CN103161607A

CN103161607A - 一种基于内燃机余热利用的联合发电系统

Info

Publication number: CN103161607A
Application number: CN2013100679003A
Authority: CN
Inventors: 王江峰; 夏家曦; 王建永; 赵攀; 王漫; 戴义平
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2013-03-04
Filing date: 2013-03-04
Publication date: 2013-06-19

Abstract

本发明公开了一种基于内燃机余热利用的联合发电系统，该系统由布雷顿循环和有机朗肯循环联合组成，主要由燃气透平、换热器、压气机、透平、冷凝器、增压泵、循环泵等组成。内燃机废气首先经过加热器，将热量传给布雷顿循环的CO₂，形成高温高压CO₂蒸气驱动燃气透平发电；内燃机废气经过加热器之后仍含有较高的热量，再将热量通过蒸发器传给有机朗肯循环中的有机工质，形成高温高压的有机工质蒸气；燃气透平出来的CO₂经过冷却器，也将热量传给有机朗肯循环中的有机工质，形成高温高压的有机工质蒸气；两股高温高压的有机工质蒸气驱动有机工质透平发电。

Description

一种基于内燃机余热利用的联合发电系统

【技术领域】

本发明属于高温和中低温热能回收与动力工程领域，涉及一种基于内燃机余热利用的联合发电系统。

【背景技术】

内燃机运行时排出废气所带走热量约占燃料完全燃烧所释放热量的35%，而目前这部分热量均以废热的形式散失掉了，回收这部分内燃机废气余热可以实现节能降耗，目前有以下几种技术方案来回收利用内燃机余热：

1、有机朗肯循环（ORC）：有机朗肯循环是一种将传统的蒸汽朗肯循环中的水工质用有机工质来代替的循环，主要包括绝热压缩、定压吸热、绝热膨胀以及定压冷凝四个过程。图1给出了有机朗肯循环的系统示意图。有机朗肯循环可以选用R123、R113、R245fa等有机物作为工作介质。从内燃机21出来的带有余热的烟气经过蒸发器22和预热器23放出热量后排出。从蒸发器22出来的过热或饱和蒸气进入有机透平24做功，驱动同轴相连的发电机25发电。从有机透平24出来的排气先经过回热器26进行放热，然后进入冷凝器27冷凝成为液体，再通过增压泵28升压和回热器26中吸热，送往预热器23和蒸发器22吸热，完成一个循环。

2、Kalina循环：Kalina循环是以氨水混合物作为工质，适用于中低温热能利用的高效热力系统。

图2为现有技术中Kalina循环系统图。从内燃机出来的带有余热的烟气经过余热锅炉31放出热量后排出。氨水工作溶液经过预热器315和余热锅炉31吸热后产生的过热的氨水蒸汽进入透平32膨胀做功，驱动同轴相连的发电机33发电。从透平32出来的排气在高温回热器34中放热；分离器38分离出来的富水溶液依次经过低温回热器37放热和节流阀36减压后，与透平排气在混合器Ⅰ35中混合，形成氨水基本溶液。氨水基本溶液进入冷凝器Ⅰ39中冷凝成氨水液态，然后经过增压泵310升压后在分流器311中分成两股，一股通过低温回热器37和高温回热器34吸热后进入分离器38，分离器38分离出来的富氨蒸汽经过预热器315放热后与从分流器311出来的另一股氨水基本溶液在混合器Ⅱ312中混合，形成工作溶液，然后经过冷凝器Ⅱ313冷凝成液态，然后通过增压泵314增压和预热器315升温之后，送到余热锅炉31中，完成一个循环。

3、Kalina循环-有机朗肯循环联合系统：此系统包含两个循环：有机朗肯循环主要回收内燃机废气和内燃机润滑油里面的余热；Kalina循环主要利用有机朗肯循环中的透平排气和内燃机冷却水中的热量。

