CN103758595A

CN103758595A - 多压补汽式低沸点有机工质朗肯循环系统

Info

Publication number: CN103758595A
Application number: CN201410056066.2A
Authority: CN
Inventors: 李春国; 陈有滨; 贾华正; 李明芹
Original assignee: SHANDONG QINGNENG POWER CO Ltd
Current assignee: SHANDONG QINGNENG POWER CO Ltd
Priority date: 2014-02-19
Filing date: 2014-02-19
Publication date: 2014-04-30

Abstract

本发明公开了一种多压补汽式低沸点有机工质朗肯循环系统，该系统主要利用100~350℃的热液或烟气，采用低沸点有机工质为朗肯循环的工作流体，通过至少两级蒸发器，充分吸收并梯级利用热液或烟气的余热，所产生蒸汽进入补汽式ORC透平膨胀做功，以拖动发电机或其它设备旋转。本发明高效利用100~350℃范围内的中低温热液或者烟气热源，与常规ORC循环相比，装置净输出功率增加30%左右。

Description

多压补汽式低沸点有机工质朗肯循环系统

技术领域

本发明涉及一种利用100~350℃的中低温烟气或热液等余热资源回收的高效动力装置，具体的说涉及一种多压补汽式低沸点有机工质朗肯循环系统，属于流体机械领域。

背景技术

在工业生产过程中，存在大量的100~350℃的中低温液体或者烟气的余热。据统计，我国工业用能中近60-65%的能源转化为余热资源，其中温度低于350℃以下的中低温余热，约占余热总量的60%。这些余热主要以热液和烟气的状态存在，属于低品位热源，目前只有极少数得到回收利用，大都直接排入大气、河流，造成严重的能源浪费和环境污染。

常规余热回收是通过余热锅炉产生饱和或过热水蒸汽，利用其在汽轮机内膨胀做功带动发电机发电。对于100~350℃的中低温余热，采用水蒸汽循环的热功转换效率低，投资成本高，经济效益较差。已有研究表明，有机工质朗肯循环（ORC）是回收中低温余热的最有效途径，它利用有机工质的低沸点、高密度等特点，不仅能高效回收中低温余热，将其热能转化为机械能或电能，而且设备非常紧凑，便于在各种场合使用。然而，与水蒸汽动力循环类似，ORC动力循环的工质压力也受到节点温差和蒸发温度的限制；提高工质压力将减少工质从烟气或热液的吸热量，余热回收率下降；而降低工质压力将导致工质膨胀比减小，透平排汽温度升高，被工质吸收的余热得不到充分利用。

发明内容

本发明要解决的问题在于提供一种能够克服蒸发温度与热回收率的矛盾，使中低温余热资源得到梯级利用，提高余热动力循环的效率的多压补汽式低沸点有机工质朗肯循环动力系统。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种多压补汽式低沸点有机工质朗肯循环系统，该系统主要利用100~350℃的热液或烟气，采用低沸点有机工质为朗肯循环的工作流体，通过至少两级蒸发器，充分吸收并梯级利用热液或烟气的余热，所产生蒸汽进入补汽式ORC透平膨胀做功，以拖动发电机或其它设备旋转。

以下是本发明对上述方案的进一步优化：所述补汽式ORC透平为多级轴流式透平，有1~2个补汽口，使2~3种不同压力的有机工质蒸汽进入同一套透平做功。

所述蒸发器包括分别与补汽式ORC透平的补汽口连通的高压蒸发器和低压蒸发器，所述高压蒸发器还连通有高温热液或烟气入口管路，低压蒸发器还连通有第一低温热液或烟气出口管路。

所述高压蒸发器还连通有高压预热器；低压蒸发器还连通有低压预热器。

高压预热器与低压预热器之间分别通过入口管路和出口管路连通，在出口管路上安装有高压工质泵。

入口管路位于低压预热器内的末端的位置连通有第二低温热液或烟气出口管路。

出口管路位于低压预热器内的前端的位置与补汽式ORC透平通过排汽回热器连通。

高压蒸发器与低压蒸发器之间还串联有中压蒸发器；中压蒸发器的出口端与补汽式ORC透平的补汽口连通；高压预热器与低压预热器之间还连通有中压预热器；中压预热器的进口端与高压预热器的进口端通过管路连通，在该管路上安装有中压工质泵。

