基于配气活塞式热气机的船舶余热发电装置及其工作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于配气活塞式热气机的船舶余热发电装置及其工作方法，属于节能环保领域。本发明船舶余热发电装置由热源、冷源、配气活塞式热气机发电系统组成。本发明利用船舶主机燃料的二次余热（余热锅炉排热）和发电柴油机组的排热作为热气机的热源，以海水作为冷源驱动热气机运行，带动发电机发电，可避免从船舶主机排气口直接取热而增大内燃机排气阻力、降低主机输出功率的问题；在余热锅炉或发电柴油机组运行障碍时还可直接使用船舶燃料的一次余热作为热源驱动热气机运行。本发明一方面有效地利用了船舶内外的温差能，可减少对船上柴油发电机组的依赖；另一方面由于热气机是不依赖燃烧的闭式循环，因此不会增加任何排放问题。
【专利说明】基于配气活塞式热气机的船舶余热发电装置及其工作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种船舶余热发电装置及其工作方法，尤其涉及一种基于配气活塞式热气机的船舶余热发电装置及其工作方法，其属于节能环保领域。
【背景技术】
[0002]目前，主机余热发电主要有两种形式:一是利用主机烟气排热加热水产生高温高压蒸汽驱动汽轮发电机组。存在系统庞大，管路布置复杂，投资较高，对排热温度要求高等缺点，且从主机尾气取热会增大排气阻力，降低主机的有效输出功率。二是利用温差发电原理的温差电池板，高温烟气和循环冷却水分别流经高低温侧，在电池板两侧形成电势差。存在低温侧所需面积大，循环冷却水功耗较高，且发电功率比较小的缺点。由于目前船舶主机烟气经余热锅炉回收后的排气温度仍可达200°C，船上发电柴油机排热可达400°C左右，而其水舱及周围海水的温度只有20摄氏度甚至更低，这样就构成了一个巨大的温差能体系。若能充分利用这部分能量来发电，一方面可减少对船上柴油发电机组的依赖，避免从主机排气取热而影响主机功率；另一方面由于斯特林循环是不依赖燃烧的闭式循环，不会增加任何排放问题，可满足日益严格的海洋环保法规的要求。
[0003]热气机有三种结构形式，分别是双动力活塞式(α型)，配气活塞式(β或者Y型)，其中双动力活塞式热气机的动力活塞和配气活塞分列于两个气缸，而配气活塞式热气机动力活塞和配气活塞处于同一气缸。对于上述温度范围(200-400°C)的中温废热，适合采用配气活塞式热气机，要求配气活塞缸径大，冲程短，扫气容积比较大，转速较低。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种基于配气活塞式热气机的船舶余热发电装置及其工作方法，该装置可以将温差能转化为机械功，再转化成高品位的电能，热源主要来自船舶余热锅炉的排气和船上发电柴油机的排热；冷源来自天然海水；该装置可减少对柴油发电机组的依赖，避免从主机排气取热所造成的对主机功率的影响。当余热锅炉或发电柴油机发生故障时，也可以将主机一次烟气作为备用高温热源继续工作。本发明实现了结构紧凑、经济性好、使用方便的余热发电，有利于节能减排、低碳环保。
[0005]本发明采用如下技术方案:一种基于配气活塞式热气机的船舶余热发电装置，其特征在于:所述基于配气活塞式热气机的船舶余热发电装置由热源，冷源，配气活塞式热气机发电系统组成；
所述热源由主机燃烧室、一次烟气输出管、余热锅炉、二次烟气输出管、单向阀、第二输海水管、海水淡化装置、淡水管、热淡水/蒸汽管、发电柴油机燃烧室、发电柴油机排烟管组成，其中所述主机燃烧室烟气出口与一次烟气输出管的进口连接，一次烟气输出管的第一出口与余热锅炉的热流体进口连接，余热锅炉的热流体出口与二次烟气输出管的进口连接，第二输海水管的出口与海水淡化装置的进口连接，海水淡化装置的出口与淡水管的进口连接，淡水管的出口与余热锅炉的冷流体进口连接，余热锅炉的冷流体出口与热淡水/蒸汽管的进口连接，发电柴油机燃烧室的烟气出口与发电柴油机排烟管的进口连接，发电柴油机排烟管的出口与二次烟气输出管的进口连接，一次烟气输出管的第二出口与单向阀的进口连接，单向阀的出口与二次烟气输出管的进口连接；
