内燃机余热回收系统及方法

1.本发明涉及内燃机效能利用技术领域，特别涉及一种内燃机余热回收系统及方法。


背景技术：

2.近年来各个行业的节能提效备受关注。其中，内燃机节能减排技术是一个重要的方面。我国石油产品中约60％为内燃机燃料，而一般的内燃机中，燃料燃烧后仅有30％-40％的热量转化为机械功得以利用，其余30％-40％的热量随内燃机排气直接排放到环境中，20％-30％的热量被缸套冷却水吸收后散失到环境中。因此，对于该两部分热量的有效回收利用，一方面可以提高燃料燃烧的能源利用效率，提升内燃机功率及运行效率，另一方面可有效减少高温尾气的排放，实现节能减排的目的。
3.按照底循环工质选取，典型内燃机余热回收动力循环系统包括蒸汽朗肯循环、有机朗肯循环、卡琳娜循环、co2动力循环等。其中，有机朗肯循环作为近年来备受关注的中低温热源回收技术，具有余热回收效率高，结构简单，方便维护等优点，已然成为内燃机余热回收的研究重点。但考虑内燃机运转工况具有较大波动性，目前的集成系统应用情况较为单一，无法适应内燃机的多种运转工况，存在运行性能低，整体利用效能较低的问题。


技术实现要素：

4.针对上述技术问题，本发明提供一种内燃机余热回收系统及方法，系统能够根据内燃机的运转工况进行适应性调节，具有运行性能较高，整体利用效能较高的优点。
5.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
6.一种内燃机余热回收系统，包括内燃机以及朗肯循环；
7.所述朗肯循环包括换热器以及工质泵，所述工质泵驱动介质进入所述换热器并进行循环；
8.所述内燃机配置有排气涡轮，所述排气涡轮与所述换热器气路连接；
9.所述排气涡轮与所述工质泵之间设置有第一传动部件，所述排气涡轮通过所述第一传动部件与所述工质泵传动连接，所述第一传动部件包括第一离合器，所述第一离合器切换所述第一传动部件的传动状态或脱离状态。
10.在一个实施例中，所述内燃机还配置有缸套冷却水循环管路；
11.所述朗肯循环还包括预热器，所述预热器的热媒管路与所述缸套冷却水循环管路连接，所述预热器的冷媒管路与所述朗肯循环管路连接，所述工质泵驱动所述介质经所述预热器预热后进入所述换热器。
12.在一个实施例中，所述朗肯循环还包括膨胀机以及冷凝器；
13.所述工质泵驱动介质依序经所述预热器、所述换热器、所述膨胀机以及所述冷凝器进行循环。
14.在一个实施例中，所述膨胀机的输出部件传动连接有发电机。
15.在一个实施例中，所述排气涡轮还设置有第二传动部件，所述排气涡轮通过第二传动部件与所述膨胀机传动连接；
16.所述第二传动部件包括第二离合器，所述第二离合器切换所述第二传动部件的传动状态或脱离状态。
17.在一个实施例中，所述内燃机还配置有进气涡轮；
18.所述排气涡轮还设置有第三传动部件，所述排气涡轮通过第三传动部件与所述进气涡轮传动连接。
19.在一个实施例中，所述第三传动部件包括第三离合器，所述第三离合器切换所述第三传动部件的传动状态或脱离状态。
20.在一个实施例中，所述介质为水或有机工质或非共沸工质或co2。
21.本发明还提供了一种内燃机余热回收系统的工作方法，包括：
22.内燃机处于启动、停机或故障工况时，第一离合器切换第一传动部件至脱离状态，排气涡轮与工质泵断开传动连接，排气涡轮与朗肯循环均独立运行；
23.内燃机正常运转时，第一离合器切换第一传动部件至传动状态，排气涡轮与工质泵传动连接，排气涡轮带动或辅佐工质泵转动。
24.在一些实施例中，内燃机正常运转时，第三离合器切换第三传动部件至传动状态，排气涡轮与进气涡轮传动连接，排气涡轮带动或辅佐进气涡轮转动
25.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
