CN105626175B - 有机朗肯循环发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有机朗肯循环发电系统，包括循环发电主回路和膨胀机膨胀气体调节回路；循环发电主回路中，高压蒸发器的工质出口连接至膨胀机的主气进口，膨胀机的排气口连接至冷凝器的入口，冷凝器的出口连接至高压工质泵的入口，高压工质泵的出口连接至高压蒸发器的工质入口，膨胀机的输出端连接发电机；膨胀机膨胀气体调节回路中，低压工质泵的入口连接至冷凝器的出口，低压工质泵的出口连接至低压蒸发器的工质入口，低压蒸发器的工质出口连接至膨胀机的膨胀气体调节口，膨胀机的膨胀气体调节口连接至回热器的第一换热管路入口，回热器的第一换热管路出口冷凝器的入口。本发明能够有效地防止膨胀机的过膨胀和欠膨胀问题。

Description

有机朗肯循环发电系统

技术领域

本发明涉及发电系统技术领域，具体地说，涉及一种有机朗肯循环发电系统。

背景技术

低温热能是指品味相对较低的热能，低温热能的温度一般低于200℃，这些能源种类繁多，包括工业废热、地热、生物质能、海洋温差能、太阳能等等多种可再生资源；其总量巨大，据统计，目前人类所利用的热能中有50％最终以低品位废热的形式直接排放。有机朗肯循环系统是一种应用低于200℃的低温热能的最为常见的发电用热力循环系统。

图1为现有的有机朗肯循环发电系统的流程示意图，参照图1，现有的有机朗肯循环发电系统包括蒸发器16、膨胀机17、发电机20、冷凝器18和工质泵19，其中蒸发器的出口通过高压气体管路与膨胀机的入口连接，膨胀机的出口通过低压气体管路与冷凝器的入口连接，冷凝器出口通过低压液体管路与工质泵入口连接，工质泵出口通过高压液体管路与蒸发器入口连接，膨胀机的输出端连接发电机。现有的这种有机朗肯循环发电系统包括等熵压缩、等压加热、等熵膨胀和等压冷凝四个主要热力过程。首先，工作介质在工质泵中进行等熵压缩后，进入到蒸发器等压加热，并蒸发成为高温高压的蒸汽，之后进入膨胀机中等熵膨胀，向外界输出机械功，膨胀后的蒸汽进入冷凝器，与冷却介质换热进行等压冷凝为液态，最后重新进入工质泵中开始下一次的循环。现有的这种有机朗肯循环发电系统的优势是结构简单、容易实现、效率相对较高。但是现有的这种有机朗肯循环发电系统在实际运行中存在以下技术难题：冷源通常使用自然资源，全年温度在-20℃至35℃范围内波动，温度波动很大，热源温度波动虽小，但也会随气温变化产生波动，而现有的这种有机朗肯循环发电系统中，膨胀机的内容积比通常是固定的，发电系统的设计工况通常按全年平均工况，系统的实际运行工况偏离设计工况的运行时间很长，在夏季气温较高的情况下，冷凝压力升高，膨胀机的出口背压增大，大于膨胀机的膨胀室内的压力，膨胀机的出口背压会逆向影响膨胀室内的压力，增大膨胀室内的压力，使膨胀机内气体过膨胀，在排气时再被压缩，致使膨胀效率大大降低；在冬季气温较低时，冷凝压力降低，膨胀机出口背压减小，小于膨胀机的膨胀室内的压力，膨胀机的出口背压会逆向影响膨胀室内的压力，降低膨胀室内的压力，使膨胀机内的气体膨胀不足，产生欠膨胀，在排气时发生二次膨胀，致使膨胀效率降低。现有的这种有机朗肯循环发电系统中，膨胀机产生的过膨胀和欠膨胀问题使发电系统平均运行效率降低，平均发电量减少，更严重的是，还会产生膨胀后气体进入气液两相区，导致膨胀机严重损坏等重大故障。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是：提供一种能够有效地防止膨胀机的过膨胀和欠膨胀问题、从而能够提高整个系统运行效率的有机朗肯循环发电系统。

