CN101806232A - 多级蒸发有机朗肯循环余热回收发电系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多级蒸发有机朗肯循环余热回收发电系统和工艺，按所需的发电容量配备有机工质余热锅炉、带中间补汽口的多级有机透平、凝结器、凉水塔、引风机等；安装并用管道连接好有机工质余热锅炉、多级有机透平、凝结器、储液器、汽液分离器、各级工质加压泵、冷却水循环泵、凉水塔及阀门等设备、配件；根据管路容积计算工质充注量，将R290、R245fa、正戊烷或正己烷计量充入循环管路中。本发明可以直接将中低温废气余热高效地转换为高品位的电能，其效率比常规单级蒸发有机朗肯循环提高2-5个百分比点，显著提高了余热回收的效益。

Description

多级蒸发有机朗肯循环余热回收发电系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种多级蒸发有机朗肯循环余热回收发电系统及发电工艺，是一种中低温余热利用工艺及发电系统，属于资源与环境技术领域。

背景技术

在工业生产过程中往往伴随大量的中低温余热排放，余热的排放一方面造成能源利用率降低，同时也对环境造成了热污染。目前国际上通常采用水作为动力循环的工质，造成中低温余热朗肯循环的效率较低(低温极低)。发达国家如日本、以色列近年来投入大量的精力研究采用有机朗肯循环(ORC)发电技术来高效回收中低温余热，基于是对余热的回收，一般未强调其热电转化效率，尤其是用于回收400-500℃中温余热时，其效率不尽理想，其主要原因在于现有ORC)系统都采用单级单压蒸发，导致动力循环效率较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种多级蒸发有机朗肯循环余热回收发电系统及发电工艺，是采用丙烷(R290)、五氟丙烷(R245fa)、正戊烷(C₅H₁₂)或正己烷(C₆H₁₄)纯有机工质作为循环工质的多级蒸发有机朗肯循环余热回收发电系统，该系统可高效地将500℃以内的中低温余热转换为高品位的电能，对于中低温余热发电有积极的意义。

解决本发明的技术问题所采用的方案是：一种多级蒸发有机朗肯循环余热回收发电系统，其特征是该系统包括：

工质低压加压泵(1)、低压级预热段(2)、低压级蒸发器(3)、中压级预热段(4)、中压级蒸发器(5)、高压级预热段(6)、高压级蒸发器(7)、高压级过热器(8)、中压级工质增压泵(9)、高压级工质增压泵(10)、带补汽口有机透平(或膨胀机)(11)、励磁发电机(12)，有机工质的低压级蒸发、中压级蒸发、高压级蒸发动力循环回路、冷却水回路，

将冷凝的有机工质液体，经过工质低压加压泵(1)、中压级工质增压泵(9)及高压级工质增压泵(10)增加到不同的蒸发压力，送入余热锅炉的低、中、高各级加热段，从低压级预热段(2)和低压级蒸发器(3)来的工质蒸汽用管道引入透平11的低压补汽口，从中压级预热段(4)和中压级蒸发器(5)来的工质蒸汽用管道引入透平有机透平(11)的中压补汽口，从高压级预热段(6)、高压级蒸发器(7)和高压级过热器(8)来的工质蒸汽用管道引入透平(11)的高压进汽缸，工质蒸汽在带中间补汽的多级有机透平内膨胀做功，排汽经过排汽管进入到凝结器中冷凝为液体，再进入储液罐，继而引入低压加压泵(1)，完成工质的一个动力循环，

