CN105673099B - 一种工艺余热分级利用系统及其用途 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种工艺余热分级利用系统及该系统高效联产电和高品位热的方法。本发明的工艺余热分级利用系统不仅可以高效利用系统外界的余热，而且能将余热分级转换，以电和热等多种形式向外界输出可利用的能量。蒸发加热装置获取余热后，流体A经蒸发加热装置汽化，流体B经蒸发加热装置加热；流体A和流体B分别进入透平发电装置，然后分别进入换热器和冷凝器；冷凝后的流体B经节流阀后进入换热器；流体A与流体B在换热器中换热，之后流体A经泵加压进入蒸发加热装置，汽化后的流体B经压缩机增压后进入蒸发加热装置，完成余热分级利用系统的循环从而获得电能和热能。另外，工作流体的选择与匹配也直接影响了该系统的余热利用效率。

Description

一种工艺余热分级利用系统及其用途
技术领域
本发明涉及一种工艺余热分级利用的方法和设备及将该设备用于联产电和高品位热的方法，特别是涉及一种余热分级利用与转化的系统。
背景技术
随着经济的持续发展，能源需求不断增长，世界各国的能源消耗急剧增加，而能源消耗的来源主要是依靠石油、煤炭等不可再生资源。同时，这些能源的消耗也带来了严重的生态破坏，加快了全球的温室效应。在过去几十年里，将工业余热回收发电受到了极大的关注。
热泵是一种利用高品位能使热量从低品位热源流向高品位热源的装置。虽然热泵消耗了一定的高位能，但它所供给的高品位热量却是所消耗的高品位能和吸取的低品位能之和。故采用热泵装置可以节约高品位的电能，实现在夏季供冷冬季供暖的功能。热泵可以充分利用环境中的低位能和工厂中的余热及废热，故其能很好地解决能源紧张问题。热泵装置的工作介质和部件性能对热泵系统的性能影响较大，所以目前有关热泵的研究主要集中在工作流体的选择和各部件单元的优化与改进。而有关热泵系统结构的优化，则相对研究较少。
有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)发电是将低品位热源转化为高品位电能的装置，它被认为是一项针对低温热源有效利用的技术，特别是针对地热能、太阳能、生物质能、工业余热、发动机余热等。所谓有机朗肯循环，即在传统朗肯循环中采用有机工质(如R245fa、R134a等)代替水蒸汽推动膨胀机做功。这也是提高能源利用率、解决能源危机的一种形式。
尽管有关有机朗肯循环的研究已有很多，但到目前为止，系统整体尚未得到全面优化，仍存在许多不足之处。专利CN104080878A和CN104024367A公布了R245eb和Z-HFO-1336在高温热泵系统和冷却器中的应用；专利CN103906281A和CN104039916A公布了Z-HFO-1336在有机朗肯循环中的应用。这几篇专利虽然强调了系统中部件(蒸发器、压缩机、透平等)采用的种类，但是没有体现系统结构对热泵系统或者动力循环系统性能的影响。专利CN104807245A公布了一种低温余热利用系统及余热利用方法，该系统根据通过控制循环水量满足外界热负荷需求的大小，并且系统主要功能是实现热泵的性能，同样没有实施例验证系统的性能，也没有考虑回收热量的后期利用方式。科研工作者针对新型环保工质应用于有机朗肯循环开展了大量的研究，而有关循环系统的部件和结构开展优化工作的研究相对较少。
发明内容
本发明公开一种工艺余热分级利用系统及运用该系统联产电和高品位热的方法。该方法在利用余热时，将余热分级转化为电和高品位热输出系统，并且再将高品位热分级利用，实现系统的电能和高品位热能的分级联产，进而提高余热分级联产系统的能量利用率。本发明提供的工艺余热分级利用系统不仅可以高效利用外界系统的余热，而且还能实现能量的分级转换，多形式地向外界系统输出可利用的能量。
一方面，本发明提供一种工艺余热分级利用系统具体如图1所示，包括蒸发加热装置1、第一透平发电装置2、第二透平发电装置3、压缩机4、换热器5、冷凝器6、节流阀7和泵8，其特征在于，
蒸发加热装置1获取余热后，流体A经蒸发加热装置1汽化，汽化过程中流体A压力不变；流体A进入第一透平发电装置2，将其所携带的能量部分转化为电能输出后进入换热器5；
蒸发加热装置1获取余热后，流体B经蒸发加热装置1加热，流体B的压力升高；流体B进入第二透平发电装置3，将其所携带的能量部分转化为高品位的电能输出；经第二透平发电装置3出口的流体B进入冷凝器6，将其所携带的能量部分转化为热能输出，完成流体B的冷凝过程；冷凝后的流体B经节流阀7后进入换热器5；
流体A与流体B在换热器5中进行换热，完成流体A的冷凝液化过程和流体B的汽化过程；
