CN104141582B - 高压液体做功式有机朗肯循环发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压液体做功式有机朗肯循环发电系统，该系统有两个回路，其中一个回路通过管道将气液两相升压装置、冷凝器和液轮机依次连接构成，液轮机的输出端连接发电机，另一个回路通过管道将气液两相升压装置和蒸发器连接构成，气液两相升压装置的出口至蒸发器的管道上设有第二阀门，第二阀门的两端并联一条支路，该支路依次串联第一阀门、工质泵及止回阀，蒸发器中流出的气态有机工质为工作流体，液轮机流向气液两相升压装置的液态有机工质为引射流体。本发明系统的工质以高压液态的形式推动液轮机做功，且在系统稳定运行后通过两相升压装置驱动循环运行，开始运行后除余热外无需向其输入额外能量，可以减少能量投入，增加输出的能量。

Description

高压液体做功式有机朗肯循环发电系统

技术领域

本发明涉及中低温余热有机朗肯循环发电领域，特别是涉及一种以液轮机为能量转化部件，两相升压装置提供系统循环动力的有机朗肯循环发电系统。

背景技术

余热能源在能源结构中占有不小的比例，但是还没有得到有效的利用，在当今有源形式严峻的情况下，研究和发展余热能源的利用技术对节能和提高能源的利用率有非常重要的意义。目前已有文献中所提到的中低温有机朗肯循环发电系统中，主要部件为蒸发器、膨胀机(汽轮机、涡旋膨胀机和螺杆膨胀机)、冷凝器和工质泵。有机工质在系统中经历等压吸热、绝热膨胀、等压冷却和绝热升压四个过程完成一个循环并完成热量-功量-电量的转化输出。这样的系统在绝热升压阶段需要外界对系统输入一定的能量，因此系统的输出净功就得从汽轮机做的功量减去工质泵所做的功量，降低了系统的净功输出，如果能消除工质泵的这部分功量，则系统输出的净功量就更大，或者能减少外部能量的输入。此外，在绝热膨胀阶段，目前所采用的膨胀机或者对工作介质的物性状态有较严格的要求，或是因膨胀机本身的条件限制而使得工质达不到想要的物性状态而严重地影响了系统效率。对于采用透平膨胀机(汽轮机)的有机朗肯发电系统，如果工作介质在膨胀机膨胀过程中液化产生液体，就会对叶片造成侵蚀，影响其正常工作；虽然工质在超临界状态下工作不会对叶片产生侵蚀，但是工质在超临界状态下物性变化很复杂，并且压力很高，工作部件必须有较高的承压能力，系统很难稳定运行。涡旋膨胀机是由涡旋压缩机逆向运行而改造成的，由于存在泄漏和密封的问题，相关技术还不成熟，对系统运行也很不利。螺杆膨胀机虽然要求的工作条件简单，但是其效率普遍较低，效益很不明显，在热源一定时，低性能螺杆膨胀机发电机组投入使用可能补偿不了投资的费用。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高压液体做功式有机朗肯循环发电系统,该系统不像已有系统那样在系统稳定运行的时候需要工质泵提升工质压力，消耗系统外界的能量；其采用的工质是以液态形式做功，且做功过程和所需要的条件相对简单，便于设备的维护，降低了维护成本和减少了故障问题；有效解决中低温余热的浪费问题。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

本发明一种高压液体做功式有机朗肯循环发电系统，该系统包括液轮机7、气液两相升压装置5、蒸发器4、冷凝器6，该系统有两个回路，并由气液两相升压装置5联系起来，其中一个回路通过管道将气液两相升压装置5、冷凝器6和液轮机7依次连接构成，液轮机7的输出连接发电机，另一个回路通过管道将气液两相升压装置5和蒸发器4连接构成，气液两相升压装置5的出口至蒸发器4的管道上设有第二阀门2，第二阀门2的两端并联一条支路，该支路依次串联第一阀门1、工质泵8及止回阀3，止回阀3防止有机工质在系统运行时流回工质泵；蒸发器中流出的气态有机工质为工作流体，液轮机流向气液两相升压装置的液态有机工质为引射流体。

本发明高压液体做功式有机朗肯循环发电系统，所述蒸发器4为固定板式蒸发器，采用余热媒介作为加热介质，其温度为400～550K。

本发明高压液体做功式有机朗肯循环发电系统，所述工质泵8抽取的有机工质为R245fa或R141b，有机工质在蒸发器4中等压蒸发。

本发明高压液体做功式有机朗肯循环发电系统，采用有机工质为R245fa时，所述蒸发器4的进口压力控制在2.83～3.39MPa，蒸发器4的出口温度控制在413.15K～423.15K；采用有机工质为R141b时，蒸发器4的进口压力控制在2.95～3.15MPa，蒸发器4的出口温度控制在455.15K～463.15K。