从凝结器出来的冷却水用水管送到凉水塔上部布水管，降温后流入冷却水循环泵，送入凝结器排除冷凝热，完成冷却水的一个循环，

余热废气从余热锅炉的上部引入，在将热量传给各级工质加热器后，温度降低，从余热锅炉的下部经引风机加压后排入烟囱。

该发电系统动力循环使用带中间补汽口多级有机透平。

该发电系统各级依次增压，即中压级是在低压级上增压至所需之中压，高压级是在中压级上增压至高压。

该发电系统动力循环使用丙R290、R245fa、正戊烷或正己烷纯有机工质。

该发电系统使用500℃以内中低温气态余热。

该发电系统的凝汽器采用水冷凝汽器的冷却排热方式。

一种多级蒸发有机朗肯循环余热回收发电方法，其特征是：

(1)按需要的发电容量配备工质低压加压泵(1)、低压级预热段(2)、低压级蒸发器(3)、中压级预热段(4)、中压级蒸发器(5)、高压级预热段(6)、高压级蒸发器(7)、高压级过热器(8)、中压级工质增压泵(9)、高压级工质增压泵(10)、带补汽口有机透平(或膨胀机)(11)、励磁发电机(12)，有机工质的低压级蒸发、中压级蒸发、高压级蒸发动力循环回路、冷却水回路，余热锅炉、凝结器、凉水塔、引风机；

(2)安装并用管道连接好余热锅炉、带中间补汽口多级有机透平、凝结器、储液器、汽液分离器、各级工质增压泵、冷却水循环泵、凉水塔及阀门等设备、配件；

(3)根据管路容积计算工质充注量，将R245fa、正戊烷或正己烷计量充入循环管路中。

本发明有机工质的低压级蒸发、中压级蒸发、高压级蒸发动力循环回路、冷却水回路，经冷凝的有机工质液体，经过低压加压泵1、中压增压泵9及高压增压泵10，将液体工质增加到不同的蒸发压力，送入余热锅炉的低、中、高各级加热段，从低压级加热段2、3来的工质蒸汽用管道引入透平11的低压补汽口，从中压级加热段4、5来的工质蒸汽用管道引入透平11的中压补汽口，从高压级加热段6、7、8来的工质蒸汽用管道引入透平11的高压进汽缸，工质蒸汽在带中间补汽的多级有机透平内膨胀做功，排汽经过排汽管进入到凝结器中冷凝为液体，再进入储液罐，继而引入低压加压泵1，完成工质的一个动力循环。从凝结器出来的冷却水用水管送到凉水塔上部布水管，降温后流入冷却水循环泵，送入凝结器排除冷凝热，完成冷却水的一个循环。余热废气从余热锅炉的上部引入，在将热量传给各级工质加热器后，温度降低，从余热锅炉的下部经引风机加压后排入烟囱。

该发电系统动力循环使用R290、R245fa、正戊烷(C₅H₁₂)或正己烷(C₆H₁₄)纯有机工质；

该发电系统使用500℃以内中低温气态余热；

该发电系统的凝汽器采用水冷凝汽器的冷却方式。

本发明的发电方法为：

(1)按需要的发电容量配备有机工质余热锅炉、带补汽多级有机透平、凝结器、凉水塔、引风机等；

(2)安装并用管道连接好有机工质余热锅炉、带补汽多级有机透平、凝结器、储液器、汽液分离器、各级工质增压泵、冷却水循环泵、凉水塔及阀门等设备、配件；

(3)根据管路容积计算工质充注量，将R290、R245fa、正戊烷或正己烷计量充入循环管路中。

本发明的发电系统与单级单压蒸发有机朗肯循环最大的区别在于，该系统在有机工质余热锅炉里采用多级蒸发的措施，利用余热流(如烟气)的低温段加热产生低压蒸汽，进入有机透平的低压补汽口膨胀做功；利用余热的中温段产生中压蒸汽，进入透平的中压补汽口膨胀做功；再利用余热的高温段产生高压蒸汽，进入透平的高压缸膨胀做功，实现余热流对有机工质的梯级分压加热，这样就在各级受热面中减少了余热流与工质间的传热温差的不均衡性，降低了由于温差传热不可逆损失带来的熵增，可在单压蒸发有机朗循环热效率的基础上提高2-5％。

