一种船舶余热利用热电联产装置及其使用方法与流程

1.本发明涉及船舶能源领域，具体为一种船舶余热利用热电联产装置及其使用方法。


背景技术：

2.在现有船舶供暖系统设计中，目前，最先进的船用二冲程柴油主机有效热效率已接近50％，拥有所有热机中最高的效率，但仍有一半以上的燃料能量未被利用，随废气和冷却水排放入环境中，既污染了环境，又造成大量能源浪费。一方面，船舶现有制淡水系统、主机缸套水冷却系统采用海水作为冷源，在制淡水、冷却主机缸套水的过程中，将大量的热能由冷却海水排放到船舶系统外，不能实现能源充分利用。另一方面，现有尾气利用设备、船载制淡水装置、有机朗肯动力循环、温差发电装置等设施，未采用嵌套——组合协作热量利用方式，仍存在大量能量散耗、能量利用程度较低的缺陷。
3.综上，本发明设计的船舶余热利用热电联产装置足已解决上述技术难题与社会发展矛盾，兼顾环境可持续发展与海上运输效益。


技术实现要素：

4.本发明提出一种船舶余热利用热电联产装置及使用方法，以解决在不同环境下船舶整体大量能量耗散、能量利用程度较低的问题。
5.为达到上述目的，本发明的一个技术方案如下：一种船舶余热利用热电联产装置，用于回收利用船舶内的主机缸套水和烟气的余热，以低沸点有机工质为循环介质，该联产装置包括通过管道相连的：
6.储液柜，可储存液相有机工质，与有机工质冷凝器和有机工质预热器相连接；有机工质预热器，以主机缸套水为热源，以有机工质为冷源，对所述储液柜输出的有机工质进行预热；
7.orc烟气余热三级蒸发装置，以主机烟气为加热源，对所述有机工质预热器预热的有机工质进行加热，输出气相工质；
8.汽轮机模块，将所述orc烟气余热三级蒸发装置输出的气相工质的内能转化为电能，电能输入至电力并网
‑
分配
‑
储能系统，留下工质乏汽；
9.有机工质回热器，以主机缸套水为热源，对所述汽轮机模块产生的工质乏汽进行回热；
10.温差发电系统，以海水和冷淡水为冷端，以经所述有机工质回热器回热后的工质乏汽为热端，利用温差发电原理发电，产生的电能输入至电力并网
‑
分配
‑
储能系统；
11.制淡水系统，以经过所述温差发电系统的冷淡水为冷凝端、经过所述温差发电系统的海水为制淡水源、经过所述温差发电系统的有机工质为蒸发热源，蒸发海水制淡水；
12.有机工质冷凝器，以海水为冷源，对经过所述制淡水系统的有机工质进行冷凝，冷凝后的液相有机工质输入至储液柜。
13.优选的，该船舶余热利用热电联产装置还包括海水
‑
烟气温差发电装置，该装置以经过所述orc烟气余热三级蒸发装置的烟气为热端，以海水为冷端，利用温差发电原理发电，产生电能输入至电力并网
‑
分配
‑
储能系统。
14.优选的，该船舶余热利用热电联产装置还包括orc故障保护装置，所述联产装置工作常态断开该orc故障保护装置，所述联产装置出现故障时接入该orc 故障保护装置。
15.优选的，所述汽轮机模块包括高压汽轮机组和低压汽轮机组。
16.优选的，所述orc烟气余热三级蒸发装置内设有三级与烟气换热的盘管和两级储存有机工质的液包，即第一盘管、第二盘管、第三盘管和第一液包、第二液包；烟气在火管里依次通过第一盘管、第二盘管、第三盘管，对有机工质进行加热。
17.优选的，有机工质在所述orc烟气余热三级蒸发装置内的流向如下：第三盘管中的工质流向第二液包，第二液包中的工质流向第一盘管或第二盘管，第二盘管中的工质流向第一液包，第一液包中的工质流向第二液包或第一盘管或低压汽轮组，第一盘管中的工质流向高压汽轮组。
18.优选的，该船舶余热利用热电联产装置包括多个三通阀、四通阀、工质泵，可根据不同需求控制有机工质的去向。
19.优选的，所述orc烟气余热三级蒸发装置的烟气入口处设有蝶阀，所述联产装置出现故障时，通过该蝶阀将烟气直接排入大气。
20.优选的，烟气在火管里通过所述orc烟气余热三级蒸发装置后，该烟气在火管里流向海水