本发明高压液体做功式有机朗肯循环发电系统，要求进入两相升压装置中引射低压下的液态有机工质R245fa的温度控制在306.15～313.15K,压力控制在0.2～0.3MPa，液态有机工质R141b的温度控制在323.15～333.15K,压力控制在0.2～0.3MPa，液体工质的质量流量要比气态有机工质的质量流量大，液气质量流量比控制在10以上。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.系统稳定运行后不需要外界输入能量，不像已有系统那样需要工质泵做功将工质压力提升，而是通过工质流经两相升压装置产生激波进行升压，省去了大量额外的功量投入，简单可靠，降低了运行成本。

2.采用的气液两相升压装置体积小，占的空间小，没有转动部件，不存在磨损，使用寿命长。

3.液轮机工作条件要求不高，效率高(比汽轮机、涡旋膨胀机和螺杆膨胀机的效率都要高)，且运行稳定和维护方便。

4.由于各部件的相关技术都比较成熟，系统可以在较高压力下运行而不产生严重的泄漏和密封问题。

5.运行维护费用相对较低，因此能更快地获得收益。

附图说明

图1是本发明高压液体做功式有机朗肯循环发电系统的结构示意图。

图中：1—第一阀门，2—第二阀门，3—止回阀，4—蒸发器，5—气液两相升压装置，6—冷凝器，7—液轮机，8—工质泵。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明系统包括液轮机7、气液两相升压装置5、蒸发器4、冷凝器6，该系统有两个回路，并由气液两相升压装置5联系起来，其中一个回路通过管道将气液两相升压装置5、冷凝器6和液轮机7依次连接构成，液轮机7与发电机通过联轴器连接，由液轮机7带动发电机转动发电；另一个回路通过管道将气液两相升压装置5和蒸发器4连接构成，气液两相升压装置5的出口至蒸发器4的管道上设置第二阀门2，第二阀门2的两端并联一条支路，该支路依次串联第一阀门1、工质泵8及止回阀3，止回阀3防止有机工质在系统运行时流回工质泵。

所述的第一阀门1和第二阀门2为手动或电动阀门。

所述的蒸发器4有多种，可根据实际需要选用，如固定板式蒸发器4，其中余热媒介作为加热介质，余热媒介可以是太阳能、地热能和各种工业废热(烟气、废水)，温度为400～550K，余热媒介也可以是从低品位热源吸热再与做功的有机工质进行热交换的一种中间传热介质如乙二醇水溶液。所述的冷凝器6通过注入冷却液实现冷凝效果。

所述的气液两相升压装置5，根据选用的有机工质、喷射系数、压力升高比等进行相关尺寸的设计制造。

所述的液轮机7可采用现有的水轮机，一般为90％-95％，实施例1取其效率为92％。中小型发电机效率为92％-98％，实施例1取94％。

本发明高压液体做功式有机朗肯循环发电系统，利用有机朗肯循环将中低温余热能源最终转化为电能输出。

本发明使用液轮机作为能量转化部件，利用高压液态有机工质推动液轮机做功，液轮机带动发电机发电，区别于已有的利用高温高压气态有机工质在膨胀机中膨胀做功由膨胀机带动发电机发电的形式。有机工质经历等压蒸发、在两相升压装置中产生激波绝热升压、等压冷却和绝热降压四个过程完成一个循环。

本发明的工作原理如下：

启动循环的时候，用工质泵将液态有机工质压力提升到工作压力范围进入蒸发器，有机工质在蒸发器中和余热或中间传热媒介进行热交换蒸发为气态；从蒸发器出来的气态有机工质作为工作流体进入两相升压装置中引射低压下的液态有机工质，蒸气和液体在混合过程中产生凝结激波使压力升高；从两相升压装置出来的高压液体大致按两相升压装置的液、气的质量流量比分流分别流向冷凝器和流回蒸发器，一股支流的流量与两相升压装置中气体工质的流量大致相同，进入蒸发器中蒸发开始下一循环；另一股支流的流量与两相升压装置中液态有机工质的流量大致相同，流向冷凝器。流量的控制可通过管路上的阀门调节。流经液轮机做功降压后再次进入两相升压装置参与下一循环。两相升压装置启动稳定后工质泵停止运转，系统即进入工作运行状态。