之后流体A经泵8加压进入蒸发加热装置1，汽化后的流体B经压缩机4增压后进入蒸发加热装置1，流体A和流体B完成余热分级利用系统的循环从而获得电能和热能。
一些实施例中，蒸发加热装置1获取的余热选自工业生产中的各种废热，公用工程过程中损耗的热量，或各种燃料机车产生废弃热量。
一些实施例中，本发明提供的工艺余热分级利用系统还包括第一高品位热分级利用装置9或第二高品位热分级利用装置10。一些实施例中，第一高品位热分级利用装置9或第二高品位热分级利用装置10包括温度感应器11、电磁阀12和热传导装置13，具体如图4或5所示。
一些实施例中，流体A进入第一透平发电装置2，将其所携带的能量部分转化为电能输出后进入第一高品位热分级利用装置9输出高品位热，再进入换热器5。
一些实施例中，流体B进入第二透平发电装置3，将其所携带的能量部分转化为电能输出后进入第二高品位热分级利用装置10输出高品位热，完成流体B的冷凝过程。
一些实施例中，所述的高品位热分级利用装置9的工作原理为：当流体A的温度低于70℃时，温度感应器11将信号传递给电磁阀12，阀门打开，管路连通，流体A直接进入换热器5；当流体A的温度高于或等于70℃时，温度感应器11将信号传递给电磁阀12，阀门关闭，流体C被输出的高品位热加热，待温度低于70℃后，温度感应器11将信号传递给电磁阀12，阀门打开，管路连通，流体A进入换热器5。
一些实施例中，所述的第二高品位热分级利用装置10的工作原理为：当流体B的温度低于70℃时，温度感应器11将信号传递给电磁阀12，阀门打开，管路连通，流体B直接进入冷凝器6；当流体B的温度高于或等于70℃时，温度感应器11将信号传递给电磁阀12，阀门关闭，流体D被输出的高品位热加热，待温度低于70℃后，温度感应器11将信号传递给电磁阀12，阀门打开，管路连通，流体B进入冷凝器6。
一些实施例中，流体A和流体B各自独立地为氟代烃。
一些实施例中，流体C和流体D各自独立地为氟代烃或水。
一些实施例中，流体A和流体B各自独立地为HFC-32、HFC-125、HFC-134a、HFC-134、HFC-143a、HFC-152a、HFC-161、HFC-227ca、HFC-245cb、HFC-236ea、HFC-227ea、HFC-245fa、HFO-1234yf、E-HFO-1234ze、Z-HFO-1234ze、HFO-1234zf、Z-HFO-1336、E-HFO-1336，或者它们的两个或者三个组分的混合物。
一些实施例中，流体C和流体D各自独立地为HFC-32、HFC-125、HFC-134a、HFC-134、HFC-143a、HFC-152a、HFC-161、HFC-227ca、HFC-245cb、HFC-236ea、HFC-227ea、HFC-245fa、HFO-1234yf、E-HFO-1234ze、Z-HFO-1234ze、HFO-1234zf、Z-HFO-1336、E-HFO-1336、水，或者它们的两个或者三个组分的混合物。
一方面，本发明提供一种运用本发明所述的工艺余热分级利用系统联产电和高品位热的方法，具体为蒸发加热装置1获取余热后，流体A经蒸发加热装置1汽化，汽化过程中流体A压力不变；流体A进入第一透平发电装置2，将其所携带的能量部分转化为电能输出后进入换热器5；
蒸发加热装置1获取余热后，流体B经蒸发加热装置1加热，流体B的压力升高；流体B进入第二透平发电装置3，将其所携带的能量部分转化为高品位的电能输出；经透平发电装置3出口的流体B进入冷凝器6，将其所携带的能量部分转化为热能输出，完成流体B的冷凝过程；冷凝后的流体B经节流阀7后进入换热器5；
流体A与流体B在换热器5中进行换热，完成流体A的冷凝液化过程和流体B的汽化过程；
之后流体A经泵8加压进入蒸发加热装置1，汽化后的流体B经压缩机4增压后进入蒸发加热装置1，流体A和流体B完成余热分级利用系统的循环。
一些实施例中，流体A进入第一透平发电装置2，将其所携带的能量部分转化为电能输出后，进入第一高品位热分级利用装置9后，若流体A温度低于70℃时，第一高品位热分级利用装置9中的温度感应器11将信号传递给电磁阀12，阀门打开，流体C不被输出的高品位热加热，管路连通，流体A直接进入换热器5；若流体A的温度高于或等于70℃时，第一高品位热分级利用装置9中的温度感应器11将信号传递给电磁阀12，阀门关闭，流体C被输出的高品位热加热，待流体A温度低于70℃后，温度感应器11将信号传递给电磁阀12，阀门打开，管路连通，流体A进入换热器5；
