CN104929806A - 带有机朗肯循环余热回收发电的燃气内燃机热电联产系统 - Google Patents

带有机朗肯循环余热回收发电的燃气内燃机热电联产系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及带有机朗肯循环余热回收发电的燃气内燃机热电联产系统，包括内燃机组及与内燃机组配套连接的两套ORC发电和热水回收组件，一套ORC发电和热水回收组件由工质泵、烟气和工质换热器、膨胀机、工质与水换热器组成，另一套ORC发电和热水回收组件由工质泵、缸套水和工质换热器、膨胀机、工质与水换热器组成，系统的进水分别进入内燃机组的缸套以及两套ORC发电和热水回收组件中的工质与水换热器进行换热，制取热水。本发明可以提高整个系统的发电效率，燃气利用效率得到进一步提高，合理计算内燃机缸套水的最终温度和两套ORC冷凝器冷却水温度，合理回收这部分余热作为生活热水的来源，可提高热电联产系统总效率。

Description

带有机朗肯循环余热回收发电的燃气内燃机热电联产系统
技术领域
本发明涉及一种内燃机系统，尤其是涉及一种带有机朗肯循环余热回收发电的燃气内燃机热电联产系统。
背景技术
能源是国民经济和社会发展的重要物质基础，其消费水平也是衡量一个国家综合国力和人民生活水平的重要指标。我国人均能源资源储量严重不足，主要一次能源以煤炭为主，污染严重。在能源利用方面正处在由粗放型向集约型转变的阶段，能源利用效率仍然较低，环境污染依然严重。开发利用清洁能源、提高能源利用效率是我国能源工作的重点。随着西气东输、二三线工程以及供气网络的建立，如何高效利用清洁的天然气能源成为广大学者讨论的热点。以燃气内燃机代表的多联供系统被认为是高效利用天然气能源的有效方法。然而，内燃机产生的烟气温度在350～600℃，利用这部分高品位热能加热生活热水，显然并没有到达梯级利用能源的目的。
有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)是采用低沸点的有机工质代替水蒸气推动膨胀机做功。该系统相比普通水蒸气朗肯循环具有较高循环热效率和热回收率，系统的冷凝压力一般接近大气压，系统无需达到真空，冷凝器的设计和制造相对简单。低沸点工质往往凝固点低，在较低温度下仍能释放热量。因此，即使室外温度较低，冷凝器也无需防冻设备。总体来看，ORC技术具有较高效率且系统简单，是一项较合适的余热回收技术。
中国专利CN102777240A公开了一种两级朗肯循环的柴油机排气余热回收系统，其技术方案是：由第一蒸发器、第一汽轮机、高温预热器高温侧、第一冷凝器以及第一工质泵依次连接组成第一级朗肯循环系统；由第二蒸发器、第二汽轮机、第二冷凝器、第二工质泵、低温预热器以及高温预热器的低温侧依次连接组成第二级朗肯循环系统。通过高温预热器将两级朗肯循环系统进行连接。发动机排气管依次接于第一和第二蒸发器的气侧，发动机机内冷却水与低温预热器中的工质侧连接，构成机内冷却水封闭循环换热。两级中的汽轮机分别接有发电机。通过蒸汽和有机两级朗肯循环回收排气余热，使发动机高温排气余热得到最充分利用，达到节能和系统高效热力循环的目的。该专利可有效回收发动机余热发电，然而由于水为湿工质，在汽轮机膨胀做功时易出现两相混流，降低系统效率；系统使用较多换热器设备，因此系统换热设计较为复杂。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种提高热电联产系统总效率的带有机朗肯循环余热回收发电的燃气内燃机热电联产系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
带有机朗肯循环余热回收发电的燃气内燃机热电联产系统，包括内燃机组及与内燃机组配套连接的两套ORC发电和热水回收组件，针对燃气内燃机机组的不同品位余热(烟气余热、缸套水余热)的特性进行合理分配的利用。