26.与现有技术相对比，在使用本系统时，操作人员可以根据内燃机的运行情况对朗肯循环的介入状态进行调节，当内燃机处于初启动、停机或故障阶段时，此阶段内燃机的燃烧、润滑以及运行均不稳定，为了对朗肯循环整体进行保护，操作人员可以通过调节第一离合器，令第一传动部件处于脱离状态，此时朗肯循环不介入内燃机的工作。当内燃机正常运转时，第一离合器切换第一传动部件至传动状态，排气涡轮与工质泵传动连接，排气涡轮带动工质泵转动，此时朗肯循环介入内燃机的工作，实现内燃机的余热回收，本系统能够根据内燃机的运转工况进行适应性调节，具有运行性能较高，整体利用效能较高的优点。
附图说明
27.图1是本发明一实施例的具体原理示意图；
28.图中各标记如下：
29.1、内燃机；2、排气涡轮；3、换热器；4、预热器；5、水泵；6、进气涡轮；7、电磁离合器；8、工质泵；9、膨胀机；10、冷凝器；11、发电机；12、排气管路；13、进气管路；14、缸套冷却水循环管路；15、介质。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具
有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
32.有机朗肯循环作为近年来备受关注的中低温热源回收技术，具有余热回收效率高，结构简单，方便维护等优点，已然成为内燃机余热回收的研究重点。但考虑内燃机运转工况具有较大波动性，目前的集成系统应用情况较为单一，无法适应内燃机的多种运转工况，存在运行性能低，整体利用效能较低的问题。针对现有的技术问题，本发明提供一种内燃机余热回收系统及方法，系统能够根据内燃机的运转工况进行适应性调节，具有运行性能较高，整体利用效能较高的优点，具体方案如下。
33.参照图1所示，图1是本发明一实施例的具体原理示意图，本发明提供的内燃机余热回收系统，包括内燃机1以及朗肯循环。朗肯循环包括换热器3以及工质泵8，工质泵8驱动介质15进入换热器3并进行循环。内燃机1配置有排气涡轮2，排气涡轮2与换热器3气路连接。内燃机1运行时，内燃机1的排气经排气管路12进入并推动排气涡轮2进行转动。具体的是，介质15可以为水或有机工质或非共沸工质或co2，为了便于进一步的详述，在该实施例中，介质15具体为水。
34.其中，排气涡轮2与工质泵8之间设置有第一传动部件，排气涡轮2通过第一传动部件与工质泵8传动连接，工质泵8的转动将带动排气涡轮2进行转动，第一传动部件包括第一离合器，第一离合器切换第一传动部件的传动状态或脱离状态。
35.需要说明的是，朗肯循环目前在国内余热发电领域应用较为成熟，为我国节能减排事业做出了重要贡献。朗肯循环是指以水蒸气作为工质的一种循环过程，主要包括介质15压缩驱动、介质15的等压加热、介质15的膨胀做功、以及后续等压冷凝的过程。
36.示例性的是，本系统在工作的过程中，内燃机1的运行将持续地向排气涡轮2排出高压高热气体，若此时第一离合器处于传动状态时，排气涡轮2将通过第一传动部件传动工质泵8进行运转，工质泵8的运转将驱动朗肯循环内的介质15进行循环，此时朗肯循环整体进行运行。具体的是，在该实施例中，换热器3具体为蒸发器，内燃机1排出的气体经过排气涡轮2后进入到换热器3的热媒管路，而朗肯循环的介质15在工质泵8的运行下进入到换热器3的冷媒管路，此时内燃机1排出的高热气体对处于换热器3内部的介质15进行加热，促使换热器3内的介质15气化，随后，气化后的介质15将进入到朗肯循环后续的膨胀做功步骤，以此实现内燃机1余热的回收利用。
37.与现有技术相对比，在使用本系统时，操作人员可以根据内燃机1的运行情况对朗肯循环的介入状态进行调节，当内燃机处于初启动、停机或故障阶段时，此阶段内燃机1的燃烧、润滑以及运行均不稳定，为了对朗肯循环整体进行保护，操作人员可以通过调节第一离合器，令第一传动部件处于脱离状态，此时朗肯循环不介入内燃机1的工作。当内燃机正常运转时，第一离合器切换第一传动部件至传动状态，排气涡轮2与工质泵8传动连接，排气涡轮2带动工质泵8转动，此时朗肯循环介入内燃机1的工作，实现内燃机1的余热回收，本系统能够根据内燃机1的运转工况进行适应性调节，具有运行性能较高，整体利用效能较高的优点。
