CN104236161B - 一种余热回收利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种余热回收利用系统，包括有机朗肯余热发电模组和溴化锂吸收式热泵模组及耦合换热器模组，所述溴化锂吸收式热泵模组和所述有机朗肯循环(ORC)发电系统通过所述耦合换热器模组进行深度耦合，通过所述耦合换热器模组进行能量交换；所述余热回收利用系统具有供热、供电、热电联供三种模式；本发明提供的余热回收利用系统将热能系统循环和电能系统循环结合在一起，两个系统直接交换能量，可以利用原本ORC系统无法利用的较低品位的热量进行发电，从而降低能源消耗和污染排放。通过CHP‑ORC系统，可以从把温度范围为15~80°C的热源中提取余热，实现供热、供电及热电联供，从而使系统的整体经济性得到提高。

Description

一种余热回收利用系统
技术领域
本发明涉及节能环保领域，尤其涉及余热回收利用系统。
背景技术
在众多的节能技术中，溴化锂吸收式热泵余热回收技术以其高效节能和具有显著经济效益的特点，尤为引人注目。溴化锂吸收式热泵以溴化锂溶液作为工质，对环境没有污染，不破坏大气臭氧层，而且具有高效节能的特点。配备溴化锂吸收式热泵，回收高效利用生产工艺过程产生的废热，达到节能、减排、降耗的目的。
目前在热电联产系统中，发电系统和供热系统一般采用发电和供热两套设备，设备利用率低，浪费大量资源。单独的系统为单机单用机组，需增大各部件的受热面积，机组布置分散，需占用大量空间，操作、维护不方便，两个系统的热量传输需专用设备，热能传输交换的过程中浪费大量的热能。冬季采用供热时，采用溴化锂吸收式热泵技术提取冷却循环水等低温余热时，大多采用单效溴化锂吸收式热泵机组制备出约84°C的热水，用以冬季供暖为主，运行模式单一；夏季则停用热泵供热系统，使得余热无法有效利用，浪费了大量的低温余热资源。同时，因为冷却循环水等低温余热源品位的制约，ORC系统的热电转化效率非常低，使得单纯利用ORC系统发电的优势亦无法体现。
发明内容
有鉴于此，需要克服现有技术中的上述缺陷中的至少一个。本发明提供了一种余热回收利用系统，包括有机朗肯余热发电模组和溴化锂吸收式热泵模组及耦合换热器模组，所述溴化锂吸收式热泵模组和所述有机朗肯循环(ORC)发电模组独立工作，且所述溴化锂吸收式热泵模组和所述有机朗肯循环(ORC)发电模组通过所述耦合换热器模组进行深度耦合，通过所述耦合换热器模组进行能量交换；所述余热回收利用系统具有供热、供电、热电联供三种模式。
根据本发明背景技术中对现有技术所述，现有技术中的目前在热电联产系统中，发电系统和供热系统一般采用发电和供热两套设备，设备利用率低，浪费大量资源；而本发明提供的余热回收利用系统将热能系统循环和电能系统循环结合在一起，两个系统直接交换能量，可以利用原本ORC系统无法利用的较低品位的热量进行发电，从而降低能源消耗和污染排放。通过CHP-ORC系统，可以从把温度范围为15~80°C的热源中提取余热，实现供热、供电及热电联供，从而使系统的整体经济性得到提高。
另外，根据本发明公开的余热回收利用系统还具有如下附加技术特征：
进一步地，所述溴化锂吸收式热泵模组包括发生器模块、热泵冷凝器模块、热泵蒸发器模块、吸收器模块；所述热泵冷凝器模块与所述发生器模块相联，所述发生器模块所述吸收器模块相联，所述吸收器模块与所述热泵蒸发器模块相联，所述热泵蒸发器模块与所述热泵冷凝器模块相联。
其工作过程是引入外部蒸汽加热发生器模块中低浓度溴化锂溶液，冷剂蒸汽从溶液中蒸发出来，在热泵冷凝器模块中加热供热介质并凝结成冷剂水，发生器模块中的稀溶液经过加热浓缩后变成浓溶液，经过溶液换热器后进入吸收器模块；冷剂水进入热泵蒸发器模块中，通过蒸发吸收余热回路中的余热热量形成低温冷剂蒸汽；高浓度溴化锂溶液进入吸收器模块，吸收低温冷剂蒸汽后形成低浓度溴化锂溶液，同时由于冷剂蒸汽的潜热释放，使吸收器模块中溶液温度升高，这部分热量用来余热供热介质。稀溶液在进入发生器模块之前和通过溶液换热器和溴化锂浓溶液进行进行换热，从而减少高品位热能的消耗
