CN103244212A - 用于回收压气站燃机排烟余热的orc发电系统及发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于回收压气站燃机排烟余热的ORC发电系统及发电方法，可充分有效利用燃机排放的烟气的热能。该系统主要包括与热源相连的换热器，换热器包括依次串联的预热器、蒸发器和过热器，动力输出装置，与动力输出装置的动力输出端相连的发电机，有机工质循环泵，冷凝器，热源包括锅炉、导热油循环泵和储油罐，还包括回热器，该回热器用于将动力输出装置排出的有机工质与有机工质循环泵排出的有机工质进行热量交换，以充分利用由动力输出装置排出的有机工质的剩余热能。该系统可利用燃机排出的烟气对导热油加热后，利用导热油对有机工质加热，进而通过动力输出装置带动发电机发电。

Description

用于回收压气站燃机排烟余热的ORC发电系统及发电方法

技术领域

本发明涉及一种发电系统和发电方法，尤其涉及一种用于回收压气站燃机排烟余热的ORC发电系统及发电方法。

背景技术

在西气东输等天然气输送管道上建有很多压气站。这些压气站采用燃机推动压缩机运转，提升天然气输送时的压力以抵消天然气长途输送造成的压降。燃机排放的烟气具有接近500℃的温度且流量较大。这部分烟气没有经过利用直接排放，造成能源的浪费。

ORC也就是有机朗肯循环，利用该技术设计成的发电系统为ORC发电系统。目前，现有的ORC发电系统一般包括两个换热器、一个动力输出装置、与动力输出装置相连的发电机和一个循环泵。例如《制冷学报》2012年2月第33卷第1期就公开了一个上述ORC发电系统。以及中国专利公开号CN1950591A也公开了一个类似的ORC发电系统。上述这种发电系统中的各个装置相连形成一个循环回路。有机介质在这个回路中循环。其中一个换热器与热源相连进行热交换，将有机工质加热成蒸汽状态，蒸汽状态的有机介质进入动力输出装置做功，动力输出装置带动发电机发电。有机工质接着进入另一个换热器进行冷凝形成液体，这个换热器也就是冷凝器。被冷却的有机工质在循环泵的压力作用下形成过冷液体状态，然后进入与热源相连的换热器内。通过上述循环进行发电。现有的这种发电系统存在以下不足：1、有机工质在经过动力输出装置做功后还保留部分热能，这些热能由冷凝器放热而浪费掉，系统效率很低。2、系统经过长期使用后，内部有机工质发生损耗，无法及时补充。3、换热器的设计不够合理，热能利用率低。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种可充分有效利用燃机排放的烟气的热能的用于回收压气站燃机排烟余热的ORC发电系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：用于回收压气站燃机排烟余热的ORC发电系统，包括与热源相连的换热器，动力输出装置，与动力输出装置的动力输出端相连的发电机，有机工质循环泵，冷凝器，所述换热器包括热源入口、热源出口、换热器有机工质入口和换热器有机工质出口，动力输出装置包括输出装置有机工质入口和输出装置有机工质出口，换热器有机工质出口与输出装置有机工质入口相连，冷凝器包括冷凝器有机工质入口和冷凝器有机工质出口，所述热源包括锅炉，所述锅炉包括导热油入口、导热油出口、烟气入口和烟气出口，导热油入口和导热油出口之间设置有油道，烟气入口和烟气出口之间设置有用于烟气与油道内的导热油进行热量交换的烟气通道，锅炉的导热油出口与换热器的热源入口相连，换热器的热源出口通过导热油循环泵与锅炉的导热油入口相连；还包括回热器，回热器的第一有机工质入口与第一有机工质出口之间设置有第一换热道，回热器的第二有机工质入口与第二有机工质出口之间设置有第二换热道，回热器的第一有机工质入口与输出装置有机工质出口相连，回热器的第一有机工质出口与冷凝器有机工质入口相连，冷凝器有机工质出口通过有机工质循环泵与回热器的第二有机工质入口相连，回热器的第二有机工质出口与换热器有机工质入口相连。