‑
烟气温差发电装置。
21.一种船舶余热利用热电联产装置的使用方法，采用上述的船舶余热利用热电联产装置实现，包含常规模式、用水高峰模式、冬季低温模式：
22.常规模式下，有机工质由储液柜进入有机工质预热器预热，之后进入orc 烟气余热三级蒸发装置，在第三盘管加热后，进入第二液包，在该第二液包内气液分离后，气相工质进入第一盘管加热成过饱和蒸汽，之后该蒸汽进入高压汽轮机组，高压汽轮机组产生的电能输入电力并网
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分配
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储能系统，留下工质乏汽；第二液包分离的液相工质经第二盘管加热为两相混合有机工质后，在第一液包内气液分离，液相工质回到第二液包继续循环，气相工质与所述高压汽轮机组留下的工质乏汽混合，进入低压汽轮机组，该低压汽轮机组产生的电能输入电力并网
‑
分配
‑
储能系统，留下的工质乏汽输入至有机工质回热器，有机工质回热后进入温差发电系统，该温差发电系统产生的电能输入电力并网
‑
分配
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储能系统，工质乏汽输入制淡水系统，该制淡水系统利用海水、冷淡水、工质乏汽制淡水和热水，制成的热水流入热水柜，制成的淡水流入淡水柜，留下的两相混合有机工质进入有机工质冷凝器，在所述有机工质冷凝器内被冷凝为液相工质，流入储液柜，进入下一次循环；
23.用水高峰模式下，有机工质由储液柜进入有机工质预热器预热，之后进入 orc烟气余热三级蒸发装置，在第三盘管加热后，进入第二液包，在该第二液包内气液分离后，气相工质进入第一盘管加热后成为过饱和蒸汽，进入高压汽轮机组，该高压汽轮机组产生的电能输入电力并网
‑
分配
‑
储能系统，留下了工质乏汽；第二液包分离的液相工质经第二盘管加热为两相混合有机工质后，流入第一液包，在第一液包内气液分离，液相工质回到第二液包继续循环，气相工质与所述高压汽轮机组留下的工质乏汽混合，直接进入有机工质回热器，有机工质回热后进入温差发电系统，该温差发电系统产生的电能输入电力并网
‑
分
配
‑ꢀ
储能系统，而留下的温度较常规模式高的工质乏汽输入制淡水系统，流入制淡水系统的海水量也较常规模式多，该制淡水系统利用海水、冷淡水、工质乏汽制淡水和热水，制成的热水流入热水柜，制成的淡水比常规模式增加，流入淡水柜，留下后的两相混合有机工质进入有机工质冷凝器，在该有机工质冷凝器内被冷凝为液相工质后，流入储液柜，进入下一次循环；
24.冬季低温模式下，有机工质由储液柜进入有机工质预热器预热，之后进入 orc烟气余热三级蒸发装置，在第三盘管加热后，进入第二液包，在该第二液包内气液分离后，液相工质流到第二盘管内，经第二盘管加热为两相混合有机工质后，进入第一液包，在第一液包内气液分离，液相工质回到第二液包继续循环，第一液包内的气相工质与第二液包分离出的气相工质混合，进入第一盘管加热为过饱和蒸汽，随后进入高压汽轮机组，该高压汽轮机组产生的电能输入电力并网
‑
分配
‑
储能系统，留下的工质乏汽进入有机工质回热器，有机工质回热后进入温差发电系统，该温差发电系统产生的电能输入电力并网
‑
分配
‑
储能系统，留下的温度较用水高峰模式更高的工质乏汽输入制淡水系统，因此流入制淡水系统的海水量和淡水量也较用水高峰模式下更多，该制淡水系统利用海水、冷淡水、工质乏汽制淡水和热水，从而产生更多的热水流入热水柜，制成的淡水增加，流入淡水柜，留下的两相混合有机工质进入有机工质冷凝器，在该有机工质冷凝器内被冷凝为液相工质，流入储液柜，进入下一次循环。
