CN102373973A - 中低温热能回收发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中低温热能回收发电装置，它包括换热器、汽轮发电机、冷凝器和制冷剂泵，所述换热器设有热源出口、热源入口、制冷剂出口和制冷剂入口，所述制冷剂出口与汽轮发电机相连，所述汽轮发电机、冷凝器和制冷剂泵依次相连，所述制冷剂泵的出口与制冷剂入口相连，所述换热器通过从热源入口流过的热源的热量将液态的制冷剂汽化推动所述汽轮发电机进行发电，所述冷凝器将推动叶轮转动后的制冷剂冷凝并输出至制冷剂泵，所述制冷剂泵将冷凝的制冷剂送回至热源入口。本发明可以利用废弃的中低温热能发电，具有能源转换率高、适用性好、输出稳定的优点。

Description

中低温热能回收发电装置

技术领域

本发明涉及能源领域，具体涉及一种工业领域热水能回收发电的装置。

背景技术

能源是人类赖以生存和发展所不可或缺的资源，特别是由于电的发现和开发利用，大大推动着人类文明的进步，人类的生产和生活从此已越来越离不开电，而且缺电和电力紧张在工业发达地区随时出现。除了煤炭、石油、天然气等不可再生高级资源可以发电外，如何充分开发利用可回收利用的低级能源发电便成了当今世界各国研究的重要课题之一。

但是，现有的中央空调、钢铁、水泥、石炼化等工业领域的企业通常有大量向外排放的高于60℃的中低温烟气，废蒸汽、废热水等废热资源。例如钢铁企业一般就有如下四个废热资源：炼铁烧结机的带冷机上的废气余热、炼钢转炉顶端的排烟罩产生的蒸汽、轧钢加热炉的废气余热和高炉冲渣水热能。还有地热资源的热水温度也在200℃以下，更多的是60℃左右的低温热水。这些废热资源携带的能量属于中、低温余热，目前普遍利用不高，有些为了达到排放标准，还必须采用鼓风机或者水喷淋冷却，不仅白白浪费了能源，还必须额外浪费一定的电能和水资源。由于这些废热资源一般属于长时间排放或者产生型，累积起来其实是一笔非常客观的能源，非常有必要对其进行回收利用。

发明内容

本发明针对上述现有技术的缺点，提供一种可以利用废弃的中低温热能发电，具有能源转换率高、适用性好、输出稳定的的中低温热能回收发电装置。

为了解决上述技术问题，本申请采用的技术方案为：一种中低温热能回收发电装置，它包括换热器、汽轮发电机、冷凝器和制冷剂泵，所述换热器设有热源出口、热源入口、制冷剂出口和制冷剂入口，所述制冷剂出口与汽轮发电机相连，所述汽轮发电机、冷凝器和制冷剂泵依次相连，所述制冷剂泵的出口与制冷剂入口相连，所述换热器通过从热源入口流过的热源的热量将液态的制冷剂汽化推动所述汽轮发电机进行发电，所述冷凝器将推动叶轮转动后的制冷剂冷凝并输出至制冷剂泵，所述制冷剂泵将冷凝的制冷剂送回至热源入口。

作为本发明的进一步改进：

所述汽轮发电机包括汽轮机和由汽轮机驱动的发电机，所述汽轮机与制冷剂出口相连，所述制冷剂出口输出的汽化制冷剂推动汽轮机，通过汽轮机驱动所述发电机进行发电；

它还包括设于制冷剂出口与汽轮机之间阀门，所述阀门前侧设有用于检测输出制冷剂压强的压力传感器，且阀门受控制器控制，所述压力传感器检测管道内的气态的制冷剂的压强并输出至控制器，所述控制器在气态的制冷剂的压强超过设定压强时打开阀门；

所述汽轮机为超高速汽轮机，且所述汽轮机通过减速机驱动发电机；

所述发电机为双馈型异步发电机；

所述换热器为直管式换热器

所述制冷剂泵为屏蔽泵。

本发明具有下述优点：本发明通过换热器、汽轮发电机、冷凝器和制冷剂泵对制冷剂进行循环反复利用，可以有效实现对中低温热能的废弃热源的利用，可由有效利用现有工业企业的废液热源，能源转换率高；汽轮机为超高速汽轮机，汽轮机通过减速机驱动发电机，可以提高对废液热源的适应性，即使在废液热源不稳定的情况下，依然可以达到较稳定的输出性能；发电机为双馈型异步发电机，对不同流量的介质可以产生恒定频率的电能、输出电能稳定性好、与电网并网简单；压力控制单元可以控制汽轮发电机的启动下限，可以提高在低废弃热源供应时的发电效率；直管式换热器的热转换效率性能好，可以提高整个装置的热转换效率。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例发电机的原理结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的中低温热能回收发电装置包括换热器1、汽轮发电机2、冷凝器3和制冷剂泵4，换热器1设有热源出口111、热源入口112、制冷剂出口12和制冷剂入口13，制冷剂出口12与汽轮发电机2相连，汽轮发电机2、冷凝器3和制冷剂泵4依次相连，制冷剂泵4的出口与制冷剂入口13相连，换热器1通过从热源入口112流过的热源的热量将液态的制冷剂汽化推动汽轮发电机2进行发电，冷凝器3将推动叶轮21转动后的制冷剂冷凝并输出至制冷剂泵4，制冷剂泵4将冷凝的制冷剂送回至热源入口112。

