一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统，所述系统是以CO2为工质，以柴油机高温烟气的余热为热源，以柴油机冷却系统热水的余热驱动吸收式制冷产物为冷源的特殊二氧化碳朗肯循环系统。主要由烟气余热交换器、CO2透平、动力设备、回热器、冷凝器、高压泵、烟气热水器和吸收式制冷机组成，巧妙利用CO2工质在临界点附近凝结焓降小的特点，利用高、低品位余热构成特殊的串级联合循环，取得了比ORC或其它循环更高的热功转换效率，使柴油机的燃油利用率提高18％～25％以上。本发明专利技术可实现余热发电/驱动、供热和制冷多联产，具有显著的经济效益、社会效益和应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机械工程和节能领域，具体涉及一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统。
技术介绍
重型柴油机是船舶、舰艇、石油开采和分布式发电的主要动力设备，每年消耗大量的石油资源。然而，受各种因素的影响，重型柴油机在实际运行中的动力输出功仅占燃料燃烧总热量的40～50％，其余的燃油能量则通过尾气、冷却系统和润滑油系统耗散到大气中。其中，尾气所含热能占余热总能量的一半左右，温度可达250～500℃。燃气轮机的动力效率更低，通常在40％以内，其排气能量更大、温度也更高。高效利用这些余热资源是减少柴油机能源消耗、提高舰船续航能力或载货量、降低污染物排放的最主要途径。有机工质朗肯循环(ORC)在低品位余热回收方面具有一定的优势，很多企业和学者对如何利用ORC回收内燃机余热进行了系统的研究。美国Cummins公司将有机朗肯循环的工质用作发动机的冷却介质，即以发动机本体为热源，建立了新颖的有机朗肯循环余热回收系统，使内燃机效率提升9.4％。Katsanos等人采用有机朗肯循环对一台重型卡车柴油机废气余热进行回收，使卡车的燃油消耗能降低10.2％。宝马公司在1.8L发动机上配置了一套“TurboSteamer”系统，使发动机燃油效率提高10％。北京理工大学的方金莉、魏明山等通过合理选择设计点使内燃机余热有机朗肯循环效率达到10％～15％。在上述研究中，内燃机排气温度大多在400℃以上，按照工程热力学的基本理论，若充分利用这部分余热可以使内燃机油耗降低15～30％(汽油机因余热量大，收益也更大)，而实际油耗大多仅降低10％左右。这是因为，尽管内燃机排气温度很高，但为了避免有机工质在高温下分解，不得不通过导热油等中间介质将余热温度降低到260℃(烷烃类)甚至170℃(冷媒类)以下再传递给有机工质，导致高温侧损过大。另外，与水蒸汽朗肯循环类似，大多有机朗肯循环也存在节点温差问题，造成系统排烟温度过高，余热利用不充分。再者，大多数有机工质价格昂贵、易燃易爆、有毒、对大气环境危害严重，因此使用范围受到很多限制，特别是将其应用于舰船时，由于设备检修以及运行中的颠簸、振动等原因，其泄漏量远大于固定设备。总的来说，ORC可用于柴油机和燃气轮机等中高温余热的回收，但并不是最佳选择。近年来，以CO2为工质的余热回收系统得到了越来越多的关注。CO2来源广泛，成本低，对环境无害，具有良好的安全性和化学稳定性，在柴油机烟气温度下不分解，不爆炸，这是所有有机工质不具有的性能，在余热利用方面具有非常好的前景。CO2的临界温度和临界压力分别为31.1℃和7.38MPa，容易实现超临界循环，换热过程中具有光滑的温度变化曲线，不存在类似有机工质或水的窄点温差问题。另外，CO2具有优良的流动和传热特性，在工作参数下，其密度是常用有机工质的5～20倍，是水蒸汽的1000～3000倍，这将使CO2循环系统的体积远小于ORC和水蒸汽朗肯循环，非常紧凑。对比CO2、水蒸汽和有机工质三种朗肯循环不难发现，对于中高温余热回收，CO2循环因吸热段完全处于超临界状态，无窄点温差，损小，其透平进气温度可接近烟气最高温度，这是水蒸汽和有机工质不具备的优势。与燃气轮机循环相比，尽管两者热端损都很小，但CO2在气温或水温较低时就可以冷凝为液体，空气则很难冷凝，因此燃气轮机比CO2朗肯循环消耗更多的压缩功。总的来说，CO2朗肯循环充分利用了工质临界温度接近环境温度的特性，兼具冷端泵功小和热端损小的优势，这是其效率高于其它循环的根本原因。初步分析表明，当透平排气压力为5.0～7.0MPa时，若采用CO2
布雷顿循环，其压缩耗功约占透平总做功量的53％～68％，与燃气轮机循环接近；而在同样压比下，采用CO2朗肯循环的泵功只有透平总做功量的20％～35％，使得其净输出功达到布雷顿循环的1.7～2.0倍。当烟气余热为400℃，采用CO2朗肯循环回收烟气余热可以使内燃机油耗降低21％左右，明显高于ORC；但若采用CO2布雷顿循环，则优势较小。然而，因全球大部分地区的夏季环境温度接近或超过CO2的临界温度，无法利用天然冷源将CO2冷凝为液体，工程应用中不得不采用布雷顿循环，或者布雷顿循环与朗肯循环双模式运行，但系统过于复杂。在2014年第四届超临界CO2动力循环国际会议上，Wright等针对回收燃气轮机余热的CO2循环，又提出在用电低谷时利用多余的电制冰，而在用电高峰时以储存的冰作为CO2循环的冷源，使发电量比CO2布雷顿循环提高66％，利用电价的峰谷差获得显著的经济效益。为了解决循环系统冷源问题，有些学者另辟蹊径，开始寻求可利用的特殊条件，如以液化天热气(LNG)为冷源，或以深海水为冷源的循环方案等。