CN103206317B - 一种内燃发电机组余热梯级回收利用系统 - Google Patents

Abstract

一种内燃发电机组余热梯级回收利用系统，它涉及一种内燃发电机组的烟气余热回收利用系统，以解决现有内燃发电机组烟气余热直接采用有机朗肯循环系统回收利用，存在内燃发电机组烟气温度仍偏高，能量利用效率较低，发电效率较低的问题，它包括水蒸汽朗肯循环子系统和有机朗肯循环子系统；所述水蒸汽朗肯循环子系统包括余热锅炉、蒸汽透平、第一发电机和输送泵；所述有机朗肯循环子系统包括有机工质蒸发器、有机工质预热器、有机透平、回热器、有机工质冷凝器、有机工质泵和第二发电机；余热锅炉的过热蒸汽出口与蒸汽透平的做功循环工质入口端连通，有机工质冷凝器与回热器的第二入口端连通。本发明用于内燃发电机组的烟气余热回收利用。

Description

一种内燃发电机组余热梯级回收利用系统

技术领域

本发明涉及一种内燃发电机组的烟气余热回收利用系统，具体涉及一种基于水蒸汽朗肯循环和有机朗肯循环的内燃发电机组的烟气余热梯级回收利用系统，属于工业节能技术领域。

背景技术

内燃发电机组在煤层气回收、垃圾填埋气发电、海上平台等多行业、多领域已经得到广泛应用。但是，内燃发电机组运行过程产生的烟气温度仍旧高达400℃～600℃。目前，绝大部分机组对这部分烟气的回收仅限于提供部分生活用热水，部分以热水或者热油为中间介质，直接驱动简单有机朗肯循环系统进行发电，发电效率低下。大体上，对于采用有机朗肯循环系统的应用，由于工作流体的限制，超过临界温度——诸如但不限于200℃，会带来工作流体的不稳定，而内燃发电机组的排烟温度对此而言，明显偏高，直接采用有机朗肯循环系统，热能利用效率低下，效率为6％-10％。另一方面，导致内燃发电机组排烟温度难以降低，于节能减排不利。因此，期待一种更高效的改进型余热回收系统，以便解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为解决现有内燃发电机组烟气余热直接采用有机朗肯循环系统回收利用，存在内燃发电机组烟气温度仍偏高，能量利用效率较低，发电效率较低的问题，进而提供一种内燃发电机组余热梯级回收利用系统。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的一种内燃发电机组余热梯级回收利用系包括水蒸汽朗肯循环子系统和有机朗肯循环子系统；

所述水蒸汽朗肯循环子系统包括余热锅炉、蒸汽透平、第一发电机和输送泵；所述有机朗肯循环子系统包括有机工质蒸发器、有机工质预热器、有机透平、回热器、有机工质冷凝器、有机工质泵和第二发电机；

余热锅炉的过热蒸汽出口与蒸汽透平的做功循环工质入口端连通，蒸汽透平的做功循环工质出口端与有机工质蒸发器的第一入口端连通，蒸汽透平与第一发电机连通，有机工质蒸发器的第一出口端与有机工质预热器的第一入口端连通，有机工质预热器的第一出口端通过输送泵与内燃发电机组上的气缸冷却器连通，内燃发电机组上的气缸冷却器用于与余热锅炉连通，内燃发电机组排出的高温烟气热量用于供给余热锅炉；

有机工质透平的做功循环有机工质出口端与回热器的第一入口端连通，回热器的第一出口端与有机工质冷凝器连通，有机工质冷凝器通过有机工质泵与回热器的第二入口端连通，回热器的第二出口端与有机工质预热器的第二入口端连通，有机工质预热器的第二出口端与有机工质蒸发器的第二入口端连通，有机工质蒸发器的第二出口端与有机工质透平的做功循环有机工质入口端连通，有机工质透平与第二发电机连通。

本发明的有益效果是：一、本发明利用温差传热原理，利用高温烟气的高品位能量，将水蒸汽朗肯循环和有机工质朗肯循环串接联合使用，通过水蒸汽朗肯循环子系统回收利用经蒸汽透平推动第一发电机发电，实现烟气余热的初次回收利用，水蒸汽朗肯循环子系统中的蒸汽透平将做完工的乏汽作为有机朗肯循环子系统的热源加热低沸点有机工质，气态的有机工质经蒸汽透平推动第二发电机发电，实现余热的梯级回收利用，进而达到余热的充分回收利用，有效的提高了系统整体的热量总回收利用效率，降低了内燃发电机组的排烟温度，达到了节能减排；二、热能回收所发的电量属于高品位能，用途广泛，提高了整个系统的热能利用效率，本发明的两级朗肯循环子系统可进一步增加10％-20％热能的回收比例，增设回热器的有机朗肯循环子系统的回收率提高到10％～15％，总的发电效率相比直接采用单级的有机朗肯循环子系统提高了6％～10％，总的发电量得到了大大提高。

