[发明专利]应用于发动机余热回收的高参数ORC透平发电设备及ORC装置

说明书

本发明公开了一种应用于发动机余热回收的高参数ORC透平发电设备及ORC装置，包括ORC冷媒循环系统、发动机尾气系统、发电系统、增压空气系统和外部冷却水系统。该装置就是利用发动机高温尾气将热量传递给低温液态的乙醇溶液工质，乙醇溶液工质吸收热量成为过热高温高压蒸汽，驱动膨胀机做功。从膨胀机出来之后的乙醇变为低压汽体，低压汽体再经过冷凝器放出热量变成液体，并由水泵加压到蒸发压力重新输送到蒸发器中，从而完成一个循环。由于采用乙醇作为有机工质，使得在相同循环工质质量下，本发明ORC系统做功能力更强，具有更高的效率，发动机的增压空气系统，满足了发动机燃烧所需要的更多空气，提高了ORC系统的经济效率。

技术领域

本发明涉及了柴油发动机废气回收再利用系统，特别涉及应用于发动机余热回收的高参数ORC透平发电设备及ORC装置。

背景技术

随着能源短缺形势的日益严峻，节能减排已成为时代发展的主题。对于车用发动机，其有效利用的能量仅占总热量的三分之一左右，而大部分主要以尾气排放和散热的形式流失。在研究如何高效地利用发动机废热等各方案里面，ORC循环(有机朗肯循环)以其较高的循环利用效率而受到研究学者的青睐。

浙江银轮机械股份有限公司在申请号为201410163424.X中公开了一种基于ORC系统的柴油发电机废热发电装置，包括ORC冷媒循环系统、发动机缸套水循环系统、发动机尾气系统、增压空气系统和外部冷却水系统。该专利最显著的特征是，在整个发电装置正常运行后，因发动机的水箱和增压中冷器无需工作，可直接切断柴油发电机的对风扇的功率输出，从而实现对外输出的净发电量大幅提升。本专利的另一个显著特点是，利用发动机缸套水为载体充分吸收发动机气缸壁和发动机尾气的热量，避免ORC冷媒与高温废气直接热交换带来冷媒局部高温失效的问题。通过对本系统各个部件有效控制，通过发动机废热回收再利用，提高发动机单位燃油消耗的发电量，缩短发电机的投资回报周期。

普通的朗肯循环广泛应用于汽轮机发电，其采用的工质一般为水蒸气。有机朗肯循环则不同，它针对发动机废热的压力、温度等工作特性，选用有机物作为循环工质，如R123，R245fa，R134a等等。银轮等公司有关车辆/船舶在内交通运输工具的发动机尾气余热利用，采用的方案是把发动机高温烟气(温度350C左右)采用水吸热，生成低参数的热水(如温度100C左右)，再用热水驱动低沸点介质(如R134a、R245fa、烷烃等制冷剂)的ORC，这样的低参数ORC循环效率较低，只有5％左右。

低参数ORC，换热因为多了中间回路，有热水泵循环，经过多个换热器，增加系统功率消耗，对外净输出功减少；系统变得复杂，设备数量增加，成本和重量增加，可靠性降低；低参数换热，对数平均温差小，相同换热量情况下需要的换热面积大，换热器体积和重量增加。

高参数ORC一个核心难点是实现热功转换的透平因为压比大、流量小，设计制造困难。首先，压比大，流量小；其次，系统需要密闭，无工质泄漏，高转速的透平轴封困难；还有，高转速带来转子动力学设计困难，径向/轴向轴承选型困难。

现有的轴流式有机工质发电膨胀机，其内部结构较复杂，效率较低，不能完全隔绝有机工质的泄漏，且现有的轴流式有机工质发电膨胀机多为径向装配，但是径向装配中容易因中分面变形而引起工质泄漏，而且径向装配在上下壳体装配时无法采用密封圈只能在中分面上涂密封胶对有机工质进行密封，这不仅加大了机组的拆装难度，且密封性不是很好。