本发明所要解决的第二个技术问题是：提供一种能够有效地防止膨胀机的过膨胀和欠膨胀问题、从而能够提高整个系统运行效率的有机朗肯循环发电系统的控制方法。

为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：

有机朗肯循环发电系统，包括循环发电主回路和膨胀机膨胀气体调节回路；

所述循环发电主回路包括依次设置的高压蒸发器、膨胀机、冷凝器、高压工质泵和发电机，所述高压蒸发器的工质出口通过主气管道连接至所述膨胀机的主气进口，所述膨胀机的排气口通过排气管道连接至所述冷凝器的入口，所述冷凝器的出口通过管道连接至所述高压工质泵的入口，所述高压工质泵的出口连接至所述高压蒸发器的工质入口，所述膨胀机的输出端连接所述发电机，所述膨胀机上设置有膨胀气体调节口,所述膨胀气体调节口连通所述膨胀机的膨胀室；

所述膨胀机膨胀气体调节回路包括低压蒸发器、低压工质泵和回热器，所述低压工质泵的入口通过管道连接至所述冷凝器的出口，所述低压工质泵的出口通过管道连接至所述低压蒸发器的工质入口，所述低压蒸发器的工质出口通过补气管道连接至所述膨胀机的膨胀气体调节口，所述补气管道上设有补气阀，所述膨胀机的膨胀气体调节口还通过抽气管道连接至所述回热器的第一换热管路入口，所述回热器的第一换热管路出口通过管道连接至所述冷凝器的入口，所述抽气管道上设有抽气阀。

优选的，所述低压工质泵与所述低压蒸发器之间连接所述回热器，所述低压工质泵的出口连接所述回热器的第二换热管路入口，所述回热器的第二换热管路出口连接至所述低压蒸发器的入口；

所述回热器的工质出口通过调节管道连接至所述高压蒸发器的工质入口，所述调节管道上设置单向阀，所述单向阀的进口连接至所述回热器的工质出口，所述单向阀的出口连接至所述高压蒸发器的工质入口。

为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：

有机朗肯循环发电系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、当有机朗肯循环发电系统使用于环境温度较高的工况时，冷凝压力升高，膨胀机出口背压增大，此时为了防止膨胀机内的气体过膨胀，开启补气阀，开通中间补气循环，关闭抽气阀，关闭抽气循环，对膨胀机进行中间补气调节；

当本发明的有机朗肯循环发电系统使用于环境温度较低的工况时，冷凝压力降低，膨胀机出口背压减小，此时为了防止膨胀机内的气体欠膨胀，关闭补气阀，关闭补气循环，开启抽气阀，开启抽气循环，对膨胀机内进行中间抽气调节。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：

本发明的有机朗肯循环发电系统，在夏季使用时，夏季气温升高，冷凝压力升高，膨胀机出口背压增大，此时为了防止膨胀机内的气体过膨胀，开启补气阀，开通中间补气循环，关闭抽气阀，关闭抽气循环，通过对膨胀机进行中间补气，提高了中间气体的质量流量，提高了膨胀机膨胀室内的压力，从而均衡了膨胀机膨胀室内压力与膨胀机出口的背压，使膨胀机出口处的背压不会再逆向影响膨胀机膨胀室内的压力，避免了膨胀机内气体过膨胀的问题，提高了膨胀机等熵膨胀的效率，增大了有机朗肯循环发电系统的运行效率和输出功。本发明的有机朗肯循环发电系统，在冬季使用时，冬季气温降低，冷凝压力降低，膨胀机出口背压减小，此时为了防止膨胀机内的气体欠膨胀，关闭补气阀，关闭补气循环，开启抽气阀，开启抽气循环，通过对膨胀机内进行中间抽气，减少了中间气体的质量流量，有效地避免了膨胀机膨胀室内气体欠膨胀的问题，提高了膨胀机的等熵膨胀效率，增大了有机朗肯循环发电系统的运行效率和输出功。当有机朗肯循环发电系统的实际运行工况与设计工况相近时，补气阀和抽气阀都关闭，从而将补气循环和抽气循环都关闭。本发明的有机朗肯循环发电系统，可以根据实际运行工况，对实际运行工况与设计工况的偏离通过补气或抽气进行调节，避免膨胀机因实际运行工况的偏离产生的过膨胀和欠膨胀问题，提高整个系统的运行效率，提高整个系统的平均发电量。

