CN104612761B - 实现双级全流涡轮膨胀机orc制取压缩空气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及中低温余热回收利用，旨在提供一种双级全流涡轮膨胀机ORC制取压缩空气的系统及方法。该系统包括蒸发器、两台透平同轴一体机、冷凝器和工质泵；透平同轴一体机由透平膨胀机和透平压缩机同轴直联，其中两台透平膨胀机并联运行，两台透平压缩机串联运行；各设备通过管线实现连接：工质泵的出口端与蒸发器的工质入口相接，蒸发器的工质出口分别接至两台透平膨胀机的工质入口；两台透平膨胀机的工质出口均经冷凝器接至工质泵的入口端。本发明能利用ORC实现中低温余热回收用于制取压缩空气。巧妙利用了双级全流涡轮膨胀机，对空气进行二级压缩以提高其压力，同时对压缩热进行了二次再回收利用，且不需要电能或其他任何二次用能。

Description

实现双级全流涡轮膨胀机ORC制取压缩空气的方法

技术领域

本发明涉及中低温余热回收利用技术领域，尤其是涉及一种实现双级全流涡轮膨胀机ORC制取压缩空气的方法。

背景技术

有机朗肯循环(ORC)系统，是以低沸点有机物为工质的一项热力循环技术。其基本工作原理是ORC有机工质在蒸发器中与热源换热，产生该有机工质的蒸汽，进而推动膨胀机或汽轮机做工，并带动发电机发电或输出动力，换热后的蒸汽在冷凝器中冷却为液态，再由循环泵送入蒸发器，从而完成一个循环。由于低沸点有机工质的使用，这种动力系统对热源的温度、压力等条件要求较低，因此适用于工业余热回收，地热、太阳能等可再生能源的中低温热利用等场合。

膨胀机没有气阀、活塞等滑动部件，因此其工艺性好，工质流速大，可平稳地进行高速运转，是一种良好的热功转换设备。现有的有机朗肯循环系统较多使用螺杆膨胀机，螺杆膨胀机具有运行过程中内部工质可以气液两相流的特点。涡轮膨胀机同样拥有此特点，且使用涡轮膨胀机替代螺杆膨胀机后，可以利用膨胀机和压缩机同轴的特性，以极低的能耗来制取压缩空气。

压缩空气是仅次于电力的第二大动力能源，又是具有多种用途的工艺气源，其应用范围遍及石油、化工、冶金、电力、机械、轻工、纺织、汽车制造、电子、食品、医药、生化、国防、科研等行业和部门。现有的压缩空气制取方法往往需要大量的能耗，如果采用余热能源来制取压缩空气，即可大大降低流程工业的能耗，提高能源效率。

在钢铁、有色金属、石油化工、建材、轻工等诸多行业中，生产企业有着大量低品位余热，包括烟气、蒸汽和热水等，这些热量品位低、数量大、分布散，基本不能为生产再利用。在当前节能减排大政策背景下，余热利用技术越来越受到工业界和学术界的重视，推广中低温余热发电或者中低温余热回收制取压缩空气即为一种低品位余热利用的重要方式。

然而，ORC发电系统中，由于进入膨胀机工质流量和压力的随机波动，工质在膨胀机中不能充分有效的平稳膨胀做功(一般螺杆膨胀机的膨胀比控制在1:4左右)，导致转速不稳定，影响ORC系统发电的稳定性，降低了发电效率。如果利用膨胀机直接驱动空气压缩机，对普通空气进行压缩。压缩空气通过稳压(减压)后直接并入气体管网，系统的能源效率可以大幅提高。

目前，国内外没有发现利用ORC来制取压缩空气的应用，本发明带来全新的压缩空气节能理念，利用免费的工业中低温余热来制取压缩空气。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种实现双级全流涡轮膨胀机ORC制取压缩空气的方法。

为解决技术问题，本发明所采用的技术方案是：

提供一种双级全流涡轮膨胀机ORC制取压缩空气的系统，包括蒸发器、两台透平同轴一体机、冷凝器和工质泵，各设备之间通过管线实现连接；

所述透平同轴一体机由透平膨胀机和透平压缩机同轴直联，透平膨胀机用于膨胀做功，透平压缩机用于制取压缩空气；其中，两台透平膨胀机并联运行，均设有工质入口和工质出口；两台透平压缩机串联运行，其中一台透平压缩机设有一级空气入口和一级压缩空气出口，另一台透平压缩机设二级压缩空气入口和二级压缩空气出口，一级压缩空气出口通过管线接至二级压缩空气入口；