附图说明

图1是发明的整体结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种内燃发电机组余热梯级回收利用系统包括水蒸汽朗肯循环子系统和有机朗肯循环子系统；

所述水蒸汽朗肯循环子系统包括余热锅炉1、蒸汽透平4、第一发电机17和输送泵15；所述有机朗肯循环子系统包括有机工质蒸发器5、有机工质预热器12、有机透平8、回热器9、有机工质冷凝器10、有机工质泵11和第二发电机18；

余热锅炉1的过热蒸汽出口与蒸汽透平4的做功循环工质入口端4-1连通，蒸汽透平4的做功循环工质出口端4-2与有机工质蒸发器5的第一入口5-1端连通，蒸汽透平4与第一发电机17连通，有机工质蒸发器5的第一出口端5-2与有机工质预热器12的第一入口端12-1连通，有机工质预热器12的第一出口端12-2通过输送泵15与内燃发电机组上的气缸冷却器16连通，内燃发电机组上的气缸冷却器16用于与余热锅炉1连通，内燃发电机组排出的高温烟气热量用于供给余热锅炉1；

有机工质透平8的做功循环有机工质出口端8-2与回热器9的第一入口端9-1连通，回热器9的第一出口端9-2与有机工质冷凝器10连通，有机工质冷凝器10通过有机工质泵11与回热器9的第二入口端9-3连通，回热器9的第二出口端9-4与有机工质预热器12的第二入口端12-3连通，有机工质预热器12的第二出口端12-4与有机工质蒸发器5的第二入口端5-3连通，有机工质蒸发器5的第二出口端5-4与有机工质透平8的做功循环有机工质入口端8-1连通，有机工质透平8与第二发电机18连通。

本实施方式的有机工质可选用五氟丙烷(R245fa)、R245ca、四氟乙烷(R134a)或R123。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述回收利用系统还包括第一调节阀2，所述余热锅炉1的过热蒸汽出口与蒸汽透平4的做功循环工质入口端连通的管路上安装有第一调节阀2，所述第一调节阀2为电动调节阀或气动调节阀。如此设置，控制方便及时，满足蒸汽参数的需要。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述回收利用系统还包括第二调节阀3，余热锅炉1的过热蒸汽出口与蒸汽透平4的做功循环工质出口端4-2连通的管路上安装有第二调节阀3，所述第二调节阀3为电动调节阀或气动调节阀。如此设置，控制方便及时，能保证机组的启动和紧急关断。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述回收利用系统还包括第三调节阀13，内燃发电机组上的气缸冷却器16与有机工质蒸发器5的第一出口端5-2或有机工质预热器12的第一入口端12-1连通的管路上安装有第三调节阀13，所述第三调节阀13为电动调节阀或气动调节阀。如此设置，控制方便及时，满足调节余热锅炉1给水以及余热锅炉1出口的蒸汽参数需要。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述回收利用系统还包括第一开关阀6和第二开关阀7，所述有机工质蒸发器5的第二出口端5-4与有机工质透平8的做功循环有机工质入口端8-1连通的管路上安装有第一开关阀6，有机工质蒸发器5的第二出口端5-4与有机工质透平8的做功循环有机工质出口端8-2或回热器9的第一入口端9-1连通的管路上安装有第二开关阀7。本实施方式的第一开关阀6和第二开关阀7采用薄片气动开关阀，如此设置，便于有机工质蒸汽的顺利循环和切断，满足实际需要。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述水蒸汽朗肯循环子系统还包括冷却器14，有机工质预热器12的第一出口端12-2与冷却器14连通，所述冷却器为水冷式冷却器或空冷式冷却器。如此设置，冷却效果好，能保证气缸冷却器需要的冷却水温度满足实际工作需要。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述回收利用系统还包括第一温度传感器19和第一压力传感器20，余热锅炉1的过热蒸汽出口与第一调节阀2连通的管路上安装有第一温度传感器19和第一压力传感器20。如此设置，便于对进入蒸汽透平的蒸汽参数的监控，保证水蒸汽朗肯循环工作的稳定性，满足实际需要，本实施方式控制过热蒸汽的温度为250℃～380℃。其它与具体实施方式二相同。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述回收利用系统还包括第二温度传感器21和第二压力传感器22，有机工质蒸发器5的第二出口端5-4与第一开关阀6连通的管路上安装有第二温度传感器21和第二压力传感器22。如此设置，便于对进入有机透平的蒸汽参数的监控，保证有机朗肯循环工作的稳定性，满足实际需要，本实施方式控制有机工质蒸汽的温度为100℃～150℃。其它与具体实施方式五相同。