本发明中，所述低压工质泵与所述低压蒸发器之间连接所述回热器，所述低压工质泵的出口连接所述回热器的第二换热管路入口，所述回热器的第二换热管路出口连接至所述低压蒸发器的入口；所述回热器的工质出口通过调节管道连接至所述高压蒸发器的工质入口，所述调节管道上设置单向阀，所述单向阀的进口连接至所述回热器的工质出口，所述单向阀的出口连接至所述高压蒸发器的工质入口。在这种连接结构中，采用了从冷凝器输出的工质液体，经过低压工质泵抽入回热器的第二换热管路，作为回热器冷凝用的冷源使用，既对回热器第一换热管路中流入冷凝器的工质气体进行了预冷却，又对冷凝器输出的工质液体进行了预加热，预加热的工质液体进入高压蒸发器后蒸发，这种方式，既减轻了冷凝器的工作负荷，又减轻了高压蒸发器的工作负荷，进一步提高了整个有机朗肯循环发电系统运行效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是现有的有机朗肯循环发电系统的流程示意图；

图2是本发明的有机朗肯循环发电系统的实施例一的流程示意图；

图3是本发明的有机朗肯循环发电系统的实施例二的流程示意图；

图中：1、高压蒸发器；2、膨胀机；21、发电机；3、冷凝器；4、高压工质泵；5、低压蒸发器；6、补气阀；7、回热器；8、抽气阀；9、低压工质泵；10、单向阀；11、开关阀；12、主气管道；13、排气管道；14、补气管道；15、抽气管道；16、蒸发器；17、膨胀机；18、冷凝器；19、工质泵；20、发电机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

参照图2，本实施例的有机朗肯循环发电系统，包括循环发电主回路和膨胀机膨胀气体调节回路。

循环发电主回路包括依次设置的高压蒸发器1、膨胀机2、冷凝器3、高压工质泵4和发电机21，其中，膨胀机2为容积式膨胀机，高压蒸发器1的工质出口通过主气管道12连接至膨胀机2的主气进口，膨胀机2的排气口通过排气管道13连接至冷凝器3的入口，冷凝器3的出口通过管道连接至高压工质泵4的入口，高压工质泵4的出口连接至高压蒸发器1的工质入口，膨胀机2的输出端连接发电机21，膨胀机2上设置有连通所述膨胀机膨胀室的膨胀气体调节口。

膨胀机膨胀气体调节回路包括低压蒸发器5、低压工质泵9和回热器7，低压工质泵9的入口通过管道连接至冷凝器3的出口，低压工质泵9的出口通过管道连接至低压蒸发器5的工质入口，低压蒸发器5的工质出口通过补气管道14连接至膨胀机2的膨胀气体调节口，补气管道14上设有补气阀6，膨胀机2的膨胀气体调节口还通过抽气管道15连接至回热器7的第一换热管路入口，回热器7的第一换热管路出口通过管道连接至冷凝器3的入口，抽气管道15上设有抽气阀8。

其中，高压蒸发器1的热源进口和低压蒸发器5的热源进口分别连接至热源，热源可以使用通常的低温热源，例如工业废热、地热等等。低压蒸发器5的热源进口与热源的连接管路上可以设置开关阀11。在需要对膨胀机2进行补气操作时，开启开关阀11，启动补气阀6，关闭抽气阀8，对膨胀机2进行补气操作。