38.在一些实施例中，对工质泵8作出进一步的细化说明，工质泵8整体可选为自带驱动力的泵体，亦可以选用为不具备驱动力的泵体。当工质泵8自带驱动力，第一传动部件处于传动状态，此时排气涡轮2起到辅助工质泵8转动的效果；当工质泵8不具备驱动力时，工质泵8的运行将依靠排气涡轮2的传动，在该实施例中，工质泵8因不需要驱动力，故工质泵8不再需要配置电机进行驱动，能够从根本上优化整体的空间布局，故工质泵8的选用需要根据实际的使用需求进行选择，具体在此不作进一步的限定。
39.在一实施例中，对本系统作出进一步的优化，在本系统中，内燃机1还配置有缸套冷却水循环管路14。另外，朗肯循环还包括预热器4，预热器4的热媒管路与缸套冷却水循环管路14连接，预热器4的冷媒管路与朗肯循环管路连接，工质泵8驱动介质15经预热器4预热后进入换热器3。
40.需要说明的是，在一般的内燃机1中，燃料燃烧后仅有30％-40％的热量转化为机械功得以利用，其余30％-40％的热量随内燃机排气直接排放到环境中，20％-30％的热量被缸套冷却水吸收后散失到环境中，而在该实施例中，被缸套冷却水所吸收的热量仍然能够被回收利用到朗肯循环当中。
41.示例性的是，缸套冷却水循环管路14中配置有水泵5，水泵5的运行将带动冷却水在缸套冷却水循环管路14中循环，此时，内燃机1工作时被缸套冷却水所吸收的热量能够被泵入到预热器4的热媒管路中，故预热器4能够对朗肯循环中的介质15进行初步的预热，介质15后续再进入到换热器3中进行加热膨胀，该设置能够进一步提高本系统的热量回收能力，提高整体利用效能。
42.在一实施例中，对朗肯循环作出进一步的细化，朗肯循环还包括膨胀机9以及冷凝器10。参照图1所示，排气涡轮2带动工质泵8运行时，工质泵8驱动介质15依序经预热器4、换热器3、膨胀机9以及冷凝器10进行循环，具体的是，在该实施例中，膨胀机9的输出部件传动连接有发电机11。
43.示例性的是，在该实施例中，工质泵8的运行将驱动介质15先行进入到预热器4进行预热，此时缸套冷却水的热量对介质15进行初步预热，随后进入到换热器3。在换热器3中，内燃机1排出的高热气体对位于换热器3的介质15进行进一步的加热，促使介质15气化膨胀。气化后的介质15进一步将进入到膨胀机9内膨胀做功，此时膨胀机9驱动发电机11运行实现做功发电，经过膨胀机9后的介质15最后进入冷凝器10进行冷凝，随后进入下一次的循环。
44.在一实施例中，更优的是，排气涡轮2还设置有第二传动部件，排气涡轮2通过第二传动部件与膨胀机9传动连接。第二传动部件包括第二离合器，第二离合器切换第二传动部件的传动状态或脱离状态。
45.需要说明的是，在该实施例中，通过对第二离合器进行操控，即可切换第二传动部件的传动连接。
46.内燃机1处于工况频繁变动的阶段时，内燃机1所产生的排气余压并不足以带动工质泵8运行，且此时所产生的排气余热温度波动较大，亦不利于换热器3对介质15进行加热，故此时并不适合朗肯循环的介入，为了对朗肯循环的组件进行保护，操作人员可以通过操控第一离合器，断开排气涡轮2与工质泵8的传动连接。
47.另外，内燃机1处于工况频繁变动的阶段时，虽然不适合朗肯循环的介入，但排气
余压仍然足够带动排气涡轮2运行，此时通过对第二离合器进行操控，切换第二传动部件的传动连接，令排气涡轮2与膨胀机9传动连接，故排气涡轮2的运行仍然能够通过膨胀机9的运行实现发电，如此的设置，能够充分利用内燃机1的余压带动发电机11发电，进一步提高了本系统的使用灵活性以及整体利用效能。
48.在一实施例中，更优的是，内燃机1还配置有进气涡轮6，进气涡轮6通过进气管路13与内燃机1的进气口连接。排气涡轮2还设置有第三传动部件，排气涡轮2通过第三传动部件与进气涡轮6传动连接。