本实施例制冷剂采用R123制冷剂，沸点为30℃。汽轮发电机2包括汽轮机21和由汽轮机21驱动的发电机22，汽轮机21与制冷剂出口12相连，制冷剂出口12输出的汽化制冷剂推动汽轮机21，通过汽轮机21驱动发电机22进行发电。它还包括设于制冷剂出口12与汽轮机21之间阀门51，阀门51前侧设有用于检测输出制冷剂压强的压力传感器52，且阀门51受控制器53控制，压力传感器52检测管道内的气态的制冷剂的压强并输出至控制器53，控制器53在气态的制冷剂的压强超过设定压强时打开阀门51。

换热器1为直管式换热器。汽轮机21为超高速汽轮机，超高速汽轮机转速在20000r/min以上，其能量转换效率达到60％以上。减速机23采用NGGS系列高速齿轮箱，中心距为350mm，最大传递功率750千瓦，最大输出转速3000转/分，最大切线速度176转/分，其能量转换效率约为98％。冷凝器3采用晨光食品机械生产的STZ-670蒸发式冷凝器，蒸发式冷凝器基本上是利用水的汽化以带走气态制冷剂冷凝过程放出的凝结潜热，所消耗的冷却水只是补给散失的水量，这比水冷式冷凝器的冷却水用量要少得多。制冷剂泵4为屏蔽泵。发电机22为双馈型异步发电机。发电机22为双馈型异步发电机，采用EG-850-4型双馈型异步发电机。双馈型异步发电机机组的运行稳定性高，可更多地吸收无功功率，改善目前由于晚间负荷下降、电网电压过高的不利局面。利用矢量变换控制技术，综合改变双馈型异步发电机转子励磁电流的相位和幅值，可以实现双馈型异步发电机输出有功功率和无功功率的解耦控制，因此，在功率调节上双馈型异步发电机较同步发电机有更多的优越性。如图2所示，发电机22为双馈型异步发电机，f₁、f₂分别为双馈型异步发电机定、转子电流的频率，n₁为定子磁场的转速，即同步转速，n₂为转子磁场相对于转子的转速，为双馈型异步发电机转子的电转速。由电机学的知识可知，双馈型异步发电机稳定运行时，定、转子旋转磁场相对静止，即n₁＝n₂+n_r，由于f₁＝n₁/60、f₂＝n₂/60可知，f₁＝f₂+n_r/60。从上式可知，当发电机转速变化时，可通过调节转子励磁电流频率保持定子输出电能频率恒定，这是变速恒频运行的原理。它具有下述优点：

1、适用于原动机变速运行场合中，实现高效、优质发电；在很多发电场合中，原动机转速是时刻变化的，如潮汐电站中，水头是变化的，使水轮机转速也变化；发电中，随风速的变化机转速也会变化；船舶与航空发电机的转速跟着推进器的速度而变化。以往的发电方式中，由于受电网频率和同步发电机特性的限制，发电机转速不能变，迫使原动机在不同水头、不同等情况下维持一个转速，使得机组运行效率降低，原动机磨损增大，发电质量下降或被迫降低出力，甚至停机。双馈型异步发电机可通过调节转子励磁电流的幅值、频率与相位，在原动机速度变化时也可保证发出恒定频率的电能，从而提高了机组的运行效率，降低了机组的磨损，延长了机组的使用寿命。

2、能参与电力系统的无功功率调节，提高系统稳定性。现代电力系统的发展趋势是单机容量越来越大，送电距离日益增长，输电线电压等级逐渐提高。此外，电网负荷变化率也随社会需求越来越大，经常出现输电线传输有功功率高于其自然功率的工况。这时线路出现过剩无功功率，引起持续工频过电压，这会危及系统的安全运行和增加损耗。目前解决的办法是在线路上加装静止电抗器、调相机或静止无功补偿器，或要求发电机进相运行，这些措施提高了运行的技术和经济成本。由于双馈型异步发电机可以调节励磁电流的相位，达到改变功率角使发电机稳定运行的目的，所以可通过交流励磁使发电机吸收更多无功功率，参与电网的无功功率调节，解决电网电压升高的弊病，从而提高电网运行效率、电能质量与稳定性。

