一种利用S-CO2和ORC联合循环的船舶柴油机尾气余热发电系统技术领域
本发明涉及的是一种发电系统，具体地说是船舶发电系统。
背景技术
能源问题己经成为经济发展中一个头等重要问题。船舶是能源消耗量巨大
的运输工具，高能耗一方面使船舶运行成本增加，另一方面也给船舶运行带来
了严重的环境问题。如何有效降低船舶能耗是一个现实而又重大的课题。国际
海事组织IMO已将EEDI(EnergyEfficiencyDesignIndex，新船能效设计
指数)作为考核船舶设计能耗高低的一个指标，船舶能量利用效率低，除了将
面对高额的燃料费用外，还将面对额外的罚金，以补偿对环境的破坏。柴油机
作为船舶的主要动力，其热效率己接近50％，但仍有50％的能量被排气、冷却介
质带走。如果能够利用主机排气和冷却水的热量进行发电或作为辅助设备热源
提供蒸汽，则可以替代部分辅机和辅助锅炉，同时达到节能和减排的效果。
由于化石燃料的广泛应用，其燃烧产生的CO2日益增多，引起温室效应，
对气候产生不利影响，从考虑环境的长期安全性出发,避免使用影响生态平衡的
非自然工质,启用自然界存在的,并对环境无害的自然工质CO2，是解决环境问
题必然选择。由于超临界CO2在中高温热源条件下效率较高，在低温热源条件
下效率较低，因此利用导热油传递尾气余热，从而保证超临界CO2循环系统的
热源温度较高，从而提高能源利用率。
发明内容
本发明的目的在于提供回收柴油机排气能量、为船舶提供电能的一种利用
S-CO2和ORC联合循环的船舶柴油机尾气余热发电系统。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种利用S-CO2和ORC联合循环的船舶柴油机尾气余热发电系统，其
特征是：包括柴油机排气换热器、超临界CO2循环发电系统、ORC循环发电系
统，
所述超临界CO2循环发电系统包括S-CO2系统换热管段、超临界CO2循环
系统第一换热器、超临界CO2循环系统发电机、超临界CO2循环系统膨胀机、
第一级压缩机、第二级压缩机、中间冷却器、超临界CO2循环系统冷却器、第
二换热器，S-CO2系统换热管段位于柴油机排气换热器下部管段和超临界CO2
循环系统第一换热器里，超临界CO2循环系统膨胀机、第一压缩机、第二压缩
机同轴，CO2进入第一压缩机经中间冷却器进入第二压缩机，第二压缩机出口
的CO2进入超临界CO2循环系统第一换热器吸热后进入超临界CO2循环系统膨
胀机，超临界CO2循环系统膨胀机连接超临界CO2循环系统发电机，超临界
CO2循环系统发电机连接船舶电力系统，超临界CO2循环系统膨胀机出口的CO2
经第二换热器进入超临界CO2循环系统冷却器并进入第一级压缩机；
所述ORC循环发电系统包括ORC系统换热管段、ORC系统换热器、ORC
系统膨胀机、ORC系统发电机、ORC系统回热器、有机工质泵、冷凝器、柴油
机缸套水换热器、柴油机冷却器、第一-第四电磁阀，ORC系统换热管段位于
柴油机排气换热器上部管段和ORC系统换热器里，有机工质在经有机工质泵压
缩，进入ORC系统回热器之后分成第一股和第二股，第一股经第一管路进入
ORC系统换热器，第二股分成第三股和第四股，第三股进入第二换热器，第二
换热器上设置第一出口，第四股经柴油机缸套水换热器和柴油机中冷器后与经
第二换热器并从第一出口流出的第三股汇合，第一出口与ORC系统换热器通过
第二管路相连，第二管路上分出支路与第一管路相连，支路上设置第一电磁阀，
第二管路上在支路与ORC系统换热器之间设置第二电磁阀，在第三股进入第二
换热器之前经过的管路上设置第三电磁阀，在第四股与第三股汇合之前的管路
上设置第四电磁阀，ORC系统膨胀机的进口分别连接支路、第二管路，ORC