所述冷源由冷水源组成，其中，冷水源为船舱外海水，冷水源的第二出口与所述热源的第二输海水管的进口连接；
所述配气活塞式热气机发电系统由余热回收装置、加热器、回热器、冷却器、配气活塞、动力活塞、摆盘机构、联轴节、发电机、第一输海水管、第一海水管、换热器、第二海水管、三次烟气输出管、排烟管组成，所述加热器安装于余热回收装置内，所述余热回收装置外敷用以减少热量散失的保温层，所述加热器与回热器的第一端连接，回热器的第二端与冷却器连接，配气活塞与动力活塞分别通过连通管同时连接于所述摆盘机构上，所述摆盘机构通过联轴节与发电机连接，余热回收装置的烟气进口与所述热源的二次烟气输出管的出口连接，余热回收装置的烟气出口与三次烟气输出管的进口连接，三次烟气输出管的出口与换热器的热流体进口连接，换热器的热流体出口与排烟管连接，第一输海水管的进口与所述冷源的冷水源的第一出口连接，第一输海水管的出口与冷却器的进口连接，冷却器的出口与换热器的冷流体进口经第一海水管连接，换热器的冷流体出口与所述热源的海水淡化装置的进口经第二海水管连接。
[0006]本发明还采用如下技术方案:一种基于配气活塞式热气机的船舶余热发电装置的工作方法，其包括如下步骤:
步骤一:热源中主机燃烧室燃烧后的烟气经一次烟气输出管进入余热锅炉，余热锅炉的排烟和发电柴油机燃烧室排出的烟气同时经二次烟气输出管送至余热回收装置，在所述余热锅炉或发电柴油机组运行故障时打开单向阀把主机燃烧室的烟气直接经二次烟气输出管输入余热回收装置中；
步骤二:内置于余热回收装置中的热气机加热器内的工质受热膨胀后依次流过回热器和冷却器，所述冷水源的海水经第一输海水管输入冷却器，所述海水流经的管道进行防腐蚀处理，所述冷却器内工质被冷却，所述冷却器内工质的膨胀和压缩带动配气活塞和动力活塞往复运动，所述配气活塞和动力活塞同时连接在摆盘机构上，所述摆盘机构将活塞的往复运动转化为旋转运动，通过联轴节带动发电机发电；
步骤三:被冷却器内工质加热的海水和从余热回收装置排出的三次烟气在换热器内换热，烟气被进一步冷却后由排烟管排出，而海水则被再次加热经第二海水管进入海水淡化装置，海水淡化后经淡水管送至余热锅炉内进行加热，得到热淡水/蒸汽，供船舶生产生活使用。
[0007]本发明具有如下有益效果:
(1)用船舶主机的二次余热、柴油发电机组的排气作为配气活塞式热气机的热源，船舶主机的一次排气作为备用热源，船外海水作为冷源。热气机将热能转化为机械能，继而带动发电机发电，实现由低品位余热向高品位电能的转化；
(2)利用船舶主机燃料的二次烟气(余热锅炉排烟)和发电柴油机排烟作为热气机的热源，避免了传统的由主机排烟直接取热而造成主机有效功率下降的问题；
(3)有效地利用了船舶内外的温差能，实现了能源由低品位热能向高品位电能的转化，可减少对船上柴油发电机组的依赖，减少柴油机污染； (4)通过相关换热器和流程设置，可在一定程度上减少海水淡化的能耗；
(5)由于热气机是不依赖燃烧的闭式循环(斯特林循环)，因此不会增加任何排放问题，可满足日益严格的海洋环保法规的要求；
(6)本发明实现了结构紧凑、经济性好、使用方便的船舶余热发电，有利于节能减排、低碳环保。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为本发明基于配气活塞式热气机的船舶余热发电装置的结构示意图。
[0009]其中:A-热源；B-冷源；C_配气活塞式热气机发电系统；1_主机燃烧室；2_ —次烟气输出管；3_热淡水/蒸汽管；4_余热锅炉；5_单向阀；6_淡水管；7_发电柴油机燃烧室；8_发电柴油机排烟管；9_ 二次烟气输出管；10_海水淡化装置；11_三次烟气输出管；12-第二海水管；13_换热器；14_第二输海水管；15_冷水源；16_排烟管；17_第一海水管；18-第一输海水管；19-发电机；20_联轴节；21_摆盘机构；22_动力活塞；23_冷却器；24-回热器；25_加热器；26_配气活塞；27_余热回收装置；a_—次烟气输出管的第一出口 ；b_—次烟气输出管的第二出口 ；d-回热器的第一端；e-回热器的第二端；m-冷水源的第一出口 ；g_冷水源的第二出口。