具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述回收利用系统还包括第三温度传感器23和第三压力传感器24，回热器9的第二出口端9-4与有机工质预热器12的第二入口端12-3连通的管路上安装有第三温度传感器23和第三压力传感器24，所述有机工质泵11为变频泵。如此设置，通过有机工质泵(优选用变频泵)对有机工质的输送，实现对进入有机工质预热器的有机工质的温度和压力的监控，实现有机透平的稳定输出，保证有机朗肯循环自系统工作的稳定性，满足实际需要。其它与具体实施方式一、二或六相同。

具体实施方式十：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述回收利用系统还包括第四温度传感器25和第四压力传感器26，有机工质预热器12的第一出口端12-2与输送泵15连通的管路上安装有第四温度传感器25和第四压力传感器26。如此设置，通过输送泵对进入气缸冷却器的冷却水的输送，实现对冷却水的温度和压力参数的监控，实现余热锅炉给水的稳定输入，保证水蒸汽朗肯循环子系统工作的稳定性，满足实际需要。其它与具体实施方式一、二或六相同。

实施例：结合图1说明，有机工质选用五氟丙烷(R245fa)，某城市垃圾填埋气拥有的2.6MW内燃发电机组为例。

本实施例中控制余热锅炉出口过热蒸汽的温度为300℃～320℃，压力控制在4Mpa～8Mpa，控制有机工质蒸发器出口的有机工质过热蒸汽为130℃～140℃，压力控制在0.7Mpa～1.3Mpa，冷却器采用空冷式冷却器，有机工质预热器为板式换热器，有机工质蒸发器为板式换热器，有机工质冷凝器为空冷式冷凝器，第一调节阀、第二调节阀和第三调节阀均采用电动调节阀，此时，有机朗肯循环余热回收效率提高到15％，两级循环系统增加18％热能的回收比例，总的发电效率相比直接采用单级的有机朗肯循环子系统提高了9％。

在系统启动过程中，水蒸汽朗肯循环系统先开始运行，为保证机组的启动和紧急关断，在蒸汽透平4的出口端设置旁路，第一调节阀2和第二调节阀3状态相反，第三调节阀13用以调节余热锅炉1给水以及余热锅炉1出口的蒸汽参数；有机朗肯循环系统的有机工质泵11同时启动，实现对蒸汽的循环冷却。初始运行从有机工质蒸发器出来有机工质蒸汽暂时不经过有机透平8，而是从旁路通过。随着有机工质初蒸汽温度的逐渐提高，旁通关闭，有机透平8开始工作，当有机循环回路达到额定工况时，不能够将蒸汽回路冷凝水冷却至气缸冷却器给水温度时，若气缸冷却器给水超温，冷却器14启动，有机工质预热器12出来冷凝水经冷却器14冷却，保证气缸冷却器给水温度范围，然后，通过输送泵15输送到内燃发电机组上气缸冷却器16中。

工作过程

蒸汽循环回路，余热锅炉1将气缸冷却器16中用于冷却内燃机气缸的水进行进一步加热至过热，形成过热蒸汽，蒸汽进入蒸汽透平4膨胀做功，蒸汽透平4带动第一发电机17发电，蒸汽做功后的乏汽进入有机工质蒸发器5将进入有机工质蒸发器5的液体有机工质加热成饱和的有机工质蒸汽，蒸汽冷凝后的预热在将从回热器9来的液体有机工质余热，液体有机工质再次进入有机工质蒸发器，经有机工质预热器12冷却后的水经输送泵送入内燃发电机组上的气缸冷却器16中，如此形成基于水蒸汽的朗肯循环；

有机工质循环回路，有机工质蒸汽进入有机透平8，有机透平8带动第二发电机18发电，有机工质做功后的乏汽进入回热器9中，依次通过有机工质冷凝器10和有机工质泵11在返回到回热器9，冷凝后的有机工质利用有机工质做功后的过热乏汽的热量加热，加热后的有机工质液体在进入有机工质预热器12中被冷凝的水再次加热，高温的有机工质液体流入有机工质蒸发器5后被蒸汽做功后的过热乏汽为热源加热成饱和的有机工质蒸汽，有机工质蒸汽进入有机透平8，如此形成基于有机工质的朗肯循环，两套朗肯循环实现循环效率的进一步提升。

Claims (10)

1.一种内燃发电机组余热梯级回收利用系统，其特征在于：所述系统包括水蒸汽朗肯循环子系统和有机朗肯循环子系统；

所述水蒸汽朗肯循环子系统包括余热锅炉(1)、蒸汽透平(4)、第一发电机(17)和输送泵(15)；所述有机朗肯循环子系统包括有机工质蒸发器(5)、有机工质预热器(12)、有机透平(8)、回热器(9)、有机工质冷凝器(10)、有机工质泵(11)和第二发电机(18)；

