CN103266924B - 水蒸汽的高效发电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种水蒸汽的高效发电系统及方法，所述系统包括第一发电系统、第二发电系统；第一发电装置包括蒸汽膨胀机、第一发电机，带压力的水蒸汽接入所述第一发电系统中蒸汽膨胀机的入口，蒸汽膨胀机利用上述带压力的水蒸汽带动第一发电机发电；有机朗肯循环系统包括冷凝器、液体泵、蒸发器、第二膨胀机、第二发电机，冷凝器、液体泵、蒸发器、第二膨胀机依次连接，形成一个循环；第二膨胀机利用来自第一发电系统的水蒸汽带动第二发电机发电。本发明提出的水蒸汽的高效发电系统及方法，首先通过膨胀机利用带压力的水蒸汽带动发电机发电，而后通过ORC循环利用从膨胀机排出的水蒸汽再次发电，可更加有效地利用带压力的水蒸汽发电，提高其利用率。

Description

水蒸汽的高效发电系统及方法

技术领域

本发明属于余压水蒸汽利用技术领域，涉及一种发电系统，尤其涉及一种水蒸汽的高效发电系统；同时，本发明还涉及一种水蒸汽的高效发电方法。

背景技术

带压力的水蒸汽具有比较多的能量，如今普遍通过凝汽式方案实现对带压力水蒸汽的利用。

请参阅图1，图1展示了现有利用水蒸汽发电系统的组成。如图1所示，带压力水蒸汽经过蒸汽膨胀机7’的入口，蒸汽膨胀机7’利用带压力的水蒸汽带动发电机8’发电。从蒸汽膨胀机7’出口处排出的水蒸汽通常低于大气压；而后，从蒸汽膨胀机7’出口处排出的水蒸汽直接通过凝汽器9’向环境放热。

上述余压水蒸汽利用方案的缺陷在于：首先，上述方案为了冷却水蒸汽，需要消耗大量的冷却耗功；其次，上述方案同时浪费了水蒸汽的潜热，没有对水蒸汽进行更加有效地利用。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的余压水蒸汽的利用方案，以解决现有技术的上述缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种水蒸汽的高效发电系统，可更加有效地利用带压力的水蒸汽发电，提高其利用率。

此外，本发明还提供一种水蒸汽的高效发电方法，可更加有效地利用带压力的水蒸汽发电，提高其利用率。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种水蒸汽的高效发电系统，所述系统包括第一发电系统、第二发电系统，第一发电系统包括一个或多个第一发电装置，第二发电系统包括一个或多个有机朗肯循环系统；

所述第一发电装置包括蒸汽膨胀机、与该蒸汽膨胀机连接的第一发电机，带压力的水蒸汽接入所述第一发电系统中的一个或多个蒸汽膨胀机的入口，蒸汽膨胀机利用上述带压力的水蒸汽带动第一发电机发电；从第一发电系统排出的水蒸汽的压力大于等于-0.6barG、小于等于1barG，该水蒸汽通过管路接入第二发电系统；

所述有机朗肯循环系统包括冷凝器、液体泵、蒸发器、第二膨胀机、第二发电机，冷凝器、液体泵、蒸发器、第二膨胀机依次连接，形成一个循环；所述蒸发器的入口连接来自第一发电系统的水蒸汽，该水蒸汽的压力大于等于-0.6barG、小于等于1barG，有机朗肯循环利用该水蒸汽带动第二发电机发电。

作为本发明的一种优选方案，所述第一发电系统包括一个第一发电装置，带压力的水蒸汽接入所述第一发电装置的蒸汽膨胀机的入口，从所述第一发电装置的蒸汽膨胀机出口排出的水蒸汽接入第二发电系统，其压力大于等于-0.6barG、小于等于1barG。

作为本发明的一种优选方案，所述第一发电系统包括多个第一发电装置，包括部分并联的第一发电装置或/和部分串联的第一发电装置；带压力的水蒸汽接入作为第一级的一个或多个第一发电装置的蒸汽膨胀机的入口，水蒸汽从作为最后一级的一个或多个第一发电装置的蒸汽膨胀机出口排出，进入第二发电系统，其压力大于等于-0.6barG、小于等于1barG。