【具体实施方式】
[0010]请参照图1所示，本发明基于配气活塞式热气机的船舶余热发电装置由热源A，冷源B及配气活塞式热气机发电系统C组成。上述热源A由主机燃烧室1、一次烟气输出管2、余热锅炉4、二次烟气输出管9、单向阀5、第二输海水管14、海水淡化装置10、淡水管6、热淡水/蒸汽管3、发电柴油机燃烧室7、发电柴油机排烟管8组成；其中主机燃烧室I烟气出口与一次烟气输出管2的进口连接，一次烟气输出管的第一出口 a与余热锅炉4的热流体进口连接，余热锅炉4的热流体出口与二次烟气输出管9的进口连接，第二输海水管14的出口与海水淡化装置10的进口连接，海水淡化装置10的出口与淡水管6的进口连接，淡水管6的出口与余热锅炉4的冷流体进口连接，余热锅炉4的冷流体出口与热淡水/蒸汽管3的进口连接，发电柴油机燃烧室7的烟气出口与发电柴油机排烟管8的进口连接，发电柴油机排烟管8的出口与二次烟气输出管9的进口连接，一次烟气输出管的第二出口 b与单向阀5的进口连接，单向阀5的出口与二次烟气输出管9的进口连接。
[0011]上述冷源B由冷水源15组成，其中，冷水源15即船舱外海水，冷水源的第二出口g与上述热源A的第二输海水管14的进口连接。
[0012]上述配气活塞式热气机发电系统C(以β型热气机为例，基本思想也适用于Y型和自由活塞式热气机)由余热回收装置27、加热器25、回热器24、冷却器23、配气活塞26、动力活塞22、摆盘机构21、联轴节20、发电机19、第一输海水管18、第一海水管17、换热器13、第二海水管12、三次烟气输出管11、排烟管16组成；其中加热器25安装于余热回收装置27内，余热回收装置27外敷保温层，加热器25与回热器的第一端d连接，回热器的第二端e与冷却器23连接，配气活塞26与动力活塞22分别通过连通管同时连接于上述摆盘机构21上，摆盘机构21通过联轴节20与发电机19连接，余热回收装置27的烟气进口与上述热源A的二次烟气输出管9的出口连接，余热回收装置27的烟气出口与三次烟气输出管11的进口连接，三次烟气输出管11的出口与换热器13的热流体进口连接，换热器13的热流体出口与排烟管16连接，第一输海水管18的进口与上述冷源B的冷水源的第一出口 m连接，第一输海水管18的出口与冷却器23的进口连接，冷却器23的出口与换热器13的冷流体进口经第一海水管17连接，换热器13的冷流体出口与上述热源A的海水淡化装置10的进口经第二海水管12连接。
[0013]请参照图1所示，本发明基于配气活塞式热气机的船舶余热发电装置的工作方法包括如下过程:
步骤一:船舶主机燃烧室I燃烧后的烟气经一次烟气输出管2进入余热锅炉4，余热锅炉4的排烟(二次烟气)和发电柴油机燃烧室7排出的烟气同时经二次烟气输出管9送至余热回收装置27，在余热锅炉4或发电柴油机组运行故障时可打开单向阀5把主机燃烧室I的烟气直接经二次烟气输出管9输入余热回收装置27中；
步骤二:余热回收装置27外敷保温层以减少热量散失，内置于余热回收装置27中的热气机加热器25内的工质(如氢气、氦气、氮气、空气等)受热膨胀后依次流过回热器24和冷却器23，冷水源15的海水经第一输海水管18输入冷却器23，海水流经的管道应进行防腐蚀处理，冷却器23内工质被冷却，工质的膨胀和压缩带动配气活塞26和动力活塞22往复运动，配气活塞26和动力活塞22同时连接在摆盘机构21上，摆盘机构21将活塞的往复运动转化为旋转运动，通过联轴节20带动发电机19发电；
步骤三:被冷却器23内工质加热的海水和从余热回收装置27排出的三次烟气在换热器13内换热，烟气被进一步冷却后由排烟管16排出，而海水则被再次加热经第二海水管12进入海水淡化装置10，海水淡化后经淡水管6送至余热锅炉4内进行加热，得到热淡水/蒸汽，供船舶生产生活使用。