流体B进入第二透平发电装置3，将其所携带的能量部分转化为电能输出后进入第二高品位热分级利用装置10，若流体B的温度低于70℃时，第二高品位热分级利用装置10中的温度感应器11将信号传递给电磁阀12，阀门打开，流体D不被输出的高品位热加热，管路连通，流体B直接进入冷凝器6；若流体B的温度高于或等于70℃时，第二高品位热分级利用装置10中的温度感应器11将信号传递给电磁阀12，阀门关闭，流体D被输出的高品位热加热，待流体B温度低于70℃时，温度感应器11将信号传递给电磁阀12，阀门打开，管路连通，流体B进入冷凝器6，完成流体B的冷凝过程。
本发明采用了一种蒸发加热装置，实现气化一种工作流体的同时加热另一工作流体。在孤立的有机朗肯循环系统和热泵系统中，蒸发器、透平发电装置和压缩机的火用损失所占的比例较大，尤其是蒸发器。蒸发器的传热过程对系统能量的利用率影响较大，本发明公开的蒸发加热装置在于提高余热利用系统的能量效率。蒸发加热装置，可以将外界余热梯级转移至工作流体A和B，实现工作流体A的等压汽化。同时，汽化的工作流体A和部分工艺余热加热适量的且已汽化的工作流体B换热，工作流体A仍保持一定的过热度。
本发明采用一种高品位热分级利用装置，向系统外输出温度在70℃以上的热(包括显热和冷凝热)，进一步实现高品位热的分级利用，降低系统的损失。高品位热分级利用装置，可以将系统的工作流体中的高品位能量分级利用，即工作流体的显热(70℃以上)和高品位的相变热优先输出系统，实现能量的梯级利用。即使工作流体A和流体B的显热低于70℃，工作流体C和流体D仍能输出热。
流体A和流体B、流体C和流体D进出第一高品位热分级利用装置9或第二高品位热分级利用装置10的位置依据物流属性决定。
工作流体的选择原则，与蒸发加热装置和高品位热分级利用装置相匹配，进而满足系统性能最佳。通常，在不同的外界条件下，相变过程可以在不同温度下发生。尽管流体的相变热较大，但是如果相变在较低温度下发生，且工作流体选择不合适，那么大量的相变热也不能被利用。选择合适的工作流体A与B，使得工作流体A的相变发生在较高温度下，同时工作流体B与液态工作流体A换热时能被汽化。气化后的工作流体B经压缩机压缩后进入蒸发器加热，加热过程中流体B的压力和温度进一步升高，从而提高系统的产电率。
本发明在热量回收时，主要是利用较高温度下的相变热，将不容易搜集利用的高品位热转换成可利用的高品位热。高品位热分级利用装置将能量载体所携带的能量分级高效利用，主要是利用温度在70℃以上的热量。
通过透平发电装置的流体继续为系统中的其他流体提供能量，或者对外输出高品位热后为其他流体提供能量，实现工艺余热的分级利用。
系统的高品位热效率与工作介质混合后的物性参数变化有关，两种工质的混合会形成共沸物。另外，基于能量平衡的原理，产电量的增加也会导致高品位热输出量的减少。两种工质的混合之后联合系统的高品位热效率有所下降，但是混合后工作流体的环保性能要更加好一些。
品位：从能量的角度描述某一类能量或者某一种物质的质量好坏的物理量，通常为所研究对象的与焓的比值。
高品位热：能提高较高温度或者能质因子较高的热量即为高品位热，本专利中特指物流温度高于70℃时所携带的热量。
净产电率：扣除系统运行过程中消耗的电能后的系统综合产电量与系统热公用工程的比值。
分级利用：根据被利用对象的质量或者品位对其进行分类，并按照客观对象的需求分别加以利用，以实现其梯级高效利用。如果被利用的对象是某一特定能量，则该过程为能量梯级利用过程。
性能系数COP(Coefficient of Performance)：用于衡量热泵或者制冷系统性能指标的一个参数，该值越大，系统性能越好。
损失：损失分为外部损失和内部损失，内部损失是由于实际内部过程的不可逆性而导致的能量损失，它是不可避免的。外部损失则带有一定程度的随意性，需要结合具体情况来确定。
“系统中还包含高品位热分级利用装置9或10”表示以下三种情况：1)系统中还包含高品位热分级利用装置9；2)系统中还包含高品位热分级利用装置10；3)系统中还包含高品位热分级利用装置9和10。具体需根据系统的用途进行相应的选择。本发明的实施例例举了第3)中情况，即系统中还包含高品位热分级利用装置9和10，具体如图2所示。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1.相对于单纯的热泵系统和ORC系统而言，本专利公开的余热分级利用系统，其热效率、COP和净产电率等指标均有较大程度的提高。