25.综上所述，本发明所提供的一种船舶余热利用热电联产装置，通过对有机朗肯动力循环、热电偶温差发电装置、制淡水装置、主机缸套水循环装置等的嵌套组合使用方式，以满足船舶运行不同工况及需求为目的，充分挖掘现有船舶所存在的“能量需求——能源耗散”矛盾关系，对现有设施设备进行组合利用，提供了常规模式、用水高峰模式、冬季环境温度较低模式这三种能量使用方式，充分降低传统设备单一工作状态下的大量能量散耗，从船舶系统整体角度考虑出发，提高了船舶航行过程中的余热回收再利用效率，实现了余热梯级回收，提高了船舶整体运行经济性，填补了现有船舶余热回收系统设计领域的空白。
附图说明
26.图1为一种船舶余热利用热电联产装置及其使用方法的流程示意图；
27.图2为一种船舶余热利用热电联产装置中，orc烟气余热三级蒸发装置的示意图；
28.图3为一种船舶余热利用热电联产装置中，电力并网
‑
分配
‑
储能系统的示意图；
29.图4为一种船舶余热利用热电联产装置中，温差发电系统的示意图；
30.图5为一种船舶余热利用热电联产装置中，制淡水系统的示意图；
31.图6为一种船舶余热利用热电联产装置中，海水
‑
烟气温差发电装置的示意图。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本发明保护的范围。
33.如图1所示，本发明所述的一种船舶余热利用热电联产装置及使用方法，采用低沸
相连；下盘管淡水入口阀501
‑
1与冷淡水柜13相连，淡水出口阀501
‑
2与制淡水系统6中的冷凝器6b的淡水入口阀 601
‑
6相连。温差发电系统5的热端换热器5b的入口阀501
‑
6与所述有机工质回热器9的工质蒸汽出口阀901
‑
2相连，热端换热器5b的出口阀501
‑
5与制淡水系统6中的蒸发器6a的有机工质入口阀601
‑
1相连。
42.所述温差发电系统5采用的是p
‑
n结热电偶发电原理，其中有p
‑
n结热电偶发电模块5c；以冷淡水柜13和海水作为冷源，通入冷端换热器5a，作为p
‑
n 结热电偶发电模块5c的冷端；以经有机工质回热器9加热后的工质乏汽为热源，通入热端换热器5b，作为p
‑
n结热电偶发电模块5c的热端，进一步利用工质蒸汽的高温潜热。所述温差发电系统5产生的电能通入电力系统11。
43.所述温差发电系统5通入淡水和海水作为p
‑
n结热电偶发电模块5c的冷端冷却介质后，淡水经淡水入口阀601
‑
6输入至冷凝器6b，满足制淡水系统6的冷却水供应需求，海水经海水入口阀601
‑
2输入至蒸发器6a，满足制淡水系统6 的海水供应需求；所述温差发电系统5通入工质蒸汽作为p
‑
n结热电偶发电模块5c的热端介质后，初步降温，经工质蒸汽入口阀601
‑
1输入至蒸发器6a。
44.所述温差发电系统5内还设置有温度
‑
压力传感器502
‑
1、502
‑
2、502
‑
3、 502
‑
4、502
‑
5、502
‑
6，根据船内淡水存量、冷淡水需求量及所述各温度
‑
压力传感器数据，由管理控制系统控制，可通过调整淡水入口阀501
‑
1和海水入口阀 501
‑
4来实时调整由淡水柜13流入的淡水和由海水泵503
‑
2泵入的海水的流量及其比率，并保证所述p
‑
n结热电偶发电模块5c的冷热两端间产生足够的温差，提高发电效率。
45.如图1、图4和图5所示，制淡水系统6由冷凝器6b和蒸发器6a构成。该制淡水系统6利用温差发电系统5输出的淡水作为冷凝器6b中的冷却介质，淡水由淡水入口阀601
‑
6进入，流经冷凝器6b中的管路，最后经过热水柜14的入口水泵603
‑
2，流入热水柜14中；制淡水系统6利用温差发电系统5输出的海水作为蒸发器6a中的被蒸发源，由海水入口阀601
‑
2进入，在蒸发器6a中被蒸发、在冷凝器6b中被冷却，成为淡水，该淡水经过出口水泵603
‑
1，流入冷淡水柜13中，海水蒸发后的杂质则被排出舷外；制淡水系统6利用温差发电系统 5输出的工质蒸汽作为蒸发器6a中的供热介质，由工质蒸汽入口阀601