图3给出了Kalina循环-有机朗肯联合循环系统的示意图。对于有机朗肯循环，热的润滑油在换热器Ⅱ46中放热，热量用于预热循环中的有机工质，接着有机工质流过余热锅炉41吸收内燃机烟气中的余热后成为饱和或过热蒸汽，这些蒸汽进入有机透平42中做功，驱动同轴相连的发电机43发电。从有机透平42出来的排气通过换热器Ⅰ44放热将热量提供给的Kalina循环，有机工质经过换热器Ⅰ44放热后冷却为液体，然后经过增压泵45升压后进入换热器Ⅱ46和余热锅炉41进行吸热，完成整个有机朗肯循环。在Kalina循环中，氨水基本溶液通过换热器Ⅰ44进行预热后分成两股，一股进入换热器Ⅲ48吸收内燃机冷却水的余热，另一股进入换热器Ⅳ412与从分离器411中分离出来的富水溶液进行换热，然后两股氨水的混合液汇合成一股进入分离器411中进行汽液分离，分离出来的富氨蒸汽进入透平413膨胀做功，驱动同轴相连的发电机43发电；分离出来的富水溶液进入换热器Ⅳ412放热后与从透平413出来的排汽汇合，形成氨水基本溶液。氨水基本溶液进入冷凝器414冷凝成为液体，然后通过增压泵415升压后进入换热器Ⅰ44吸热，完成整个Kalina循环。内燃机冷却水循环和内燃机润滑油循环分别通过循环泵49和47驱动。

4、水蒸汽循环：图4给出了水蒸汽循环系统的示意图。在此循环中，水从除氧器58出来后分为两股，一股通过循环泵59后进入换热器Ⅳ510吸热，吸热后的流体返回除氧器58；另一股通过增压泵511升压后进入换热器Ⅲ512吸热，然后进入汽包513。汽包513下方出来的未饱和水进入换热器Ⅱ514吸热后再返回到汽包513；汽包513上方产生的水蒸汽全部进入换热器Ⅰ52中继续加热成为过热蒸汽，然后进入汽轮机53中膨胀做功，驱动同轴相连的发电机54发电。汽轮机54的排汽经过冷凝器55冷凝成为液体，然后经过凝结泵56升压后进入预热器57中吸热，再进入除氧器58中，完成整个水蒸气循环。

对于上述现有技术，有机朗肯循环利用内燃机烟气的余热，换热器内换热温差大，导致不可逆损失较大；以水为工质的蒸汽动力循环或者以水为冷源的循环在北方一些缺水地区难以得到应用。

【发明内容】

为了克服上述现有技术的不足，本发明涉及一种基于内燃机余热利用的联合发电系统。系统中内燃机排气通过三个换热器分别给布雷顿循环、有机朗肯循环和预热LNG提供热量，同时布雷顿循环中燃气透平的排气余热也为有机朗肯循环提供热量，这样就对内燃机余热进行了有效的回收，实现了对能源的梯级利用，大大提高了能源利用效率。再者，拥有大量冷能的LNG在作为内燃机燃料进入内燃机之前，作为有机朗肯循环的冷源来冷凝有机工质透平的排气，这样可以使有机工质透平的背压显著降低，增加有机朗肯循环的功率输出，这样也实现了对能源的梯级利用。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于内燃机余热利用的联合发电系统，包括布雷顿循环系统和有机朗肯循环系统，包括：加热器、燃气透平、蒸发器、冷却器、有机工质透平；内燃机废气首先经过加热器，将热量传给布雷顿循环的CO₂，形成高温高压CO₂蒸气驱动燃气透平发电；内燃机废气经过加热器之后再将热量通过蒸发器传给有机朗肯循环中的有机工质，形成高温高压的有机工质蒸气；燃气透平出来的CO₂经过冷却器将热量传给有机朗肯循环中的有机工质，形成高温高压的有机工质蒸气；两股高温高压的有机工质蒸气驱动有机工质透平发电。

作为本发明的优选实施例，所述布雷顿循环系统依次包括压气机、加热器、燃气透平，以及冷却器，从压气机出来的CO₂气体经过加热器加热吸收内燃机排出的高温废气热量后，形成高温高压CO₂气体进入燃气透平做功，从燃气透平出来的CO₂气体经过冷却器冷却后再经过压气机升压后进入加热器；

作为本发明的优选实施例，所述有机朗肯循环系统包括增压泵和所述蒸发器，有机工质经增压泵后分为两股，一股通过蒸发器加热，另外一股通过冷却器加热，两股有机工质经加热后汇合进入到有机工质透平中膨胀做功，有机工质透平出来的有机工质再经过冷凝器进入增压泵；