作为本发明的一种优选方案，所述第二发电系统包括一个有机朗肯循环系统；该有机朗肯循环系统的蒸发器的入口连接来自第一发电系统的水蒸汽。

作为本发明的一种优选方案，所述第二发电系统包括多个有机朗肯循环系统，包括部分并联的有机朗肯循环系统或/和部分串联的有机朗肯循环系统，即多个有机朗肯循环系统的蒸发器中，部分蒸发器并联，或者/并且部分蒸发器串联；

各有机朗肯循环系统的蒸发器依次通过管路连接，部分并接或/和部分串接，水蒸汽依次经过各有机朗肯循环系统的蒸发器，分别为各有机朗肯循环系统的蒸发器提供热能；各有机朗肯循环系统利用水蒸汽提供的热能分别进行有机朗肯循环。

作为本发明的一种优选方案，所述第二发电系统包括多个串联的有机朗肯循环系统，有机朗肯循环系统的蒸发器依次串接，形成多级膨胀；除最后一级外，从各蒸发器出口排出的水蒸汽的压力大于等于-0.6barG、小于等于1barG。

作为本发明的一种优选方案，接入蒸汽膨胀机入口的水蒸汽为过热的或饱和的水蒸汽，其压力大于等于2barG。

作为本发明的一种优选方案，所述蒸汽膨胀机为螺杆膨胀机或汽轮机。

一种水蒸汽的高效发电系统，所述系统包括第一发电系统、第二发电系统，第一发电系统包括一个或多个第一发电装置，第二发电系统包括一个或多个有机朗肯循环系统；

所述第一发电装置包括蒸汽膨胀机、与该蒸汽膨胀机连接的第一发电机，带压力的水蒸汽接入所述第一发电系统中的一个或多个蒸汽膨胀机的入口，蒸汽膨胀机利用上述带压力的水蒸汽带动第一发电机发电；

所述有机朗肯循环系统包括冷凝器、液体泵、蒸发器、第二膨胀机、第二发电机，冷凝器、液体泵、蒸发器、第二膨胀机依次连接，形成一个循环；所述蒸发器的入口连接来自第一发电系统的水蒸汽或来自其他有机朗肯循环系统蒸发器的水蒸汽，第二膨胀机利用该水蒸汽带动第二发电机发电。

一种上述水蒸汽的高效发电系统的发电方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1：带压力的水蒸汽接入所述第一发电系统中的一个或多个蒸汽膨胀机的入口，蒸汽膨胀机利用上述带压力的水蒸汽带动第一发电机发电；从第一发电系统排出的水蒸汽的压力大于等于-0.6barG、小于等于1barG，该水蒸汽通过管路接入第二发电系统；

步骤S2：有机朗肯循环系统的蒸发器的入口连接来自第一发电系统的水蒸汽或来自其他有机朗肯循环系统蒸发器的水蒸汽，该水蒸汽的压力大于等于-0.6barG、小于等于1barG，第二膨胀机利用该水蒸汽带动第二发电机发电。

本发明的有益效果在于：本发明提出的水蒸汽的高效发电系统及方法，首先通过膨胀机利用带压力的水蒸汽带动发电机发电，而后通过ORC循环利用从膨胀机排出的水蒸汽的潜热再次发电，可更加有效地利用带压力的水蒸汽发电，提高其利用率。

附图说明

图1为现有凝汽式系统的组成示意图。

图2为本发明水蒸汽的高效发电系统的组成示意图。

图3为实施例二中本发明水蒸汽的高效发电系统的组成示意图。

图4为实施例三中本发明水蒸汽的高效发电系统的组成示意图。

图5为实施例四中本发明水蒸汽的高效发电系统的组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

请参阅图2，本发明揭示了一种水蒸汽的高效发电系统，所述系统包括第一发电系统、第二发电系统，第一发电系统包括一个或多个第一发电装置，第二发电系统包括一个或多个有机朗肯循环系统。本实施例中，所述第一发电系统包括一个第一发电装置，第二发电系统包括一个有机朗肯循环系统。

