CN102817657A

CN102817657A - 基于热管技术的有机朗肯循环低温余热发电系统

Info

Publication number: CN102817657A
Application number: CN2012103360103A
Authority: CN
Inventors: 肖兰; 吴双应; 李友荣; 刘朝
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2032-09-12
Also published as: CN102817657B

Abstract

一种基于热管技术的有机朗肯循环低温余热发电系统，属低温余热利用工程领域。本系统包括有机朗肯循环子系统、蓄热子系统和储液子系统。本系统一方面可实现低温余热发电的要求，提高能量利用率，减少环境污染；另一方面可最大限度地满足用户对电力的波动性需求。与普通的有机朗肯循环低温余热发电系统相比，本系统加入了热管和蓄热技术，其循环工质为湿流体或干流体有机工质，具有系统构成简单、运行效率高、投资成本低、可靠性高、适应性强以及稳定性好等特点。

Description

基于热管技术的有机朗肯循环低温余热发电系统

技术领域

本发明的名称是基于热管技术的有机朗肯循环低温余热发电系统，属低温余热利用工程领域。

背景技术

目前，我国经济的快速增长是以巨大的能源消耗为代价的，其中工业能耗占能源消耗总量的70%左右，而工业能耗的60 ~ 65%都转化为载体不同、温度不同的余热。其中，350℃以下的低温余热的数量极其庞大，包括冶金、建材、石油化工等行业生产过程中产生的热水、低品位烟气和蒸汽等。目前低温余热主要应用于供暖、热水等领域，而低温余热发电技术尚在发展之中。

与水蒸气朗肯循环（Steam Rankine Cycle，SRC）相比，有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）将低温热源转换为电能更为经济、高效、可靠。首先，SRC由于水蒸气的热物理特性要求热源温度在370℃以上才能高效运行，而ORC要求的热源温度较低，100℃左右的热源就可维持其正常运行。其次，SRC系统必须设置除钙、镁离子硬度的软水系统，还必须经严格的除氧处理，而ORC不需要这些辅助系统，因此系统构成比较简单。再次，SRC中的水蒸气在低温条件下的蒸发压力较低，导致水蒸气比体积很大，汽轮机需要较大的流通面积，而ORC中的有机工质由于其低沸点特性，在低温条件下可获得较高的蒸汽压力，比体积很小，所需的透平流通面积较小，因此可减少钢材消耗量，降低投资成本。此外，SRC的冷端（冷凝器）处于比外界大气压低很多的真空状态（绝对压力一般为0.03 ~ 0.05bar），为了排除不凝气体，需设置真空维持系统，而ORC的冷端一般保持在大气压之上，无此必要。最后，SRC为使汽轮机进口处的蒸汽达到一定的过热度，需设置过热蒸汽加热段，而对于ORC而言，若使用干流体有机工质，工质可在蒸发压力下的饱和蒸汽状态进入透平膨胀机做功，省去了过热段，简化了余热锅炉结构，节省了换热面积的投资。

另一方面，普通有机朗肯循环低温余热发电系统通常采用余热锅炉将余热介质携带的热量转化为到透平膨胀机做功的有机工质蒸气所需的热量，能量利用率低，对余热热负荷和电负荷的适应性差。而热管作为一种结构简单、传热高效的换热元件，虽然已在工程领域得到了广泛应用，但是热管与有机朗肯循环系统相结合的技术尚少有相关报道。同时，考虑到余热的流量、温度以及电力需求的波动性，采用蓄热技术可提高系统运行的适应性、稳定性和可靠性。

基于以上现状和思想，本发明在普通有机朗肯循环低温余热发电系统的基础上，将热管技术、蓄热技术和有机朗肯循环低温余热发电技术相结合，提出一种基于热管技术的有机朗肯循环低温余热发电系统。

发明内容

本发明提供一种基于热管技术的有机朗肯循环低温余热发电系统。本系统包括ORC子系统、蓄热子系统和储液子系统。本系统一方面可实现低温余热发电的要求，从而提高整体的能量利用率，减少环境污染。另一方面，采用的热管技术可有效减小余热介质和有机工质的换热温差，提高换热效率；同时，加入蓄热和储液装置既可适应余热介质流量和温度的变化，又可满足电负荷需求的动态变化。

