CN102505973B - 双级膨胀朗肯循环发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双级膨胀朗肯循环发电系统。其系统结构是：膨胀机增设第二进气口，第一级蒸发器工质侧出口与膨胀机的第一进气口连接；第二级蒸发器工质侧出口与膨胀机的第二进气口连接；膨胀机出口接于冷凝器工质侧进口。冷凝器工质侧出口分别接于第一和第二工质泵，第一、二工质泵分别接于第一、二级蒸发器工质侧进口。两级蒸发器串接。第二进气口与膨胀机内腔衔接之处设有左、右气室，气室内设有滑块，滑块开有进、出气槽道。滑块可根据压力的变化产生移动，保持膨胀机内腔与进气压力的稳定。采用双级膨胀机用于朗肯循环发电与常规单级膨胀机相比较，增大了膨胀机的输出功，实现了热源的梯级利用，明显提高了热源利用率以及热电转化效率。
Description
技术领域
本发明属于热发电技术，具体涉及一种针对中低温热源进行热回收而采用双级膨胀的有机朗肯循环发电装置。
背景技术
中低温热源一般是指温度低于200℃的低品位能源，这些热能种类繁多，包括太阳能、地热能等新能源及各种余(废)热等。中低温余热的数量极其庞大，在钢铁、水泥、石油化工等行业生产过程中产生的大量中低温余热，包括热水、低品位烟气和蒸汽等，这些热量数量大、品位低，基本不能被生产过程再利用。回收和利用这部分能源，既可减少能源的消耗，又可减少对环境的污染，达到节能减排的效果。
中低温热源虽然可采用有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle-ORC)进行发电利用，但是由于中低温热源的温度与环境温度之间的温差较小，将这种热源用于膨胀发电，则膨胀机的工作压差较小，膨胀机做功能力低，能源转化效率低，因此限制了中低温热源ORC发电的推广应用。目前国内外对此领域的研究主要体现在：工质的选择与研究；膨胀机的优化设计与提高性能与效率的研究；跨临界循环代替亚临界循环，利用跨临界中的换热过程减少能量损失。而实质上，对于余(废)热回收利用，如何提高其ORC系统的输出功能力则是ORC能否推广应用的本质所在。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双级膨胀朗肯循环发电系统，使得中低温热源的热能利用率得到提高，热电转化效率也得到提高。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：双级膨胀朗肯循环发电系统具有：蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵。其关键点是膨胀机增设第二进气口。在系统连接上：第一级蒸发器工质侧出口与膨胀机的第一进气口连接；第二级蒸发器工质侧出口与膨胀机的第二进气口连接；膨胀机出口接于冷凝器工质侧进口。冷凝器工质侧出口分别接于第一工质泵和第二工质泵，第一工质泵接于第一级蒸发器工质侧进口；第二工质泵接于第二级蒸发器工质侧进口。第一级蒸发器水侧出口串接于第二蒸发器水侧进口。
即第一级蒸发器与膨胀机，冷凝器，第一工质泵串接构成第一级闭合回路，第二级蒸发器与膨胀机，冷凝器、第二工质泵串接构成第二级闭合回路。第一级蒸发器的高温高压工质蒸汽进入膨胀机第一进气口膨胀做功；第二级蒸发器的中压工质蒸汽进入膨胀机中间位置的第二进气口膨胀做功，循环工质由膨胀机出口进入冷凝器，由此实现热源的梯级利用。
由于在膨胀机上增设一个进气口，这样来自二级蒸发器的工质进入膨胀机时的工况参数，主要是压力，能否与膨胀机内腔的压力匹配相等，将影响二级蒸发器的工质能否进入膨胀机做功。为此，第二进气口与膨胀机内腔衔接之处设有气室以及滑块装置。滑块可以根据压力的变化沿膨胀机轴向产生移动，保持膨胀机内腔与进气压力的匹配相等。滑块表面的进、出气槽道可将滑块的两侧气室分别与膨胀机的内外连通，使得右气室与膨胀机的内腔压力保持一致，左气室与膨胀机的外进气压力保持一致。当滑块处的膨胀机内腔压力与外进气压力不平衡时，两侧气室将形成压力差，此压力差将推动滑块移动至内外压力平衡处。通过弹簧设置一定的预设力来调节滑块的平衡位置是偏向于膨胀方向，以保证膨胀机外的进气压力稍高于膨胀机的内压力，以保证第二进气口的正常进气。
本发明的特点以及产生的有益效果是：由于解决了两个进气口的工作参数匹配问题，所以可将单级的膨胀机扩展为具有两个进气口的双级膨胀机，由一个膨胀-发电机组代替两套膨胀-发电机组。与常规单级膨胀机相比较，增大了膨胀机的输出功的同时，又实现了热源的梯级利用。因此采用双级膨胀机用于朗肯循环发电，明显提高了热源利用率以及热电转化效率。
附图说明
图1为本发明结构及系统原理图。
图2为双进气膨胀机内部结构剖面示意图。
图3为图2中的膨胀机第二进气口局部结构的放大示意图。
图4为本发明中滑块结构俯视简图。
图5为本发明系统循环的T-S图，图中：曲线11为工质的饱和线；曲线12为第一级蒸发-膨胀-冷凝过程线；曲线13为第二级蒸发-膨胀-冷凝过程线。
具体实施方式