作为本发明的优选实施例，所述有机朗肯循环采用LNG作为冷源；

作为本发明的优选实施例，所述内燃机采用LNG作为燃料；

作为本发明的优选实施例，所述LNG经过冷凝器和预热器加热后，形成天然气，给内燃机提供气体燃料；

作为本发明的优选实施例，所述LNG经过循环泵进入冷凝器；

作为本发明的优选实施例，所述预热器的输入端与蒸发器的输出端相连，内燃机排出的高温废气依次经过加热器、蒸发器、预热器后排出；

作为本发明的优选实施例，所述有机朗肯循环选用R123、R113、R245fa、或异戊烷作为工质。

与现有技术相比，本发明基于内燃机余热利用的联合发电系统至少具有以下优点：本发明通过从布雷顿循环和有机朗肯循环的有机集成，实现对内燃机排出废气余热的梯级利用，显著提高余热利用效率，本发明中系统工质不涉及到水的使用，适合于干旱缺水地区。

【附图说明】

图1为现有技术中有机朗肯循环的系统示意图。

图2为现有技术中Kalina循环系统的示意图。

图3为Kalina循环-有机朗肯联合循环系统的示意图。

图4为水蒸汽循环系统的示意图。

图5为本发明基于内燃机余热利用的联合发电系统的流程图。

图1中，21为内燃机，22为蒸发器，23为预热器，24为有机透平，25为发电机，26为回热器，27为冷凝器，28为增压泵。

图2中，31为余热锅炉，315为预热器，314为增压泵，313为冷凝器Ⅱ，312为混合器Ⅱ，311为分流器，310为增压泵，39为冷凝器Ⅰ，35为混合器Ⅰ，36为节流阀，37为低温回热器，38为分离器，34为高温回热器，32为透平，33为发电机。

图3中，41为余热锅炉，42为有机透平，43为发电机，413为透平，411为分离器，412为换热器Ⅳ，48为换热器Ⅲ，47和49均为循环泵，44为换热器Ⅰ，45为增压泵，46为换热器Ⅱ，414为冷凝器；415为增压泵。

图4中，51为内燃机，52为换热器Ⅰ，53为汽轮机，54发电机，55为冷凝器，56为凝结泵，57为预热器，58为除氧器，59为循环泵，510为换热器Ⅳ，511为增压泵，512为换热器Ⅲ，513为汽包，514为换热器Ⅱ。

图5中，1为内燃机，2为第一发电机，3为加热器，4为燃气透平，5为第二发电机，6为冷却器，7为压气机，8为有机工质透平，9为第三发电机，10为冷凝器，11为增压泵，12为蒸发器，13为预热器，14为循环泵。

【具体实施方式】

图5是本发明一种基于内燃机余热利用的联合发电系统的流程图。该系统由内燃机1、第一发电机2、加热器3、燃气透平4、第二发电机5、冷却器6、压气机7、有机工质透平8、第三发电机9、冷凝器10、增压泵11、蒸发器12、预热器13组成。该系统由布雷顿循环和有机朗肯循环联合组成，布雷顿循环作为顶循环选用CO₂作为工质，有机朗肯循环作为底循环，可以选用R123、R113、R245fa、异戊烷等作为工质，联合循环发电系统用于实现内燃机余热的梯级回收利用。另外，内燃机采用LNG作为燃料，为了利用LNG的冷能，将LNG作为有机朗肯循环的冷源，这样降低了有机朗肯循环的冷凝压力，提高了有机朗肯循环的功率输出；LNG经过冷凝器和预热器加热后，形成天然气，给内燃机提供气体燃料。

具体实施方案为：内燃机1排出的高温废气依次经过加热器3、蒸发器12、预热器13后排出。在布雷顿循环（顶循环）中，从压气机7出来的CO₂气体经过加热器3加热，吸收内燃机1排出的高温废气热量后，形成高温高压CO₂气体进入燃气透平4做功，驱动同轴相连的第二发电机5发电，从燃气透平4出来的CO₂气体经过冷却器6，将热量传给朗肯循环（底循环）中的有机工质，从冷却器6出来后的经过冷却的CO₂气体再经过压气机7升压后进入加热器3，形成一个完整的布雷顿循环。