49.排气涡轮2与进气涡轮6的传动连接能够对内燃机1的进气起到优化的效果，排气涡轮2能够带动进气涡轮6运行，以此增大内燃机进气量，故在本实施例中，本系统中内燃机1所产生的具有余压余热的排气，不仅能够通过排气涡轮2带动、促进朗肯循环的工作效率，还能够优化内燃机1的进气量，提高内燃机1的燃烧效率。
50.在该实施例中，为了进一步提高本系统的使用灵活性，第三传动部件包括第三离合器，第三离合器切换第三传动部件的传动状态或脱离状态。故操作人员可以根据内燃机1的实际情况对排气涡轮2与进气涡轮6的传动连接进行调节。
51.具体的是，在该实施例中，第一离合器、第二离合器以及第三离合器均为电磁离合器7。同时，为了便于图示理解，第一传动部件、第二传动部件以及第三传动部件均以图中点划线形式展示，在一些具体实施例中，第一传动部件、第二传动部件以及第三传动部件均为传动轴，进气涡轮6、工质泵8以及发电机11均分别通过对应的传动轴与排气涡轮2传动连接。
52.本发明还提供了一种内燃机1余热回收系统的工作方法，包括：
53.内燃机1处于启动、停机或故障工况时，第一离合器切换第一传动部件至脱离状态，排气涡轮2与工质泵8断开传动连接，排气涡轮2与朗肯循环均独立运行；
54.内燃机1正常运转时，第一离合器切换第一传动部件至传动状态，排气涡轮2与工质泵8传动连接，排气涡轮2带动或辅佐工质泵8转动。
55.与现有技术相对比，在使用本系统时，操作人员可以根据内燃机1的运行情况对朗肯循环的介入状态进行调节，当内燃机处于初启动、停机或故障阶段时，此阶段内燃机1的燃烧、润滑以及运行均不稳定，为了对朗肯循环整体进行保护，操作人员可以通过调节第一离合器，令第一传动部件处于脱离状态，此时朗肯循环不介入内燃机1的工作。当内燃机正常运转时，第一离合器切换第一传动部件至传动状态，排气涡轮2与工质泵8传动连接，排气涡轮2带动工质泵8转动，此时朗肯循环介入内燃机1的工作，实现内燃机1的余热回收，本系统能够根据内燃机1的运转工况进行适应性调节，具有运行性能较高，整体利用效能较高的优点。
56.更优的是，在内燃机1正常运转时，同步将第三离合器切换第三传动部件至传动状态，排气涡轮2与进气涡轮6传动连接，排气涡轮2带动或辅佐进气涡轮6转动。
57.排气涡轮2与进气涡轮6的传动连接能够对内燃机1的进气起到优化的效果，排气涡轮2能够带动进气涡轮6运行，以此增大内燃机进气量，故在本实施例中，本系统中内燃机1所产生的具有余压余热的排气，不仅能够通过排气涡轮2带动、促进朗肯循环的工作效率，还能够优化内燃机1的进气量，提高内燃机1的燃烧效率。
58.进一步地扩展，在一些实施例中，内燃机1余热回收系统的工作方法还具备进一步
的优化模式，具体方案如下。
59.独立运行模式：适用于内燃机1启动、停机及故障阶段。此阶段内燃机1的燃烧、润滑和运行均不稳定，第一离合器以及第二离合器均脱离，内燃机1独立运行，朗肯循环不介入。
60.余热回收模式：适用于内燃机1怠速及低负荷阶段。随着内燃机1持续运行，其缸套冷却水和内燃机1排气的温度迅速增加，达到朗肯循环发电所需标准。此时控制第一离合器启动涡轮与工质泵8之间的传动连接，同时启动水泵5，使缸套冷却水进行循环；
61.朗肯循环中的介质15被工质泵8加压，依次进入预热器4和换热器3吸热蒸发，饱和蒸汽再进入膨胀机9做功，带动发电机11发电，做功后的乏汽进入冷凝器10完全冷凝为液态返回工质泵8完成循环。
62.余压回收模式：适用于内燃机1频繁变工况阶段。内燃机1频繁升降负荷的情况下，其排气温度和流量均发生大幅波动，热源的剧烈波动严重影响朗肯循环机组的运行，带来膨胀机9入口超温、超压和负荷迅速下降时的启动困难等安全故障。因此，此阶段朗肯循环脱离，处于待机状态。此时，排气余压能足够带动排气涡轮2运行，可通过控制第一离合器，断开排气涡轮2与工质泵8的连接，排气涡轮2一方面带动进气涡轮6增大内燃机1的进气量，另一方面带动膨胀机9转动实现发电，进入余压运行模式。