进一步地，所述有机朗肯循环(ORC)发电系统包括工质循环泵模块、预热器模块、ORC蒸发器模块、膨胀机模块、发电机模块和ORC冷凝器模块、储液模块，所述工质循环泵模块联接所述预热器模块，之后联接所述ORC蒸发器，之后联接所述膨胀机模块、所述发电机模块，之后联接ORC冷凝器模块，之后通过封闭管路回到所述储液模块。
工质循环泵模块将液态有机工质加压，泵入预热器模块进行预热，然后进入蒸发器中，液态的有机工质在ORC蒸发器模块中吸收外部热能，变为高温高压的气态有机工质，气态工质进入膨胀机模块、发电机模块中做功，驱动膨胀机模块、发电机模块对外输出电能。在膨胀机模块中做完功排除来的有机工质经过ORC冷凝器模块，其中ORC冷凝器模块包括工质冷却器和工质冷凝器，冷凝，变为液态工质并通过封闭管路回到储液模块中。如此周而复始的循环，即可源源不断地输出电能或机械功。
进一步地，所述耦合换热器模组包括ORC蒸发器-热泵冷凝器耦合表面式换热器、ORC预热器-热泵吸收器耦合表面式换热器、ORC冷凝器-ORC工质冷却器-热泵余热管路系统耦合表面式换热器，所述ORC蒸发器-热泵冷凝器耦合表面式换热器联接所述ORC蒸发器和所述热泵冷凝器，使二者之间进行换热；所述ORC预热器-热泵吸收器耦合表面式换热器联接ORC预热器-热泵吸收器, 使二者之间进行换热；ORC冷凝器-ORC工质冷却器-热泵余热管路系统耦合表面式换热器联接所述ORC冷凝器和所述热泵蒸发器以及与热水的热泵余热管路，使三者之间进行换热。
进一步地，所述余热回收利用系统包括独立的回路系统，所述回路系统将所述ORC蒸发器-热泵冷凝器耦合表面式换热器和ORC预热器-热泵吸收器耦合表面式换热器通过独立的所述回路系统联结在一起，分别形成热能系统循环和电能系统循环两个独立的循环系统。
进一步地，所述耦合换热器是表面式换热器。
余热回收利用系统基于所述溴化锂吸收式热泵模组和所述有机朗肯循环(ORC)发电系统的深度耦合，即：ORC发电系统的ORC蒸发器模块与溴化锂吸收式热泵模组的热泵冷凝器模块耦合在一起，通过耦合换热器进行能量交换；ORC发电系统的ORC冷凝器、溴化锂吸收式热泵模组的热泵蒸发器以及余热水流经的回路进行耦合，三者之间通过表面式换热器进行能量交换。该系统可根据需要实现提升低品质余热用于热泵系统供热和ORC发电，当该系统处于发电模式时，具有热能系统循环和电能系统循环两个独立的循环系统，由于溴化锂吸收式热泵可提取低品质余热，使得该系统的总能效率得到提高。该系统利用热电联产、钢铁、冶金和焦化等高能耗单位以蒸汽或热水形式排放的余热或废热，为热能用户提供供热和供电服务，具备整体结构紧凑、换热效率高，高度智能化，运行稳定可靠，维护及运行管理方便等特点。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1 是余热回收利用系统CHP-ORC发电系统结构简图；
图2是余热回收利用系统原理简图；
图1中1、热泵冷凝器模块2、ORC蒸发器-热泵冷凝器耦合表面式换热器 3、ORC蒸发器模块4、热泵吸收器模块 5、ORC预热器-热泵吸收器耦合表面式换热器6、ORC预热器模块7、工质循环泵模块 8、ORC冷凝器模块 9、ORC工质冷却器模块 10 热泵蒸发器模块 11、热泵余热管路系统12、调节阀 13、膨胀机模块 14、发电机模块 15、节流阀 16、节流阀 17、溶液泵模块 18、溶液交换器模块 19、热泵发生器模块 20、ORC冷凝器-ORC工质冷却器-热泵余热管路系统耦合表面式换热器 21、热泵余热管路系统进水口 22、热泵余热管路系统出水口23、热泵发生器外部热源
图2中，I是溴化锂吸收式热泵模组，II是有机朗肯余热发电模组，III是耦合换热器模组。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语 “上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“联接”、“连通”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的发明构思如下，如技术背景所述，本发明提供的余热回收利用系统将热能系统循环和电能系统循环结合在一起，两个系统直接交换能量，可以利用原本ORC系统无法利用的较低品位的热量进行发电，从而降低能源消耗和污染排放。通过CHP-ORC系统，可以从把温度范围为15~80°C的热源中提取余热，实现供热、供电及热电联供，从而使系统的整体经济性得到提高。