本发明通过以下技术方案实现：

主要由冷凝器1、回热器泵2、回热器3、ORC子系统蒸发器热管蒸发段4、ORC子系统蒸发器热管绝热段5、ORC子系统蒸发器热管冷凝段6、ORC子系统过热器和再热器公用的热管蒸发段7、ORC子系统过热器热管绝热段8、ORC子系统过热器热管冷凝段9、ORC子系统再热器热管绝热段10、ORC子系统再热器热管冷凝段11、透平膨胀机高压缸12、透平膨胀机低压缸13、发电机14、蓄热子系统过热器热管蒸发段15、蓄热子系统过热器的蓄热容器16、相变材料17、蓄热子系统过热器热管冷凝段18、蓄热子系统蒸发器热管蒸发段19、蓄热子系统蒸发器的蓄热容器20、蓄热子系统蒸发器热管冷凝段21、储液罐22、储液罐泵23、翅片24和阀门25组成的一种基于热管技术的有机朗肯循环低温余热发电系统，其特征在于：ORC子系统蒸发器热管蒸发段4、ORC子系统过热器和再热器公用的热管蒸发段7、ORC子系统过热器热管冷凝段9、ORC子系统再热器热管冷凝段11、蓄热子系统过热器热管蒸发段15、蓄热子系统过热器热管冷凝段18和蓄热子系统蒸发器热管蒸发段19均装有翅片24；蓄热子系统过热器的蓄热容器16置于蓄热子系统过热器热管蒸发段15和蓄热子系统过热器热管冷凝段18中间；蓄热子系统蒸发器的蓄热容器20置于蓄热子系统蒸发器热管蒸发段19和蓄热子系统蒸发器热管冷凝段21中间。

本发明的ORC子系统的循环工质为干流体或湿流体有机工质；ORC子系统采用回热和一次再热；ORC子系统中过热器和再热器为一体化结构，即有过热器和再热器公用的热管蒸发段7。

本发明与现有能源利用系统相比具有以下特点：（1）本系统采用ORC实现低温余热发电，其循环工质为有机工质（既可为湿流体，也可为干流体），相对于SRC或其它余热利用方式而言具有系统构成简单、热效率高、投资成本低、运行可靠等优点。（2）本系统在普通ORC系统的基础上加入了蓄热和储液装置，一方面可有效调节余热介质热负荷与电负荷需求不一致的矛盾，提高系统运行的稳定性和可靠性；另一方面可最大限度地满足用电需求，实现低温余热的高效利用。（3）本系统ORC中过热器与和再热器采用公用蒸发段的结构，既简化了系统构成，又减小了换热面积，降低了成本。（4）本系统的蒸发器、过热器、再热器均采用热管结构，且蒸发器热管蒸发段、过热器和再热器热管的表面均装有翅片，实现了余热介质与ORC中有机工质的高效均温传热。

附图说明

图1为本发明实施示意图。

其中：1－冷凝器；2－回热器泵；3－回热器；4－ORC子系统蒸发器热管蒸发段；5－ORC子系统蒸发器热管绝热段；6－ORC子系统蒸发器热管冷凝段；7－ORC子系统过热器和再热器公用的热管蒸发段；8－ORC子系统过热器热管绝热段；9－ORC子系统过热器热管冷凝段；10－ORC子系统再热器热管绝热段；11－ORC子系统再热器热管冷凝段；12－透平膨胀机高压缸；13－透平膨胀机低压缸；14－发电机；15－蓄热子系统过热器热管蒸发段；16－蓄热子系统过热器的蓄热容器；17－相变材料；18－蓄热子系统过热器热管冷凝段；19－蓄热子系统蒸发器热管蒸发段；20－蓄热子系统蒸发器的蓄热容器；21－蓄热子系统蒸发器热管冷凝段；22－储液罐；23－储液罐泵；24－翅片；25－阀门。

具体实施方式

以下结合说明书附图中的图1对本发明具体实施进行详细说明。

本发明主要由冷凝器1、回热器泵2、回热器3、ORC子系统蒸发器热管蒸发段4、ORC子系统蒸发器热管绝热段5、ORC子系统蒸发器热管冷凝段6、ORC子系统过热器和再热器公用的热管蒸发段7、ORC子系统过热器热管绝热段8、ORC子系统过热器热管冷凝段9、ORC子系统再热器热管绝热段10、ORC子系统再热器热管冷凝段11、透平膨胀机高压缸12、透平膨胀机低压缸13、发电机14、蓄热子系统过热器热管蒸发段15、蓄热子系统过热器的蓄热容器16、相变材料17、蓄热子系统过热器热管冷凝段18、蓄热子系统蒸发器热管蒸发段19、蓄热子系统过热器的蓄热容器20、蓄热子系统蒸发器热管冷凝段21、储液罐22、储液罐泵23、翅片24和阀门25组成。