‑
1输入，对蒸发器6a中的海水进行蒸发后，该工质蒸汽进一步降温，成为气液混合有机工质，经过有机工质出口阀601
‑
7，到达三通阀20。
46.其中，制淡水系统6采用温差发电系统5输出的气液混合有机工质作为蒸发器6a的热源，所述制淡水系统6吸收了大量的有机工质的潜热，进一步实现工质余热的梯级回收利用，同时由于有机工质热量降低，减少了有机工质冷凝器7所需的冷却海水流量，降低了有机工质冷凝器7中海水泵的703的工作负荷，减少了能源消耗。
47.如图1所示，三通阀16的第一接口接高压工质蒸汽出口阀201
‑
1，第二接口接高压汽轮机3a，第三接口接orc故障保护装置12；四通阀17的第一接口接三通阀204
‑
2，第二接口接四通阀18的第一接口，第三接口接三通阀20的第三接口，第四接口接orc故障保护装置12；四通阀18的第二接口接低压汽轮机4a，第三接口接高压汽轮机3a，第四接口接三通阀19的第一接口；三通阀 20的第一接口与有机工质冷凝器7相连，第二接口与制淡水系统6中的有机工质出口阀601
‑
7相连。
48.如图1和图2所示，当汽轮机模块安全工作的情况下，三通阀16的第三接口关闭，三
通阀17的第三接口和第四接口关闭，三通阀20的第三接口关闭，使orc故障保护装置12不接入系统中；而当汽轮机模块出现故障时，三通阀 16的第一接口和第三接口接通，四通阀17的第一接口、第三接口和第四接口接通，四通阀18的第一接口、第三接口和第四接口接通，三通阀20全通，使orc 故障保护装置12接入系统，从而使经过三通阀16的气相工质进入orc故障保护装置12，并通过三通阀20，接入有机工质冷凝器7中，避免系统发生危险。
49.如图1所示，有机工质冷凝器7的有机工质入口端与三通阀20的第一接口相连，有机工质出口阀702
‑
3与储液柜8相连；有机工质冷凝器7的海水入口阀 702
‑
2和海水出口阀702
‑
1与海水相接。在有机工质冷凝器7内，海水对经过三通阀20输入的气液混合有机工质进行冷凝，使气液混合有机工质成为液相工质，通过有机工质出口阀702
‑
3进入储液柜8中。
50.其中，三通阀20、有机工质出口阀702
‑
3、海水入口阀702
‑
2、海水出口阀 702
‑
1和入口阀10a
‑
3处均设置有温度
‑
压强传感器，由管理控制系统根据流入、流出有机工质冷凝器7的工质温度、海水温度和有机工质预热器10入口的主机缸套水温度差，计算所述有机工质冷凝器7所需冷却海水量，控制海水泵703 的工作负荷。
51.如图1所示，液相有机工质经节流阀10a
‑
4从储液柜8进入有机工质预热器 10，主机缸套水由入口阀10a
‑
3进入有机工质预热器10；在有机工质预热器10 中，主机缸套水对液相有机工质进行预热，之后主机缸套水经由出口阀10a
‑
1 进入主机缸套水循环系统15，预热后的液相有机工质从出口阀10a
‑
2进入烟气蒸发装置2。有机工质作为循环介质，依次通过上述各装置，达到回收利用烟气余热和主机缸套水余热的目的。
52.而所述第一液包2e内的气相工质，按使用需求有不同的流向，可划分为常规模式、用水高峰模式、冬季低温模式三种。
53.如图1和图2所示，三通阀204
‑
1的第一接口接第一盘管2a，第二接口接三通阀204
‑
2的第二接口，第三接口接第二液包2f；三通阀204
‑
2的第一接口接第一液包2e，第三接口接四通阀17的第一接口；三通阀19的第一接口接四通阀18的第四接口，第二接口接有机工质回热器9，第三接口接低压汽轮机4a；三通阀204
‑
1、三通阀204
‑
2、三通阀16、四通阀17、四通阀18和三通阀19在三种模式下有不同的通闭方式，来控制有机工质的流向，以下描述中，若没有说明接通的接口则为关闭。
54.如图1和图2所示，在常规模式下，三通阀204