系统膨胀机的出口连接ORC系统回热器，经ORC系统膨胀机出口并进入ORC
系统回热器的有机工质经过冷凝器后进入有机工质泵，ORC系统膨胀机还连接
ORC系统发电机，ORC系统发电机连接船舶电力系统。
本发明一种利用S-CO2和ORC联合循环的船舶柴油机尾气余热发电系统，其
特征是：包括柴油机排气换热器、超临界CO2循环发电系统、ORC循环发电系
统，
所述超临界CO2循环发电系统包括S-CO2系统换热管段、超临界CO2循环
系统第一换热器、超临界CO2循环系统发电机、超临界CO2循环系统膨胀机、
第一级压缩机、第二级压缩机、中间冷却器、超临界CO2循环系统冷却器、第
二换热器，S-CO2系统换热管段位于柴油机排气换热器下部管段和超临界CO2
循环系统第一换热器里，超临界CO2循环系统膨胀机、第一压缩机、第二压缩
机同轴，CO2进入第一压缩机经中间冷却器进入第二压缩机，第二压缩机出口
的CO2进入超临界CO2循环系统第一换热器吸热后进入超临界CO2循环系统膨
胀机，超临界CO2循环系统膨胀机连接超临界CO2循环系统发电机，超临界
CO2循环系统发电机连接船舶电力系统，超临界CO2循环系统膨胀机出口的CO2
经第二换热器进入超临界CO2循环系统冷却器并进入第一级压缩机；
所述ORC循环发电系统包括ORC系统换热管段、ORC系统换热器、ORC
系统膨胀机、ORC系统发电机、ORC系统回热器、有机工质泵、冷凝器、第一
-第二电磁阀，ORC系统换热管段位于柴油机排气换热器上部管段和ORC系统
换热器里，有机工质在经有机工质泵压缩，进入ORC系统回热器之后分成第一
股和第二股，第一股经第一管路进入ORC系统换热器，第二股进入第二换热器，
第二换热器上设置第一出口，第一出口与ORC系统换热器通过第二管路相连，
第二管路上分出支路与第一管路相连，支路上设置第一电磁阀，第二管路上在
支路与ORC系统换热器之间设置第二电磁阀，ORC系统膨胀机的进口分别连
接支路、第二管路，ORC系统膨胀机的出口连接ORC系统回热器，经ORC系
统膨胀机出口并进入ORC系统回热器的有机工质经过冷凝器后进入有机工质
泵，ORC系统膨胀机还连接ORC系统发电机，ORC系统发电机连接船舶电力
系统。
本发明一种利用S-CO2和ORC联合循环的船舶柴油机尾气余热发电系统，其
特征是：包括柴油机排气换热器、超临界CO2循环发电系统、ORC循环发电系
统，
所述超临界CO2循环发电系统包括S-CO2系统换热管段、超临界CO2循环
系统第一换热器、超临界CO2循环系统发电机、超临界CO2循环系统膨胀机、
第一级压缩机、第二级压缩机、中间冷却器、超临界CO2循环系统冷却器、第
二换热器，S-CO2系统换热管段位于柴油机排气换热器下部管段和超临界CO2
循环系统第一换热器里，超临界CO2循环系统膨胀机、第一压缩机、第二压缩
机同轴，CO2进入第一压缩机经中间冷却器进入第二压缩机，第二压缩机出口
的CO2经第二换热器进入超临界CO2循环系统第一换热器吸热后进入超临界
CO2循环系统膨胀机，超临界CO2循环系统膨胀机连接超临界CO2循环系统发
电机，超临界CO2循环系统发电机连接船舶电力系统，超临界CO2循环系统膨
胀机出口的CO2经第二换热器进入超临界CO2循环系统冷却器并进入第一级压
缩机；
所述ORC循环发电系统包括ORC系统换热管段、ORC系统换热器、ORC
系统膨胀机、ORC系统发电机、ORC系统回热器、有机工质泵、冷凝器、柴油
机缸套水换热器、柴油机冷却器、第一-第二电磁阀，ORC系统换热管段位于
柴油机排气换热器上部管段和ORC系统换热器里，有机工质在经有机工质泵压
缩，进入ORC系统回热器之后分成第一股和第二股，第一股经第一管路进入
ORC系统换热器，第二股经柴油机缸套水换热器和柴油机中冷器后进入第二管