回热器7的第二换热管路连接冷源，以将从膨胀机2抽出的工质气体进行预冷却，预冷却后的工质气体进入冷凝器3后进一步冷凝成为液体，以减轻冷凝器3的工作负荷。

本发明中，高压蒸发器1的温度相对于高于低压蒸发器5的温度，其中，高压蒸发器1的温度一般在70℃至90℃之间，低压蒸发器5的温度一般在20℃至70℃之间。高压工质泵4的出口压力相对高于低压工质泵9的出口压力，高压工质泵4的功率相对高于低压工质泵9的功率，其中，高压工质泵4的出口压力一般在20Kg至30Kg之间，低压工质泵9的出口压力一般在10Kg至18Kg之间。

本发明的有机朗肯循环发电系统，在夏季使用时，夏季气温升高，冷凝压力升高，膨胀机2的出口背压增大，此时为了防止膨胀机2内的气体过膨胀，开启补气阀6，开通中间补气循环，关闭抽气阀8，关闭抽气循环，通过对膨胀机2进行中间补气，提高了中间气体的质量流量，提高了膨胀机2膨胀室内的压力，从而均衡了膨胀机2膨胀室内压力与膨胀机出口的背压，使膨胀机2出口处的背压不会再逆向影响膨胀机2膨胀室内的压力，避免了膨胀机2内气体过膨胀的问题，提高了膨胀机2等熵膨胀的效率，增大了有机朗肯循环发电系统的运行效率和输出功。本发明的有机朗肯循环发电系统，在冬季使用时，冬季气温降低，冷凝压力降低，膨胀机2出口背压减小，此时为了防止膨胀机2内的气体欠膨胀，关闭补气阀6，关闭补气循环，开启抽气阀8，开启抽气循环，通过对膨胀机2内进行中间抽气，减少了中间气体的质量流量，有效地避免了膨胀机2膨胀室内气体欠膨胀的问题，提高了膨胀机2的等熵膨胀效率，增大了有机朗肯循环发电系统的运行效率和输出功。当有机朗肯循环发电系统的实际运行工况与设计工况相近时，补气阀6和抽气阀8都关闭，从而将补气循环和抽气循环都关闭。本发明的有机朗肯循环发电系统，可以根据实际运行工况，对实际运行工况与设计工况的偏离通过补气或抽气进行调节，避免膨胀机2因实际运行工况的偏离产生的过膨胀和欠膨胀问题，提高整个系统的运行效率，提高整个系统的平均发电量。

另外，现有的有机朗肯循环发电系统，当工质采用干性较小的工质，如采用R22工质时，为了使膨胀机2膨胀后的工质不进入两相区，保证容积式膨胀机的可靠运行，需要加大膨胀机2的进口气体的过热度，在热源温度一定的情况下，致使蒸发压力和平均蒸发温度下降，系统效率降低、发电量减少。而对于本发明的有机朗肯循环发电系统，当工质采用干性较小的工质，例如R22工质时，开启系统中的补气阀6、开通补气循环，关闭抽气阀8，关闭抽气循环，可以使膨胀机2近期的过热度减小，压力提高，即提高了热源侧的平均吸热温度，系统效率提高；通过对膨胀机2进行中间补气，提高了膨胀机2的中间气体的过热度，防止了膨胀机2排出的气体进入两相区的问题，在保证膨胀机2安全运行的前提下，增大了工质流量，提高了整个有机朗肯循环发电系统的输出功和运行效率。

