱量后，從發動機內流出，然后進入廢氣換熱器 (10)，吸收發動機尾氣的熱量；缸套水從廢氣換熱器(10)流出后，溫度顯著升高，再依次進入蒸發器(6)和預熱器(5)中，把從發動機氣缸壁和發動機尾氣中吸收的熱量全部傳遞給相應的冷媒；缸套水從預熱器(5)中流出后，溫度大幅降低，并經過循環水泵進入發動機(9)，完成整個冷卻水系統循環，實現熱能從發動機氣缸壁和發動機尾氣向ORC冷媒的轉移； 在所述的發動機尾氣系統中，從發動機(9)排出的高溫尾氣進入廢氣換熱器(10)，把熱量傳遞給發動機缸套水；尾氣從廢氣換熱器(10)流出后，排入環境； 在所述的增壓空氣系統中，環境空氣經過發動機的渦輪增壓器后，變成高溫增壓空氣；增壓空氣進入空氣冷卻器(4)中，把熱量傳遞給冷媒，自身溫度降低，然后進入發動機； 在所述的外部冷卻水系統中，外部冷卻水經過冷凝器(8)，吸收氣態冷媒的熱量，使其成為低溫低壓的液態冷媒。
2.如權利要求1所述的一種基于ORC系統的柴油發電機廢熱發電裝置，其特征在于所述的ORC冷媒循環系統中，所述的膨脹機(7)和冷凝器(8)之間還設有回熱器(3)，進行從工質泵(2)出來的液態冷媒和從膨脹機(7)出來氣態冷媒的熱交換。
3.如權利要求1或2所述的一種基于ORC系統的柴油發電機廢熱發電裝置，其特征在于在ORC發電裝置啟動前或故障維修期間，通過閥門切換，從渦輪增壓器流出的空氣，仍舊流經空空中冷器進行冷卻；在ORC正常工作時，通過閥門切換，全部的增壓空氣流經預熱器，通過冷媒進行冷卻，此時，關閉發動機自身附屬的冷卻模塊單元。
【文檔編號】F01K27/00GK103982259SQ201410163424
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月22日 優先權日:2014年4月22日
【發明者】董軍啟, 王建長, 張榮友, 陳能舜, 王斌 申請人:浙江銀輪機械股份有限公司