2.本发明公开的一种中低温工艺余热利用方法，遵循能量梯级利用原理，在产电的同时还对外输出高品位热，实现其分级利用与转化。这也是本发明相对于传统ORC系统的优势所在。在发电量相同的情况下，本专利公开的方法在额外消耗较少电能情况下将透平发电装置出口的流体温度进一步提升，向系统外输出不同品位的高品位的热。系统的净产电率能维持在12％以上，高品位热效率高达30％以上。若将系统中的压缩机和泵换成引射器，则系统的净产电率会有较大幅度的提升。
3.高品位热分级利用装置，通过温度传感器与电磁阀控制热流体的流动情况，以连续式或者间歇式换热的方法将不同品位高品位热输出系统，满足不同用户的需求，实现能源供给侧的分级。
4.本发明公开的系统使用的部件均为工业上常用的设备，系统构建成本较低，后期维护也较方便。
5.本发明公开的余热分级利用系统，节能环保，高效回收低品位余热能，满足生产、生活中的电和热的需求，减少化石能源的消耗，降低了温室效应和大气污染。
6.本发明在满足工艺余热分级利用的前提下，根据外界热源的变化选择合适的有机工质对进行组合，使系统的效率达到最高。
附图说明
图1工艺余热分级利用系统1
蒸发加热装置1、第一透平发电装置2、第二透平发电装置3、压缩机4、换热器5、冷凝器6、节流阀7、泵8
图2工艺余热分级利用系统2
蒸发加热装置1、第一透平发电装置2、第二透平发电装置3、压缩机4、换热器5、冷凝器6、节流阀7、泵8、第一高品位热分级利用装置9、第二高品位热分级利用装置10
图3蒸发加热装置
图4第一高品位热分级利用装置9
温度传感器11、电磁阀12、热传导装置13
图5第二高品位热分级利用装置10
温度传感器11、电磁阀12、热传导装置13
具体实施方式
以下所述的是本发明的优选实施方式，本发明所保护的不限于以下优选实施方式。应当指出，对于本领域的技术人员来说在此发明创造构思的基础上，做出的若干变形和改进，都属于本发明的保护范围。
实施例1
采用图1的设备利用工艺系统的废弃热给蒸发加热装置1供热。工作流体A为R245fa，流体B为E-HFO-1336，二者经蒸发加热装置1后，工作流体A与B的温度均为213℃，工作流体B冷凝前后的温度分别为161℃和27℃。冷凝器6释放的能量可满足不同负荷过程的需要。另外，压缩机4和透平发电装置2、3等部件的工作压力和温度均在设备可使用的正常范围内，具体参数与结果见表1。表中T表示温度、P表示压力、Q表示吸收或者释放的热量、W表示对外做的功。
工作流体 E-HFO-1336/R245fa T3[℃] 187
实验方案 图1 P3[kPa] 200
质量R245fa[kg] 83 W3[kW] 0.773
质量E-HFO-1336[kg] 109 T4[℃] 161
T1A[℃] 213 P4[kPa] 100
P1A[kPa] 2500 Q4[kW] 1.042
Q1A[kW] 8.222 T6[℃] 27
T1B[℃] 213 P6[kPa] 200
P1B[kPa] 800 Q6[kW] 9.079
Q1B[kW] 1.745 COP 9.565
T2[℃] 152 COP[供热] 8.713
P2[kPa] 200 产电率[％] 19.866
W2[kW] 1.207 净产电率[％] 9.411
实例表明，在本实施例的工况条件下，外界工艺余热经本专利的余热分级利用系统转化为电能和高品位的热。系统的净产电率高达9％以上，高品位热的COP在8以上。
实施例2
采用图2的设备运用工艺余热分级利用方案利用工艺系统的废弃热给蒸发加热装置1供热。工作流体A为R245fa，流体B为E-HFO-1336，二者经蒸发加热装置1后，工作流体A与B的温度分别为213℃和153℃，工作流体B冷凝前后的温度分别为161℃和27℃。两股工作流体经高品位热分级利用装置9、10后进入换热器5或冷凝器6，冷凝器6释放的能量可满足不同负荷过程的需要。另外，压缩机4和透平发电装置2、3等部件的工作压力和温度均在设备可使用的正常范围内，具体参数与结果见表2。
工作流体 E-HFO-1336/R245FA P3[kPa] 200
实验方案 图2 W3[kW] 0.650
质量R245fa[kg] 83 T4[℃] 97
质量E-HFO-1336[kg] 107 P4[kPa] 800
T1A[℃] 213 Q4[kW] 0.834
P1A[kPa] 2500 T6[℃] 27
Q1A[kW] 8.222 P6[kPa] 200
T1B[℃] 153 Q6[kW] 5.335
P1B[kPa] 800 Q9[kW] 1.965
Q1B[kW] 1.737 Q10[kW] 1.687
T2[℃] 152 COP 11.941
P2[kPa] 200 COP[供热] 10.776
W2[kW] 1.207 产电率[％] 18.646
