CN105201841A - 一种orc制取压缩空气的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及中低温余热回收利用技术领域，旨在提供一种ORC制取压缩空气的装置及方法。该种ORC制取压缩空气的装置包括蒸发器、二合一机组、冷凝器、工质泵和控制系统，二合一机组包括螺杆膨胀机和螺杆压缩机，控制系统包括压力传感器、温度传感器、流量传感器、阀门仪表；该种ORC制取压缩空气的方法包括步骤：选取热源、低温热源，并与ORC制取压缩空气的装置连接，然后启动ORC制取压缩空气的装置，进行压缩空气制取，工作结束，关闭ORC制取压缩空气的装置。本发明能实现中低温余热回收利用，并直接制取压缩空气，同时通过回收压缩热来提高螺杆膨胀机的入口温度和压力，从而大幅提高了余热能源的回收效率。

Description

一种ORC制取压缩空气的装置及方法

技术领域

本发明是关于中低温余热回收利用技术领域，特别涉及一种ORC制取压缩空气的装置及方法。

背景技术

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。

目前可实现热功(电)转化技术的热力循环技术主要有：有机朗肯循环(简称ORC)、氨水Kalina循环、半导体热电材料温差发电、热声发电等。其中半导体温差发电技术受到热电能量转换效率和成本的限制；热声技术存在弛豫时间等问题，循环效率并不能保证；Kalina循环理论效率高，但构成复杂，工程应用可靠性仍需检验。

ORC发电系统具有良好的机动性、高度的安全性及对维护保养的要求比较低等优点，将其整合到能源系统，以余热驱动可以实现低品位能源向高品位能源(电、压缩空气)的转化，减轻电力负担，提高余热的综合回收利用率。

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。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种利用膨胀机直接驱动空气压缩机，对普通空气进行压缩的装置及方法。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种ORC制取压缩空气的装置，能利用ORC有机工质直接制取压缩空气，所述ORC制取压缩空气的装置包括蒸发器、二合一机组、冷凝器、工质泵和控制系统；

所述二合一机组包括螺杆膨胀机和螺杆压缩机，螺杆膨胀机能利用ORC有机工质膨胀做功驱动螺杆压缩机，螺杆压缩机能通过螺杆膨胀机驱动，将普通空气压缩成压缩空气；

所述蒸发器设有热源入口、热源出口、蒸发器有机工质入口和蒸发器有机工质出口，所述冷凝器设有低温热源入口、低温热源出口、冷凝器有机工质入口和冷凝器有机工质出口，所述螺杆膨胀机设有二合一机组有机工质入口、二合一机组有机工质出口，所述螺杆压缩机设有普通空气入口、压缩空气出口；蒸发器有机工质出口与二合一机组有机工质入口通过管路相连，二合一机组有机工质出口与冷凝器有机工质入口通过管路相连，冷凝器有机工质出口通过管路与工质泵连接，工质泵再通过管路与蒸发器有机工质入口相连；所述工质泵用于将ORC有机工质加压并泵送到蒸发器；

所述控制系统包括压力传感器、温度传感器、流量传感器、阀门仪表，压力传感器、温度传感器、流量传感器分别设置在ORC制取压缩空气的装置中的连接管路上(螺杆膨胀机进出口管路、螺杆压缩机出口管路等，具体实施例可根据实际需求进行增减)，用于获取ORC制取压缩空气的装置中的工作数据；控制系统能利用压力传感器、温度传感器、流量传感器检测获取的数据，对阀门仪表进行控制调节；所述阀门仪表是指ORC制取压缩空气的装置中各部件相关的控制阀门和仪表。

在本发明中，所述螺杆压缩机采用活塞压缩机、离心压缩机或者涡旋压缩机。

在本发明中，所述冷凝器采用空冷或者水冷方式的冷凝器。

在本发明中，所述ORC制取压缩空气的装置还包括油润滑系统，用于对二合一机组的进行润滑。

提供基于所述装置的ORC制取压缩空气的方法，具体步骤为：

步骤A：选取热源、低温热源，并将热源的出口连接到蒸发器的热源入口，将低温热源的出口连接到冷凝器的低温热源入口；

步骤B：启动ORC制取压缩空气的装置，工质泵将低压液态ORC有机工质加压成过冷液态ORC有机工质；过冷液态ORC有机工质进入蒸发器后，吸收能量转变为高压高温蒸汽态ORC有机工质；高压高温蒸汽态ORC有机工质导入螺杆膨胀机，驱动连接的螺杆压缩机对普通空气进行压缩，高压高温蒸汽态ORC有机工质变成低压蒸汽态ORC有机工质；低压蒸汽态ORC有机工质从螺杆膨胀机出来进入冷凝器，向低温热源放热并冷凝为低压液态ORC有机工质；低压液态ORC有机工质再流入工质泵，如此往复循环工作；