下面将参照附图来描述本发明的余热回收利用系统，其中图1 是余热回收利用系统CHP-ORC发电系统结构简图，图2是余热回收利用系统原理简图。
根据本发明的实施例，如图2所示，包括有机朗肯余热发电模组II和溴化锂吸收式热泵模组I及耦合换热器模组III，所述溴化锂吸收式热泵模组I和所述有机朗肯循环(ORC)发电模组II独立工作，且所述溴化锂吸收式热泵模组I和所述有机朗肯循环(ORC)发电模组II通过所述耦合换热器模组III进行深度耦合，通过所述耦合换热器模组III进行能量交换；所述余热回收利用系统具有供热、供电、热电联供三种模式。
根据本发明的一个实施例，如图1、2所示，CHP-ORC余热再利用系统包括溴化锂吸收式热泵系统I和有机朗肯循环（ORC）发电系统II两个基本系统。有机朗肯循环（ORC）发电系统基本组成:膨胀机13、发电机14、ORC蒸发器3、ORC预热器6、ORC冷凝器8、工质循环泵7、ORC工质冷却器9以及电气控制部分等；溴化锂热泵供热系统包括热泵发生器19、热泵冷凝器1、热泵吸收器4、热泵蒸发器10、热泵余热管路系统11、溶液泵17、溶液换热器18、溶液阀等组成封闭回路。其中：ORC预热器6和ORC冷凝器8、热泵蒸发器10、热泵余热管路系统11三部分独立分区于ORC冷凝器-ORC工质冷却器-热泵余热管路系统耦合表面式换热器20中；ORC蒸发器3、热泵冷凝器1独立分区于ORC蒸发器-热泵冷凝器耦合表面式换热器2中；ORC预热器6、热泵吸收器4独立分区于ORC预热器-热泵吸收器耦合表面式换热器5中。
根据本发明的一些实施例，所述溴化锂吸收式热泵模组I包括发生器模块、热泵冷凝器模块、热泵蒸发器模块、吸收器模块；所述热泵冷凝器模块与所述发生器模块相联，所述发生器模块所述吸收器模块相联，所述吸收器模块与所述热泵蒸发器模块相联，所述热泵蒸发器模块与所述热泵冷凝器模块相联。如图1所示，溴化锂吸收式热泵供热系统主要包括热泵发生器19、热泵冷凝器1、热泵吸收器4、热泵蒸发器10、热泵余热管路系统11等五个功能模块。其工作过程是：其工作过程是引入外部蒸汽加热发生器中低浓度溴化锂溶液，冷剂蒸汽从溶液中蒸发出来，在冷凝器中加热供热介质并凝结成冷剂水，发生器中的稀溶液经过加热浓缩后变成浓溶液，经过溶液换热器后进入吸收器；冷剂水进入蒸发器中，通过蒸发吸收余热回路中的余热热量形成低温冷剂蒸汽；高浓度溴化锂溶液进入吸收器，吸收低温冷剂蒸汽后形成低浓度溴化锂溶液，同时由于冷剂蒸汽的潜热释放，使吸收器中溶液温度升高，这部分热量用来余热供热介质。稀溶液在进入发生器之前和通过溶液换热器和溴化锂浓溶液进行进行换热，从而减少高品位热能的消耗。通过热泵余热管路系统回收溴化锂吸收式热泵系统的余热。
根据本发明的一些实施例，所述有机朗肯循环(ORC)发电系统包括工质循环泵模块、预热器模块、ORC蒸发器模块、膨胀机模块、发电机模块和ORC冷凝器模块、储液模块，所述工质循环泵模块联接所述预热器模块，之后联接所述ORC蒸发器，之后联接所述膨胀机模块、所述发电机模块，之后联接ORC冷凝器模块，之后通过封闭管路回到所述储液模块；有机朗肯循环(ORC)发电系统主要由工质循环泵7、预热器6、蒸发器3、膨胀机13、发电机14和冷凝器8、工质冷凝器9等功能模块组成。工质循环泵将液态有机工质加压，泵入预热器进行预热，然后进入蒸发器中，液态的有机工质在蒸发器中吸收外部热能，变为高温高压的气态有机工质，气态工质进入膨胀发电机组中做功，驱动膨胀发电机组对外输出电能。在膨胀机中做完功排除来的有机工质经过工质冷却器和工质冷凝器冷凝，变为液态工质并通过封闭管路回到储液罐中。如此周而复始的循环，即可源源不断地输出电能或机械功。
根据本发明的一些实施例，所述耦合换热器模组III包括ORC蒸发器-热泵冷凝器耦合表面式换热器、ORC预热器-热泵吸收器耦合表面式换热器、ORC冷凝器-ORC工质冷却器-热泵余热管路系统耦合表面式换热器，所述ORC蒸发器-热泵冷凝器耦合表面式换热器联接所述ORC蒸发器和所述热泵冷凝器，使二者之间进行换热；所述ORC预热器-热泵吸收器耦合表面式换热器联接ORC预热器-热泵吸收器, 使二者之间进行换热；ORC冷凝器-ORC工质冷却器-热泵余热管路系统耦合表面式换热器联接所述ORC冷凝器和所述热泵蒸发器以及与热水的热泵余热管路，使三者之间进行换热。