本发明系统所采用的有机工质有R245fa、R141b，但并不局限于这两种工质，并且系统运行并不局限于下述实例所取的状态点物性参数如温度压力值。

实施例1

有机工质采用R245fa。

本实例下环境温度为298.15K，环境压力为0.1MPa,

启动系统时，第一阀门1开启、第二阀门2关闭，防止从工质泵8出来的有机工质在管路中逆流。工质泵8向蒸发器4提供高压液态有机工质，有机工质在蒸发器中和余热或中间传热媒介进行热交换蒸发为气态，R245fa在蒸发器中等压蒸发，蒸发器进口压力控制在2.83～3.39MPa，出口温度和压力分别控制在413.15～423.15K、2.83～3.39MPa；从蒸发器4出来的气态有机工质作为工作流体进入两相升压装置中引射低压下的液态有机工质的温度为306.15～313.15K、压力为0.2～0.3MPa，液体工质的质量流量要比气体工质的质量流量大，只要两相升压装置设计得合理，液体与气体的质量流量比可在10以上，本实例的液气质量流量比为12。蒸气和液体在热能与动量复杂的混合过程中产生凝结激波使液体工质压力升高；从两相升压装置出来的高压液体大致按两相升压装置的液、气的质量流量比分流分别流向冷凝器6和流回蒸发器4，一股支流的流量与两相升压装置中气体工质的流量大致相同，经过压力调节后进入蒸发器4中蒸发开始下一循环；另一股支流的流量与两相升压装置中液态有机工质的流量大致相同，流向冷凝器6。流量的控制可通过管路上的阀门调节。流经液轮机7做功降压后再次进入两相升压装置参与下一循环。两相升压装置正常启动后关闭第一阀门1、打开第二阀门2，工质泵8停止工作。第一阀门1和止回阀3防止有机工质流向工质泵8，有机工质不再经过工质泵8，系统进入工作运行状态。在上述所给条件下，在忽略管道损失的前提下，系统的□效率可达45.8％，和大部分现有的有机朗肯循环的□效率相当；系统热效率可以达到11.9％(为发电机输出功率与系统吸热量的比)，高于其它已有的有机朗肯循环的热效率(几乎都在10％以下)。

实施例2

与实例1的设备和环境条件相同，另外采用R141b为系统的有机工质。蒸发器进口压力为2.95～3.15MPa，R141b在蒸发器中等压蒸发，出口温度和压力分别为455.15～463.15K、2.95～3.15MPa；从蒸发器出来的气态有机工质作为工作流体进入两相升压装置中引射低压下的液态有机工质温度为323.15～333.15K、压力为0.2～0.3MPa，液气质量流量比为12。由此得到的系统□效率为26.4％～27.2％，系统热效率为9.17％～9.59％。

本发明系统启动容易，两相升压装置运行稳定，维修简便，除了余热外基本不需要向系统输入额外的能量。

Claims (6)

1.一种高压液体做功式有机朗肯循环发电系统，其特征在于，该系统包括液轮机(7)、气液两相升压装置(5)、蒸发器(4)、冷凝器(6)，该系统有两个回路，通过气液两相升压装置(5)联系起来，其中一个回路通过管道将气液两相升压装置(5)、冷凝器(6)和液轮机(7)依次连接构成，液轮机(7)的输出端连接发电机，另一个回路通过管道将气液两相升压装置(5)和蒸发器(4)连接构成，气液两相升压装置(5)的出口至蒸发器(4)的管道上设有第二阀门(2)，第二阀门(2)的两端并联一条支路，该支路依次串联第一阀门(1)、工质泵(8)及止回阀(3)，止回阀(3)防止有机工质在系统运行时流回工质泵；蒸发器中流出的气态有机工质为工作流体，液轮机流向气液两相升压装置的液态有机工质为引射流体。

2.根据权利要求1所述高压液体做功式有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述蒸发器(4)为固定板式蒸发器，采用余热媒介作为加热介质，其温度为400～550K。

3.根据权利要求1所述高压液体做功式有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述工质泵(8)抽取的有机工质为R245fa或R141b，有机工质在蒸发器(4)中等压蒸发。

4.根据权利要求3所述高压液体做功式有机朗肯循环发电系统，其特征在于，采用有机工质为R245fa时，蒸发器(4)的进口压力控制在2.83～3.39MPa，蒸发器(4)的出口温度控制在413.15～423.15K；采用有机工质为R141b时，蒸发器(4)的进口压力控制在2.95～3.15MPa，蒸发器(4)的出口温度控制在455.15～463.15K。

5.根据权利要求3所述高压液体做功式有机朗肯循环发电系统，其特征在于，采用有机工质为R245fa时，要求进入气液两相升压装置中低压下的液态有机工质R245fa的温度控制在306.15～313.15K，压力控制在0.2～0.3MPa；采用有机工质为R141b时，要求进入气液两相升压装置中低压下的液态有机工质R141b的温度控制在323.15～333.15K，压力控制在0.2～0.3MPa，液态有机工质的质量流量要比气态有机工质的质量流量大，液气质量流量比控制在10以上。

6.根据权利要求5所述高压液体做功式有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述液气质量流量比为12。