63.余热余压同时回收模式：适用于内燃机1在不同负荷下稳定运行的阶段。该阶段为中大型内燃机1的常规运行阶段，也是利用时长最多的阶段。在此工况下，内燃机1在较大负荷或满负荷工作，通过控制第一离合器以及第三离合器同时啮合，充分利用内燃机1的余压和余热能驱动排气涡轮2和朗肯循环，最终实现带动发电机11进行发电。
64.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种内燃机余热回收系统，其特征在于，包括内燃机以及朗肯循环；所述朗肯循环包括换热器以及工质泵，所述工质泵驱动介质进入所述换热器并进行循环；所述内燃机配置有排气涡轮，所述排气涡轮与所述换热器气路连接；所述排气涡轮与所述工质泵之间设置有第一传动部件，所述排气涡轮通过所述第一传动部件与所述工质泵传动连接，所述第一传动部件包括第一离合器，所述第一离合器切换所述第一传动部件的传动状态或脱离状态。2.根据权利要求1所述的内燃机余热回收系统，其特征在于，所述内燃机还配置有缸套冷却水循环管路；所述朗肯循环还包括预热器，所述预热器的热媒管路与所述缸套冷却水循环管路连接，所述预热器的冷媒管路与所述朗肯循环管路连接，所述工质泵驱动所述介质经所述预热器预热后进入所述换热器。3.根据权利要求2所述的内燃机余热回收系统，其特征在于，所述朗肯循环还包括膨胀机以及冷凝器；所述工质泵驱动介质依序经所述预热器、所述换热器、所述膨胀机以及所述冷凝器进行循环。4.根据权利要求3所述的内燃机余热回收系统，其特征在于，所述膨胀机的输出部件传动连接有发电机。5.根据权利要求4所述的内燃机余热回收系统，其特征在于，所述排气涡轮还设置有第二传动部件，所述排气涡轮通过第二传动部件与所述膨胀机传动连接；所述第二传动部件包括第二离合器，所述第二离合器切换所述第二传动部件的传动状态或脱离状态。6.根据权利要求1所述的内燃机余热回收系统，其特征在于，所述内燃机还配置有进气涡轮；所述排气涡轮还设置有第三传动部件，所述排气涡轮通过第三传动部件与所述进气涡轮传动连接。7.根据权利要求6所述的内燃机余热回收系统，其特征在于，所述第三传动部件包括第三离合器，所述第三离合器切换所述第三传动部件的传动状态或脱离状态。8.根据权利要求1所述的内燃机余热回收系统，其特征在于，所述介质为水或有机工质或非共沸工质或co2。9.一种内燃机余热回收系统的工作方法，其特征在于，包括：内燃机处于启动、停机或故障工况时，第一离合器切换第一传动部件至脱离状态，排气涡轮与工质泵断开传动连接，排气涡轮与朗肯循环均独立运行；内燃机正常运转时，第一离合器切换第一传动部件至传动状态，排气涡轮与工质泵传动连接，排气涡轮带动或辅佐工质泵转动。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：内燃机正常运转时，第三离合器切换第三传动部件至传动状态，排气涡轮与进气涡轮传动连接，排气涡轮带动或辅佐进气涡轮转动。

技术总结
本发明涉及一种内燃机余热回收系统，包括内燃机以及朗肯循环；所述朗肯循环包括换热器以及工质泵，所述工质泵驱动介质进入所述换热器并进行循环；所述内燃机配置有排气涡轮，所述排气涡轮与所述换热器气路连接；所述排气涡轮与所述工质泵之间设置有第一传动部件，所述排气涡轮通过所述第一传动部件与所述工质泵传动连接，所述第一传动部件包括第一离合器，所述第一离合器切换所述第一传动部件的传动状态或脱离状态。与现有技术相对比，本系统能够根据内燃机的运转工况进行适应性调节，具有运行性能较高，整体利用效能较高的优点。整体利用效能较高的优点。整体利用效能较高的优点。


技术研发人员：苗政 肖猛 郭伟
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：2023.03.08
技术公布日：2023/5/30