上述系统可以将燃机排放的烟气用于加热导热油，导热油又可以对有机工质进行加热，进而带动发电机发电。整个系统将燃机排放的烟气的余热进行了有效利用，且热能利用率较高。

进一步的是：所述冷凝器与有机工质循环泵之间还连接有储液罐，所述储液罐上设置有有机工质补充装置。

进一步的是：所述换热器包括依次串联的预热器、蒸发器和过热器，所述换热器的热源入口和换热器有机工质出口都设置在过热器上，换热器的热源出口和换热器有机工质入口都设置在预热器上。

进一步的是：所述动力输出装置为ORC透平，所述ORC透平上设置有用于防止有机工质泄漏的密封结构。

进一步的是：所述换热器的热源出口与导热油循环泵之间连接有储油罐。

本发明还提供了一种采用上述用于回收压气站燃机排烟余热的ORC发电系统的发电方法，先通过锅炉使进入锅炉的油道的导热油吸收烟气的热量，接着使导热油进入换热器将系统内有机工质加热成气态，导热油从换热器的热源出口流出后通过导热油循环泵进入锅炉；气态有机工质促使动力输出装置做功带动发电机发电，动力输出装置排出的有机工质经回热器进入冷凝器冷却成液态有机工质，液态有机工质经有机工质循环泵加压形成过冷液态有机工质，过冷液态有机工质进入回热器的第二换热道后吸收回热器的第一换热道内的气态有机工质的热量，然后进入换热器内。

进一步的是：所述冷凝器与有机工质循环泵之间还连接有储液罐，所述储液罐上设置有有机工质补充装置，通过有机工质补充装置向系统内补充有机工质。

进一步的是：所述换热器包括依次串联的预热器、蒸发器和过热器，所述换热器的热源入口和换热器有机工质出口都设置在过热器上，换热器的热源出口和换热器有机工质入口都设置在预热器上。

进一步的是：所述换热器的热源出口与导热油循环泵之间连接有储油罐。

进一步的是：所述动力输出装置为ORC透平，所述ORC透平上设置有用于防止有机工质泄漏的密封结构，系统内的有机工质的压力大于等于系统外部压力。

本发明的有益效果是：

1、可充分有效利用燃机排放的烟气的热能。适用最好的是对于建立在缺水地区的压气站燃机排放烟气的余热回收利用。系统通过导热油加热系统，避免了有机工质与高温烟气直接接触受热发生分解。

2、通过储液罐一方面可起到缓冲的作用，保证有机工质在系统内持续顺畅的循环，另一方面还可对系统内及时补充有机工质。

3、通过密封结构可防止有机工质泄漏。

4、通过储油罐一方面可起到缓冲的作用，保证导热油持续顺畅的循环，从而保证有机工质在换热器内的温度不会出现大幅波动，有利于保护有机工质不因温度波动发生物性改变；另一方面可及时补充导热油。而且，燃机负荷发生频繁波动时，会影响烟气的流量以及温度，通过储油罐可控制系统内导热油的量，进而可根据锅炉的烟气入口的温度来及时调整系统内导热油的量来保证导热油的温度稳定，从而可保证有机工质的温度稳定，不会出现大幅波动。

5、通过使用依次串联的预热器、蒸发器和过热器，可提高换热效率，也有利于保证有机工质温度上升的连续平滑性，防止有机工质因温度过快上升或不均匀上升导致物性发生改变，影响有机工质的正常使用。当系统设计压力低于有机工质的临界压力时，有机工质在完成从液体到过热气体的过程中必将经历预热、蒸发和过热3个阶段。每个阶段通过与导热油的换热达到如下效果：预热器中，有机工质吸热从过冷态液体变为饱和液体；蒸发器中，有机工质吸热从饱和液体变为同压力下的饱和蒸气；过热器中，有机工质吸热从饱和液体变为满足系统设计要求的过热蒸气。换热器的命名为更好的表征此换热器的功用和目的。3段换热器的设计，符合在临界压力以下的有机工质从液体变为过热蒸气的相变发生过程，使每个换热器仅需承担有机工质在某一段的换热要求，预热器和过热器中，有机工质的换热都是在单相状态进行，蒸发器中完成的是一个沸腾过程，如此就避免了一个换热器中发生不同段的不同相态传热，降低传热失效或恶化的风险；同时在每段换热器之后布置温度测点和压力测点，监控整个换热过程是否按照设定值进行，有利于分析每段换热器的实际运行性能是否达到设计要求，提高设备的可检测性和操作性。