本发明的工作过程如下：

（1）余热量等于额定值，电负荷等于额定值（额定工况1）

阀门、泵的开启情况：阀门251、253、2512打开（对于干流体，阀门251、254、2512打开），其余阀门关闭；回热器泵2打开，储液罐泵23关闭。

余热介质的放热过程：来自工业系统的余热介质经阀门251进入ORC子系统过热器和再热器公用的热管蒸发段7经管壁和翅片242一次放热给热管工质，热管工质吸热气化后，一部分余热由气态热管工质携带，经ORC子系统过热器热管绝热段8进入ORC子系统过热器热管冷凝段9，将冷凝热经管壁和翅片243传递给ORC饱和气态有机工质，使之成为过热气态有机工质；另一部分余热由气态热管工质携带，经ORC子系统再热器热管绝热段10进入ORC子系统再热器热管冷凝段11，将冷凝热经管壁和翅片244传递给由透平膨胀机高压缸12尾部引出的ORC有机工质，从而实现有机工质的再热过程；一次放热后的余热介质进入ORC子系统蒸发器热管蒸发段4经管壁和翅片241二次放热给热管工质，热管工质吸热气化经ORC子系统蒸发器热管绝热段5进入ORC子系统蒸发器热管冷凝段6，将冷凝热传递给ORC饱和液态有机工质，使之成为饱和气态有机工质；两次放热后的余热介质直接排向环境。

ORC的发电过程：在冷凝器1中冷凝的饱和液态有机工质经回热器泵2进入回热器3进行预热；预热后的有机工质经阀门2512进入ORC子系统蒸发器热管冷凝段6吸收ORC子系统蒸发器热管蒸发段4中余热介质放出的热量，气化形成饱和气态有机工质；饱和气态有机工质经阀门253进入ORC子系统过热器热管冷凝段9进一步吸收ORC子系统过热器和再热器公用的热管蒸发段7中余热介质放出的部分热量，形成过热气态有机工质；过热气态有机工质进入透平膨胀机高压缸12做功（对于干流体，饱和气态有机工质经阀门254直接进入透平膨胀机做功），带动发电机14发电，膨胀做功后的有机工质由透平膨胀机高压缸12尾部被全部引出，进入ORC子系统再热器热管冷凝段11再次吸热，然后进入透平膨胀机低压缸13继续做功，带动发电机14继续发电；从透平膨胀机低压缸13尾部排出的有机工质经回热器3初步冷却，然后进入冷凝器1中冷凝，如此完成发电循环。

（2）余热量大于额定值，电负荷等于额定值（工况2）

阀门、泵的开启情况：阀门251、252、253、2512打开（对于干流体，阀门251、252、254、2512打开），其余阀门关闭；回热器泵2打开，储液罐泵23关闭。

余热介质的放热过程：来自工业系统的余热介质一部分经阀门251进入ORC子系统过热器和再热器公用的热管蒸发段7，经管壁和翅片242一次放热给热管工质，热管工质吸热气化后，一部分余热由气态热管工质携带，经ORC子系统过热器热管绝热段8进入ORC子系统过热器热管冷凝段9，将冷凝热经管壁和翅片243传递给ORC饱和气态有机工质，使之成为过热气态有机工质；另一部分余热由气态热管工质携带，经ORC子系统再热器热管绝热段10进入ORC子系统再热器热管冷凝段11，将冷凝热经管壁和翅片244传递给透平膨胀机高压缸12尾部引出的ORC有机工质，从而实现有机工质的再热过程；一次放热后的余热介质进入ORC子系统蒸发器热管蒸发段4经管壁和翅片241二次放热给热管工质，热管工质吸热气化经ORC子系统蒸发器热管绝热段5进入ORC子系统蒸发器热管冷凝段6，将冷凝热传递给ORC饱和液态有机工质，使之成为饱和气态有机工质；两次放热后的余热介质直接排向环境。另一部分余热介质经阀门252依次进入蓄热子系统过热器热管蒸发段15和蓄热子系统蒸发器热管蒸发段19，经管壁和翅片245、247放热给热管工质，热管工质吸热气化后，将气化潜热传递给蓄热子系统过热器的蓄热容器16和蓄热子系统蒸发器的蓄热容器20内的相变材料17，放热后的余热介质与由ORC子系统蒸发器热管蒸发段4排出的余热介质汇合后直接排向环境。

ORC的发电过程：同额定工况（1）。

（3）余热量小于额定值，电负荷等于额定值（工况3）

阀门、泵的开启情况：阀门251、253、255、256、257、258、2512打开（对于干流体，阀门251、254、255、256、259、2512打开），其余阀门关闭；回热器泵2打开，储液罐泵23关闭。