由此可见，如何以更小的成本冷凝CO2成为解决CO2循环高效应用的核心问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统，以克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术不仅能大幅度提高重型柴油机的燃油利用率，而且具有夏季制冷、冬季供暖等多联产功能。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统，包括能够为CO2冷凝液化提供冷源的制冷循环，以及通过冷源将CO2液化后送入透平膨胀做功的动力循环；制冷循环包括采用柴油机冷却系统热水作为热能的吸收式制冷机，柴油机冷却系统热水经过吸收式制冷机后再送回柴油机冷却系统，吸收式制冷机产生的冷源送入动力循环，冷源将CO2液化后再送回吸收式制冷机；动力循环包括利用冷源液化CO2的冷凝器，由冷凝器产生的CO2液体通过高压泵增压后依次通过回热器和烟气余热交换器加热，然后进入一级CO2透平膨胀做功，一级CO2透平乏气经回热器降温后进入冷凝器，其中，烟气余热交换器采用柴油机高温烟气作为其热源，一级CO2透平的功率输出轴连接动力设备。进一步地，柴油机高温烟气经烟气余热交换器换热后得到中温烟气，所述中温烟气一部分经管道排出，另一部分经管道送入烟气热水器对柴油机冷却系统热水加热，所述的柴油机冷却系统热水经烟气热水器加热后进入吸收式制冷机。进一步地，排出中温烟气的管道上设有第一烟气阀门，将中温烟气送入烟气热水器的管道上设有第二烟气阀门。进一步地，柴油机冷却系统热水一部分通过管道送入供暖设备，另一部分经管道送入吸收式制冷机。进一步地，将柴油机冷却系统热水送入供暖设备的管道上设有第一热水阀门本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统，其特征在于，包括能够为CO2冷凝液化提供冷源的制冷循环，以及通过冷源将CO2液化后送入透平膨胀做功的动力循环；制冷循环包括采用柴油机冷却系统热水(P4)作为热能的吸收式制冷机，柴油机冷却系统热水(P4)经过吸收式制冷机后再送回柴油机冷却系统(P6)，吸收式制冷机产生的冷源送入动力循环，冷源将CO2液化后再送回吸收式制冷机；动力循环包括利用冷源液化CO2的冷凝器(5)，由冷凝器(5)产生的CO2液体通过高压泵(6)增压后依次通过回热器(4)和烟气余热交换器(1)加热，然后进入一级CO2透平(2)膨胀做功，一级CO2透平乏气经回热器(4)降温后进入冷凝器(5)，其中，烟气余热交换器(1)采用柴油机高温烟气(P1)作为其热源，一级CO2透平(2)的功率输出轴连接动力设备(3)。

【技术特征摘要】
1.一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯循环系统，其特征在
于，包括能够为CO2冷凝液化提供冷源的制冷循环，以及通过冷源将CO2液
化后送入透平膨胀做功的动力循环；制冷循环包括采用柴油机冷却系统热水
(P4)作为热能的吸收式制冷机，柴油机冷却系统热水(P4)经过吸收式制
冷机后再送回柴油机冷却系统(P6)，吸收式制冷机产生的冷源送入动力循
环，冷源将CO2液化后再送回吸收式制冷机；动力循环包括利用冷源液化
CO2的冷凝器(5)，由冷凝器(5)产生的CO2液体通过高压泵(6)增压后
依次通过回热器(4)和烟气余热交换器(1)加热，然后进入一级CO2透平
(2)膨胀做功，一级CO2透平乏气经回热器(4)降温后进入冷凝器(5)，
其中，烟气余热交换器(1)采用柴油机高温烟气(P1)作为其热源，一级
CO2透平(2)的功率输出轴连接动力设备(3)。
2.根据权利要求1所述的一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯
循环系统，其特征在于，柴油机高温烟气(P1)经烟气余热交换器(1)换
热后得到中温烟气(P2)，所述中温烟气(P2)一部分经管道排出，另一部
分经管道送入烟气热水器(11)对柴油机冷却系统热水(P4)加热，所述的
柴油机冷却系统热水(P4)经烟气热水器(11)加热后进入吸收式制冷机。
3.根据权利要求2所述的一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯
循环系统，其特征在于，排出中温烟气(P2)的管道上设有第一烟气阀门(V1)，
将中温烟气(P2)送入烟气热水器(11)的管道上设有第二烟气阀门(V2)。
4.根据权利要求2所述的一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯
循环系统，其特征在于，柴油机冷却系统热水(P4)一部分通过管道送入供
暖设备(P5)，另一部分经管道送入吸收式制冷机。
5.根据权利要求4所述的一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯
循环系统，其特征在于，将柴油机冷却系统热水(P4)送入供暖设备(P5)
的管道上设有第一热水阀门(V3)，将柴油机冷却系统热水(P4)送入吸收

\t式制冷机的管道上设有第二热水阀门(V4)。
6.根据权利要求2所述的一种用于重型柴油机余热梯级利用的CO2朗肯
循环系统，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：王顺森，吴闯，颜晓江，程上方，刘观伟，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61