实施例二

参照图3，本实施例的有机朗肯循环发电系统与实施例一的结构基本相同，不同之处在于：低压工质泵9与低压蒸发器5之间连接回热器7，低压工质泵9的出口连接回热器7的第二换热管路入口，回热器7的第二换热管路出口连接至低压蒸发器5的入口。回热器7的工质出口通过调节管道连接至高压蒸发器1的工质入口，调节管道上设置单向阀10，单向阀10的进口连接至回热器7的工质出口，单向阀7的出口连接至高压蒸发器1的工质入口。在这种连接结构中，采用了从冷凝器3输出的工质液体，经过低压工质泵9抽入回热器7的第二换热管路，作为回热器7冷凝用的冷源使用，既对回热器7第一换热管路中流入冷凝器3的工质气体进行了预冷却，又对冷凝器3输出的工质液体进行了预加热，预加热的工质液体进入高压蒸发器1后蒸发，这种方式，既减轻了冷凝器3的工作负荷，又减轻了高压蒸发器1的工作负荷，进一步提高了整个有机朗肯循环发电系统运行效率。

本发明还公开一种有机朗肯循环发电系统的控制方法，包括以下步骤：

a、当有机朗肯循环发电系统使用于环境温度较高的工况时，冷凝压力升高，膨胀机出口背压增大，此时为了防止膨胀机内的气体过膨胀，开启补气阀，开通中间补气循环，关闭抽气阀，关闭抽气循环，对膨胀机进行中间补气调节；

当本发明的有机朗肯循环发电系统使用于环境温度较低的工况时，冷凝压力降低，膨胀机出口背压减小，此时为了防止膨胀机内的气体欠膨胀，关闭补气阀，关闭补气循环，开启抽气阀，开启抽气循环，对膨胀机内进行中间抽气调节。

以上所述为本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.有机朗肯循环发电系统，其特征在于：包括循环发电主回路和膨胀机膨胀气体调节回路；

所述循环发电主回路包括依次设置的高压蒸发器、膨胀机、冷凝器、高压工质泵和发电机，所述高压蒸发器的工质出口通过主气管道连接至所述膨胀机的主气进口，所述膨胀机的排气口通过排气管道连接至所述冷凝器的入口，所述冷凝器的出口通过管道连接至所述高压工质泵的入口，所述高压工质泵的出口连接至所述高压蒸发器的工质入口，所述膨胀机的输出端连接所述发电机，所述膨胀机上设置有膨胀气体调节口,所述膨胀气体调节口连通所述膨胀机的膨胀室；

所述膨胀机膨胀气体调节回路包括低压蒸发器、低压工质泵和回热器，所述低压工质泵的入口通过管道连接至所述冷凝器的出口，所述低压工质泵的出口通过管道连接至所述低压蒸发器的工质入口，所述低压蒸发器的工质出口通过补气管道连接至所述膨胀机的膨胀气体调节口，所述补气管道上设有补气阀，所述膨胀机的膨胀气体调节口还通过抽气管道连接至所述回热器的第一换热管路入口，所述回热器的第一换热管路出口通过管道连接至所述冷凝器的入口，所述抽气管道上设有抽气阀；

所述低压工质泵与所述低压蒸发器之间连接所述回热器，所述低压工质泵的出口连接所述回热器的第二换热管路入口，所述回热器的第二换热管路出口连接至所述低压蒸发器的入口；

所述回热器的工质出口通过调节管道连接至所述高压蒸发器的工质入口，所述调节管道上设置单向阀，所述单向阀的进口连接至所述回热器的工质出口，所述单向阀的出口连接至所述高压蒸发器的工质入口。

2.应用权利要求1所述的有机朗肯循环发电系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

当有机朗肯循环发电系统使用于环境温度较高的工况时，冷凝压力升高，膨胀机出口背压增大，此时为了防止膨胀机内的气体过膨胀，开启补气阀，开通中间补气循环，关闭抽气阀，关闭抽气循环，对膨胀机进行中间补气调节；

当有机朗肯循环发电系统使用于环境温度较低的工况时，冷凝压力降低，膨胀机出口背压减小，此时为了防止膨胀机内的气体欠膨胀，关闭补气阀，关闭补气循环，开启抽气阀，开启抽气循环，对膨胀机内进行中间抽气调节。