CN104110284A - 低温热发电有机介质循环系统 - Google Patents

Abstract

一种低温热发电有机介质循环系统，有同步发电机和与同步发电机相连用于驱动同步发电机的双螺杆膨胀机，及管壳式预热器和满液式蒸发器，管壳式预热器的发电介质入口连接发电介质管路，发电介质出口通过管路连接满液式蒸发器的发电介质入口，满液式蒸发器的热源通道入口连接低温热源管路，热源通道出口通过管路连接管壳式预热器的热源通道入口，管壳式预热器上设置有热源通道出口，满液式蒸发器的饱和气态发电介质的出口通过管路连接双螺杆膨胀机的发电介质入口，满液式蒸发器上设置有富润滑油出口通过管路连接双螺杆膨胀机的润滑油入口。本发明大大降低正发电温度，实现饱和蒸汽膨胀发电的热力循环；最大限度地降低可利用能源的温度，提高热能的转化效率。

Description

低温热发电有机介质循环系统

技术领域

本发明涉及一种有机工质循环系统。特别是涉及一种适用于60℃及以上低温热发电发电介质的低温热发电有机介质循环系统。

背景技术

在目前的低温热发电技术的发展中，有机工质双循环技术因其更适合于低温热源，受到了人们的重视。

当前存在的有机工质朗肯循环低温发电技术，如“低温发电方法及装置（CN1837582）“、”烧结环冷余热梯级回收发电系统及工艺（CN101344359）”、“多级太阳能中低温朗肯循环系统（CN101216020）”、“自复叠式太阳能低温朗肯循环系统（CN101344075）”、“Rankinecycle device having multiple turbo-generators（US.PAT.7665304）”、“Method and apparatus fordecreasing marine vessel power plant exhaust temperature（US.PAT.7121906）”等专利，这些专利一般采用汽轮机作为膨胀机，采用水蒸气作为发电介质，膨胀过程不允许出现液体，故采用过热气体膨胀，因此要求利用能源的温度较高，一般为150℃以上；低温热的温度在60-150℃温区，常规的水蒸气发电介质已不能使用，因此必须采用有机发电介质完成双循环发电。美国利用涡旋膨胀机的双循环发电机组采用R134a作为发电介质，最低达到了80℃的热发电效果，更低温度的热能仍然不能得到有效的转化利用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种改进现有低温发电机组的性能，大大降低正发电温度，实现饱和蒸汽膨胀发电的热力循环，提高了热能转化效率的低温热发电有机介质循环系统。

本发明所采用的技术方案是：一种低温热发电有机介质循环系统，包括有同步发电机和与同步发电机相连用于驱动同步发电机的双螺杆膨胀机，还设置有管壳式预热器和满液式蒸发器，其中，所述的管壳式预热器的发电介质入口连接发电介质管路，管壳式预热器的发电介质出口通过管路连接满液式蒸发器的发电介质入口，所述满液式蒸发器的热源通道入口连接低温热源管路，满液式蒸发器的热源通道出口通过管路连接管壳式预热器的热源通道入口，管壳式预热器上还设置有热源通道出口，满液式蒸发器中热交换后产生的饱和气态发电介质的出口通过管路连接双螺杆膨胀机的发电介质入口，用于驱动同步发电机，所述的满液式蒸发器上还设置有富润滑油出口，所述的富润滑油出口通过管路连接双螺杆膨胀机的润滑油入口，用于润滑双螺杆膨胀机的轴承。

所述的管壳式预热器的热源通道出口通过管路连接低温热源管路。

双螺杆膨胀机的发电介质出口通过管路连接发电介质管路。

所述的发电介质包括发电工质和润滑油。

所述的润滑油占发电介质的3～15％。

所述的低温热源为55-150℃的热源。

本发明的低温热发电有机介质循环系统，改进现有低温发电机组的性能，大大降低正发电温度，实现饱和蒸汽膨胀发电的热力循环；同时得用发电介质中的润滑油，确保了对膨胀机的润滑作用；最大限度地降低可利用能源的温度，减少能量转化过程中的不可逆损失和各种机械能损耗，提高热能的转化效率。本发明具有如下有益效果：