[0014]前述工作方法中热源A中主机燃烧室I排出的高温烟气经过一次烟气输出管的第一出口 a送至余热锅炉4内与淡水管6送进来的淡水进行换热，换热后被加热的淡水经热淡水/蒸汽管3输出，供船舶上生活使用。
[0015]余热锅炉4排出的二次烟气与发电柴油机排烟管8输出的烟气经二次烟气输出管9送至余热回收装置27内，余热回收装置27外敷保温层以减少热量散失，余热回收装置27内的热烟气为配气活塞式热气机发电系统C的加热器25提供热源；同时，在余热锅炉4或发电柴油机组运行出现故障时，可打开单向阀5把主机燃烧室I排出的高温烟气由一次烟气输出管的第二出口 b直接经二次烟气输出管9送至余热回收装置27内，供配气活塞式热气机发电系统C使用。
[0016]配气活塞式热气机发电系统C利用热源A回收的余热为加热器25提供热源，利用冷源B提供的冷海水作为冷源驱动热气机运行，从而带动发电机19发电，与冷海水接触的换热器管路需进行防腐蚀处理。此外，流经热气机冷却器23的海水进入换热器13继续吸收来自余热回收装置27的三次排烟的热量而继续升温，随后进入海水淡化装置10，可在一定程度上减少海水淡化的能耗。淡水经余热锅炉4，吸收主机燃烧室I的一次排烟的热量变成热水或蒸汽，供全船使用。
[0017]本发明基于配气活塞式热气机的船舶余热发电装置包括三个部分:热源A，冷源B,热气机发电系统C。热源主要来自船舶主机燃料的二次烟气和发电柴油机排烟(主机一次烟气作为备用热源);冷源来自船外的天然海水；热气机为配气活塞式，适用于200-400°C的中温废热回收发电。
[0018]本发明基于配气活塞式热气机的船舶余热发电装置的原理:目前船舶主机烟气经余热锅炉回收后的排气温度仍可达200°C，船上发电柴油机排热可达400°C左右，而其水舱及周围海水的温度只有20摄氏度甚至更低，这样就构成了一个巨大的温差能体系。热气机有三种结构形式，分别是双动力活塞式(α型)，配气活塞式(β或者Y型)。对于上述温度范围(200-400 V )的中温废热，适合采用配气活塞式热气机。来自船舶主机燃料的二次烟气和发电柴油机排烟进入余热回收装置作为热气机发电系统的热源，来自船舶主机燃料的一次排烟作为备用热源，为置于余热回收装置中的热气机加热器提供热量，加热器内工质(如氢气、氦气、氮气、空气等)受热膨胀做功；热气机的冷端由船外的天然海水经过冷却器进行冷却。这样，热气机可持续输出机械功，从而带动发电机发电。此外，流经热气机冷却器的海水进入换热器继续吸收来自余热回收装置的三次排烟的热量而继续升温，随后进入海水淡化装置，可在一定程度上减少海水淡化装置的能耗。淡水经余热锅炉，吸收主机一次排烟的热量变成热水或蒸汽，供全船使用。
[0019]本发明基于配气活塞式热气机的船舶余热发电装置一方面有效地利用了船舶内外的温差能，可减少对船上柴油发电机组的依赖；另一方面由于热气机是不依赖燃烧的闭式循环(斯特林循环)，因此不会增加任何排放问题。同时本发明基于配气活塞式热气机的船舶余热发电装置实现了结构紧凑、经济性好、使用方便的船用余热发电，有利于节能减排、低碳环保。
[0020]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于配气活塞式热气机的船舶余热发电装置，其特征在于:所述基于配气活塞式热气机的船舶余热发电装置由热源(A)，冷源(B)，配气活塞式热气机发电系统(C)组成； 所述热源(A)由主机燃烧室(I)、一次烟气输出管(2)、余热锅炉(4)、二次烟气输出管(9 )、单向阀(5 )、第二输海水管(14)、海水淡化装置(10 )、淡水管(6 )、热淡水/蒸汽管(3 )、发电柴油机燃烧室(7)、发电柴油机排烟管(8)组成，其中所述主机燃烧室(I)烟气出口与一次烟气输出管(2)的进口连接，一次烟气输出管的第一出口(a)与余热锅炉(4)的热流体进口连接，余热锅炉(4)的热流体出口与二次烟气输出管(9)的进口连接，第二输海水管(14)的出口与海水淡化装置(10)的进口连接，海水淡化装置(10)的出口与淡水管(6)的进口连接，淡水管(6 )的出口与余热锅炉(4)的冷流体进口连接，余热锅炉(4)的冷流体出口与热淡水/蒸汽管(3)的进口连接，发电柴油机燃烧室(7)的烟气出口与发电柴油机排烟管(8)的进口连接，发电柴油机排烟管(8)的出口与二次烟气输出管(9)的进口连接，一次烟气输出管的第二出口(b)与单向阀(5)的进口连接，单向阀(5)的出口与二次烟气输出管(9)的进口连接； 所述冷源(B)由冷水源(15)组成，其中，冷水源(15)为船舱外海水，冷水源的第二出口(g)与所述热源(A)的第二输海水管(14)的进口连接； 所述配气活塞式热气机发电系统(C)由余热回收装置(27)、加热器(25)、回热器(24)、冷却器(23)、配气活塞(26)、动力活塞(22)、摆盘机构(21)、联轴节(20)、发电机(19)、第一输海水管(18)、第一海水管(17)、换热器(13)、第二海水管(12)、三次烟气输出管(11)、排烟管(16)组成，所述加热器(25)安装于余热回收装置(27)内，所述余热回收装置(27)外敷用以减少热量散失的保温层，所述加热器(25)与回热器的第一端(d)连接，回热器的第二端(e)与冷却器(23)连接，配气活塞(26)与动力活塞(22)分别通过连通管同时连接于所述摆盘机构(21)上，所述摆盘机构(21)通过联轴节(20)与发电机(19)连接，余热回收装置(27)的烟气进口与所述热源(A)的二次烟气输出管(9)的出口连接，余热回收装置(27)的烟气出口与三次烟气输出管(11)的进口连接，三次烟气输出管(11)的出口与换热器(13)的热流体进口连接，换热器(13)的热流体出口与排烟管(16)连接，第一输海水管(18)的进口与所述冷源(B)的冷水源的第一出口(m)连接，第一输海水管(18)的出口与冷却器(23)的进口连接，冷却器(23)的出口与换热器(13)的冷流体进口经第一海水管(17)连接，换热器(13)的冷流体出口与所述热源(A)的海水淡化装置(10)的进口经第二海水管(12)连接。
2.如权利要求1所述的基于配气活塞式热气机的船舶余热发电装置的工作方法，其包括如下步骤: 步骤一:热源(A)中主机燃烧室(I)燃烧后的烟气经一次烟气输出管(2)进入余热锅炉(4)，余热锅炉(4)的排烟和发电柴油机燃烧室(7)排出的烟气同时经二次烟气输出管(9)送至余热回收装置(27)，在所述余热锅炉(4)或发电柴油机组运行故障时打开单向阀(5)把主机燃烧室(I)的烟气直接经二次烟气输出管(9)输入余热回收装置(27)中； 步骤二:内置于余热回收装置(27)中的热气机加热器(25)内的工质受热膨胀后依次流过回热器(24)和冷却器(23)，所述冷水源(15)的海水经第一输海水管(18)输入冷却器(23)，所述海水流经的管道进行防腐蚀处理，所述冷却器(23)内工质被冷却，所述冷却器(23)内工质的膨胀和压缩带动配气活塞(26)和动力活塞(22)往复运动，所述配气活塞(26)和动力活塞(22)同时连接在摆盘机构(21)上，所述摆盘机构(21)将活塞的往复运动转化为旋转运动，通过联轴节(20)带动发电机(19)发电； 步骤三:被冷却器(23)内工质加热的海水和从余热回收装置(27)排出的三次烟气在换热器(13)内换热，烟气被进一步冷却后由排烟管(16)排出，而海水则被再次加热经第二海水管(12 )进入海水淡化装置(10 )，海水淡化后经淡水管(6 )送至余热锅炉(4 )内进行加热，得到热淡水/蒸汽，供船舶生产生活使用。
【文档编号】F01K27/02GK103541782SQ201310474694
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月12日 优先权日:2013年10月12日
【发明者】鹿鹏, 张桂臣, 车驰东, 姜瑞雪 申请人:南京航空航天大学