本发明的工作原理为：经过冷凝的有机工质液体，经过低压加压泵、中压增加泵及高压增压泵将液体工质增加到不同的蒸发压力，送入有机工质余热锅炉中各级加热段，从余热锅炉低压级加热段来的工质蒸汽用管道引入有机透平的低压补汽口，从余热锅炉中压级加热段来的工质蒸汽用管道引入透平的中压补汽口，从余热锅炉高压级加热段来的工质蒸汽用管道引入透平的高压缸，工质蒸汽在多级有机透平内膨胀做功，通过发电机转换为电能输出，排汽经过排汽管进入到凝结器中，冷凝为液体，进入储液罐，再引入低压加压泵，完成一个工质的循环。从凝结器出来的冷却水用水管送到凉水塔上部的布水管，降温后流入冷却水循环泵，送入凝结器去带走动力循环的冷凝热，完成冷却水的循环。余热流废气从余热锅炉的上部引入，在将热量传给各级工质加热段后，温度降低，从余热锅炉的下部经引风机加压排入烟囱排外。

本发明可以直接将中低温废气余热高效地转换为高品位的电能，其效率比常规单级蒸发有机朗肯循环提高2-5个百分比点，显著提高了余热回收的效益。本发明的有益效果是：

(1)直接将工业(如冶金、水泥建材料工业大量)生产过程中排放的500℃以内的中低温余热具有的热量高效地转换为高品位的电能。

(2)将单级单压有机朗肯循环的热效率提高2-5％，还可降低了余热最终的排放温度。

附图说明

下面以实例进一步说明本发明的实质内容，但本发明的内容并不限于此。

图1为本发明的流程图。

图1中：1工质低压加压泵，2低压级预热段，3低压级蒸发器，4中压级预热段，5中压级蒸发器，6高压级预热段，7高压级蒸发器，8高压级过热器，9中压级工质增压泵，10高压级工质增压泵，11带补汽口有机透平(或膨胀机)，12励磁发电机，13低压蒸汽，14中压蒸汽，15高压蒸汽，16凝汽器，17储液罐，18冷却泵，19凉水塔，20排放废气，21引风机，22烟囱，23工业热废气。

具体实施方式

经过冷凝的有机工质液体，经过低压加压泵1、中压增加泵9及高压增压泵10将液体工质增压到不同的蒸发压力，送入余热锅炉中各级加热段，从低压级加热段2、3来的工质蒸汽用管道引入有机透平11的低压补汽口，从中压级加热段4、5来的工质蒸汽用管道引入透平11的中压补汽口，从高压级加热段6、7、8来的工质蒸汽用管道引入透平11的高压缸，工质蒸汽在多级有机透平内膨胀做功，排汽经过排汽管进入到凝结器中冷凝为液体，进入储液罐，再引入低压加压泵1，完成一个动力循环。从凝结器出来的冷却水用水管送到凉水塔上部布水管，降温后的冷却水经冷却水循环泵送入凝结器去带走动力循环的冷凝热，完成冷却水回路的一个循环。余热废气从余热锅炉的上部引入，在将热量传给各级工质加热段后，温度降低，从余热锅炉的下部引入引风机加压排入烟囱。

实施例1：如昆明钢铁公司某烧结矿冷却工序，采用的是空气冷却烧结矿，导致350℃-400℃左右的废气排放(流量约6x10⁵Nm³/h)，现在设置的是以水为工质的常规余热回收发电系统，可以取得5000Kw的净发电容量，每年约可回收电量为2.3x10⁷Kw.h，折合电价920万元，采用多级蒸发有机朗肯循环新技术后，循环工质采用正己烷，三级蒸发，低压级蒸发压力为1.41bar，对应蒸发温度为80℃，中压级蒸发压力为7.44bar，对应蒸发温度为150℃，高压级蒸发压力为24.2bar，对应蒸发温度为220℃，余热锅炉高压级设置蒸汽过热段，有机透平进口蒸汽温度为240℃，选用6000Kw带两级中间补汽有机透平，所有设备均按图1安装连接。每年可增发9.2x10⁵Kw.h，增加回收电价36.8万元，同时由于节省了化学水处理及除氧设备的投资，总的初投资还略有下降，五年即可收回全部投资。