余热介质的放热过程：同额定工况（1）。

ORC的发电过程：在冷凝器1中冷凝的饱和液态有机工质经回热器泵2进入回热器3进行预热。预热后的一部分有机工质经阀门2512进入ORC子系统蒸发器热管冷凝段6吸收ORC子系统蒸发器热管蒸发段4中余热介质放出的热量，气化形成饱和气态有机工质；饱和气态有机工质经阀门253进入ORC子系统过热器热管冷凝段9进一步吸收ORC子系统过热器和再热器公用的热管蒸发段7中余热介质放出的部分热量，形成过热气态有机工质。而预热后的另一部分有机工质依次经阀门255、256进入蓄热子系统蒸发器热管冷凝段21吸收蓄热子系统蒸发器的蓄热容器20内的相变材料17放出的热量，气化形成饱和气态有机工质；饱和气态有机工质经阀门257进入蓄热子系统过热器热管冷凝段18吸收蓄热子系统过热器的蓄热容器16内的相变材料17放出的热量，形成过热气态有机工质。蓄热子系统内的过热气态有机工质经阀门258与ORC子系统内的过热气态有机工质一起进入透平膨胀机高压缸12做功（对于干流体，饱和气态有机工质分别经阀门254、259直接进入透平膨胀机做功），带动发电机14发电，膨胀做功后的有机工质由透平膨胀机高压缸12尾部被全部引出，进入ORC子系统再热器热管冷凝段11再次吸热，然后进入透平膨胀机低压缸13继续做功，带动发电机14继续发电；从透平膨胀机低压缸13尾部排出的有机工质经回热器3初步冷却，然后进入冷凝器1中冷凝，如此完成发电循环。

（4）余热量等于额定值，电负荷大于额定值（工况4）

阀门、泵的开启情况：在系统电负荷由额定值逐渐增加至需求值的过程中，阀门251、253、255、256、257、258、2510、2512打开（对于干流体，阀门251、254、255、256、259、2510、2512打开），其余阀门关闭；回热器泵2、储液罐泵23均打开。当系统电负荷一旦增加至需求值之后，阀门、泵的开启情况同工况（3）。

余热介质的放热过程：同额定工况（1）。

ORC的发电过程：在系统电负荷由额定值逐渐增加至需求值的过程中，在冷凝器1中冷凝的饱和液态有机工质经回热器泵2进入回热器3进行预热。在预热后的有机工质中，额定流量的有机工质经阀门2512进入ORC子系统蒸发器热管冷凝段6，其余的有机工质经阀门255与从储液罐22依次经储液罐泵23、阀门2510流出的有机工质汇合后经阀门256进入蓄热子系统蒸发器热管冷凝段21。其中，进入ORC子系统蒸发器热管冷凝段6的有机工质吸收ORC子系统蒸发器热管蒸发段4中余热介质放出的热量，气化形成饱和气态有机工质；饱和气态有机工质经阀门253进入ORC子系统过热器热管冷凝段9进一步吸收ORC子系统过热器和再热器公用的热管蒸发段7中余热介质放出的部分热量，形成过热气态有机工质。与此同时，进入蓄热子系统蒸发器热管冷凝段21的有机工质吸收蓄热子系统蒸发器的蓄热容器20内的相变材料17放出的热量，气化形成饱和气态有机工质；饱和气态有机工质经阀门257进入蓄热子系统过热器热管冷凝段18吸收蓄热子系统过热器的蓄热容器16内的相变材料17放出的热量，形成过热气态有机工质。蓄热子系统内的过热气态有机工质经阀门258与ORC子系统内的过热气态有机工质一起进入透平膨胀机高压缸12做功（对于干流体，饱和气态有机工质分别经阀门254、259直接进入透平膨胀机做功），带动发电机14发电，膨胀做功后的有机工质由透平膨胀机高压缸12尾部被全部引出，进入ORC子系统再热器热管冷凝段11再次吸热，然后进入透平膨胀机低压缸13继续做功，带动发电机14继续发电；从透平膨胀机低压缸13尾部排出的有机工质经回热器3初步冷却，然后进入冷凝器1中冷凝，如此完成发电循环。当系统电负荷一旦增加至需求值之后，ORC的发电过程同工况（3）。

（5）余热量等于额定值，电负荷小于额定值（工况5）

阀门、泵的开启情况：在系统电负荷由额定值逐渐减小至需求值的过程中，阀门251、252、253、255、2510、2511、2512打开（对于干流体，阀门251、252、254、255、2510、2511、2512打开），其余阀门关闭；回热器泵2打开，储液罐泵23关闭。当系统电负荷一旦减小至需求值之后，阀门、泵的开启情况同工况（2）

