本發(fā)明涉及的是一種余熱回收系統(tǒng)，具體地說是船舶柴油機余熱回收系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

應用EGR技術(shù)能夠有效的解決船舶低速柴油機NOx的排放問題，使船舶滿足Tier III排放法規(guī)的要求。然而，該技術(shù)由于將船舶低速柴油機排放的廢氣重新導入氣缸內(nèi)燃燒，導致柴油機燃燒變差，油耗增加。有研究表明，在船舶低速柴油機EGR率為27％的情況下，能夠使船舶低速柴油機滿足Tier III排放標準，但油耗會增加4g/kWh，使柴油機的經(jīng)濟性變差。將EGR技術(shù)和余熱利用技術(shù)相結(jié)合能夠同時有效地解決船舶低速柴油機污染物NOx排放和能耗兩大問題。通過余熱利用技術(shù)將EGR冷卻器的能量進行回收，將其轉(zhuǎn)化為電能或直接傳動回饋到低速柴油機輸出端，能夠有效的降低船舶低速柴油機的綜合油耗，提高船舶低速柴油機的燃油經(jīng)濟性，抵消船舶低速柴油機采用EGR技術(shù)處理污染物排放問題時所帶來的油耗增加問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供將超臨界CO₂布雷頓循環(huán)和有機郎肯循環(huán)組成的聯(lián)合循環(huán)與船舶低速柴油機EGR系統(tǒng)相結(jié)合，利用EGR冷卻器的能量發(fā)電或直接傳動回饋到低速柴油機輸出端，提高船舶低速柴油機的燃油經(jīng)濟性，降低船舶低速柴油機采用EGR技術(shù)處理污染物排放問題時所帶來油耗增加問題的一種船舶低速柴油機EGR冷卻器S-CO₂和ORC聯(lián)合循環(huán)余熱利用系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

本發(fā)明一種船舶低速柴油機EGR冷卻器S-CO₂和ORC聯(lián)合循環(huán)余熱利用系統(tǒng)，其特征是：包括排氣集箱、EGR冷卻器、主EGR設備、進氣集箱、ORC蒸發(fā)器、ORC冷凝器、ORC回熱器、ORC膨脹機、S-CO₂冷卻器、S-CO₂膨脹機、S-CO₂壓縮機，EGR冷卻器包括EGR冷卻器高溫側(cè)、EGR冷卻器低溫側(cè)，ORC蒸發(fā)器包括ORC蒸發(fā)器高溫側(cè)、ORC蒸發(fā)器低溫側(cè)，ORC回熱器包括ORC回熱器高溫側(cè)、ORC回熱器低溫側(cè)；

排氣集箱一方面通過主煙氣管道經(jīng)EGR冷卻器高溫側(cè)連接主EGR設備，另一方面通過煙氣旁通管連接主EGR設備，主EGR設備連接進氣集箱；

EGR冷卻器低溫側(cè)出口連通S-CO₂膨脹機進口，S-CO₂膨脹機出口連通ORC蒸發(fā)器高溫側(cè)進口，ORC蒸發(fā)器高溫側(cè)出口連通S-CO₂冷卻器進口，S-CO₂冷卻器出口連通S-CO₂壓縮機進口，S-CO₂壓縮機出口連通EGR冷卻器低溫側(cè)進口，S-CO₂膨脹機連接發(fā)電機；

ORC蒸發(fā)器低溫側(cè)出口連通ORC膨脹機進口，ORC膨脹機出口連通ORC回熱器高溫側(cè)進口，ORC回熱器高溫側(cè)出口連通ORC冷凝器進口，ORC冷凝器出口連通ORC回熱器低溫側(cè)進口，ORC回熱器低溫側(cè)出口連通ORC蒸發(fā)器低溫側(cè)進口，ORC膨脹機連接發(fā)電機；

EGR冷卻器、S-CO₂膨脹機、ORC蒸發(fā)器、S-CO₂冷卻器、S-CO₂壓縮機構(gòu)成S-CO₂回路，ORC蒸發(fā)器、ORC膨脹機、ORC回熱器、ORC冷凝器構(gòu)成ORC回路。

本發(fā)明一種船舶低速柴油機EGR冷卻器S-CO₂和ORC聯(lián)合循環(huán)余熱利用系統(tǒng)，其特征是：包括排氣集箱、EGR冷卻器、主EGR設備、進氣集箱、ORC蒸發(fā)器、ORC冷凝器、ORC回熱器、ORC膨脹機、S-CO₂冷卻器、S-CO₂膨脹機、S-CO₂壓縮機、S-CO₂回熱器、導熱油加熱器，EGR冷卻器包括EGR冷卻器高溫側(cè)、EGR冷卻器低溫側(cè)，ORC蒸發(fā)器包括ORC蒸發(fā)器高溫側(cè)、ORC蒸發(fā)器低溫側(cè)，ORC回熱器包括ORC回熱器高溫側(cè)、ORC回熱器低溫側(cè)，S-CO₂回熱器包括S-CO₂回熱器高溫側(cè)、S-CO₂回熱器低溫側(cè)，導熱油加熱器包括導熱油加熱器高溫側(cè)、導熱油加熱器低溫側(cè)；