所述第一发电装置包括蒸汽膨胀机7、与该蒸汽膨胀机7连接的第一发电机8，带压力的水蒸汽（水蒸汽为过热的或饱和的水蒸汽，通常为余压水蒸汽，其压强一般要求大于等于2barG，即每平方厘米表压2公斤）接入所述蒸汽膨胀机7的入口，蒸汽膨胀机7利用上述带压力的水蒸汽带动第一发电机8发电；从蒸汽膨胀机7排出的水蒸汽的饱和压力大于等于-0.6barG、小于等于1barG（对应温度为75°C至120°C），该水蒸汽通过管路接入第二发电系统。所述蒸汽膨胀机为螺杆膨胀机或汽轮机。

所述有机朗肯循环系统包括冷凝器5、液体泵4、蒸发器3、第二膨胀机1、第二发电机2，冷凝器5、液体泵4、蒸发器3、第二膨胀机1依次连接，形成一个循环；所述蒸发器3的入口连接来自第一发电系统的水蒸汽，该水蒸汽的饱和压力大于等于-0.6barG、小于等于1barG，第二膨胀机1利用该水蒸汽带动第二发电机2发电。

以上介绍了本发明水蒸汽的高效发电系统的组成，本发明在揭示上述发电系统的同时，还揭示一种上述水蒸汽的高效发电系统的发电方法，所述方法包括如下步骤：

【步骤S1】带压力的水蒸汽接入所述第一发电系统中的一个或多个蒸汽膨胀机的入口，蒸汽膨胀机利用上述带压力的水蒸汽带动第一发电机发电；从第一发电系统排出的水蒸汽的压力大于等于-0.6barG、小于等于1barG，该水蒸汽通过管路接入第二发电系统；

【步骤S2】有机朗肯循环系统的蒸发器的入口连接来自第一发电系统的水蒸汽或来自其他有机朗肯循环系统蒸发器的水蒸汽，该水蒸汽的压力大于等于-0.6barG、小于等于1barG，第二膨胀机利用该水蒸汽带动第二发电机发电。

实施例二

请参阅图3，本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，所述第一发电系统包括多个串联的第一发电装置，第二发电系统包括多个串联的有机朗肯循环系统。

带压力的水蒸汽接入作为第一级的第一发电装置的蒸汽膨胀机7的入口，水蒸汽从作为最后一级的第一发电装置的蒸汽膨胀机7出口排出，进入第二发电系统，从最后一级蒸汽膨胀机7排出水蒸汽的压力大于等于-0.6barG、小于等于1barG。

各有机朗肯循环系统的蒸发器3依次串接，形成多级膨胀；除最后一级外，从各蒸发器3出口排出的水蒸汽的压力大于等于-0.6barG、小于等于1barG。

所述第二发电系统包括N组有机朗肯循环系统，分别为第一有机朗肯循环系统、第二有机朗肯循环系统、第三有机朗肯循环系统、……、第N有机朗肯循环系统；其中，N≥3。

所述第一有机朗肯循环系统包括第一蒸发器，所述第二有机朗肯循环系统包括第二蒸发器，所述第三有机朗肯循环系统包括第三蒸发器，……，以此类推，第N有机朗肯循环系统包括第N蒸发器。

所述第一蒸发器的出口连接第二蒸发器的入口，第二蒸发器的出口连接第三蒸发器的入口，……，以此类推，第N-1蒸发器的出口连接第N蒸发器的入口，水蒸汽（热源）依次经过第一蒸发器、第二蒸发器、第三蒸发器、……、第N蒸发器。

水蒸汽经过第一蒸发器后，温度由第一温度T₁降为第二温度T₂；水蒸汽经过第二蒸发器后，温度由第二温度T₂降为第三温度T₃；水蒸汽经过第三蒸发器后，温度由第三温度T₃降为第四温度T₄；……；以此类推，水蒸汽经过第N蒸发器后，温度由第N温度T_N降为第N+1温度T_N+1。

上述第二发电系统的发电方法具体包括：

【步骤S1】水蒸汽经过第一有机朗肯循环系统的蒸发器，温度由第一温度T₁降为第二温度T₂。

第一有机朗肯循环系统利用水蒸汽提供的热能进行有机朗肯循环，方式如下：低温低压的液体制冷工质在液体泵中被升压；升压后的液体制冷工质进入蒸发器被加热汽化，直至成为高温高压的过热气体；在加热气化过程中，水蒸汽经过各个蒸发器均会释放热量并降温，温度由第一温度T₁降为第二温度T₂；过热气体进入膨胀机膨胀做功，驱动发电机发电；做功后的低温低压气体进入冷凝器被冷却凝结成液体；再回到液体泵中，完成一个有机朗肯循环；