一套ORC发电和热水回收组件由工质泵、烟气和工质换热器、膨胀机、工质与水换热器组成，
另一套ORC发电和热水回收组件由工质泵、缸套水和工质换热器、膨胀机、工质与水换热器组成，
两种工质在组件中各自形成一ORC循环，
系统的进水分别进入内燃机组的缸套以及两套ORC发电和热水回收组件中的工质与水换热器进行换热，制取热水。
本申请计算缸套水循环的最终温度和两套ORC发电系统冷凝系统的冷却水温度，合理回收余热作为生活热水来源。本发明主要是根据燃气内燃机两种不同品位的余热特性进行合理的分配计算，以获得更为高效的热电联产系统。
所述的膨胀机为涡旋式、螺杆式或叶片式膨胀机，由ORC发电和热水回收组件的工质流量、温度和压力确定。
利用烟气和工质换热器加热工质，烟气温度为350-600℃，使用的工质为R123、R601a、R601或R141b。
利用缸套水和工质换热器加热工质，缸套水温为95℃，使用的工质为R22、R134a或R124。
系统的进水经过滤器过滤去除杂质后，经给水泵供给内燃机组的缸套以及两套ORC发电和热水回收组件中的工质与水换热器
所述的膨胀机设有调节工质在膨胀机进口的温度和压力的旁通阀。
两套ORC发电和热水回收组件的膨胀机均连接有发电机。
制取的热水流入到储热水箱中。
与现有技术相比，本发明在不改变燃气内燃机发电机组系统的前提下，对系统两种余热的品位和余热量进行研究并进行合理的余热回收分配设计计算，以匹配两套ORC余热发电系统，可以提高整个系统的发电效率，燃气利用效率得到进一步提高，合理计算内燃机缸套水的最终温度和两套ORC冷凝器冷却水温度，回收这部分余热作为生活热水的来源，可提高热电联产系统总效率。
本发明根据热源温度合理选择有机工质，不仅对余热进行回收发电，并回收冷却水系统余热满足热电联产系统中的热水负荷需求，更深层次实现能源的梯级利用，达到节能减排效果。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中，1-第一过滤器、2-第一给水泵、3-第二过滤器、4-第二给水泵、5-缸套水和工质换热器、6-第二工质泵、7-第二膨胀机、8-工质与水换热器、9-第二发电机组、10-储热水箱、11-工质与水换热器、12-第一发电机组、13-第一膨胀机、14-第一工质泵、15-烟气和工质换热器、16-内燃机组、17-第三给水泵、18-第三过滤器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
带有机朗肯循环余热回收发电的燃气内燃机热电联产系统，其结构如图1所示，包括内燃机组16及与内燃机组16配套连接的两套ORC发电和热水回收组件，针对燃气内燃机机组的不同品位余热(烟气余热、缸套水余热)的特性进行合理分配的利用。同时根据回收冷凝器余热和缸套水余热作为生活热水来源。
第一工质经第一工质泵14、烟气和工质换热器15、第一膨胀机13、工质与水换热器11完成第一个ORC循环，利用烟气和工质换热器加热工质，烟气温度为350-600℃，使用的第一工质为R123、R601a、R601或R141b等。第二工质经历第二工质泵6、缸套水和工质换热器5、第二膨胀机7、工质与水换热器8完成第二个ORC循环，利用缸套水和工质换热器加热工质，缸套水温为95℃，使用的第二工质为R22、R134a或R124。
系统的进水分别进入内燃机组的缸套以及两套ORC发电和热水回收组件中的工质与水换热器进行换热，制取热水，具体来说，给水分别经第一过滤器1、第二过滤器3、第三过滤器18过滤杂质，然后经过第一给水泵2、第二给水泵4、第三给水泵17分别供给内燃机组16的缸套、工质与水换热器8和工质与水换热器11，
本申请计算缸套水循环的最终温度和两套ORC发电系统冷凝组件的冷却水温度，合理回收余热作为生活热水来源。本发明主要是根据燃气内燃机两种不同品位的余热特性进行合理的分配计算，以获得更为高效的热电联产系统。