各设备之间通过管线实现连接：工质泵的出口端与蒸发器的工质入口相接，蒸发器的工质出口分别接至两台透平膨胀机的工质入口；两台透平膨胀机的工质出口均经冷凝器接至工质泵的入口端；蒸发器上设有热源入口端和热源出口端。

本发明中，所述冷凝器是空冷冷凝器或水冷冷凝器。

本发明中，在透平膨胀机的工质出口与冷凝器之间的管线上设有储液罐。

本发明中，在透平膨胀机的工质出口处设有止回阀，以保证一台膨胀机紧急停机时不影响另一台的正常运行。

本发明中，在蒸发器的工质出口与两台透平膨胀机的工质入口之间的管线上设有二次换热器；二次换热器上设工质入口和工质出口、压缩空气入口和压缩空气排出口，其中压缩空气入口与所述透平压缩机的二级压缩空气出口相连。

本发明进一步提供了基于前述系统实现双级全流涡轮膨胀机ORC制取压缩空气的方法，包括：低压(1～2.5bar)有机工质由工质泵加压为过冷液态后送入蒸发器，吸收来自80～300℃的中低温余热的能量转变为高压(5～10bar)高温(60～80℃)蒸汽；有机工质自蒸发器中排出后，被分别导入两台并联运行的透平膨胀机；透平膨胀机膨胀做功的同时，驱动直联的透平压缩机对空气进行压缩；两台透平压缩机串联运行：由一台透平压缩机将空气进行一级压缩后，送入另一台透平压缩机进行二级压缩，然后作为产品送出系统；透平膨胀机做功后，有机工质以1.5～3bar的蒸气形式排出并送入冷凝器，在向冷源放热后冷凝为液态，返回工质泵入口，以此实现往复循环。

本发明中，透平膨胀机的工质出口排出的有机工质先被送至储液罐，在储液罐中进行气液混合后再被送入冷凝器。

本发明中，有机工质自蒸发器中排出后，先被送入二次换热器中与经二级压缩后的压缩空气进行换热，再被导入透平膨胀机。

本发明中，所述中低温余热是指：烟气、蒸汽或热水；所述冷源是空气或水：如果采用空冷冷凝器，冷源为空气；如果采用水冷冷凝器，冷源为水。

本发明中，所述有机工质是氟利昂。在一些特殊工业场合也可以应用非氟利昂工质，例如硅油，二氧化碳等。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、实现中低温余热回收利用，并用于制取工业生产过程中需量大的压缩空气。

2、巧妙利用了双级全流涡轮膨胀机，以透平压缩机串联透平膨胀机并联的模式，对空气进行二级压缩以提高其压力。同时，对压缩热进行了二次再回收利用。

3、透平压缩机完全依靠同轴膨胀机直联工作，完全不需要电能或其他任何二次用能，就可以高效制取压缩空气。

4、系统确保了即使一台透平膨胀机紧急停机，整套系统装置也能正常运行。

附图说明

图1为本发明的双级全流涡轮膨胀机ORC制取压缩空气的系统示意图；

图2为本发明另一种系统示意图。

图中标记为：，透平压缩机1，透平膨胀机2，止回阀3，储液罐4，冷凝器5，工质泵6，蒸发器7，二次换热器8，普通空气11，二次压缩空气12，冷源入口13，冷源出口14。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明中的双级全流涡轮膨胀机ORC制取压缩空气的系统，包括蒸发器7、两台透平同轴一体机、冷凝器5和工质泵6，所述冷凝器5是空冷或水冷的冷凝器。

透平同轴一体机由透平膨胀机2和透平压缩机1同轴直联。透平膨胀机2用于膨胀做功，透平压缩机1用于制取压缩空气.其中，两台透平膨胀机2并联运行，均设有工质入口和工质出口；两台透平压缩机1串联运行，其中一台透平压缩机1设有一级空气入口和一级压缩空气出口，另一台透平压缩机1设二级压缩空气入口和二级压缩空气出口，一级压缩空气出口通过管线接至二级压缩空气入口。

透平同轴一体机工作时，透平膨胀机2和透平压缩机1同轴等速相连，避免了不同轴传动的机械效率损失，提高了制取压缩空气的整体效率。

各设备之间通过管线实现连接：工质泵6的出口端与蒸发器7的工质入口相接，蒸发器7的工质出口分别接至两台透平膨胀机2的工质入口；两台透平膨胀机2的工质出口均设有止回阀，以保证一台膨胀机紧急停机时不影响另一台的正常运行。止回阀与冷凝器5之间的管线上设有储液罐4，然后经冷凝器5接至工质泵6的入口端；蒸发器7上设有热源入口端和热源出口端。