排氣集箱一方面通過主煙氣管道經(jīng)EGR冷卻器高溫側(cè)連接主EGR設備，另一方面通過煙氣旁通管連接主EGR設備，主EGR設備連接進氣集箱；

EGR冷卻器低溫側(cè)出口連通S-CO₂膨脹機進口，S-CO₂膨脹機出口連通導熱油加熱器高溫側(cè)進口，導熱油加熱器高溫側(cè)出口連通S-CO₂回熱器高溫側(cè)進口，S-CO₂回熱器高溫側(cè)出口連通S-CO₂冷卻器進口，S-CO₂冷卻器出口連通S-CO₂壓縮機進口，S-CO₂壓縮機出口連通S-CO₂回熱器低溫側(cè)進口，S-CO₂回熱器低溫側(cè)出口連通EGR冷卻器低溫側(cè)進口，S-CO₂膨脹機連接發(fā)電機；

ORC蒸發(fā)器低溫側(cè)出口連通ORC膨脹機進口，ORC膨脹機出口連通ORC回熱器高溫側(cè)進口，ORC回熱器高溫側(cè)出口連通ORC冷凝器進口，ORC冷凝器出口連通ORC回熱器低溫側(cè)進口，ORC回熱器低溫側(cè)出口連通ORC蒸發(fā)器低溫側(cè)進口，ORC蒸發(fā)器高溫側(cè)出口通過導熱油泵連通導熱油加熱器低溫側(cè)進口，導熱油加熱器低溫側(cè)出口連通ORC蒸發(fā)器高溫側(cè)進口，ORC膨脹機連接發(fā)電機；

EGR冷卻器、S-CO₂膨脹機、導熱油加熱器、ORC蒸發(fā)器、S-CO₂回熱器、S-CO₂冷卻器、S-CO₂壓縮機構(gòu)成S-CO₂回路，ORC蒸發(fā)器、ORC膨脹機、ORC回熱器、ORC冷凝器構(gòu)成ORC回路。

本發(fā)明還可以包括：

1、S-CO2回路上設置S-CO₂回熱器，S-CO₂回熱器包括S-CO₂回熱器高溫側(cè)、S-CO₂回熱器低溫側(cè)，ORC蒸發(fā)器高溫側(cè)出口與S-CO₂冷卻器進口之間設置S-CO₂回熱器高溫側(cè)，S-CO₂壓縮機出口與EGR冷卻器低溫側(cè)進口之間設置S-CO₂回熱器低溫側(cè)。

2、S-CO₂回路上設置S-CO₂回熱器，S-CO₂回熱器包括S-CO₂回熱器高溫側(cè)、S-CO₂回熱器低溫側(cè)，S-CO₂膨脹機出口與ORC蒸發(fā)器高溫側(cè)進口之間設置S-CO₂回熱器高溫側(cè)，S-CO₂壓縮機出口與EGR冷卻器低溫側(cè)進口之間設置S-CO₂回熱器低溫側(cè)。

3、ORC冷凝器出口與ORC回熱器低溫側(cè)進口之間安裝儲液罐和增壓泵。

4、S-CO₂膨脹機與S-CO₂壓縮機同軸。

5、所述的S-CO₂回路為超臨界CO₂布雷頓循環(huán)回路，ORC回路為有機郎肯循環(huán)回路；S-CO₂回路的熱源為EGR冷卻器的煙氣能量，ORC回路的熱源為S-CO₂回路膨脹機出口的S-CO₂。

本發(fā)明的優(yōu)勢在于：本發(fā)明將EGR和ORC系統(tǒng)相結(jié)合，能夠同時有效的解決船舶低速柴油機NOx污染物排放和能耗兩大問題，降低船舶低速柴油機NOx的排放，同時提高船舶低速柴油機的綜合能效。S-CO₂與EGR排氣直接接觸換熱，且EGR排氣具有較高的壓力，提高了EGR冷卻器的排氣側(cè)換熱系數(shù)，使EGR冷卻器具有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點，有利于該系統(tǒng)在船舶機艙的布置。同時通過ORC回收一部分S-CO₂系統(tǒng)回熱器的能量，降低S-CO₂的回熱度，使S-CO₂的與EGR排氣具有更好的匹配度，提高了系統(tǒng)的綜合效率。

附圖說明

圖1為實施方式一的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實施方式二的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為實施方式三的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述：