（1）选用的低温发电介质，可在55-150℃温区内提供适当的蒸发压力、蒸发潜热、蒸发流量及比容特性，实现发电热源温度很大的降低，确保了现阶段低温热的最充分利用，从而达到最佳化的节能减排效果。发电介质与润滑油混合使用，极大地简化了传统的润滑和冷却系统。

（2）实现较低温度的热能发电由于采用饱和气体膨胀做功，在相同的热源温度下，可以取得较高温度的饱和蒸汽，故可以适应较低温度的热源；双相流气体膨胀过程亦能保证饱和气体膨胀做功的技术条件。

（3）设计了“壳管式预热器+满液式蒸发器”的组合式蒸发器中，过冷工质液体在预热器内与热源换热，利用壳管式预热器的大流程特点，至出口处发电介质基本为饱和液体；而满液式蒸发器中，沸腾换热的传热系数高，换热效果好；出口气体过热度可控制在1℃以内

（4）双螺杆式膨胀机设计，很好地适应了双相流膨胀过程的要求，同时也避免了内泄漏等技术难题，运动部件润滑性提高，机械能损耗降低；

（5）满液式蒸发器自带油分离管路系统，将含有少量发电介质的富润滑油液体用于润滑膨胀机的轴承，利用摩擦热量，润滑油中含有的有机工质蒸发为气体进入膨胀过程，同时起到冷却轴封的效果，剩余的润滑油则对轴承起到很好的润滑作用。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图中

1：发电介质管路      2：管壳式预热器

3：低温热源管路      4：满液式蒸发器

5：饱和气态发电介质  6：富润滑油

7：双螺杆膨胀机      8：同步发电机

9：富润滑油出口      10：热源通道出口

11：发电介质出口

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的低温热发电有机介质循环系统做出详细说明。

如图1所示，本发明的低温热发电有机介质循环系统，包括有同步发电机8和与同步发电机8相连用于驱动同步发电机8的双螺杆膨胀机7，还设置有管壳式预热器2和满液式蒸发器4。本发明为了稳定的产生有机工质的饱和蒸气以膨胀做功，设计使用“壳管式预热器+满液式蒸发器”的组合式蒸发器，利用壳管式换热器的流程特点，加长循环工质与热源换热的换热流程，实现大升温过程，将过冷液态发电介质加热到接近饱和态，进入满液式蒸发器，实现严格控制发电介质出口气体的过热度在最小程度，基本实现饱和蒸汽发电的技术要求。

其中，所述的管壳式预热器2的发电介质入口连接发电介质管路1，管壳式预热器2的发电介质出口通过管路连接满液式蒸发器4的发电介质入口，所述满液式蒸发器4的热源通道入口连接低温热源管路3，本发明所述的低温热源为55-150℃的热源。满液式蒸发器4的热源通道出口通过管路连接管壳式预热器2的热源通道入口，管壳式预热器2上还设置有热源通道出口10，所述的管壳式预热器2的热源通道出口10通过管路连接低温热源管路3。

满液式蒸发器4中热交换后产生的饱和气态发电介质5的出口通过管路连接双螺杆膨胀机7的发电介质入口，用于驱动同步发电机8。采用饱和气体膨胀，可实现最低温度发电的效果，并在同样热源温度下可获得最高的蒸发压力，发电最效率高，冷热源温差最小。为此提出气液双相流（全流）膨胀过程，以达到最佳的膨胀效率和转化效果。

所述的满液式蒸发器4上还设置有用于排出热交换后从发电介质中分离出的富润滑油6的富润滑油出口9，所述的富润滑油出口9通过管路连接双螺杆膨胀机7的润滑油入口，用于润滑双螺杆膨胀机的轴承。本发明在满液式蒸发器上设置润滑油分离管路系统，连接满液式蒸发器内分离出的富润滑油层，并输送回双螺杆膨胀机内，以润滑膨胀机轴承，同时轴承的摩擦热使内含的发电介质蒸发，完成冷却轴承的作用，实现润滑冷却双作用的效果。