T3[℃] 127 净产电率[％] 10.272
实例表明，在本实施例的工况条件下，外界工艺余热经本发明的余热分级利用系统转化为电能和高品位的热。系统的净产电率高达10％以上，高品位热的COP也高达10。另外，系统对外输出的高品位热中，温度高于70℃的热所占的比例约40.6％。
实施例3
采用图2的设备运用工艺余热分级利用方案利用工艺系统的废弃热给蒸发加热装置1供热。工作流体A为R123，流体B为R124，二者经蒸发加热装置1后，工作流体A与B的温度分别为213℃和120℃。两股工作流体经高品位热分级利用装置9、10后进入换热器5或冷凝器6，冷凝器6释放的能量可满足不同负荷过程的需要。另外，压缩机4和透平发电装置2、3等部件的工作压力和温度均在设备可使用的正常范围内，具体参数与结果见表3。
实例表明，在本实施例的工况条件下，外界工艺余热经本发明的余热分级利用系统转化为电能和高品位的热。系统的净产电率接近12％，高品位热的COP也在8以上。另外，系统对外输出的高品位热中，温度高于70℃的热所占的比例约21.8％。
实施例4
采用图2的设备运用工艺余热分级利用方案利用工艺系统的废弃热给蒸发加热装置1供热。工作流体A为R245fa，流体B为R236ea，二者经蒸发加热装置1后，工作流体A与B的温度分别为186℃和130℃，工作流体B冷凝前后的温度分别为98℃和16℃。两股工作流体经高品位热分级利用装置9、10后进入换热器5或冷凝器6，冷凝器6释放的能量可满足不同负荷过程的需要。另外，压缩机4和透平发电装置3等部件的工作压力和温度均在设备可使用的正常范围内，具体参数与结果见表4。
工作流体 R245fa/R236ea P3[kPa] 200
实验方案 图2 W32[kW] 0.712
质量R245fa[kg] 90 T4[℃] 106
质量E-HFO-1336[kg] 100 P4[kPa] 1000
TA[℃] 186 Q4[kW] 0.951
PA[kPa] 2180 T6[℃] 16
QA[kW] 8.080 P6[kPa] 200
TB[℃] 130 Q6[kW] 5.646
PB[kPa] 1000 Q9[kW] 1.443
QB[kW] 0.681 Q10[kW] 0.754
T2[℃] 126 COP 9.212
P2[kPa] 1000 COP[供热] 8.247
W2[kW] 1.203 产电率[％] 21.858
T3[℃] 99 净产电率[％] 11.003
实例表明，在本实施例的工况条件下，外界工艺余热经本发明的余热分级利用系统转化为电能和高品位的热。系统的净产电率约为11％，高品位热的COP也在8以上。另外，系统对外输出的高品位热中，温度高于70℃的热所占的比例约28％。
实施例5
采用图2的设备运用工艺余热分级利用方案利用工艺系统的废弃热给蒸发加热装置1供热。工作流体A为Z-HFO-1336和R123的组合(表示为Z-HFO-1336+R123)，流体B为E-HFO-1336，系统各部件的工艺参数参考实施例2。考察工作流体A中R123与Z-HFO-1336的配比对系统性能的影响，具体结果见表5。表中Qi表示物流i达到设定值所需要的热负荷，Wi表示透平发电装置i的产电量，Hi表示高品位热分级利用装置i的供热量，ηnet-elec表示净产电率，ηhigh h表示高品位热效率，COP表示系统性能指数。
Z1336:R123 QA W2 QB W3 W4 H9 H10 ηnet-elec ηhigh h COP
1:0 6.964 1.009 1.570 0.682 0.820 1.464 1.243 0.102 0.317 10.407
0.8:0.2 6.994 1.038 1.533 0.682 0.824 1.424 1.243 0.105 0.313 10.348
0.6:0.4 6.930 1.056 1.473 0.682 0.831 1.305 1.243 0.108 0.303 10.112
0.4:0.6 6.779 1.067 1.393 0.682 0.840 1.132 1.243 0.111 0.291 9.729
0.2:0.8 6.613 1.071 1.301 0.682 0.850 0.917 1.243 0.114 0.273 9.311
0:1 6.374 1.065 1.209 0.682 0.861 0.665 1.243 0.117 0.252 8.807