步骤C：工作结束，关闭ORC制取压缩空气的装置，完成压缩空气制取工作。

在本发明中，所述热源采用烟气、蒸汽和热水等中低温余热(120～200℃)。

在本发明中，所述低温热源采用螺杆膨胀机做工后的低压蒸汽态ORC有机工质，即低温热源的出口采用二合一机组有机工质出口，冷凝器的低温热源入口采用冷凝器有机工质入口。

在本发明中，所述ORC有机工质采用氟利昂(普遍应用R245fa)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明能实现中低温余热回收利用，并直接制取压缩空气，同时通过回收压缩热来提高螺杆膨胀机的入口温度和压力，从而大幅提高了余热能源的回收效率。

附图说明

图1为本发明ORC制取压缩空气的装置示意图。

图2为本发明中二合一机组示意图。

图中的附图标记为：1蒸发器；2热源入口；3热源出口；4蒸发器有机工质出口；5蒸发器有机工质入口；6二合一机组；7二合一机组有机工质入口；8二合一机组有机工质出口；9压缩空气出口；10冷凝器；11冷凝器有机工质入口；12冷凝器有机工质出口；13工质泵；14螺杆压缩机；15螺杆膨胀机；16普通空气入口。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示的一种ORC制取压缩空气的装置包括蒸发器1、二合一机组6、冷凝器10、工质泵13、油润滑系统和控制系统，能巧妙利用ORC直接制取压缩空气。

如图2所示，二合一机组6包括螺杆膨胀机15和螺杆压缩机14，螺杆膨胀机15能利用ORC有机工质膨胀做功驱动螺杆压缩机14。螺杆压缩机14能通过螺杆膨胀机15驱动，将普通空气压缩成压缩空气，且螺杆压缩机14可采用活塞压缩机、离心压缩机或者涡旋压缩机。所述油润滑系统用于对二合一机组6进行润滑。

蒸发器1设有热源入口2、热源出口3、蒸发器有机工质入口5和蒸发器有机工质出口4，冷凝器10设有低温热源入口、低温热源出口、冷凝器有机工质入口11和冷凝器有机工质出口12；且冷凝器10可采用空冷或者水冷方式的冷凝器。螺杆膨胀机15设有二合一机组有机工质入口7、二合一机组有机工质出口8，螺杆压缩机14设有普通空气入口16、压缩空气出口9。

蒸发器有机工质出口4与二合一机组有机工质入口7通过管路相连，二合一机组有机工质出口8与冷凝器有机工质入口11通过管路相连，冷凝器有机工质出口12通过管路与工质泵13连接，工质泵13再通过管路与蒸发器有机工质入口5相连；所述工质泵13用于将ORC有机工质加压并泵送到蒸发器1。

控制系统包括压力传感器、温度传感器、流量传感器、及与装置相关的阀门仪表等，压力传感器、温度传感器、流量传感器均分别设置在螺杆膨胀机15进出口管路、螺杆压缩机14出口管路等，具体实施例可根据实际需求进行增减。控制系统利用压力传感器、温度传感器、流量传感器检测获取的数据，对阀门仪表进行控制调节，达到提高膨胀机的最佳工况效果和系统的整体稳定可靠性。

基于上述装置能利用ORC有机工质直接制取压缩空气，该ORC制取压缩空气的方法具体步骤为：

步骤A：选取热源、低温热源，且热源采用烟气、蒸汽和热水等中低温余热(120～200℃)，低温热源为螺杆膨胀机15做工后的低压蒸汽态ORC有机工质；将热源的出口连接到蒸发器1的热源入口2，将低温热源的出口连接到冷凝器10的低温热源入口，这里的低温热源的出口即为二合一机组有机工质出口8，冷凝器10的低温热源入口即为冷凝器有机工质入口11。

步骤B：启动ORC制取压缩空气的装置，工质泵13将低压液态ORC有机工质加压成过冷液态ORC有机工质；过冷液态ORC有机工质进入蒸发器1后，吸收能量转变为高压高温蒸汽态ORC有机工质；高压高温蒸汽态ORC有机工质导入螺杆膨胀机15，驱动连接的螺杆压缩机14对普通空气进行压缩，高压高温蒸汽态ORC有机工质变成低压蒸汽态ORC有机工质；低压蒸汽态ORC有机工质从螺杆膨胀机15出来进入冷凝器10，向低温热源放热并冷凝为低压液态ORC有机工质；低压液态ORC有机工质再流入工质泵13，如此往复循环工作。

