申请/专利权人：哈尔滨工程大学

申请日：2019-05-13

公开（公告）日：2021-01-05

公开（公告）号：CN110107384B

主分类号：F01N5/02(20060101)

分类号：F01N5/02(20060101);F01N13/08(20100101);F02B37/00(20060101);F02M26/09(20160101);F02M26/16(20160101);F01K25/10(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.01.05#授权;2019.09.03#实质审查的生效;2019.08.09#公开

摘要：本发明的目的在于提供一种基于低速机排气能量分级分离输出的能量回收利用系统，包括气缸、高温排气总管、低温排气总管、高温余热利用系统、低温余热利用系统，每个气缸的排气阀后均安装一个排气分级分离阀，每个排气分级分离阀均连接其对应气缸的高温排气歧管和低温排气歧管，所有的高温排气歧管均连通高温排气总管，所有的低温排气歧管均连通低温排气总管，高温排气总管的出口连接增压器涡轮进口，增压器涡轮出口连接高温余热利用系统，低温排气总管的出口分别连接废气再循环控制阀和低温排气出口管，低温排气出口管连接低温余热利用系统。本发明解决了不同废弃余热回收利用负载对于不同排气温度需求的矛盾，同时可以提高废气能量回收利用效率。

主权项：1.一种基于低速机排气能量分级分离输出的能量回收利用系统，其特征是：包括气缸、高温排气总管、低温排气总管、高温余热利用系统、低温余热利用系统，每个气缸的排气阀后均安装一个排气分级分离阀，每个排气分级分离阀均连接其对应气缸的高温排气歧管和低温排气歧管，所有的高温排气歧管均连通高温排气总管，所有的低温排气歧管均连通低温排气总管，高温排气总管的出口连接增压器涡轮进口，增压器涡轮出口连接高温余热利用系统，低温排气总管的出口分别连接废气再循环控制阀和低温排气出口管，低温排气出口管连接低温余热利用系统；所述高温余热利用系统包括高温余热锅炉、蒸汽涡轮、第一发电机、第一冷凝器、第一回流泵，高温余热锅炉的锅炉工质依次流经蒸汽涡轮、第一冷凝器、第一回流泵流回高温余热锅炉，蒸汽涡轮连接第一发电机，增压器涡轮的出口连通高温余热锅炉的排气进口，并通过高温余热锅炉的排气出口连通低温排气出口管；所述低温余热利用系统包括低温余热换热器、动力涡轮、第二发电机、第二冷凝器、第二回流泵，低温余热换热器的换热器工质依次流经动力涡轮、第二冷凝器、第二回流泵流回低温余热换热器，动力涡轮连接第二发电机，低温排气出口管连通低温余热换热器的排气进口，并通过低温余热换热器的排气出口连通大气。