附图说明

图1为本发明的用于回收压气站燃机排烟余热的ORC发电系统的示意图；

图中标记为：换热器1，热源入口11，换热器有机工质出口12，热源出口13，换热器有机工质入口14，过热器15，蒸发器16，预热器17，动力输出装置2，输出装置有机工质入口21，动力输出端22，输出装置有机工质出口23，发电机3，回热器4,第一有机工质入口41，第一有机工质出口42，第二有机工质入口44，第二有机工质出口43，冷凝器5，冷凝器有机工质入口51，冷凝器有机工质出口52，储液罐6，有机工质循环泵7，锅炉8，导热油入口82、导热油出口81、烟气入口83，烟气出口84，导热油循环泵100，储油罐200。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明的用于回收压气站燃机排烟余热的ORC发电系统，包括与热源相连的换热器1，动力输出装置2，与动力输出装置2的动力输出端22相连的发电机3，有机工质循环泵7，冷凝器5，所述换热器1包括热源入口11、热源出口13、换热器有机工质入口14和换热器有机工质出口12，动力输出装置2包括输出装置有机工质入口21和输出装置有机工质出口23，换热器有机工质出口12与输出装置有机工质入口21相连，冷凝器5包括冷凝器有机工质入口51和冷凝器有机工质出口52，所述热源包括锅炉8，所述锅炉8包括导热油入口82、导热油出口81、烟气入口83和烟气出口84，导热油入口82和导热油出口81之间设置有油道，烟气入口83和烟气出口84之间设置有用于烟气与油道内的导热油进行热量交换的烟气通道，锅炉8的导热油出口81与换热器的热源入口11相连，换热器的热源出口13通过导热油循环泵100与锅炉8的导热油入口82相连；还包括回热器4，回热器4的第一有机工质入口41与第一有机工质出口42之间设置有第一换热道，回热器4的第二有机工质入口44与第二有机工质出口43之间设置有第二换热道，回热器4的第一有机工质入口41与输出装置有机工质出口23相连，回热器4的第一有机工质出口42与冷凝器有机工质入口51相连，冷凝器有机工质出口52通过有机工质循环泵7与回热器4的第二有机工质入口44相连，回热器的第二有机工质出口43与换热器有机工质入口14相连。上述冷凝器可采用空冷等冷却方式。上述回热器4也是一种换热器，其原理与换热器相同，就是用于将第一换热道内的有机工质的热量与第二换热道内的有机工质的热量进行交换。导热油的流动方向与有机工质的流动方向是相反的，这种形式称作逆流传热，反之称为顺流传热。逆流传热比顺流传热效率高，可有效减少换热器换热面积，减少设备制造成本。因此优选为逆流传热。

使用时，锅炉8的烟气入口与压气站燃机的排气系统相连，使燃机排出的烟气进入锅炉8内。先通过锅炉8使进入锅炉8的油道的导热油吸收烟气的热量，接着使导热油进入换热器1将系统内有机工质加热成气态，导热油从换热器1的热源出口13流出后通过导热油循环泵100进入锅炉8；气态有机工质促使动力输出装置2做功带动发电机3发电，动力输出装置2排出的有机工质经回热器4进入冷凝器5冷却成液态有机工质，液态有机工质经有机工质循环泵7加压形成过冷液态有机工质，过冷液态有机工质进入回热器4的第二换热道后吸收回热器4的第一换热道内的气态有机工质的热量，然后进入换热器内。