路，第二管路连接ORC系统换热器，第二管路上分出支路与第一管路相连，支
路上设置第一电磁阀，第二管路上在支路与ORC系统换热器之间设置第二电磁
阀，ORC系统膨胀机的进口分别连接支路、第二管路，ORC系统膨胀机的出口
连接ORC系统回热器，经ORC系统膨胀机出口并进入ORC系统回热器的有
机工质经过冷凝器后进入有机工质泵，ORC系统膨胀机还连接ORC系统发电
机，ORC系统发电机连接船舶电力系统。
本发明一种利用S-CO2和ORC联合循环的船舶柴油机尾气余热发电系统，其
特征是：包括柴油机排气换热器、超临界CO2循环发电系统、ORC循环发电系
统，
所述超临界CO2循环发电系统包括S-CO2系统换热管段、超临界CO2循环
系统第一换热器、超临界CO2循环系统发电机、超临界CO2循环系统膨胀机、
第一级压缩机、第二级压缩机、中间冷却器、超临界CO2循环系统冷却器、第
二换热器，S-CO2系统换热管段位于柴油机排气换热器下部管段和超临界CO2
循环系统第一换热器里，超临界CO2循环系统膨胀机、第一压缩机、第二压缩
机同轴，CO2进入第一压缩机经中间冷却器进入第二压缩机，第二压缩机出口
的CO2经第二换热器进入超临界CO2循环系统第一换热器吸热后进入超临界
CO2循环系统膨胀机，超临界CO2循环系统膨胀机连接超临界CO2循环系统发
电机，超临界CO2循环系统发电机连接船舶电力系统，超临界CO2循环系统膨
胀机出口的CO2经第二换热器进入超临界CO2循环系统冷却器并进入第一级压
缩机；
所述ORC循环发电系统包括ORC系统换热管段、ORC系统换热器、ORC
系统膨胀机、ORC系统发电机、ORC系统回热器、有机工质泵、冷凝器，ORC
系统换热管段位于柴油机排气换热器上部管段和ORC系统换热器里，有机工质
在经有机工质泵压缩，进入ORC系统回热器之后进入ORC系统换热器，从ORC
系统换热器出来的有机工质经ORC系统膨胀机进入ORC系统回热器，之后经
冷凝器进入有机工质泵，ORC系统膨胀机连接ORC系统发电机，ORC系统发
电机连接船舶电力系统。
本发明还可以包括：
1、所述柴油机排气换热器为翅片管换热器，上部管段提供160℃导热油作
为其热源，下部管段提供280℃导热油作为其热源。
本发明的优势在于：
(1)采用导热油翅片管换热器回收余热，利用导热油作为传热媒质可显著
提高工质与烟气热源的温度匹配程度，通过增加翅片提高传热面积，减小装置
体积，提高紧凑型。
(2)采用超临界CO2循环系统，在高效利用余热发电的基础上缓解温室效
应带来的环境问题，而且相对于汽轮机发电系统节约了水资源。采用双级压缩
系统减少了压缩功，发电效率为31.4％。
(3)通过采用有机工质循环发电系统，发电效率为14％，与超临界CO2配
合回收排气余热，可更多的回收温度在170℃以下排气能量，扩大了余热利用
范围和可利用的余热量。有机工质循环系统有效的利用了缸套水的热量，并起
到柴油机中冷器的作用，降低发动机的进气温度。
(4)利用第二换热器代替超临界CO2循环发电系统的内部换热器，解决
了超临界CO2循环系统内部换热器出现的温度夹点问题。
附图说明
图1为本发明实施方式1结构示意图；
图2为本发明实施方式2结构示意图；
图3为本发明实施方式3结构示意图；
图4为本发明实施方式4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：
实施方式1：
所述换热器1为翅片管换热器，柴油机排气由换热器下端进入，上端流出，
管内流动的介质为导热油，换热器内部管段分为两部分，上部管段为ORC循环
系统提供160℃导热油作为其热源，导热油再通过ORC循环系统换热器16将热