本发明中的系统设控制系统，不仅实现与系统相关的电气和仪表的基本控制，而且通过在管路上设置传感器，通过控制调节阀的开度，达到提高透平膨胀机2的最佳工况效果和系统的稳定可靠性。透平同轴一体机设润滑油系统。

基于前述系统实现双级全流涡轮膨胀机ORC制取压缩空气的方法，包括：低压(1～2.5bar)有机工质由工质泵加压为过冷液态后送入蒸发器7，吸收来自中低温余热(80～300℃)的能量转变为高压(5～10bar)高温(60～80℃)蒸汽；有机工质自蒸发器7中排出后，被分别导入两台并联运行的透平膨胀机2；透平膨胀机2膨胀做功的同时，驱动直联的透平压缩机1对空气进行压缩；两台透平压缩机1串联运行：由一台透平压缩机1将普通空气11进行一级压缩后，送入另一台透平压缩机1进行二级压缩，压缩空气12作为的产品被送出系统；透平膨胀机2做功后，有机工质以1.5～3bar的蒸气形式排出后，先被送至储液罐，在储液罐中进行气液混合后再被送入冷凝器。在向冷源(如果水冷模式，冷却水30℃左右；如果风冷模式，空气常温20℃)放热后冷凝为液态，返回工质泵入口，以此实现往复循环。中低温余热是指：烟气、蒸汽或热水，冷源是水或空气。有机工质是氟利昂。在一些特殊工业场合也可以应用非氟利昂工质，例如硅油，二氧化碳等。

作为另一个实施例(见图2)，与前一个实施例的区别是：

在蒸发器7的工质出口与两台透平膨胀机2的工质入口之间的管线上设有二次换热器8；二次换热器8上设工质入口和工质出口、压缩空气入口和压缩空气排出口，其中压缩空气入口与透平压缩机1的二级压缩空气出口相连。

该实施例中，有机工质自蒸发器7中排出后，先被送入二次换热器8中与经二级压缩后的压缩空气进行换热，再被导入透平膨胀机2。

Claims (4)

1.一种实现双级全流涡轮膨胀机ORC制取压缩空气的方法，其特征在于，是基于双级全流涡轮膨胀机ORC制取压缩空气的系统实现的，该系统包括两台透平同轴一体机、蒸发器、冷凝器和工质泵；

所述透平同轴一体机由透平膨胀机和透平压缩机同轴直联，透平膨胀机用于膨胀做功，透平压缩机用于制取压缩空气；其中，两台透平膨胀机并联运行，均设有工质入口和工质出口；两台透平压缩机串联运行，其中一台透平压缩机设有一级空气入口和一级压缩空气出口，另一台透平压缩机设二级压缩空气入口和二级压缩空气出口，一级压缩空气出口通过管线接至二级压缩空气入口；

各设备之间通过管线实现连接：工质泵的出口端与蒸发器的工质入口相接，蒸发器的工质出口分别接至两台透平膨胀机的工质入口；两台透平膨胀机的工质出口均经冷凝器接至工质泵的入口端；蒸发器上设有热源入口端和热源出口端；

在透平膨胀机的工质出口与冷凝器之间的管线上设有储液罐；

在蒸发器的工质出口与两台透平膨胀机的工质入口之间的管线上设有二次换热器；二次换热器上设工质入口和工质出口、压缩空气入口和压缩空气排出口，其中压缩空气入口与所述透平压缩机的二级压缩空气出口相连；

所述方法具体包括：

1～2.5bar的液态有机工质由工质泵加压为过冷液态后送入蒸发器，吸收来自80～300℃的中低温余热的能量转变为5～10bar、60～80℃的蒸汽；有机工质自蒸发器中排出后，被分别导入两台并联运行的透平膨胀机；透平膨胀机膨胀做功的同时，驱动直联的透平压缩机对空气进行压缩；两台透平压缩机串联运行：由一台透平压缩机将空气进行一级压缩后，送入另一台透平压缩机进行二级压缩；透平膨胀机做功后，有机工质以1.5～3bar的蒸气形式排出并送入冷凝器，在向冷源放热后冷凝为液态，返回工质泵入口，以此实现往复循环；

透平膨胀机的工质出口排出的有机工质先被送至储液罐，在储液罐中进行气液混合后再被送入冷凝器；

有机工质自蒸发器中排出后，先被送入二次换热器中与经二级压缩后的压缩空气进行换热，再被导入透平膨胀机；

所述中低温余热是指：烟气、蒸汽或热水；所述冷源是空气或水：如果采用空冷冷凝器，冷源为空气；如果采用水冷冷凝器，冷源为水。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机工质是硅油。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷凝器是空冷冷凝器或水冷冷凝器。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在透平膨胀机的工质出口处设有止回阀。