双螺杆膨胀机7的发电介质出口11通过管路连接发电介质管路1。

本发明所述的发电介质包括发电工质和润滑油。如表1所示，所述的润滑油占发电介质的3～15％。所选的润滑油应具备适应螺杆膨胀机的润滑特性，并与所选发电介质互溶。

表1低温发电介质组成及含量表

本发明提出的有机发电介质和饱和蒸气发电的技术方法，采用螺杆式膨胀机以适应两相流膨胀的技术要求，并针对性的设计了“壳管式预热器+满液式蒸发器”的组合式蒸发器等配套技术，确保了有机循环工质饱和气体膨胀做功的实现，降低了可利用余热发电的温度及运行温差，同时提高了能量转化的效率，使低温发电温度降低到55-65℃，运行温差在40-50℃之间，发电效率为4%左右，更适于低温热能回收利用；同时在发电介质中加入一定的润滑油量，设计的蒸发器自带油分离管路系统，润滑油分离管路系统在满液式蒸发器设置润滑油分离器，分离出气体中的润滑油，以润滑膨胀机的轴承。轴承的摩擦热使有机工质蒸发，高沸点的润滑油则能起到较好的润滑作用。

本发明低温热发电有机介质循环系统的工作原理：发电介质经发电介质管路1进入组合蒸发器组件--管壳式预热器2中，与低温热源热交换，达到近饱和液体状态，之后进入组合蒸发器组件--满液式蒸发器4中。近饱和状态的发电介质在满液式蒸发器4中与低温热源进行热交换，产生饱和汽态发电介质5和富润滑油层6。饱和汽态发电介质5进入双螺杆膨胀机7，带动三相同步发电机8旋转发电；膨胀过程产生的液相发电介质可增强螺杆间隙和轴封的密封性，解决了双螺杆机内外泄漏的技术难题。含有少量发电介质的富润滑油6的液体经管路输送到双螺杆膨胀机7的轴封部位，用于润滑膨胀机的轴承，并利用摩擦热量蒸发内含的发电介质冷却轴封。

本发明的低温发电介质（工质+润滑油）的工作温区和混合比例见表一，其制备方式如下：将对系统抽真空，然后按规定比例先后将润滑油和低温发电工质直接充注到系统即可。

表二表一中低温发电介质运行性能结果

以上实施例对本发明是进一步的详细说明，并不是对本发明的限定，本发明的的保护范围不受这些实施例的限制，本发明的保护范围以权利要求为准。

Claims (6)

1.一种低温热发电有机介质循环系统，包括有同步发电机（8）和与同步发电机（8）相连用于驱动同步发电机（8）的双螺杆膨胀机（7），其特征在于，还设置有管壳式预热器（2）和满液式蒸发器（4），其中，所述的管壳式预热器（2）的发电介质入口连接发电介质管路（1），管壳式预热器（2）的发电介质出口通过管路连接满液式蒸发器（4）的发电介质入口，所述满液式蒸发器（4）的热源通道入口连接低温热源管路（3），满液式蒸发器（4）的热源通道出口通过管路连接管壳式预热器（2）的热源通道入口，管壳式预热器（2）上还设置有热源通道出口（10），满液式蒸发器（4）中热交换后产生的饱和气态发电介质（5）的出口通过管路连接双螺杆膨胀机（7）的发电介质入口，用于驱动同步发电机（8），所述的满液式蒸发器（4）上还设置有富润滑油出口（9），所述的富润滑油出口（9）通过管路连接双螺杆膨胀机（7）的润滑油入口，用于润滑双螺杆膨胀机的轴承。

2.根据权利要求1所述的低温热发电有机介质循环系统，其特征在于，所述的管壳式预热器（2）的热源通道出口（10）通过管路连接低温热源管路（3）。

3.根据权利要求1所述的低温热发电有机介质循环系统，其特征在于，双螺杆膨胀机（7）的发电介质出口（11）通过管路连接发电介质管路（1）。

4.根据权利要求1所述的低温热发电有机介质循环系统，其特征在于，所述的发电介质包括发电工质和润滑油。

5.根据权利要求4所述的低温热发电有机介质循环系统，其特征在于，所述的润滑油占发电介质的3～15％。

6.根据权利要求1所述的低温热发电有机介质循环系统，其特征在于，所述的低温热源为55-150℃的热源。