‑
1的第一接口和第三接口接通，三通阀204
‑
2的第一接口和第三接口接通，三通阀16的第一接口和第二接口接通，四通阀17的第一接口和第二接口接通，四通阀18的第一接口、第二接口、第三接口接通，三通阀19的第二接口和第三接口接通；这种模式下，第一液包2e内的气相工质流经三通阀204
‑
2、四通阀17，到达四通阀18，与高压汽轮机3a产生的工质乏汽混合，进入低压汽轮机4a，工质乏汽在所述低压汽轮机4a内做功后，输出的能量进入发电机4b发电，留下的工质乏汽经过三通阀 19流入有机工质回热器9。
55.如图1和图2所示，在用水高峰模式下，断开低压汽轮机组4，即三通阀 204
‑
1的第一接口和第三接口接通，三通阀204
‑
2的第一接口和第三接口接通，三通阀16的第一接口和第二接口接通，四通阀17的第一接口和第二接口接通，四通阀18的第一接口、第三接口、第四接口接通，三通阀19的第一接口和第二接口接通；这种模式下，第一液包2e内的气相工质流经三通阀204
‑
2、四通阀17，到达四通阀18，与高压汽轮机3a产生的工质乏汽混合，经过三通阀19，输入至有机工质回热器9；在用水高峰模式下，低压汽轮机组4不接入系统，产生的
工质乏汽热能较常规模式高，通过管理控制系统，制淡水系统6可制成更多淡水供船舶使用。
56.如图1和图2所示，在冬季低温模式下，断开低压汽轮机组4，同时使第一液包2e内气相工质进入第一盘管2a继续加热，即三通阀204
‑
1全通、三通阀 204
‑
2的第一接口和第二接口接通，三通阀16的第一接口和第二接口接通，四通阀17全闭，四通阀18的第三接口和第四接口接通，三通阀19的第一接口和第二接口接通；这种模式下，第一液包2e内的气相工质经过三通阀204
‑
2、三通阀204
‑
1，输入至第一盘管2a，由所述第一盘管2a加热成过饱和蒸汽，经过高压工质蒸汽出口阀201
‑
1、三通阀16进入高压汽轮机3a做功，产生的工质乏汽，经过四通阀18、三通阀19，输入至有机工质回热器9；在冬季低温模式下，低压汽轮机组4不接入系统，且有机工质在烟气蒸发装置2内均被加热为过饱和蒸汽，内能更高，以便于使后续系统提供更多的热水、淡水及热能。
57.如图1和图6所示，海水
‑
烟气温差发电装置1由热端换热器1a、冷端散热器1b和p
‑
n结热电偶发电模块1c构成；烟气余热在烟气蒸发装置2内部被利用之后，烟气通过火管进入到该海水
‑
烟气温差发电装置1中，作为热源通过热端换热器1a，而海水由海水泵103进入，作为冷源通过冷端散热器1b中；由管理控制系统，根据温度
‑
压强传感器102
‑
1和温度
‑
压强传感器102
‑
2测量的两端海水温差，控制节流阀101
‑
1和节流阀101
‑
2调节海水流量，以控制发电装置冷热两端温差，使p
‑
n结热电偶发电模块1c输出电能，输入至电力系统11，供船舶使用。烟气余热再次被利用后，温度降低，排到舷外。
58.如图1和图3所示，电力系统11由控制系统11a、蓄电池11b、压缩机11c、储能池11d和辅机11e构成，该电力系统11采用电能回收分块存储、使用的设计思路，将高压机组3、低压汽轮机组4、温差发电系统5和海水
‑
烟气温差发电装置1产生的电能，通过管理控制系统实现并网；电力系统11中的控制系统11a 对输入电能分配，将部分输入电能通过压缩机11c做功转化为高压空气，以机械能形式储存在储能池11d中，供启动辅机11e使用；其余电能输入蓄电池11b，供冷机启动滑油电加热装置(11b
‑
1)、冷机启动主机缸套水电加热装置(11b
‑
2)、船舶生活用电(11b
‑
3)及排烟电辅热装置(11b
‑
4)使用，以降低船舶常规燃油辅机发电负荷，降低船舶整体系统的燃料损耗。
59.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。