余热锅炉(1)的过热蒸汽出口与蒸汽透平(4)的做功循环工质入口端(4-1)连通，蒸汽透平(4)的做功循环工质出口端(4-2)与有机工质蒸发器(5)的第一入口端(5-1)连通，蒸汽透平(4)与第一发电机(17)连通，有机工质蒸发器(5)的第一出口端(5-2)与有机工质预热器(12)的第一入口端(12-1)连通，有机工质预热器(12)的第一出口端(12-2)通过输送泵(15)与内燃发电机组上的气缸冷却器(16)连通，内燃发电机组上的气缸冷却器(16)用于与余热锅炉(1)连通，内燃发电机组排出的高温烟气热量用于供给余热锅炉(1)；

有机工质透平(8)的做功循环有机工质出口端(8-2)与回热器(9)的第一入口端(9-1)连通，回热器(9)的第一出口端(9-2)与有机工质冷凝器(10)连通，有机工质冷凝器(10)通过有机工质泵(11)与回热器(9)的第二入口端(9-3)连通，回热器(9)的第二出口端(9-4)与有机工质预热器(12)的第二入口端(12-3)连通，有机工质预热器(12)的第二出口端(12-4)与有机工质蒸发器(5)的第二入口端(5-3)连通，有机工质蒸发器(5)的第二出口端(5-4)与有机工质透平(8)的做功循环有机工质入口端(8-1)连通，有机工质透平(8)与第二发电机(18)连通。

2.根据权利要求1所述的一种内燃发电机组余热梯级回收利用系统，其特征在于：所述回收利用系统还包括第一调节阀(2)，所述余热锅炉(1)的过热蒸汽出口与蒸汽透平(4)的做功循环工质入口端连通的管路上安装有第一调节阀(2)，所述第一调节阀(2)为电动调节阀或气动调节阀。

3.根据权利要求1或2所述的一种内燃发电机组余热梯级回收利用系统，其特征在于：所述回收利用系统还包括第二调节阀(3)，余热锅炉(1)的过热蒸汽出口与蒸汽透平(4)的做功循环工质出口端(4-2)连通的管路上安装有第二调节阀(3)，所述第二调节阀(3)为电动调节阀或气动调节阀。

4.根据权利要求1或2所述的一种内燃发电机组余热梯级回收利用系统，其特征在于：所述回收利用系统还包括第三调节阀(13)，内燃发电机组上的气缸冷却器(16)与有机工质蒸发器(5)的第一出口端(5-2)或有机工质预热器(12)的第一入口端(12-1)连通的管路上安装有第三调节阀(13)，所述第三调节阀(13)为电动调节阀或气动调节阀。

5.根据权利要求1或2所述的一种内燃发电机组余热梯级回收利用系统，其特征在于：所述回收利用系统还包括第一开关阀(6)和第二开关阀(7)，所述有机工质蒸发器(5)的第二出口端(5-4)与有机工质透平(8)的做功循环有机工质入口端(8-1)连通的管路上安装有第一开关阀(6)，有机工质蒸发器(5)的第二出口端(5-4)与有机工质透平(8)的做功循环有机工质出口端(8-2)连通的管路上安装有第二开关阀(7)。

6.根据权利要求1所述的一种内燃发电机组余热梯级回收利用系统，其特征在于：所述水蒸汽朗肯循环子系统还包括冷却器(14)，有机工质预热器(12)的第一出口端(12-2)与冷却器(14)连通，所述冷却器(14)为水冷式冷却器或空冷式冷却器。

7.根据权利要求2所述一种内燃发电机组余热梯级回收利用系统，其特征在于：所述回收利用系统还包括第一温度传感器(19)和第一压力传感器(20)，余热锅炉(1)的过热蒸汽出口与第一调节阀(2)连通的管路上安装有第一温度传感器(19)和第一压力传感器(20)。

8.根据权利要求5所述一种内燃发电机组余热梯级回收利用系统，其特征在于：所述回收利用系统还包括第二温度传感器(21)和第二压力传感器(22)，有机工质蒸发器(5)的第二出口端(5-4)与第一开关阀(6)连通的管路上安装有第二温度传感器(21)和第二压力传感器(22)。

9.根据权利要求1、2或6所述一种内燃发电机组余热梯级回收利用系统，其特征在于：所述回收利用系统还包括第三温度传感器(23)和第三压力传感器(24)，回热器(9)的第二出口端(9-4)与有机工质预热器(12)的第二入口端(12-3)连通的管路上安装有第三温度传感器(23)和第三压力传感器(24)，所述有机工质泵(11)为变频泵。

10.根据权利要求1、2或6所述一种内燃发电机组余热梯级回收利用系统，其特征在于：所述回收利用系统还包括第四温度传感器(25)和第四压力传感器(26)，有机工质预热器(12)的第一出口端(12-2)与输送泵(15)连通的管路上安装有第四温度传感器(25)和第四压力传感器(26)。