實施方式一：

結(jié)合圖1，該系統(tǒng)由S-CO₂回路、ORC回路組成和EGR回路組成。其中S-CO₂回路由EGR冷卻器低溫側(cè)1、S-CO₂膨脹機6、ORC蒸發(fā)器高溫側(cè)2、S-CO₂回熱器高溫側(cè)3、S-CO₂冷卻器4、S-CO₂壓縮機5和S-CO₂回熱器低溫側(cè)依次連接組成。其中S-CO₂回路還包括和S-CO₂膨脹機同軸連接的發(fā)電機7，以及為S-CO₂冷卻器4提供冷卻水的冷卻水泵8。ORC回路由ORC蒸發(fā)器低溫側(cè)2、ORC膨脹機14、ORC回熱器高溫側(cè)9、ORC冷凝器10、ORC工質(zhì)泵13、ORC儲液罐12和ORC回熱器低溫側(cè)依次連接組成。其中ORC回路還包括和ORC膨脹機14同軸連接的發(fā)電機15，以及為ORC冷凝器10提供冷卻水的冷卻水泵11。EGR回路由排氣集箱16、主煙氣管道18、EGR冷卻器1高溫側(cè)、主EGR設備19和進氣集箱20依次連接組成。其中EGR回路還包括用于旁通作用的煙氣旁通管17。

S-CO₂回路為超臨界CO₂布雷頓循環(huán)回路，ORC回路為有機郎肯循環(huán)回路。S-CO₂回路的熱源為EGR冷卻器的煙氣能量，ORC回路的熱源為S-CO₂回路膨脹機出口的S-CO₂。EGR冷卻器能夠?qū)GR排氣冷卻到排氣酸露點之上，或通過采用耐腐蝕材料，排氣可以冷卻到酸露點以下。S-CO₂膨脹機6和ORC膨脹機14可以同軸連接發(fā)電機或同軸連接動力傳動裝置直接將輸出動力回饋到低速柴油機曲軸輸出端。S-CO₂壓縮機可以與S-CO₂膨脹機同軸連接或單獨驅(qū)動。

由船舶低速柴油機排氣集箱16排出的廢氣首先通過與之相連的主排氣管道18進入EGR冷卻器1之后排入主EGR設備19，在該設備中完成脫硫、進一步冷卻之后導入進氣集箱20，與新鮮空氣混合之后進入船舶低速柴油機氣缸燃燒，排入排氣集箱16。進入EGR冷卻器1的排氣與S-CO₂循環(huán)工質(zhì)直接進行換熱，提高工質(zhì)的溫度。由EGR冷卻器1排出的高溫工質(zhì)則進入膨脹機6做功，膨脹機6的膨脹功則通過與之同軸的發(fā)電機7轉(zhuǎn)化為電能。膨脹機6排出的S-CO₂則進入ORC蒸發(fā)器2對ORC工質(zhì)進行加熱，使ORC工質(zhì)蒸發(fā)過熱。從ORC蒸發(fā)器2排出的S-CO₂則繼續(xù)進入S-CO₂回熱器3對工質(zhì)進行預熱。從S-CO₂回熱器3 排出的S-CO₂則進入S-CO₂冷卻器4冷卻后進入S-CO₂壓縮機5進行壓縮后，提高壓力后的S-CO₂循環(huán)工質(zhì)則進入S-CO₂回熱器3進行預熱完成整個循環(huán)。S-CO₂冷卻器4中乏汽的能量則通過與冷卻水泵8提供的冷卻水換熱帶走。從ORC蒸發(fā)器2排出的過熱工質(zhì)則進入膨脹機14做功，膨脹機14的膨脹功則通過與之同軸的發(fā)電機15轉(zhuǎn)化為電能。膨脹機14排出的乏汽則進入回熱器9對工質(zhì)進行預熱。由回熱器9排出的乏汽則進入ORC冷凝器10冷凝。從ORC冷凝器10排出的ORC循環(huán)液態(tài)工質(zhì)則進入儲液罐12，之后通過增壓泵13增壓之后進入回熱器10預熱。之后進入ORC蒸發(fā)器2中蒸發(fā)完成整個循環(huán)。ORC循環(huán)的乏汽能量通過由冷卻水泵11提供的冷卻水帶走。

實施方式二：

結(jié)合圖2，在實施方式一的基礎上，更改了S-CO₂回熱器3的位置，由S-CO₂膨脹機6排出的S-CO₂首先進入S-CO₂回熱器3高溫側(cè)進行回熱后再進入ORC蒸發(fā)器2對ORC工質(zhì)加熱，使ORC工質(zhì)蒸發(fā)過熱，S-CO2壓縮機5出口經(jīng)S-CO2回熱器3低溫側(cè)連通EGR冷卻器低溫側(cè)。

實施方式三：

結(jié)合圖3，在實施方式一的基礎上，為了降低ORC工質(zhì)高溫分解的危險，加入了保護ORC工質(zhì)的導熱油循環(huán)：增加了導熱油加熱器21、導熱油泵22，并調(diào)整了S-CO₂回熱器3、ORC蒸發(fā)器2的連接關(guān)系，S-CO2膨脹機出口經(jīng)導熱油加熱器21高溫側(cè)連通S-CO₂回熱器3高溫側(cè)進口，ORC蒸發(fā)器2高溫側(cè)出口通過導熱油泵22連通導熱油加熱器21高溫側(cè)進口，導熱油加熱器21高溫側(cè)出口連通ORC蒸發(fā)器2高溫側(cè)進口，形成循環(huán)。