全文数据：一种基于低速机排气能量分级分离输出的能量回收利用系统技术领域本发明涉及的是一种柴油机，具体地说是柴油机能量回收利用系统。背景技术随着人们对于环境保护愈加重视，世界各大环保组织相继出台了相关的排放法规，督促各行业进行节能减排，特别是对于船舶行业。目前，有两条技术途径可以实现排放的降低，一是优化船型降低阻力，二是提高动力系统的效率。为此，合理利用动力系统能量，高效回收余热，减少船舶燃料当量消耗量来降低碳排量，对我国船舶行业及航运业节能减排意义巨大。柴油机作为船舶的主要动力，其热效率已接近50％，但仍有50％的能量被废气、冷却介质带走。如果能够充分利用这部分余热，可以明显提高主机热效率。采用余热利用系统可以使整个动力装置的能量利用效率从49.3％提高到54.8％，因此，研究设计高效的主机余热利用系统是提高船舶动力系统效率的主要手段之一。发明内容本发明的目的在于提供能够输出不同品质能量的一种基于低速机排气能量分级分离输出的能量回收利用系统。本发明的目的是这样实现的：本发明一种基于低速机排气能量分级分离输出的能量回收利用系统，其特征是：包括气缸、高温排气总管、低温排气总管、高温余热利用系统、低温余热利用系统，每个气缸的排气阀后均安装一个排气分级分离阀，每个排气分级分离阀均连接其对应气缸的高温排气歧管和低温排气歧管，所有的高温排气歧管均连通高温排气总管，所有的低温排气歧管均连通低温排气总管，高温排气总管的出口连接增压器涡轮进口，增压器涡轮出口连接高温余热利用系统，低温排气总管的出口分别连接废气再循环控制阀和低温排气出口管，低温排气出口管连接低温余热利用系统。本发明还可以包括：1、所述高温余热利用系统包括高温余热锅炉、蒸汽涡轮、第一发电机、第一冷凝器、第一回流泵，高温余热锅炉的锅炉工质依次流经蒸汽涡轮、第一冷凝器、第一回流泵流回高温余热锅炉，蒸汽涡轮连接第一发电机，增压器涡轮的出口连通高温余热锅炉的排气进口，并通过高温余热锅炉的排气出口连通低温排气出口管。2、所述低温余热利用系统包括低温余热换热器、动力涡轮、第二发电机、第二冷凝器、第二回流泵，低温余热换热器的换热器工质依次流经动力涡轮、第二冷凝器、第二回流泵流回低温余热换热器，动力涡轮连接第二发电机，低温排气出口管连通低温余热换热器的排气进口，并通过低温余热换热器的排气出口连通大气。3、排气分级分离电控单元连接并控制排气分级分离阀在预定的气阀相位引导废气进入高温排气歧管或低温排气歧管。4、废气再循环控制阀后方连接增压器压气机进气口，废气再循环电控单元连接并控制废气再循环控制阀的开闭。本发明的优势在于：1、本发明所设计低速机排气能量回收利用系统能实现排气能量的分级分离，将排气分为高温高压与低温低压两种不同品位的排气。2、本发明设计的排气能量分级分离利用系统，高温排气供给涡轮增压器与蒸汽涡轮发电等需求高品位热源的装置，可以提高涡轮机功率以及蒸汽涡轮发电的效率。3、本发明设计的排气能量分级分离利用系统，所输出的低温排气使得废气再循环可以不使用冷却器进行中间冷却，特别是在应用低硫油或气体燃料发动机的情况下可以省去废气洗涤、过滤等装置，简化了系统结构、提高系统效率并降低运行成本。4、本发明在能量回收利用系统末端使用有机朗肯循环作为低温余热利用系统可充分利用低品位的废气能量，实现能量利用的最大化。附图说明图1为本发明的结构示意图。具体实施方式下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：结合图1，本发明涉及的低速机排气能量分级分离回收利用系统主要包括：排气分级分离阀2、低温排气集气箱1、高温排气集气箱5、低温排气歧管3、高温排气歧管6、低温排气总管7、高温排气总管8、排气分级分离电控单元4、废气再循环控制阀9、废气再循环电控单元10、增压器压气机11、增压器涡轮12、高温余热利用系统23、低温余热利用系统24。本发明设计的排气分级分离阀2，位于内燃机排气阀后，受排气分级分离电控单元4控制。能在特定的排气阀相位改变废气流向，并引导废气流入低温排气集气箱1或高温排气集气箱5。上述排气分级分离阀2、低温排气集气箱1和高温排气集气箱5构成初级排气分级分离系统，内燃机的每个气缸都配备一套该初级排气分级分离系统。各低温排气集气箱分别通过低温排气歧管与低温排气总管7相连接；同理，各高温排气集气箱通过高温排气歧管与高温排气总管8相连接。包括排气分级分离阀、高低温排气集气箱及其排气歧管、排气总管、排气分级分离阀电控单元在内的各部件构成完整的排气分级分离输出系统。高温排气总管8与增压器涡轮12相连接，用于驱动废气涡轮。增压器涡轮出口与高温余热利用系统23连接，其主要包括：高温余热锅炉13、蒸汽涡轮14、发电机15、冷凝器16、回流泵17。高温余热利用系统出口经旁通管道与低温排气总管7相连后，共同连接至低温余热利用系统24，该系统配备低温余热换热器22、动力涡轮19、发电机18、冷凝器20、回流泵21。废气再循环控制阀9一端与低温排气总管7连接，另一端与增压器压气机11进口连接。本发明设计的一种基于低速机排气能量分级分离输出的能量回收利用系统，在每一个气缸的排气阀开启后排气分级分离阀2在排气分级分离电控单元4的控制下按照预定的气阀相位引导废气进入高温或低温排气集气箱，排气初始阶段温度及压力都比较高，此时，废气经排气分级分离阀2进入高温排气集气箱5；排气过程后半阶段，此时流出排气阀的排气温度以及压力都比较低，废气经排气分级分离阀2进入低温排气集气箱1。高温排气经高温排气总管8进入增压器涡轮12，推动增压器涡轮12高速转动，并带动增压器压气机11压缩空气，提高气体压力。增压后的气体通过进气歧管在各个气缸进气阀的控制下进入各个气缸。基于能量分级分离输出而产生的高温排气相比传低速机的排气，具有更高的能量密度，可以给增压器提供更多的功率，进而实现更高的增压压力，间接提高低速机效率。增压器涡轮12的出口废气经废气管路进入高温余热利用系统23，高温废气在高温余热锅炉13处与锅炉工质进行换热，并使工质汽化为高温蒸汽，高温蒸汽经过蒸汽管路进入蒸汽涡轮14，推动蒸汽涡轮转动并带动发电机15发电，蒸汽涡轮14出口的工质经过冷凝器16冷却并完全液化，之后在回流泵17的输送下重新回到高温余热锅炉13。高品位的废气可以进一步提高高温余热利用系统的效率。本发明设计的排气能量分级分离输出系统，提供的低温排气温度远低于传统排气方式的排气温度，为此，废气再循环系统中可以不使用中间冷却器对废气进行冷却，特别是使用低硫油或气体发动机的动力系统，使用低温排气可以仅通过废气再循环控制阀就能实现废气再循环。废气再循环控制阀为受控旁通阀，在废气再循环电控单元10的控制下可以调节低速机的废气再循环率，使部分废气重新经过增压回到气缸，但大部分的低温废气会直接与高温余热利用系统的出口废气混合，形成新的低温废气。由于高温余热利用系统出口处的废气参数与低温废气参数相近，因此直接混合不会降低低温废气品质，反而可以提高低温废气的质量流量。低温废气最后会进入低温余热利用系统24，低温余热利用系统与高温余热利用系统最大的区别在于工质不同，使用有机物作为工质的有机朗肯循环，可以利用低品位的低温排气作为热源，从而提高系统整体的能量利用率。