Claims (7)

1.一种多级蒸发有机朗肯循环余热回收发电系统，其特征是该系统包括：

工质低压加压泵(1)、低压级预热段(2)、低压级蒸发器(3)、中压级预热段(4)、中压级蒸发器(5)、高压级预热段(6)、高压级蒸发器(7)、高压级过热器(8)、中压级工质增压泵(9)、高压级工质增压泵(10)、带补汽口有机透平(或膨胀机)(11)、励磁发电机(12)，有机工质的低压级蒸发、中压级蒸发、高压级蒸发动力循环回路、冷却水回路，

将冷凝的有机工质液体，经过工质低压加压泵(1)、中压级工质增压泵(9)及高压级工质增压泵(10)增加到不同的蒸发压力，送入余热锅炉的低、中、高各级加热段，从低压级预热段(2)和低压级蒸发器(3)来的工质蒸汽用管道引入透平11的低压补汽口，从中压级预热段(4)和中压级蒸发器(5)来的工质蒸汽用管道引入透平有机透平(11)的中压补汽口，从高压级预热段(6)、高压级蒸发器(7)和高压级过热器(8)来的工质蒸汽用管道引入透平(11)的高压进汽缸，工质蒸汽在带中间补汽的多级有机透平内膨胀做功，排汽经过排汽管进入到凝结器中冷凝为液体，再进入储液罐，继而引入低压加压泵(1)，完成工质的一个动力循环，

从凝结器出来的冷却水用水管送到凉水塔上部布水管，降温后流入冷却水循环泵，送入凝结器排除冷凝热，完成冷却水的一个循环，

余热废气从余热锅炉的上部引入，在将热量传给各级工质加热器后，温度降低，从余热锅炉的下部经引风机加压后排入烟囱。

2.如权利要求1所述的多级蒸发有机朗肯循环余热回收发电系统，其特征是：该发电系统动力循环使用带中间补汽口多级有机透平。

3.如权利要求1所述的多级蒸发有机朗肯循环余热回收发电系统，其特征是：该发电系统各级依次增压，即中压级是在低压级上增压至所需之中压，高压级是在中压级上增压至高压。

4.如权利要求1所述的多级蒸发有机朗肯循环余热回收发电系统，其特征是：该发电系统动力循环使用丙R290、R245fa、正戊烷或正己烷纯有机工质。

5.如权利要求1所述的多级蒸发有机朗肯循环余热回收发电系统，其特征是：该发电系统使用500℃以内中低温气态余热。

6.如权利要求1所述的多级蒸发有机朗肯循环余热回收发电系统，其特征是：该发电系统的凝汽器采用水冷凝汽器的冷却排热方式。

7.一种多级蒸发有机朗肯循环余热回收发电方法，其特征是：

(1)按需要的发电容量配备工质低压加压泵(1)、低压级预热段(2)、低压级蒸发器(3)、中压级预热段(4)、中压级蒸发器(5)、高压级预热段(6)、高压级蒸发器(7)、高压级过热器(8)、中压级工质增压泵(9)、高压级工质增压泵(10)、带补汽口有机透平(或膨胀机)(11)、励磁发电机(12)，有机工质的低压级蒸发、中压级蒸发、高压级蒸发动力循环回路、冷却水回路，余热锅炉、凝结器、凉水塔、引风机；

(2)安装并用管道连接好余热锅炉、带中间补汽口多级有机透平、凝结器、储液器、汽液分离器、各级工质增压泵、冷却水循环泵、凉水塔及阀门等设备、配件；

(3)根据管路容积计算工质充注量，将R245fa、正戊烷或正己烷计量充入循环管路中。

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