CN104727871A - 一种有机朗肯-斯特林机联合循环发电系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于能源与动力技术领域，特别涉及一种有机朗肯-斯特林机联合循环发电系统及其使用方法。本发明系统的工质储液罐、工质泵、工质蒸发器、热功转换设备、斯特林机热腔换热器、工质冷凝器和工质储液罐顺次相连构成有机朗肯循环回路；储水箱、给水泵、斯特林机冷腔换热器、工质冷凝器、冷却塔和储水箱顺次相连构成冷却水循环回路；本发明通过斯特林机将有机朗肯循环回路与冷却水回路连接起来，斯特林机热腔吸收热功转换设备出口乏汽的热量，斯特林机冷腔向冷却水释放热量，且在此过程中斯特林机带动发电机发电，有效回收有机朗肯循环的乏汽能量，从而提高整体系统的热效率，达到节能降耗的目的。

Description

一种有机朗肯-斯特林机联合循环发电系统及其使用方法

技术领域

本发明属于能源与动力技术领域，特别涉及一种有机朗肯-斯特林机联合循环发电系统及其使用方法。

背景技术

斯特林发动机是伦敦的牧师罗巴特·斯特林(Robert·Stirling)于1816年发明的，所以命名为“斯特林发动机”(Stirling engine)。斯特林发动机是独特的热机，因为他们实际上的效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率。斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。这是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气(或氦气)作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程。由于外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题，从而实现了高效率、低噪音、低污染和低运行成本。

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，简称ORC)是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，主要由余热锅炉(或换热器)、透平、冷凝器和工质泵四大部套组成。有机工质在换热器中从余热流中吸收热量，生成具一定压力和温度的蒸汽，蒸汽进入透平机械膨胀做功，从而带动发电机或拖动其它动力机械。从透平排出的蒸汽在凝汽器中向冷却水放热，凝结成液态，最后借助工质泵重新回到换热器，如此不断地循环下去。

有机朗肯循环是一种被认为能有效利用中低温热能的技术。尽管对有机朗肯循环的研究已有很多，但到目前为止，系统整体方面尚未得到全面优化，系统整体利用效率较低。例如，做功后排出的乏汽绝大部分能量经冷凝器放热，热量由冷却水带走后散失到空气中。

因此如何利用热力循环的热力学基本定律，借鉴现有复合循环的组织思路及创新方法，寻找新的复合循环方法及理论，提高中低温热能的利用效率，具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种有机朗肯-斯特林机联合循环发电系统及其使用方法，对有机朗肯循环加以改进，利用斯特林机回收有机朗肯循环中乏汽的部分热量，从而实现有效提高整个热力循环发电系统的热效率的目的。

一种有机朗肯-斯特林机联合循环发电系统，其工质储液罐、工质泵、工质蒸发器、热功转换设备、斯特林机热腔换热器、工质冷凝器和工质储液罐顺次相连构成有机朗肯循环回路；储水箱、给水泵、斯特林机冷腔换热器、工质冷凝器、冷却塔和储水箱顺次相连构成冷却水循环回路；所述斯特林机热腔换热器和斯特林机冷腔换热器分别与斯特林机相连；所述热功转换设备和斯特林机分别与其对应的发电机相连。

所述热功转换设备为透平机或膨胀机等其他形式的热功转换设备。

所述工质蒸发器设置一个或多个，多个工质蒸发器之间采用串联、并联或混联方式连接。

所述工质冷凝器设置一个或多个，多个工质冷凝器之间采用串联、并联或混联方式连接。

所述斯特林机热腔换热器和斯特林机冷腔换热器分别采用公知的成熟技术配套。

本发明中未说明的设备、管道、仪表、阀门、保温装置等分别采用公知的成熟技术进行配套。

一种有机朗肯-斯特林机联合循环发电系统的使用方法，包括如下步骤：

有机朗肯循环：储存于工质储液罐中的液态有机工质，经过工质泵送入蒸发器后吸收热量，产生的有机工质蒸汽进入热功转换设备做功，带动发电机发电，从热功转换设备排出的乏汽与斯特林机热腔换热器进行换热，加热斯特林机热腔内的气体，再进入工质冷凝器冷却形成液态有机工质回到工质储液中，从而形成有机朗肯循环回路；