排汽回热器内设有换热管，所述换热管的出口与低压预热器内的出口管路连通；排汽回热器与补汽式ORC透平连通。

排汽回热器的出口端通过管路连通有凝汽器，凝汽器的出口端通过低压工质泵与排汽回热器内的换热管的进口端连通。

本发明采用上述方案，其工作原理是：工质泵将有机工质液体加压到各级蒸发器对应的工作压力，然后依次进入预热器和蒸发器，吸收热液或者烟气的余热后由过冷液体工质变成饱和或微过热有机工质蒸汽；其中，高压蒸汽经调节阀进入补汽式ORC透平的高压缸，中压和低压有机工质蒸汽通过补汽的方式分别注入补汽式ORC透平的中压补汽口和低压补汽口，在同一个透平内做功并驱动发电机或其它设备旋转；透平排汽进入凝汽器，释放余热和汽化潜热后变成液体工质，完成一个循环。由于补汽式ORC透平的排汽大多为过热态，可在透平排汽与凝汽器之间增加一套回热器，降低透平系统的冷端损失，并对有机工质泵后的低温液体进行预热，在一定条件下可取代低压预热器。

与常规ORC循环相比，本发明具有如下优点：

1. 高效利用100~350℃范围内的中低温热液或者烟气热源，与常规ORC循环相比，装置净输出功率增加30%左右。

2. 常规ORC透平一般为1-3级，而本发明的ORC级数为2-5级。由于级数增加，相应级焓降减小，当转速与常规ORC透平相同时，径向尺寸将大幅度减小，而级数的增加对透平轴向尺寸影响不大，因此ORC透平更加紧凑；另外，由于级焓降减小，如果相应减小径向尺寸，则ORC透平可以采用更低的转速，如1500rpm 或3000rpm，可去掉减速装置与发电机直连，使机组寿命和系统可靠性都得到提高。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

附图1是本发明实施例1中双压补汽式低沸点有机工质朗肯循环系统的示意图；

附图2是本发明实施例2中三压补汽式低沸点有机工质朗肯循环系统示意图。

图中：1-补汽式ORC透平；2-发电机；3-排汽回热器；4-凝汽器；5-低压工质泵；6-低压预热器；7-低压蒸发器；8-高压工质泵；9-高压预热器；10-高压蒸发器；11-高温热液或烟气入口管路；12-第一低温热液或烟气出口管路；13-第二低温热液或烟气出口管路；14-中压预热器；15-中压蒸发器；16-中压工质泵。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，一种双压补汽式低沸点有机工质朗肯循环系统，该系统主要利用100~350℃的热液或烟气，采用低沸点有机工质为朗肯循环的工作流体，通过两级蒸发器，充分吸收并梯级利用热液或烟气的余热，所产生蒸汽进入补汽式ORC透平1膨胀做功，以拖动发电机2或其它设备旋转。

所述补汽式ORC透平1为多级轴流式透平，有1个补汽口，使2种不同压力的有机工质蒸汽进入同一套透平做功。

所述蒸发器包括分别与补汽式ORC透平1的补汽口连通的高压蒸发器10和低压蒸发器7，所述高压蒸发器10还连通有高温热液或烟气入口管路11，低压蒸发器7还连通有第一低温热液或烟气出口管路12。

所述高压蒸发器10还连通有高压预热器9；低压蒸发器7还连通有低压预热器6。

高压预热器9与低压预热器6之间分别通过入口管路和出口管路连通，在出口管路上安装有高压工质泵8。

入口管路位于低压预热器6内的末端的位置连通有第二低温热液或烟气出口管路13。

出口管路位于低压预热器6内的前端的位置与补汽式ORC透平1通过排汽回热器3连通。

排汽回热器3内设有换热管，所述换热管的出口与低压预热器6内的出口管路连通；排汽回热器3与补汽式ORC透平1连通。

排汽回热器3的出口端通过管路连通有凝汽器4，凝汽器4的出口端通过低压工质泵5与排汽回热器3内的换热管的进口端连通。

本发明采用上述方案，具有两个回路。

其一为有机工质回路：补汽式ORC透平1的排汽的首先进入排汽回热器3，与来自低压工质泵5的有机工质液体进行热交换，降温后进入凝汽器4凝结为液体。

液态有机工质经过低压工质泵5加压后，依次进入排汽回热器5和低压预热器6进行预热，一部分预热后的有机工质液体进入低压蒸发器7，变为低压蒸汽，通过补汽方式进入ORC透平1，其余则经过高压工质泵8进一步加压后，进入高压预热器9再次预热，然后在高压蒸发器9内吸收烟气或热液的余热后转变为高压蒸汽，经调节阀进入补汽式ORC透平1。有机工质蒸汽在ORC透平1内膨胀做功，带动发电机2发电。