步骤C：工作结束，关闭ORC制取压缩空气的装置，完成压缩空气制取工作。

在ORC制取压缩空气的方法中，ORC有机工质以氟利昂为主应用，普遍应用R245fa。在一些特殊工业场合也可以应用一些非氟利昂工质。

本发明所制取的压缩空气可通过稳压(减压)后，直接并入需要压缩空气的工业生产过程气体管网，从而大幅度的提高系统的能源效率。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种ORC制取压缩空气的装置，能利用ORC有机工质直接制取压缩空气，其特征在于，所述ORC制取压缩空气的装置包括蒸发器、二合一机组、冷凝器、工质泵和控制系统；

所述二合一机组包括螺杆膨胀机和螺杆压缩机，螺杆膨胀机能利用ORC有机工质膨胀做功驱动螺杆压缩机，螺杆压缩机能通过螺杆膨胀机驱动，将普通空气压缩成压缩空气；

所述蒸发器设有热源入口、热源出口、蒸发器有机工质入口和蒸发器有机工质出口，所述冷凝器设有低温热源入口、低温热源出口、冷凝器有机工质入口和冷凝器有机工质出口，所述螺杆膨胀机设有二合一机组有机工质入口、二合一机组有机工质出口，所述螺杆压缩机设有普通空气入口、压缩空气出口；蒸发器有机工质出口与二合一机组有机工质入口通过管路相连，二合一机组有机工质出口与冷凝器有机工质入口通过管路相连，冷凝器有机工质出口通过管路与工质泵连接，工质泵再通过管路与蒸发器有机工质入口相连；所述工质泵用于将ORC有机工质加压并泵送到蒸发器；

所述控制系统包括压力传感器、温度传感器、流量传感器、阀门仪表，压力传感器、温度传感器、流量传感器分别设置在ORC制取压缩空气的装置中的连接管路上，用于获取ORC制取压缩空气的装置中的工作数据；控制系统能利用压力传感器、温度传感器、流量传感器检测获取的数据，对阀门仪表进行控制调节；所述阀门仪表是指ORC制取压缩空气的装置中各部件相关的控制阀门和仪表。

2.根据权利要求1所述的ORC制取压缩空气的装置，其特征在于，所述螺杆压缩机采用活塞压缩机、离心压缩机或者涡旋压缩机。

3.根据权利要求1所述的ORC制取压缩空气的装置，其特征在于，所述冷凝器采用空冷或者水冷方式的冷凝器。

4.根据权利要求1所述的ORC制取压缩空气的装置，其特征在于，所述ORC制取压缩空气的装置还包括油润滑系统，用于对二合一机组的进行润滑。

5.基于权利要求1所述装置的ORC制取压缩空气的方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤A：选取热源、低温热源，并将热源的出口连接到蒸发器的热源入口，将低温热源的出口连接到冷凝器的低温热源入口；

步骤B：启动ORC制取压缩空气的装置，工质泵将低压液态ORC有机工质加压成过冷液态ORC有机工质；过冷液态ORC有机工质进入蒸发器后，吸收能量转变为高压高温蒸汽态ORC有机工质；高压高温蒸汽态ORC有机工质导入螺杆膨胀机，驱动连接的螺杆压缩机对普通空气进行压缩，高压高温蒸汽态ORC有机工质变成低压蒸汽态ORC有机工质；低压蒸汽态ORC有机工质从螺杆膨胀机出来进入冷凝器，向低温热源放热并冷凝为低压液态ORC有机工质；低压液态ORC有机工质再流入工质泵，如此往复循环工作；

步骤C：工作结束，关闭ORC制取压缩空气的装置，完成压缩空气制取工作。

6.根据权利要求5所述的ORC制取压缩空气的方法，其特征在于，所述热源采用烟气、蒸汽和热水等中低温余热。

7.根据权利要求5所述的ORC制取压缩空气的方法，其特征在于，所述低温热源采用螺杆膨胀机做工后的低压蒸汽态ORC有机工质，即低温热源的出口采用二合一机组有机工质出口，冷凝器的低温热源入口采用冷凝器有机工质入口。

8.根据权利要求5所述的ORC制取压缩空气的方法，其特征在于，所述ORC有机工质采用氟利昂。