由上表可以看出：随着R123的添加，系统的净产电率逐渐增加，变动幅度在10％以上。R123的添加有利于系统产电量的增加，这与之前分析的结果一样。Z-HFO-1336不利于ORC系统性能的提升。当工作流体A为纯的R123时，净产电率高达11.7％。所以本案例的工作流体相对于R245fa更适合本专利提出的工艺余热分级利用系统。系统的COP随着R123的添加逐渐降低，系统利用热的潜力逐渐下降。这是由于R123的添加导致Z1336+R123混合流体的热容逐渐降低而导致的。
实施例6
采用图2的设备运用工艺余热分级利用方案利用工艺系统的废弃热给蒸发加热装置供热。工作流体A为R245fa+R123，流体B为E-HFO-1336，系统各部件的工艺参数设定参考实施例2。考察工作流体A中R123与R245fa的配比添加对系统性能的影响，具体参数与结果见表6。
R245fa:R123 QA W2 QB W3 W4 H9 H10 ηnet-elec ηhigh h COP
1:0 6.718 1.14 1.498 0.851 1.076 0.332 1.553 0.111 0.229 7.636
0.8:0.2 6.48 1.109 1.786 0.851 1.044 0.324 1.553 0.111 0.227 7.918
0.6:0.4 6.344 1.086 2.052 0.851 1.014 0.362 1.553 0.110 0.228 8.280
0.4:0.6 6.284 1.069 2.304 0.851 0.982 0.429 1.553 0.109 0.231 8.745
0.2:0.8 6.269 1.055 2.565 0.851 0.943 0.503 1.553 0.109 0.233 9.368
0.1:0.9 6.271 1.047 2.713 0.851 0.918 0.538 1.553 0.109 0.233 9.786
0:1 6.277 1.04 2.889 0.851 0.887 0.57 1.553 0.110 0.232 10.334
由以上表格可看出，R123的添加对系统净产电率几乎没有影响，而高品位热效率则随着R123的添加而增大，但是增大的值较小。系统总的COP随着工作流体A中的R123的增加而增加。当R245fa:R123摩尔比为0.6:0.4时，工作流体A的产电率最高。后面的案例分析过程中，工作流体A组成采用该比例。
实施例7
采用图2的设备运用工艺余热分级利用方案利用工艺系统的废弃热给蒸发加热装置供热。工作流体A为R245fa+R123，流体B为E-HFO-1336+R124，系统各部件的工艺参数设定参考实施例2。考察工作流体B中R124与E-HFO-1336的配比对系统性能的影响，具体参数与结果见表7。其中工作流体A中摩尔比R245fa:R123＝0.6:0.4。
由表中的数据可知，随着R124组成的增加，系统的净产电率、高品位热效率和COP是逐渐降低的。可见，工作流体B中的E1336逐渐添加R124，不利于系统性能的提升。
实施例8
采用图2的设备运用工艺余热分级利用方案利用工艺系统的废弃热给蒸发加热装置供热。工作流体A为R245fa+R123，流体B为R236ea+R124，系统各部件的工艺参数设定参考实施例3。考察工作流体B中R124与R236ea的配比对系统性能的影响，具体结果见表8。其中工作流体A中摩尔比R245fa:R123＝0.6:0.4。
R236ea:R124 QA W2 QB W3 W4 H9 H10 ηnet-elec ηhigh h COP
1:0 6.344 1.086 0.944 0.749 0.972 0.362 1.018 0.118 0.189 7.498
0.9:0.1 6.344 1.086 0.89 0.749 0.976 0.362 0.93 0.119 0.179 7.412
0.8:0.2 6.344 1.086 0.851 0.753 0.983 0.362 0.848 0.119 0.168 7.319
0.6:0.4 6.344 1.086 0.741 0.759 1.001 0.362 0.683 0.119 0.147 7.078
0.4:0.6 6.344 1.086 0.58 0.766 1.026 0.362 0.522 0.119 0.128 6.749
0.2:0.8 6.344 1.086 0.261 0.75 1.044 0.362 0.355 0.120 0.109 6.327
0.1:0.9 6.344 1.086 0.181 0.753 1.058 0.362 0.282 0.120 0.099 6.167