其二为热液或烟气回路：来自高温热液或烟气入口管路11的工业余热（热液或者烟气）首先进入高压蒸发器10与有机工质换热产生高压蒸汽，然后分为两路：一路进入低压蒸发器7，与有机工质换热产生低压蒸汽，乏汽或乏液经第一低温热液或烟气出口管路12排出，另一路依次进入高压预热器9和低压预热器9，乏汽或乏液经第二低温热液或烟气出口管路13排出。

实施例2：如图2所示，在上述实施例1的基础上，高压蒸发器10与低压蒸发器7之间还串联有中压蒸发器15；中压蒸发器15的出口端与补汽式ORC透平1的补汽口连通；高压预热器9与低压预热器6之间还连通有中压预热器14；中压预热器14的进口端与高压预热器9的进口端通过管路连通，在该管路上安装有中压工质泵16。

与实施例1的双压补汽式低沸点有机工质朗肯循环相比，增加了中压预热器14、中压蒸发器15和中压工质泵16，并采用三压二补汽式工质透平。所述补汽式ORC透平1为多级轴流式透平，有2个补汽口，使3种不同压力的有机工质蒸汽进入同一套透平做功。其有机工质回路和热液或烟气回路都与实施例一相似，此处不再赘述。

上述详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非限制本发明的专利范围，本发明的主要创新点在于用双压或三压补汽式低沸点有机工质朗肯循环代替单压低沸点有机工质朗肯循环，凡未脱离本发明的创新点所为的等效实施或者变更，均应包含在专利范围内。

Claims

1.一种多压补汽式低沸点有机工质朗肯循环系统，其特征在于：该系统主要利用100~350℃的热液或烟气，采用低沸点有机工质为朗肯循环的工作流体，通过至少两级蒸发器，充分吸收并梯级利用热液或烟气的余热，所产生蒸汽进入补汽式ORC透平（1）膨胀做功，以拖动发电机（2）或其它设备旋转。

2.根据权利要求1所述的多压补汽式低沸点有机工质朗肯循环系统，其特征在于：所述补汽式ORC透平（1）为多级轴流式透平，有1~2个补汽口，使2~3种不同压力的有机工质蒸汽进入同一套透平做功。

3.根据权利要求1或2所述的多压补汽式低沸点有机工质朗肯循环系统，其特征在于：所述蒸发器包括分别与补汽式ORC透平（1）的补汽口连通的高压蒸发器（10）和低压蒸发器（7），所述高压蒸发器（10）还连通有高温热液或烟气入口管路（11），低压蒸发器（7）还连通有第一低温热液或烟气出口管路（12）。

4.根据权利要求3所述的多压补汽式低沸点有机工质朗肯循环系统，其特征在于：所述高压蒸发器（10）还连通有高压预热器（9）；低压蒸发器（7）还连通有低压预热器（6）。

5.根据权利要求4所述的多压补汽式低沸点有机工质朗肯循环系统，其特征在于：高压预热器（9）与低压预热器（6）之间分别通过入口管路和出口管路连通，在出口管路上安装有高压工质泵（8）。

6.根据权利要求5所述的多压补汽式低沸点有机工质朗肯循环系统，其特征在于：

入口管路位于低压预热器（6）内的末端的位置连通有第二低温热液或烟气出口管路（13）。

7.根据权利要求6所述的多压补汽式低沸点有机工质朗肯循环系统，其特征在于：出口管路位于低压预热器（6）内的前端的位置与补汽式ORC透平（1）通过排汽回热器（3）连通。

8.根据权利要求7所述的多压补汽式低沸点有机工质朗肯循环系统，其特征在于：高压蒸发器（10）与低压蒸发器（7）之间还串联有中压蒸发器（15）；中压蒸发器（15）的出口端与补汽式ORC透平（1）的补汽口连通；高压预热器（9）与低压预热器（6）之间还连通有中压预热器（14）；中压预热器（14）的进口端与高压预热器（9）的进口端通过管路连通，在该管路上安装有中压工质泵（16）。

9.根据权利要求8所述的多压补汽式低沸点有机工质朗肯循环系统，其特征在于：排汽回热器（3）内设有换热管，所述换热管的出口与低压预热器（6）内的出口管路连通；排汽回热器（3）与补汽式ORC透平（1）连通。

10.根据权利要求9所述的多压补汽式低沸点有机工质朗肯循环系统，其特征在于：排汽回热器（3）的出口端通过管路连通有凝汽器（4），凝汽器（4）的出口端通过低压工质泵（5）与排汽回热器（3）内的换热管的进口端连通。