由于有机工质在系统内会有损耗，为了维持系统内有机工质的正常循环，需要及时向系统内补充有机工质。如图1所示，在上述基础上，所述冷凝器5与有机工质循环泵7之间还连接有储液罐6，所述储液罐上设置有有机工质补充装置。上述有机工质补充装置可为一个阀门，或为一个带有阀门的直管等等。当需要向储液罐6内补充有机工质时，可开启阀门，向储液罐6内补充有机工质，补充完毕后关闭阀门即可。当然上述有机工质补充装置还可以包括一个液位检测器，当储液罐6内的液位低于标准液位后，液位检测器将信号传输给控制系统，控制系统通过开启阀门，并通过传输管向储液罐6内输送有机工质。

上述换热器1的实施方式有多种，例如可只包括一个用于导热油与有机工质进行热量交换的换热器。优选为：所述换热器1包括依次串联的预热器17、蒸发器16和过热器15，所述换热器1的热源入口11和换热器有机工质出口12都设置在过热器15上，换热器1的热源出口13和换热器有机工质入口14都设置在预热器17上。

上述动力输出装置2可以为一个膨胀机，优选为：所述动力输出装置2为ORC透平。当动力输出装置2为ORC透平时，为了防止其内部的有机工质泄漏，可在ORC透平上设置相应的密封结构。该密封结构可包括介质密封、机械密封或将两种联合使用。介质密封也就是通过设置相应的密封结构，使得密封结构内填充密封介质，密封介质的压力大于气态的有机工质的压力，这样可防止有机工质泄漏。机械密封是靠一对或数对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的弹力（或磁力）作用下保持贴合并配以辅助密封而达到阻漏的轴封装置。上述机械密封和介质密封均为常见的两种密封方式。优选是将两者同时应用在ORC透平上作为密封结构使用，密封效果将远远大于单种密封的效果。例如可在机械密封结构的外围设置介质密封。

导热油在使用过程中也会发生损耗，同时，导热油流动的持续均匀性对换热器内的有机工质的温度波动有直接影响，有机工质的温度波动又会影响有机工质的物性，影响有机工质的正常工作。基于上述思路，所述换热器1的热源出口13与导热油循环泵100之间连接有储油罐200。储油罐200上可设置多种类型的进油机构。例如可为一个阀门，可为进油管和阀门，可为带有液位检测器的进油管和阀门等等。当然，储油罐上还可设置有导热油进口、液位监测计、氮封气体接口等管口装置，通过注油泵与导热油进口管相接，在需要对系统导热油进行补充时，开启注油泵，向储油罐注油达到添加导热油目的。通过储油罐200，一方面可起到缓冲的作用，保证导热油持续顺畅的循环，从而保证有机工质在换热器内的温度不会出现大幅波动，有利于保护有机工质不因温度波动发生物性改变；另一方面可及时补充导热油。而且，通过储油罐可控制系统内导热油的量，进而可根据锅炉的烟气入口的温度来及时调整系统内导热油的量来保证导热油的温度稳定，从而可保证有机工质的温度稳定，不会出现大幅波动。

在上述基础上，为了防止系统内的有机工质的泄漏，系统在运转过程中，系统内的有机工质的压力大于等于系统外部压力。也就是使有机工质的压力大于等于外部环境的压力，防止系统外的气体进入系统内破坏有机工质的物理性能。具体的，可根据系统来选用合适沸点的有机工质，这样可实现系统内有机工质的压力大于等于系统外部压力。这样的措施对于冷凝器最为有利，可以保证冷凝器在常压或微正压条件下运行，降低冷凝器投资成本。

Claims (10)

1.用于回收压气站燃机排烟余热的ORC发电系统，包括与热源相连的换热器（1），动力输出装置（2），与动力输出装置（2）的动力输出端（22）相连的发电机（3），有机工质循环泵（7），冷凝器（5），所述换热器（1）包括热源入口（11）、热源出口（13）、换热器有机工质入口（14）和换热器有机工质出口（12），动力输出装置（2）包括输出装置有机工质入口（21）和输出装置有机工质出口（23），换热器有机工质出口（12）与输出装置有机工质入口（21）相连，冷凝器（5）包括冷凝器有机工质入口（51）和冷凝器有机工质出口（52），其特征是：