0:1 6.344 1.086 0.103 0.756 1.073 0.362 0.211 0.119 0.089 6.008
由上表可以看出：随着R124的添加，系统的净产电率在11.9％附近波动，几乎没有变化。且该产电率与E1336中添加R124的产电率一样。随着R124的添加，系统的高品位热效率在逐渐下降，由18.9％下降至8.9％，下降的幅度较大。系统的COP随着R124的添加也逐渐降低，系统利用工艺余热的能力逐渐下降。与其他案例相比，系统的高品位热效率和COP整体是偏低的。系统中较多的热用于发电，导致了高品位热效率处于较低水平。
实施例9
采用图2的设备运用工艺余热分级利用方案利用工艺系统的废弃热给蒸发加热装置供热，工作流体A为R245fa+R123，流体B为R245fa+R124，系统各部件的工艺参数设定参考实施例3。考察工作流体B中R245fa与R124的配比对系统性能的影响，具体结果见表9。其中工作流体A中摩尔比R245fa:R123＝0.6:0.4。
R245fa:R124 QA W2 QB W3 W4 H9 H10 ηnet-elec ηhigh h COP
0.9:0.1 6.344 1.086 1.536 0.824 0.986 0.362 1.095 0.117 0.185 7.992
0.8:0.2 6.344 1.086 1.418 0.816 0.987 0.362 0.976 0.118 0.172 7.864
0.6:0.4 6.344 1.086 1.066 0.798 1.005 0.362 0.746 0.119 0.150 7.373
0.4:0.6 6.344 1.086 0.674 0.78 1.029 0.362 0.531 0.119 0.127 6.820
0.2:0.8 6.344 1.086 0.29 0.762 1.056 0.362 0.347 0.119 0.107 6.282
0.1:0.9 6.344 1.086 0.14 0.755 1.058 0.362 0.272 0.121 0.098 6.129
0:1 6.344 1.086 0.012 0.749 1.075 0.362 0.209 0.120 0.090 5.913
由上表可以看出：由以上表格可看出，随着R124的添加，系统净产电率逐渐增大，但是增大的幅度较小。在R245fa与R124的摩尔比为0.1:0.9时，系统的净产电率最高，随后略有下降。另外，还需注意到，尽管系统的净产电率改变量较小，高品位热效率则随着R124的添加而减小，且减小的幅度较大。系统的COP随着R124的添加而逐渐降低，即系统利用工艺余热的潜力逐渐减小，但是COP的最低值也接近6。

Claims (11)

1.一种余热分级利用系统，包括蒸发加热装置(1)、第一透平发电装置(2)和第二透平发电装置(3)、压缩机(4)、换热器(5)、冷凝器(6)、节流阀(7)和泵(8)，其特征在于，
蒸发加热装置(1)获取余热后，流体A经蒸发加热装置(1)汽化，汽化过程中流体A压力不变；流体A进入第一透平发电装置(2)，将其所携带的能量部分转化为电能输出后进入换热器(5)；
蒸发加热装置(1)获取余热后，流体B经蒸发加热装置(1)加热，流体B的压力升高；流体B进入第二透平发电装置(3)，将其所携带的能量部分转化为高品位的电能输出；经第二透平发电装置(3)出口的流体B进入冷凝器(6)，将其所携带的能量部分转化为热能输出，完成流体B的冷凝过程；冷凝后的流体B经节流阀(7)后进入换热器(5)；
流体A与流体B在换热器(5)中进行换热，完成流体A的冷凝液化过程和流体B的汽化过程；
之后流体A经泵(8)加压进入蒸发加热装置(1)，汽化后的流体B经压缩机(4)增压后进入蒸发加热装置(1)，流体A和流体B完成余热分级利用系统的循环从而获得电能和热能；
所述流体A和流体B均为有机流体。
2.根据权利要求1所述的余热分级利用系统，其特征在于，蒸发加热装置(1)获取的余热选自工业生产中的各种废热，公用工程过程中损耗的热量，或各种燃料机车产生的废弃热量。
3.根据权利要求1所述的余热分级利用系统，其特征在于，系统中还包含第一高品位热分级利用装置(9)或第二高品位热分级利用装置(10)。
4.根据权利要求3所述的余热分级利用系统，其特征在于，流体A进入第一透平发电装置(2)，将其所携带的能量部分转化为电能输出后进入第一高品位热分级利用装置(9)输出高品位热，再进入换热器(5)。
5.根据权利要求3所述的余热分级利用系统，其特征在于，流体B进入第二透平发电装置(3)，将其所携带的能量部分转化为电能输出后进入第二高品位热分级利用装置(10)输出高品位热，完成流体B的冷凝过程。