以下结合附图并通过实施例对本发明的系统结构作进一步的说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。不以此限制本发明的保护范围。
双级膨胀朗肯循环发电系统，其系统连接结构是：第一级蒸发器1-1工质侧出口与膨胀机2的第一进气口3-1连接；第二级蒸发器1-2工质侧出口与膨胀机2的第二进气口3-2连接；膨胀机2出口接于冷凝器4工质侧进口。冷凝器工质侧出口分别接于第一工质泵5-1和第二工质泵5-2；第一工质泵接于第一级蒸发器工质侧进口；第二工质泵接于第二级蒸发器工质侧进口。第一级蒸发器水侧出口串接于第二蒸发器水侧进口(如图1)。
膨胀机增设第二进气口，其内部结构是：膨胀机第二进气口与膨胀机内腔衔接之处设有左气室6-2和右气室6-1，左右气室内设有滑块7，滑块下表面右侧开有出气槽道8-1，滑块上表面左侧开有进气槽道8-2，滑块中间开有主进气口，滑块可在左右气室内移动。滑块的右端与弹簧9固定；弹簧的另一端与调节螺杆10固定，调节螺杆的操作空间与膨胀机的外壳设有密封盖，需要调节螺杆时可将密封盖打开(如图2-图4)。
滑块装置的结构与工作过程是：设在膨胀机第二进气口与膨胀机内腔衔接之处的两个气室内设有滑块(如图3)。以滑块中心为界，在滑块的上表面左侧与下表面右侧分别设置进气槽道和出气槽道，滑块中间开有主进气口(如图4)。第二级蒸发器高压工质大部分通过滑块主进气口进入膨胀机，尚有一小部分通过滑块进气槽道进入左侧气室。一般情况下，膨胀机的进气压力应等于或高于膨胀机腔内压力，膨胀机才能膨胀做功。如果第二进气口处的进气压力减小而导致膨胀机腔内压力高于(第二进气口与膨胀机内腔衔接处)进气压力时，膨胀机腔内的压力将通过滑块右侧出气槽道传入右气室，即两个气室形成压力差。该压差将推动滑块向左移动至内外压力平衡处。同理，如果第二进气口处的进气压力增大而导致膨胀机腔内压力小于(仍然是第二进气口与膨胀机内腔衔接处)进气压力时，第二进气口处的进气压力则通过滑块左侧进气槽道传入左气室，此时两个气室形成的压力差将推动滑块向右移动至内外压力平衡处。所设置弹簧的目的是，预设调节力来控制滑块的平衡位置是偏向于膨胀方向，以保证膨胀机外的进气压力稍高于膨胀机的腔内压力，以保证第二进气口的正常进气。
滑块的密封问题，除了保证加工精度外，主要是通过系统的润滑油来密封。由于滑块处于上述压力平衡处，出现漏气也属于正常进气。
实施例的循环工质为正丁烷(R600)；热源为95℃的热水。分别对常规单级ORC循环与本发明的双级ORC循环，均以达到最大输出功时的运行工况与参数进行热力学循环的理论计算。
本发明的双级ORC循环流程与工作参数说明(系统循环的T-S图，如图5)：
(1)冷凝器出口的35℃的R600饱和液态工质中的56.6％(质量百分比)由第一工质泵加压到8.39bar，送至第一级蒸汽发生器中吸热，变为饱和蒸汽，进入膨胀机第一进气口，膨胀做功发电。膨胀机排气为过热蒸汽，排气温度41.48℃，排气压力3.28bar，过热度6.48℃。
(2)冷凝器出口的35℃的R600饱和液态工质中的其余43.4％(质量百分比)由第二工质泵加压到5.03bar，送至第二级蒸发器加热变为50.53℃的饱和蒸汽，进入膨胀机的第二进气口，膨胀做功发电。排气温度为37.49℃，排气压力3.28bar，过热度2.49℃。
(3)膨胀机出口处两级工质等压混合，进入冷凝器进行冷凝，冷却为饱和液，工作温度为35℃，工作压力3.28bar。冷凝器出口的饱和液体分别由第一和第二工质泵送入两级蒸汽发生器。如此完成一个循环。
以下是常规单级ORC循环与本发明的双级ORC循环均在最大输出功时，两循环的运行工况与参数的对比：
双级ORC循环与常规单级ORC循环发电性能对比
由此得到：双级ORC是在单级ORC基础上增加第二级ORC及做功，使得双级ORC比单级ORC发电能力提高了25.2％；但由于双级ORC的第二级蒸发温度低，所以使得第二级ORC的发电效率降低为2.8％。
Claims (1)
1.双级膨胀朗肯循环发电系统，具有蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵，第一级蒸发器（1-1）工质侧出口与膨胀机（2）的第一进气口（3-1）连接；膨胀机出口依次接于冷凝器（4）工质侧、第一工质泵（5-1）构成单极膨胀朗肯循环发电系统，其特征是：膨胀机（2）增设第二进气口（3-2），冷凝器（4）工质侧出口依次连接第二工质泵（5-2）以及第二级蒸发器（1-2），构成双级膨胀朗肯循环发电系统，所述膨胀机第二进气口与膨胀机内腔衔接之处设有左气室（6-2）和右气室（6-1），左、右气室内设有滑块（7），滑块下表面右侧开有出气槽道（8-1），滑块上表面左侧开有进气槽道（8-2），滑块中间开有主进气口，滑块可在左、右气室内移动，滑块的右端与弹簧（9）固定；弹簧（9）的另一端与调节螺杆（10）固定，调节螺杆的操作空间与膨胀机的外壳设有密封盖。
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