在有机朗肯循环（底循环）中，有机工质经过增压泵11增压后分为两股，一股通过蒸发器12加热，吸收从加热器3出来的内燃机废气的热量；另外一股通过冷却器6加热，吸收布雷顿循环（顶循环）中燃气透平4排出的气体的热量。两股有机工质经过加热后成为饱和状态或过热状态蒸汽，经过汇合后进入有机工质透平8膨胀做功，驱动与其同轴连接的第三发电机9发电，有机工质透平8出来的有机工质再经过冷凝器10冷凝成为液态，进入增压泵11，形成一个完整的有机朗肯循环。

内燃机采用LNG作为燃料，LNG经过循环泵14进入冷凝器10释放冷能，将有机工质冷凝成液态，然后经过预热器13进行预热，吸收来自废气中的余热后，形成天然气，进入内燃机1燃烧做功，驱动第一发电机2发电。

该系统既可以提高能源利用效率，又可以利用LNG的富含的大量冷能，实现能量梯级利用。

与现有技术相比，本发明的优点：

（1）通过从布雷顿循环和有机朗肯循环的有机集成，实现对内燃机排出废气余热的梯级利用，显著提高余热利用效率。

（2）LNG冷能得到充分利用。LNG用来作为有机朗肯循环的冷源冷凝有机工质透平的排气，可以使有机工质透平的背压显著降低，增加有机朗肯循环的功率输出。经过在冷凝器和预热器中吸热后的LNG作为燃料进入内燃机燃烧。

（3）本发明中系统工质不涉及到水的使用，适合于干旱缺水地区。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种基于内燃机余热利用的联合发电系统，其特征在于：包括布雷顿循环系统和有机朗肯循环系统，包括：加热器（3）、燃气透平（4）、蒸发器（12）、冷却器（6）、有机工质透平（8）；内燃机废气首先经过加热器（3），将热量传给布雷顿循环的CO₂，形成高温高压CO₂蒸气驱动燃气透平（4）发电；内燃机废气经过加热器之后再将热量通过蒸发器（12）传给有机朗肯循环中的有机工质，形成高温高压的有机工质蒸气；燃气透平（4）出来的CO₂经过冷却器（6）将热量传给有机朗肯循环中的有机工质，形成高温高压的有机工质蒸气；两股高温高压的有机工质蒸气驱动有机工质透平（8）发电。

2.如权利要求1所述的一种基于内燃机余热利用的联合发电系统，其特征在于：所述布雷顿循环系统依次包括压气机（7）、加热器（3）、燃气透平（4），以及冷却器（6），从压气机（7）出来的CO₂气体经过加热器（3）加热吸收内燃机（1）排出的高温废气热量后，形成高温高压CO₂气体进入燃气透平（4）做功，从燃气透平（4）出来的CO₂气体经过冷却器冷却后再经过压气机（7）升压后进入加热器（3）。

3.如权利要求1所述的一种基于内燃机余热利用的联合发电系统，其特征在于：所述有机郎肯循环系统包括增压泵（11）和所述蒸发器（12），有机工质经增压泵（11）后分为两股，一股通过蒸发器（12）加热，另外一股通过冷却器（6）加热，两股有机工质经加热后汇合进入到有机工质透平（8）中膨胀做功，有机工质透平（8）出来的有机工质再经过冷凝器（10）进入增压泵（11）。

4.如权利要求1或3所述的一种基于内燃机余热利用的联合发电系统，其特征在于：所述有机朗肯循环采用LNG作为冷源。

5.如权利要求1所述的一种基于内燃机余热利用的联合发电系统，其特征在于：所述内燃机采用LNG作为燃料。

6.如权利要求3所述的一种基于内燃机余热利用的联合发电系统，其特征在于：所述LNG经过冷凝器（10）和预热器（13）加热后，形成天然气，给内燃机提供气体燃料。

7.如权利要求6所述的一种基于内燃机余热利用的联合发电系统，其特征在于：所述LNG经过循环泵（14）进入冷凝器（10）。

8.如权利要求7所述的一种基于内燃机余热利用的联合发电系统，其特征在于：所述预热器的输入端与蒸发器（12）的输出端相连，内燃机（1）排出的高温废气依次经过加热器（3）、蒸发器（12）、预热器（13）后排出。

9.如权利要求1所述的一种基于内燃机余热利用的联合发电系统，其特征在于：所述有机朗肯循环选用R123、R113、R245fa、或异戊烷作为工质。