6.根据权利要求3所述的余热分级利用系统，其特征在于，所述的第一高品位热分级利用装置(9)或第二高品位热分级利用装置(10)包括温度感应器(11)、电磁阀(12)和热传导装置(13)。
7.根据权利要求6所述的余热分级利用系统，其特征在于，所述的第一高品位热分级利用装置(9)或第二高品位热分级利用装置(10)的工作原理为：当流体A或B的温度低于70℃时，温度感应器(11)将信号传递给电磁阀(12)，阀门打开，管路连通，流体A或B直接进入换热器(5)或冷凝器(6)，流体C或D不被输出的高品位热加热；当流体A或B的温度高于或等于70℃时，温度感应器(11)将信号传递给电磁阀(12)，阀门关闭，流体C或D被输出的高品位热加热。
8.根据权利要求7所述的余热分级利用系统，其特征在于，流体A和流体B各自独立地为氟代烃；流体C和流体D各自独立地为氟代烃或水。
9.根据权利要求8所述的余热分级利用系统，其特征在于，流体A和流体B各自独立地为HFC-32、HFC-125、HFC-134a、HFC-134、HFC-143a、HFC-152a、HFC-161、HFC-227ca、HFC-245cb、HFC-236ea、HFC-227ea、HFC-245fa、HFO-1234yf、E-HFO-1234ze、Z-HFO-1234ze、HFO-1234zf、Z-HFO-1336、E-HFO-1336，或者它们的两个或者三个组分的混合物；
流体C和流体D各自独立地为HFC-32、HFC-125、HFC-134a、HFC-134、HFC-143a、HFC-152a、HFC-161、HFC-227ca、HFC-245cb、HFC-236ea、HFC-227ea、HFC-245fa、HFO-1234yf、E-HFO-1234ze、Z-HFO-1234ze、HFO-1234zf、Z-HFO-1336、E-HFO-1336、水，或者它们的两个或者三个组分的混合物。
10.一种利用权利要求1-9任一项所述的余热分级利用系统提高工艺余热分级利用效率的方法，其特征在于：
蒸发加热装置(1)获取余热后，流体A经蒸发加热装置(1)汽化，汽化过程中流体A压力不变；流体A进入第一透平发电装置(2)，将其所携带的能量部分转化为电能输出后进入换热器(5)；
蒸发加热装置(1)获取余热后，流体B经蒸发加热装置(1)加热，流体B的压力升高；流体B进入第二透平发电装置(3)，将其所携带的能量部分转化为高品位的电能输出；经第二透平发电装置(3)出口的流体B进入冷凝器(6)，将其所携带的能量部分转化为热能输出，完成流体B的冷凝过程；冷凝后的流体B经节流阀(7)后进入换热器(5)；
流体A与流体B在换热器(5)中进行换热，完成流体A的冷凝液化过程和流体B的汽化过程；
之后流体A经泵(8)加压进入蒸发加热装置(1)，汽化后的流体B经压缩机(4)增压后进入蒸发加热装置(1)，流体A和流体B完成余热分级利用系统的循环。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，流体A进入第一透平发电装置(2)，将其所携带的能量部分转化为电能输出后，进入第一高品位热分级利用装置(9)后，若流体A温度低于70℃时，第一高品位热分级利用装置(9)中的温度感应器(11)将信号传递给电磁阀(12)，阀门打开，流体C不被输出的高品位热加热，管路连通，流体A直接进入换热器(5)；若流体A的温度高于或等于70℃时，第一高品位热分级利用装置(9)中的温度感应器(11)将信号传递给电磁阀(12)，阀门关闭，流体C被输出的高品位热加热，待流体A温度低于70℃后，温度感应器(11)将信号传递给电磁阀(12)，打开，管路连通，流体A进入换热器(5)；
流体B进入第二透平发电装置(3)，将其所携带的能量部分转化为电能输出后进入第二高品位热分级利用装置(10)，若流体B的温度低于70℃时，第二高品位热分级利用装置(10)中的温度感应器(11)将信号传递给电磁阀(12)，阀门打开，流体D不被输出的高品位热加热，管路连通，流体B直接进入冷凝器(6)；若流体B的温度高于或等于70℃时，第二高品位热分级利用装置(10)中的温度感应器(11)将信号传递给电磁阀(12)，阀门关闭，流体D被输出的高品位热加热，待流体B温度低于70℃时，温度感应器(11)将信号传递给电磁阀(12)，阀门打开，管路连通，流体B进入冷凝器(6)，完成流体B的冷凝过程。
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