余热介质的放热过程：同工况（2）。

ORC的发电过程：在系统电负荷由额定值逐渐减小至需求值的过程中，在冷凝器1中冷凝的饱和液态有机工质经回热器泵2进入回热器3进行预热。在预热后的有机工质中，一定流量（与电负荷匹配）的有机工质经阀门2512进入ORC子系统蒸发器热管冷凝段6，其余的有机工质经阀门255、2510、2511储存在储液罐22中。其中，进入ORC子系统蒸发器热管冷凝段6的有机工质吸收ORC子系统蒸发器热管蒸发段4中余热介质放出的热量，气化形成饱和气态有机工质；饱和气态有机工质经阀门253进入ORC子系统过热器热管冷凝段9进一步吸收ORC子系统过热器和再热器公用的热管蒸发段7中余热介质放出的部分热量，形成过热气态有机工质。过热气态有机工质进入透平膨胀机高压缸12做功（对于干流体，饱和气态有机工质经阀门254直接进入透平膨胀机做功），带动发电机14发电，膨胀做功后的有机工质由透平膨胀机高压缸12尾部被全部引出，进入ORC子系统再热器热管冷凝段11再次吸热，然后进入透平膨胀机低压缸13继续做功，带动发电机14继续发电；从透平膨胀机低压缸13尾部排出的有机工质经回热器3初步冷却，然后进入冷凝器1中冷凝，如此完成发电循环。当系统电负荷一旦减小至需求值之后，ORC的发电过程同额定工况（1）。

（6）余热量大于零，电负荷等于零（工况6）

阀门、泵的开启情况：阀门252打开，其余阀门关闭；回热器泵2、储液罐泵23均关闭。

余热介质的放热过程：来自工业系统的余热介质经阀门252依次进入蓄热子系统过热器热管蒸发段15和蓄热子系统蒸发器热管蒸发段19，经管壁和翅片245、247放热给热管工质，热管工质吸热气化后，将气化潜热传递给蓄热子系统过热器的蓄热容器16和蓄热子系统蒸发器的蓄热容器20内的相变材料17，放热后的余热介质直接排向环境。

ORC的发电过程：不发电，即与发电有关的设备停止运行。

Claims

1.一种基于热管技术的有机朗肯循环低温余热发电系统，主要由冷凝器（1）、回热器泵（2）、回热器（3）、ORC子系统蒸发器热管蒸发段（4）、ORC子系统蒸发器热管绝热段（5）、ORC子系统蒸发器热管冷凝段（6）、ORC子系统过热器和再热器公用的热管蒸发段（7）、ORC子系统过热器热管绝热段（8）、ORC子系统过热器热管冷凝段（9）、ORC子系统再热器热管绝热段（10）、ORC子系统再热器热管冷凝段（11）、透平膨胀机高压缸（12）、透平膨胀机低压缸（13）、发电机（14）、蓄热子系统过热器热管蒸发段（15）、蓄热子系统过热器的蓄热容器（16）、相变材料（17）、蓄热子系统过热器热管冷凝段（18）、蓄热子系统蒸发器热管蒸发段（19）、蓄热子系统蒸发器的蓄热容器（20）、蓄热子系统蒸发器热管冷凝段（21）、储液罐（22）、储液罐泵（23）、翅片（24）和阀门（25）组成；其特征在于：ORC子系统蒸发器热管蒸发段（4）、ORC子系统过热器和再热器公用的热管蒸发段（7）、ORC子系统过热器热管冷凝段（9）、ORC子系统再热器热管冷凝段（11）、蓄热子系统过热器热管蒸发段（15）、蓄热子系统过热器热管冷凝段（18）和蓄热子系统蒸发器热管蒸发段（19）均装有翅片（24）；蓄热子系统过热器的蓄热容器（16）置于蓄热子系统过热器热管蒸发段（15）和蓄热子系统过热器热管冷凝段（18）中间；蓄热子系统蒸发器的蓄热容器（20）置于蓄热子系统蒸发器热管蒸发段（19）和蓄热子系统蒸发器热管冷凝段（21）中间。

2.根据权利要求1所述的一种基于热管技术的有机朗肯循环低温余热发电系统，其特征在于：ORC子系统的循环工质为干流体或湿流体有机工质；ORC子系统采用回热和一次再热；ORC子系统中过热器和再热器为一体化结构，即采用过热器和再热器公用的热管蒸发段（7）。