【步骤S2】水蒸汽经过第一有机朗肯循环系统的蒸发器后，进入第二有机朗肯循环系统的蒸发器，温度由第二温度T₂降为第三温度T₃。

第二有机朗肯循环系统利用水蒸汽提供的热能进行有机朗肯循环，方式如下：低温低压的液体制冷工质在液体泵中被升压；升压后的液体制冷工质进入蒸发器被加热汽化，直至成为高温高压的过热气体；在加热气化过程中，水蒸汽经过各个蒸发器均会释放热量并降温，温度由第二温度T₂降为第三温度T₃；过热气体进入膨胀机膨胀做功，驱动发电机发电；做功后的低温低压气体进入冷凝器被冷却凝结成液体；再回到液体泵中，完成一个有机朗肯循环；

【步骤S3】水蒸汽经过第i有机朗肯循环系统的蒸发器后，进入第i+1有机朗肯循环系统的蒸发器，温度由第i+1温度T_i+1降为第i+2温度T_i+2；i初始值为2，每经过一个有机朗肯循环系统的蒸发器后，i增加1，当i为N-1时，水蒸汽从系统流出。

其中，第i+1有机朗肯循环系统利用水蒸汽提供的热能进行有机朗肯循环，方式如下：低温低压的液体制冷工质在液体泵中被升压；升压后的液体制冷工质进入蒸发器被加热汽化，直至成为高温高压的过热气体；在加热气化过程中，水蒸汽经过各个蒸发器均会释放热量并降温，温度由第i+1温度T_i+1降为第i+2温度T_i+2；过热气体进入膨胀机膨胀做功，驱动发电机发电；做功后的低温低压气体进入冷凝器被冷却凝结成液体；再回到液体泵中，完成一个有机朗肯循环。

通过将多个有机朗肯循环系统的蒸发器串联，可充分高效利用水蒸汽的能量，有效提高系统的热效率（即输出的能量与输入的水蒸汽的比值）。

实施例三

请参阅图4，本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，所述第一发电系统包括多个并联的第一发电装置，第二发电系统包括多个有机朗肯循环系统，其中部分有机朗肯循环系统并联。

实施例四

请参阅图5，本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，第二发电系统包括多个有机朗肯循环系统，其中部分有机朗肯循环系统并联，部分有机朗肯循环系统串联。

当然，所述第一发电系统也可以包括多个第一发电装置，部分第一发电装置并联，部分第一发电装置串联。

综上所述，本发明提出的水蒸汽的高效发电系统及方法，首先通过膨胀机利用带压力的水蒸汽带动发电机发电，而后通过ORC循环利用从膨胀机排出的水蒸汽再次发电，可更加有效地利用带压力的水蒸汽发电，提高其利用率。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (10)

1.一种水蒸汽的高效发电系统，其特征在于，所述系统包括第一发电系统、第二发电系统，第一发电系统包括一个或多个第一发电装置，第二发电系统包括一个或多个有机朗肯循环系统；

所述第一发电装置包括蒸汽膨胀机、与该蒸汽膨胀机连接的第一发电机，带压力的水蒸汽接入所述第一发电系统中的一个或多个蒸汽膨胀机的入口，蒸汽膨胀机利用上述带压力的水蒸汽带动第一发电机发电；从第一发电系统排出的水蒸汽的压强力大于等于-0.6barG、小于等于1barG，该水蒸汽通过管路接入第二发电系统；

所述有机朗肯循环系统包括冷凝器、液体泵、蒸发器、第二膨胀机、第二发电机，冷凝器、液体泵、蒸发器、第二膨胀机依次连接，形成一个循环；所述蒸发器的入口连接来自第一发电系统的水蒸汽，该水蒸汽的饱和压力大于等于-0.6barG、小于等于1barG，有机朗肯循环利用该水蒸汽的潜热带动第二发电机发电。