冷却水循环：储水箱中的水经过给水泵送入斯特林机冷腔换热器进行换热，冷却斯特林机冷腔内的气体，再进入工质冷凝器冷却工质，最后经过冷却塔释放热量后回到储水箱中，从而形成冷却水循环回路；

斯特林机循环：斯特林机热腔内的气体通过斯特林机热腔换热器吸收热功转换设备排出的乏汽的热量，变成高温气体，对外做功后进入斯特林机冷腔内，通过斯特林机冷腔换热器进行冷却，变成低温气体，再回到斯特林机热腔内，从而形成斯特林机循环；在此循环过程中，通过连接于斯特林机冷热腔体的机械设备进行做功，带动发电机发电。

所述的斯特林机连接有机朗肯循环回路及冷却水循环回路，斯特林机热腔吸收有机朗肯循环回路的热功转换设备排出的乏汽的热量，斯特林机冷腔向冷却水释放热量。

在有机朗肯循环中采用单一组分的有机工质或有机工质的混合物作为循环介质。

所述斯特林机采用空气、二氧化碳、氦气、氢气、氮气和氧气中的一种以上作为斯特林机循环介质。

本发明的有益效果为：

本发明充分结合当今现有的有机朗肯循环技术及斯特林机，将热功转换设备出口的乏汽通过斯特林机转化为高品质电能，提高整体系统的热效率，达到节能降耗的目的。

附图说明

图1为本发明有机朗肯-斯特林机联合循环发电系统的结构示意图；

图中标号：1-工质储液罐、2-工质泵、3-工质蒸发器、4-热功转换设备、5，11-发电机、6-斯特林机、6-1-斯特林机热腔换热器、6-2-斯特林机冷腔换热器、7-工质冷凝器、8-冷却塔、9-储水箱、10-给水泵。

具体实施方式

本发明提供了一种有机朗肯-斯特林机联合循环发电系统及其使用方法，下面接和附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种有机朗肯-斯特林机联合循环发电系统，其工质储液罐1、工质泵2、工质蒸发器3、热功转换设备4、斯特林机热腔换热器6-1、工质冷凝器7和工质储液罐1顺次相连构成有机朗肯循环回路；储水箱9、给水泵10、斯特林机冷腔换热器6-2、工质冷凝器7、冷却塔8和储水箱9顺次相连构成冷却水循环回路；所述斯特林机热腔换热器6-1和斯特林机冷腔换热器6-2分别与斯特林机6相连；所述热功转换设备4与对应的发电机5相连；斯特林机6与对应的发电机11相连。

所述热功转换设备4为透平机或膨胀机等其他形式的热功转换设备。

所述工质蒸发器3设置一个或多个，多个工质蒸发器之间采用串联、并联或混联方式连接。

所述工质冷凝器7设置一个或多个，多个工质冷凝器之间采用串联、并联或混联方式连接。

所述斯特林机热腔换热器6-1和斯特林机冷腔换热器6-2分别采用公知的成熟技术配套。

本发明中未说明的设备、管道、仪表、阀门、保温装置等分别采用公知的成熟技术进行配套。

本发明有机朗肯-斯特林机联合循环发电系统包括有机朗肯循环、斯特林机循环和冷却水循环三个子系统。

所述有机朗肯循环，是指储存于工质储液罐1中的液态有机工质，经过工质泵2送入工质蒸发器3后吸收热量，产生的有机工质蒸汽进入热功转换设备4做功，带动对应的发电机5发电，从热功转换设备4排出的乏汽与斯特林机热腔换热器6-1进行换热，加热斯特林机热腔内的气体，再进入工质冷凝器7冷却形成液态有机工质回到工质储液罐1中，从而形成有机朗肯循环回路。