根据本发明的一些实施例，所述余热回收利用系统包括独立的回路系统，所述回路系统将所述ORC蒸发器-热泵冷凝器耦合表面式换热器和ORC预热器-热泵吸收器耦合表面式换热器通过独立的所述回路系统联结在一起，分别形成热能系统循环和电能系统循环两个独立的循环系统。
根据本发明的一些实施例，所述耦合换热器模组是表面式换热器。
根据本发明的一些实施例，余热回收利用系统基于溴化锂吸收式热泵的换热模块与有机朗肯循环（ORC）的换热模块的深度耦合，即：ORC发电系统的蒸发器与溴化锂吸收式热泵系统的冷凝器耦合在一起，通过ORC蒸发器-热泵冷凝器耦合表面式换热器2进行能量交换，实现供电；所述ORC预热器-热泵吸收器耦合表面式换热器5联接ORC预热器、热泵吸收器, 使二者之间进行换热；ORC发电系统的冷凝器、溴化锂吸收式热泵系统的蒸发器以及余热水的回路进行耦合，三者之间通过ORC冷凝器-ORC工质冷却器-热泵余热管路系统耦合表面式换热器20进行能量交换，实现供热。
尽管参照本发明的多个示意性实施例对本发明的具体实施方式进行了详细的描述，但是必须理解，本领域技术人员可以设计出多种其他的改进和实施例，这些改进和实施例将落在本发明原理的精神和范围之内。具体而言，在前述公开、附图以及权利要求的范围之内，可以在零部件和/或者从属组合布局的布置方面作出合理的变型和改进，而不会脱离本发明的精神。除了零部件和/或布局方面的变型和改进，其范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种余热回收利用系统，其特征在于，包括有机朗肯余热发电模组和溴化锂吸收式热泵模组及耦合换热器模组，所述溴化锂吸收式热泵模组和所述有机朗肯循环(ORC)发电系统独立工作，且所述溴化锂吸收式热泵模组和所述有机朗肯循环(ORC)发电系统通过所述耦合换热器模组进行深度耦合，通过所述耦合换热器模组进行能量交换；所述溴化锂吸收式热泵模组包括用于吸收潜热释放的吸收器模块，所述耦合换热器模组包括ORC预热器-热泵吸收器耦合表面式换热器；所述余热回收利用系统具有供热、供电、热电联供三种模式。
2.根据权利要求1所述的余热回收利用系统，其特征在于，所述溴化锂吸收式热泵模组包括发生器模块、热泵冷凝器模块、热泵蒸发器模块；所述热泵冷凝器模块与所述发生器模块相联，所述发生器模块与 所述吸收器模块相联，所述吸收器模块与所述热泵蒸发器模块相联，所述热泵蒸发器模块与所述热泵冷凝器模块相联。
3.根据权利要求1所述的余热回收利用系统，其特征在于，所述有机朗肯循环(ORC)发电系统包括工质循环泵模块、预热器模块、ORC蒸发器模块、膨胀机模块、发电机模块和ORC冷凝器模块、储液模块，所述工质循环泵模块联接所述预热器模块，之后联接所述ORC蒸发器，之后联接所述膨胀机模块、所述发电机模块，之后联接ORC冷凝器模块，之后通过封闭管路回到所述储液模块。
4.根据权利要求1、2、3中的任一项所述的余热回收利用系统，其特征在于，所述耦合换热器模组包括ORC蒸发器-热泵冷凝器耦合表面式换热器、ORC冷凝器-ORC工质冷却器-热泵余热管路系统耦合表面式换热器，所述ORC蒸发器-热泵冷凝器耦合表面式换热器联接所述ORC蒸发器和所述热泵冷凝器，使二者之间进行换热；所述ORC预热器-热泵吸收器耦合表面式换热器联接ORC预热器-热泵吸收器, 使二者之间进行换热；ORC冷凝器-ORC工质冷却器-热泵余热管路系统耦合表面式换热器联接所述ORC冷凝器和所述热泵蒸发器以及与热水的热泵余热管路，使三者之间进行换热。
5.根据权利要求4所述的余热回收利用系统，其特征在于，所述余热回收利用系统包括独立的回路系统，所述回路系统将所述ORC蒸发器-热泵冷凝器耦合表面式换热器和ORC预热器-热泵吸收器耦合表面式换热器通过独立的所述回路系统联结在一起，分别形成热能系统循环和电能系统循环两个独立的循环系统。
6.根据权利要求1所述的余热回收利用系统，其特征在于，所述耦合换热器模组是表面式换热器。
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