2.根据权利要求1所述的水蒸汽的高效发电系统，其特征在于：

所述第一发电系统包括一个第一发电装置，带压力的水蒸汽接入所述第一发电装置的蒸汽膨胀机的入口，从所述第一发电装置的蒸汽膨胀机出口排出的水蒸汽接入第二发电系统，其压力大于等于-0.6barG、小于等于1barG。

3.根据权利要求1所述的水蒸汽的高效发电系统，其特征在于：

所述第一发电系统包括多个第一发电装置，包括部分并联的第一发电装置或/和部分串联的第一发电装置；

带压力的水蒸汽接入作为第一级的一个或多个第一发电装置的蒸汽膨胀机的入口，水蒸汽从作为最后一级的一个或多个第一发电装置的蒸汽膨胀机出口排出，进入第二发电系统，其压力大于等于-0.6barG、小于等于1barG。

4.根据权利要求1所述的水蒸汽的高效发电系统，其特征在于：

所述第二发电系统包括一个有机朗肯循环系统；该有机朗肯循环系统的蒸发器的入口连接来自第一发电系统的水蒸汽。

5.根据权利要求1所述的水蒸汽的高效发电系统，其特征在于：

所述第二发电系统包括多个有机朗肯循环系统，包括部分并联的有机朗肯循环系统或/和部分串联的有机朗肯循环系统，即多个有机朗肯循环系统的蒸发器中，部分蒸发器并联，或者/并且部分蒸发器串联；

各有机朗肯循环系统的蒸发器依次通过管路连接，部分并接或/和部分串接，水蒸汽依次经过各有机朗肯循环系统的蒸发器，分别为各有机朗肯循环系统的蒸发器提供热能；各有机朗肯循环系统利用水蒸汽提供的热能分别进行有机朗肯循环。

6.根据权利要求5所述的水蒸汽的高效发电系统，其特征在于：

所述第二发电系统包括多个串联的有机朗肯循环系统，有机朗肯循环系统的蒸发器依次串接，形成多级膨胀；

除最后一级外，从各蒸发器出口排出的水蒸汽的压力大于等于-0.6barG、小于等于1barG。

7.根据权利要求1所述的水蒸汽的高效发电系统，其特征在于：

接入蒸汽膨胀机入口的水蒸汽为过热、饱和或处于两相区的水蒸汽，其压力大于等于2barG。

8.根据权利要求1所述的水蒸汽的高效发电系统，其特征在于：

所述蒸汽膨胀机为螺杆膨胀机或汽轮机。

9.一种水蒸汽的高效发电系统，其特征在于，所述系统包括第一发电系统、第二发电系统，第一发电系统包括一个或多个第一发电装置，第二发电系统包括一个或多个有机朗肯循环系统；

所述第一发电装置包括蒸汽膨胀机、与该蒸汽膨胀机连接的第一发电机，带压力的水蒸汽接入所述第一发电系统中的一个或多个蒸汽膨胀机的入口，蒸汽膨胀机利用上述带压力的水蒸汽带动第一发电机发电；

所述有机朗肯循环系统包括冷凝器、液体泵、蒸发器、第二膨胀机、第二发电机，冷凝器、液体泵、蒸发器、第二膨胀机依次连接，形成一个循环；所述蒸发器的入口连接来自第一发电系统的水蒸汽或来自其他有机朗肯循环系统蒸发器的水蒸汽，第二膨胀机利用该水蒸汽带动第二发电机发电。

10.一种权利要求1至9之一所述水蒸汽的高效发电系统的发电方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤S1：带压力的水蒸汽接入所述第一发电系统中的一个或多个蒸汽膨胀机的入口，蒸汽膨胀机利用上述带压力的水蒸汽带动第一发电机发电；从第一发电系统排出的水蒸汽的压力大于等于-0.6barG、小于等于1barG，该水蒸汽通过管路接入第二发电系统；

步骤S2：有机朗肯循环系统的蒸发器的入口连接来自第一发电系统的水蒸汽或来自其他有机朗肯循环系统蒸发器的水蒸汽，该水蒸汽的压力大于等于-0.6barG、小于等于1barG，第二膨胀机利用该水蒸汽带动第二发电机发电。