量传递给有机工质，下部管段为超临界CO2循环系统提供280℃导热油作为其
热源，导热油通过超临界CO2循环系统将热量传递给CO2。
所述超临界CO2循环发电系统，CO2进入第一压缩机13的状态点为(31℃，
7.31MPa)压缩后被海水再次冷却至31℃，进入第二级压缩机10继续压缩。第
二压缩机出口的CO2进入换热器15吸热后在膨胀机8中等熵膨胀做功带动第一
级压缩机13和第二级压缩机10对CO2进行压缩，其余的膨胀功用于发电。膨
胀机8出口的CO2在第二换热器9中加热ORC循环发电系统回热器2出口的有
机工质，第二换热器9出口的CO2进入冷却器11中被海水冷却至初状态点，进
入第一级压缩机13完成一个循环过程。
所述有机工质循环发电系统，关闭电磁阀17，打开电磁阀18，有机工质在
泵3中压缩至高压状态，先在回热器2中吸热，然后一部分进入换热器16中吸
热，另一股又分成两股，一股进入第二换热器9中吸热，另一股进入柴油机缸
套水换热器21、柴油机中冷器22吸热，通过电磁阀23和电磁阀24用来调节
进入第二换热器9和柴油机缸套水换热器21ORC工质的流量。该两股有机工质
在第二换热器9出口汇合，根据混合后有机工质的出口温度决定电磁阀17和
18的开关，如果温度低于换热器16出口工质温度，则打开电磁阀17，关闭电
磁阀18，第二换热器9出口的有机工质与回热器2出口的有机工质一起送入换
热器16继续吸热，如果温度高于或者等于换热器16出口工质温度，则打开电
磁阀18，关闭电磁阀17，第二换热器9出口的有机工质直接与换热器16出口
的有机工质混合进入膨胀机里膨胀做功发电。膨胀机出口的有机工质进入回热
器2中加热泵3出口的有机工质，提高有机工质进入换热器16和第二换热器9
中的温度。回热器2出口的高温工质在冷凝器4中被海水冷凝至初态，再进入
泵3中压缩，完成一个循环过程。
ORC循环系统的发电机6和超临界CO2循环系统发电机7所发的电最后并
入船舶电力系统14。
实施方式2：
所述换热器1为翅片管换热器，柴油机排气由换热器下端进入，上端流出，
管内流动的介质为导热油，换热器内部管段分为两部分，上部管段为ORC循环
系统提供160℃导热油作为其热源，导热油再通过ORC循环系统换热器16将热
量传递给有机工质，下部管段为超临界CO2循环系统提供280℃导热油作为其
热源，导热油通过超临界CO2循环系统将热量传递给CO2。
所述超临界CO2循环发电系统，CO2进入压缩机13的状态点为(31℃，
7.31MPa)压缩后被海水再次冷却至31℃，进入第二级压缩机10继续压缩。压
缩机出口的CO2进入换热器15吸热后在膨胀机8中等熵膨胀做功带动第一级压
缩机13和第二级压缩机10对CO2进行压缩，其余的膨胀功用于发电。膨胀机
8出口的CO2在第二换热器9中加热ORC循环发电系统回热器2出口的有机工
质，第二换热器9出口的CO2进入冷却器11中被海水冷却至初状态点，进入第
一级压缩机13完成一个循环过程。
所述有机工质循环发电系统，关闭电磁阀17，打开电磁阀18，有机工质在
泵3中压缩至高压状态，先在回热器2中吸热，然后一部分进入换热器16中吸
热，另一部分进入超临界CO2循环系统的第二换热器9中吸热，吸热完成后根
据第二换热器9有机工质的出口温度决定打开哪个电磁阀，如果温度低于换热
器16出口工质温度，则打开电磁阀17，关闭电磁阀18，第二换热器9出口的
有机工质与回热器2出口的有机工质一起送入换热器16继续吸热，如果温度高
于或者等于换热器16出口工质温度，则打开电磁阀18，关闭电磁阀17，第二
换热器9出口的有机工质直接与换热器16出口的有机工质混合进入膨胀机里膨
胀做功发电。膨胀机出口的有机工质进入回热器2中加热泵3出口的有机工质，