两套组件中的膨胀机为涡旋式、螺杆式或叶片式膨胀机，由ORC发电和热水回收组件的工质流量、温度和压力确定，且第一膨胀机13和第二膨胀机7是分别连接有第一发电机组12和第二发电机组9。膨胀机设有调节工质在膨胀机进口的温度和压力的旁通阀。
ORC发电系统的功率由热源决定，热源功率由燃气发电内燃机发电机组的规模决定。一般小型燃气发电机组的品位较低的缸套水余热较多、品味高的烟气余热较少；大型燃气发电机组的品位较低的缸套水余热较少、品味高的烟气余热较多，针对不同品位余热的余热量，设计不同有机工质的蒸发温度和缸套水和工质换热器5以及烟气和工质换热器15的规模。
有机工质所能承受的温度限制一般在350℃以下，而内燃机烟气温度一般高于350℃，设计烟气和工质换热器15时，要防止有机工质高温裂解烟气进入烟气和工质换热器15加热有机工质1。本发明提出工质选择方法主要是根据热源温度决定，烟气温度范围为350～600℃，较适合选择的有机工质为R123、R601a、R601、R141b等；缸套水温度为95℃，较为合适的有机工质为R22、R134a、R124等。
本发明的热水回收系统包括冷却第一工质的工质与水换热器11的冷却水系统、冷却第二工质的工质与水换热器8的冷却水系统、经过缸套水和工质换热器5的缸套水循环系统，集中收集到储热水箱10中。其中给水温度由环境决定，燃气内燃机机组缸套水温度控制在95℃。
综上所述，以上仅为本发明的系统构造和简单设计方法概述，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.带有机朗肯循环余热回收发电的燃气内燃机热电联产系统，其特征在于，该系统包括内燃机组及与内燃机组配套连接的两套ORC发电和热水回收组件，
一套ORC发电和热水回收组件由工质泵、烟气和工质换热器、膨胀机、工质与水换热器组成，
另一套ORC发电和热水回收组件由工质泵、缸套水和工质换热器、膨胀机、工质与水换热器组成，
两种工质在组件中各自形成一ORC循环，
系统的进水分别进入内燃机组的缸套以及两套ORC发电和热水回收组件中的工质与水换热器进行换热，制取热水。
2.根据权利要求1所述的带有机朗肯循环余热回收发电的燃气内燃机热电联产系统，其特征在于，所述的膨胀机为涡旋式、螺杆式或叶片式膨胀机，由ORC发电和热水回收组件的工质流量、温度和压力确定。
3.根据权利要求1所述的带有机朗肯循环余热回收发电的燃气内燃机热电联产系统，其特征在于，利用烟气和工质换热器加热工质，烟气温度为350-600℃，使用的工质为R123、R601a、R601或R141b。
4.根据权利要求1所述的带有机朗肯循环余热回收发电的燃气内燃机热电联产系统，其特征在于，利用缸套水和工质换热器加热工质，缸套水温为95℃，使用的工质为R22、R134a或R124。
5.根据权利要求1所述的带有机朗肯循环余热回收发电的燃气内燃机热电联产系统，其特征在于，系统的进水经过滤器过滤去除杂质后，经给水泵供给内燃机组的缸套以及两套ORC发电和热水回收组件中的工质与水换热器。
6.根据权利要求1或2所述的带有机朗肯循环余热回收发电的燃气内燃机热电联产系统，其特征在于，所述的膨胀机设有调节工质在膨胀机进口的温度和压力的旁通阀。
7.根据权利要求1所述的带有机朗肯循环余热回收发电的燃气内燃机热电联产系统，其特征在于，两套ORC发电和热水回收组件的膨胀机均连接有发电机。
8.根据权利要求1所述的带有机朗肯循环余热回收发电的燃气内燃机热电联产系统，其特征在于，制取的热水流入到储热水箱中。
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Application publication date: 20150923

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