所述冷却水循环，是指储水箱9中的水经过给水泵10送入斯特林机冷腔换热器6-2进行换热，冷却斯特林机6冷腔内的气体，再进入工质冷凝器7冷却工质，最后经过冷却塔8释放热量后回到储水箱9中，从而形成冷却水循环回路。

所述的斯特林机循环，是指斯特林机6热腔内的气体通过斯特林机热腔换热器6-1吸收热功转换设备4排出的乏汽的热量，变成高温气体，对外做功后进入斯特林机6冷腔内，通过斯特林机冷腔换热器6-2进行冷却，变成低温气体，再回到斯特林机6热腔内，从而形成斯特林机循环。在此循环过程中，通过连接于斯特林机6冷热腔体的机械设备进行做功，带动对应的发电机11发电。

因此，本发明将有机朗肯循环与斯特林机结合起来，能够发挥各自的优势，形成一个联合循环发电系统，从而提高了整体系统的热效率，达到了节能降耗的目的。

Claims (8)

1.一种有机朗肯-斯特林机联合循环发电系统，其特征在于，工质储液罐、工质泵、工质蒸发器、热功转换设备、斯特林机热腔换热器、工质冷凝器和工质储液罐顺次相连构成有机朗肯循环回路；储水箱、给水泵、斯特林机冷腔换热器、工质冷凝器、冷却塔和储水箱顺次相连构成冷却水循环回路；所述斯特林机热腔换热器和斯特林机冷腔换热器分别与斯特林机相连；所述热功转换设备和斯特林机分别与其对应的发电机相连。

2.根据权利要求1所述的一种有机朗肯-斯特林机联合循环发电系统，其特征在于，所述热功转换设备为透平机或膨胀机。

3.根据权利要求1所述的一种有机朗肯-斯特林机联合循环发电系统，其特征在于，所述工质蒸发器设置一个或多个，多个工质蒸发器之间采用串联、并联或混联方式连接。

4.根据权利要求1所述的一种有机朗肯-斯特林机联合循环发电系统，其特征在于，所述工质冷凝器设置一个或多个，多个工质冷凝器之间采用串联、并联或混联方式连接。

5.如权利要求1所述的一种有机朗肯-斯特林机联合循环发电系统的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

有机朗肯循环：储存于工质储液罐中的液态有机工质，经过工质泵送入蒸发器后吸收热量，产生的有机工质蒸汽进入热功转换设备做功，带动发电机发电，从热功转换设备排出的乏汽与斯特林机热腔换热器进行换热，加热斯特林机热腔内的气体，再进入工质冷凝器冷却形成液态有机工质回到工质储液中，从而形成有机朗肯循环回路；

冷却水循环：储水箱中的水经过给水泵送入斯特林机冷腔换热器进行换热，冷却斯特林机冷腔内的气体，再进入工质冷凝器冷却工质，最后经过冷却塔释放热量后回到储水箱中，从而形成冷却水循环回路；

斯特林机循环：斯特林机热腔内的气体通过斯特林机热腔换热器吸收热功转换设备排出的乏汽的热量，变成高温气体，对外做功后进入斯特林机冷腔内，通过斯特林机冷腔换热器进行冷却，变成低温气体，再回到斯特林机热腔内，从而形成斯特林机循环；在此循环过程中，通过连接于斯特林机冷热腔体的机械设备进行做功，带动发电机发电。

6.根据权利要求5所述的一种有机朗肯-斯特林机联合循环发电系统的使用方法，其特征在于，所述的斯特林机连接有机朗肯循环回路及冷却水循环回路，斯特林机热腔吸收有机朗肯循环回路的热功转换设备排出的乏汽的热量，斯特林机冷腔向冷却水释放热量。

7.根据权利要求5所述的一种有机朗肯-斯特林机联合循环发电系统的使用方法，其特征在于，在有机朗肯循环中采用单一组分的有机工质或有机工质的混合物作为循环介质。

8.根据权利要求5所述的一种有机朗肯-斯特林机联合循环发电系统的使用方法，其特征在于，所述斯特林机采用空气、二氧化碳、氦气、氢气、氮气和氧气中的一种以上作为斯特林机循环介质。