权利要求：1.一种基于低速机排气能量分级分离输出的能量回收利用系统，其特征是：包括气缸、高温排气总管、低温排气总管、高温余热利用系统、低温余热利用系统，每个气缸的排气阀后均安装一个排气分级分离阀，每个排气分级分离阀均连接其对应气缸的高温排气歧管和低温排气歧管，所有的高温排气歧管均连通高温排气总管，所有的低温排气歧管均连通低温排气总管，高温排气总管的出口连接增压器涡轮进口，增压器涡轮出口连接高温余热利用系统，低温排气总管的出口分别连接废气再循环控制阀和低温排气出口管，低温排气出口管连接低温余热利用系统。2.根据权利要求1所述的一种基于低速机排气能量分级分离输出的能量回收利用系统，其特征是：所述高温余热利用系统包括高温余热锅炉、蒸汽涡轮、第一发电机、第一冷凝器、第一回流泵，高温余热锅炉的锅炉工质依次流经蒸汽涡轮、第一冷凝器、第一回流泵流回高温余热锅炉，蒸汽涡轮连接第一发电机，增压器涡轮的出口连通高温余热锅炉的排气进口，并通过高温余热锅炉的排气出口连通低温排气出口管。3.根据权利要求1或2所述的一种基于低速机排气能量分级分离输出的能量回收利用系统，其特征是：所述低温余热利用系统包括低温余热换热器、动力涡轮、第二发电机、第二冷凝器、第二回流泵，低温余热换热器的换热器工质依次流经动力涡轮、第二冷凝器、第二回流泵流回低温余热换热器，动力涡轮连接第二发电机，低温排气出口管连通低温余热换热器的排气进口，并通过低温余热换热器的排气出口连通大气。4.根据权利要求1或2所述的一种基于低速机排气能量分级分离输出的能量回收利用系统，其特征是：排气分级分离电控单元连接并控制排气分级分离阀在预定的气阀相位引导废气进入高温排气歧管或低温排气歧管。5.根据权利要求3所述的一种基于低速机排气能量分级分离输出的能量回收利用系统，其特征是：排气分级分离电控单元连接并控制排气分级分离阀在预定的气阀相位引导废气进入高温排气歧管或低温排气歧管。6.根据权利要求1或2所述的一种基于低速机排气能量分级分离输出的能量回收利用系统，其特征是：废气再循环控制阀后方连接增压器压气机进气口，废气再循环电控单元连接并控制废气再循环控制阀的开闭。7.根据权利要求3所述的一种基于低速机排气能量分级分离输出的能量回收利用系统，其特征是：废气再循环控制阀后方连接增压器压气机进气口，废气再循环电控单元连接并控制废气再循环控制阀的开闭。8.根据权利要求4所述的一种基于低速机排气能量分级分离输出的能量回收利用系统，其特征是：废气再循环控制阀后方连接增压器压气机进气口，废气再循环电控单元连接并控制废气再循环控制阀的开闭。9.根据权利要求5所述的一种基于低速机排气能量分级分离输出的能量回收利用系统，其特征是：废气再循环控制阀后方连接增压器压气机进气口，废气再循环电控单元连接并控制废气再循环控制阀的开闭。

百度查询： 哈尔滨工程大学 一种基于低速机排气能量分级分离输出的能量回收利用系统

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