3、可实现发电机安全、便捷的并网；采用同步发电机或异步发电机时，并网控制较为复杂，往往需要精确的转速控制和整步、准同步操作。而采用双馈型异步发电机时，通过对转子实施交流励磁，精确地调节发电机定子输出电压，使其满足并网要求，实现安全而快速的“柔性”并网操作。

本实施例中，废热为70℃左右的炼铁高炉冲渣水，高炉容量1500立方米，每炉产铁250吨，冶炼周期为1.6小时，冲渣时间：40分钟，非冲渣间隔时间40分钟，冲渣时水温80℃，非冲渣时水温60℃，热水流量1500吨/小时，平均热水温度70-75℃(关闭冷却塔)，热水系统运行周期8000小时/年。热源入口111的热水温度为70℃，焓值h1＝293KJ/Kg，热源出口112的热水温度为60℃，焓值251KJ/Kg，因此可回收热量为42kj/kg×1000×1500m³/h＝63000000kj＝17500kw/h。热回收系统综合效率为60％，实际可回收热能量为17500×60％＝10500kw/h，发电系统净效率10％，发电功率为1050kw/h，由于高炉是间歇性冲渣，为此将汽轮发电机功率降低到70％，以满足发电系统总的热平衡。采用低温热能回收发电装置以后，现有的冷却塔可以停止运行，由此节电110万kw/h每年，汽轮发电机平均功率650kw/h，年发电量650*8000＝520万kw/h，设备自耗80kw/h，年耗电80*8000＝64万kw/h，年综合节约电能：110+520-64＝566万kw/h，折合金额：566×0.55元/kw.h＝311.3万元/年。

本实施例的工作过程如下：炼铁高炉冲渣水从热源入口111进入换热器1，经过热交换后从热源出口112流出。液态的制冷剂通过换热器1时，经热交换吸热变成70℃左右的气态，当压力传感器52检测的压强达到0.3MPa时，压力传感器52向控制器53发出信号，控制器53打开阀门51。气态的制冷剂推动汽轮机21，汽轮机21通过减速机23带动发电机22发电，气态的制冷剂推动汽轮机21做功时，气态的制冷剂会有部分凝结呈液态，然后经过冷凝器3的进一步冷凝全部转换为液态，再由制冷剂泵4将液态的制冷剂从制冷剂入口13送入换热器1，从而实现制冷剂的循环。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种中低温热能回收发电装置，其特征在于：它包括换热器(1)、汽轮发电机(2)、冷凝器(3)和制冷剂泵(4)，所述换热器(1)设有热源出口(111)、热源入口(112)、制冷剂出口(12)和制冷剂入口(13)，所述制冷剂出口(12)与汽轮发电机(2)相连，所述汽轮发电机(2)、冷凝器(3)和制冷剂泵(4)依次相连，所述制冷剂泵(4)的出口与制冷剂入口(13)相连，所述换热器(1)通过从热源入口(112)流过的热源的热量将液态的制冷剂汽化推动所述汽轮发电机(2)进行发电，所述冷凝器(3)将推动叶轮(21)转动后的制冷剂冷凝并输出至制冷剂泵(4)，所述制冷剂泵(4)将冷凝的制冷剂送回至热源入口(112)。

2.根据权利要求1所述的中低温热能回收发电装置，其特征在于：所述汽轮发电机(2)包括汽轮机(21)和由汽轮机(21)驱动的发电机(22)，所述汽轮机(21)与制冷剂出口(12)相连，所述制冷剂出口(12)输出的汽化制冷剂推动汽轮机(21)，通过汽轮机(21)驱动所述发电机(22)进行发电。

3.根据权利要求2所述的中低温热能回收发电装置，其特征在于：它还包括设于制冷剂出口(12)与汽轮机(21)之间阀门(51)，所述阀门(51)前侧设有用于检测输出制冷剂压强的压力传感器(52)，且阀门(51)受控制器(53)控制，所述压力传感器(52)检测管道内的气态的制冷剂的压强并输出至控制器(53)，所述控制器(53)在气态的制冷剂的压强超过设定压强时打开阀门(51)。

4.根据权利要求3所述的中低温热能回收发电装置，其特征在于：所述汽轮机(21)为超高速汽轮机，且所述汽轮机(21)通过减速机(23)驱动发电机(22)。

5.根据权利要求4所述的中低温热能回收发电装置，其特征在于：所述发电机(22)为双馈型异步发电机。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的中低温热能回收发电装置，其特征在于：所述换热器(1)为直管式换热器。

7.根据权利要求1～5任意一项所述的中低温热能回收发电装置，其特征在于：所述制冷剂泵(4)为屏蔽泵。

8.根据权利要求6所述的中低温热能回收发电装置，其特征在于：所述制冷剂泵(4)为屏蔽泵。

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