提高有机工质进入换热器16和第二换热器9中的温度。回热器2出口的高温工
质在冷凝器4中被海水冷凝至初态，再进入泵3中压缩，完成一个循环过程。
ORC循环系统的发电机6和超临界CO2循环系统发电机7所发的电最后并
入船舶电力系统14。
实施方式3：
如图3所示。ORC循环发电子系统和超临界CO2循环系统彼此独立。
所述换热器1为翅片管换热器，柴油机排气由换热器下端进入，上端流出，
管内流动的介质为导热油，换热器内部管段分为两部分，上部管段为ORC循环
系统提供160℃导热油作为其热源，导热油再通过ORC循环系统换热器16将热
量传递给有机工质，下部管段为超临界CO2循环系统提供280℃导热油作为其
热源，导热油通过超临界CO2循环系统将热量传递给CO2。
所述超临界CO2循环发电系统，CO2进入压缩机13的状态点为(31℃，
7.31MPa)压缩后被海水再次冷却至31℃，进入第二级压缩机10继续压缩。压
缩机出口的CO2先进入回热器9吸热然后进入换热器15吸热，之后在膨胀机8
中等熵膨胀做功带动第一级压缩机13和第二级压缩机10对CO2进行压缩，其
余的膨胀功用于发电。膨胀机8出口的CO2进入回热器9加热压缩机出口的CO2，
回热器9出口的CO2进入冷却器11中被海水冷却至初状态点，进入第一级压缩
机6完成一个循环过程。
所述有机工质循环发电系统，有机工质在泵3中压缩至高压状态，先在回
热器2中吸热，然后一部分直接进入换热器16中吸热，另一部分进入柴油机缸
套水换热器21和柴油机中冷器22中吸热，吸热完成后根据柴油机中冷器22有
机工质的出口温度决定打开哪个电磁阀，如果温度低于换热器16出口工质温
度，则打开电磁阀17，关闭电磁阀18，柴油机中冷器22出口的有机工质与回
热器2出口的有机工质一起送入换热器16继续吸热，如果温度高于或者等于换
热器16出口工质温度，则打开电磁阀18，关闭电磁阀17，柴油机中冷器22出
口的有机工质直接与换热器16出口的有机工质混合进入膨胀机里膨胀做功发
电。膨胀机5出口的有机工质进入回热器2中加热泵3
压缩，完成一个循环过程。
ORC循环系统的发电机6和超临界CO2循环系统发电机7所发的电最后并
入船舶电力系统14。
实施方式4：
如图4所示，两个子系统是相互独立的。
所述换热器1为翅片管换热器，柴油机排气由换热器下端进入，上端流出，
管内流动的介质为导热油，换热器内部管段分为两部分，上部管段为ORC循环
系统提供160℃导热油作为其热源，导热油再通过ORC循环系统换热器16将热
量传递给有机工质，下部管段为超临界CO2循环系统提供280℃导热油作为其
热源，导热油通过超临界CO2循环系统将热量传递给CO2。
所述超临界CO2循环发电系统，CO2进入压缩机13的状态点为(31℃，
7.31MPa)压缩后被海水再次冷却至31℃，进入第二级压缩机10继续压缩。压
缩机出口的CO2先进入回热器9吸热然后进入换热器15吸热，之后在膨胀机8
中等熵膨胀做功带动第一级压缩机13和第二级压缩机10对CO2进行压缩，其
余的膨胀功用于发电。膨胀机8出口的CO2进入回热器9加热压缩机出口的CO2，
回热器9出口的CO2进入冷却器11中被海水冷却至初状态点，进入第一级压缩
机6完成一个循环过程。
所述有机工质循环发电系统，有机工质在泵3中压缩至高压状态，先在回
热器2中吸热，然后进入换热器16中吸热，吸热完成后的有机工质进入膨胀机
5里膨胀做功发电。膨胀机5出口的有机工质进入回热器2中加热泵3出口的
有机工质，提高有机工质进入换热器16中的温度。回热器2出口的高温工质在
冷凝器4中被海水冷凝至初态，再进入泵3中压缩，完成一个循环过程。
ORC循环系统的发电机6和超临界CO2循环系统发电机7所发的电最后并
入船舶电力系统14。