所述热源包括锅炉（8），所述锅炉（8）包括导热油入口（82）、导热油出口（81）、烟气入口（83）和烟气出口（84），导热油入口（82）和导热油出口（81）之间设置有油道，烟气入口（83）和烟气出口（84）之间设置有用于烟气与油道内的导热油进行热量交换的烟气通道，锅炉（8）的导热油出口（81）与换热器的热源入口（11）相连，换热器的热源出口（13）通过导热油循环泵（100）与锅炉（8）的导热油入口（82）相连；

还包括回热器（4），回热器（4）的第一有机工质入口（41）与第一有机工质出口（42）之间设置有第一换热道，回热器（4）的第二有机工质入口（44）与第二有机工质出口（43）之间设置有第二换热道，回热器（4）的第一有机工质入口（41）与输出装置有机工质出口（23）相连，回热器（4）的第一有机工质出口（42）与冷凝器有机工质入口（51）相连，冷凝器有机工质出口（52）通过有机工质循环泵（7）与回热器（4）的第二有机工质入口（44）相连，回热器的第二有机工质出口（43）与换热器有机工质入口（14）相连。

2.如权利要求1所述的用于回收压气站燃机排烟余热的ORC发电系统，其特征是：所述冷凝器（5）与有机工质循环泵（7）之间还连接有储液罐（6），所述储液罐上设置有有机工质补充装置。

3.如权利要求1所述的用于回收压气站燃机排烟余热的ORC发电系统，其特征是：所述换热器（1）包括依次串联的预热器（17）、蒸发器（16）和过热器（15），所述换热器（1）的热源入口（11）和换热器有机工质出口（12）都设置在过热器（15）上，换热器（1）的热源出口（13）和换热器有机工质入口（14）都设置在预热器（17）上。

4.如权利要求1所述的用于回收压气站燃机排烟余热的ORC发电系统，其特征是：所述动力输出装置（2）为ORC透平，所述ORC透平上设置有用于防止有机工质泄漏的密封结构。

5.如权利要求1所述的用于回收压气站燃机排烟余热的ORC发电系统，其特征是：所述换热器（1）的热源出口（13）与导热油循环泵（100）之间连接有储油罐（200）。

6.采用权利要求1所述的用于回收压气站燃机排烟余热的ORC发电系统的发电方法，其特征是：先通过锅炉（8）使进入锅炉（8）的油道的导热油吸收烟气的热量，接着使导热油进入换热器（1）将系统内有机工质加热成气态，导热油从换热器（1）的热源出口（13）流出后通过导热油循环泵（100）进入锅炉（8）；气态有机工质促使动力输出装置（2）做功带动发电机（3）发电，动力输出装置（2）排出的有机工质经回热器（4）进入冷凝器（5）冷却成液态有机工质，液态有机工质经有机工质循环泵（7）加压形成过冷液态有机工质，过冷液态有机工质进入回热器（4）的第二换热道后吸收回热器（4）的第一换热道内的气态有机工质的热量，然后进入换热器内。

7.如权利要求6所述的发电方法，其特征是：所述冷凝器（5）与有机工质循环泵（7）之间还连接有储液罐（6），所述储液罐上设置有有机工质补充装置，通过有机工质补充装置向系统内补充有机工质。

8.如权利要求6所述的发电方法，其特征是：所述换热器（1）包括依次串联的预热器（17）、蒸发器（16）和过热器（15），所述换热器（1）的热源入口（11）和换热器有机工质出口（12）都设置在过热器（15）上，换热器（1）的热源出口（13）和换热器有机工质入口（14）都设置在预热器（17）上。

9.如权利要求6所述的发电方法，其特征是：所述换热器（1）的热源出口（13）与导热油循环泵（100）之间连接有储油罐（200）。

10.如权利要求6所述的发电方法，其特征是：所述动力输出装置（2）为ORC透平，所述ORC透平上设置有用于防止有机工质泄漏的密封结构，系统内的有机工质的压力大于等于系统外部压力。

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