CN107100685B - 一种基于有机朗肯循环和吸收式热泵循环的联合发电系统 - Google Patents

Abstract

一种基于有机朗肯循环和吸收式热泵循环的联合发电系统，包括第一有机朗肯循环模块、吸收式热泵模块以及第二有机朗肯循环模块，初始热源在第一有机朗肯循环模块内完成循环发电后，成为仍具有一定温度的低温热流体，低温热流体进入吸收式热泵模块中品位被提升，成为高温二次热源的同时可实现一定程度的向外制冷，吸收式热泵模块采用虹吸管作为运输制冷剂溶液的主要工具，利用高度差实现溶液流动，减小了工质泵的投入，经过两次换热后的余热再进入第二有机朗肯循环模块发电，实现对余热的充分利用，解决常规低品位热源回收系统尾端仍处于可利用状态能源的去向问题，提高能源回收利用率，增加了电量输出。

Description

一种基于有机朗肯循环和吸收式热泵循环的联合发电系统

技术领域

本发明属于低品位能源利用技术领域，特别是涉及一种基于有机朗肯循环和吸收式热泵循环的联合发电系统。

背景技术

我国经济发展迅速随之带来的是能源短缺及严重的环境污染，一方面在钢铁、建筑、交通等领域存在大量能源以热量形式被排放，回收利用难度高；另一方面地热能、太阳能等自然资源的利用等级较低，无法合理利用。因此现如今，如何对能源进行合理利用，成为缓解我国能源及环境问题的重要途径。

在低品位能源的回收利用中，有机朗肯循环因其工质具有高压低沸特点被广泛利用，但针对多数低品位能源的回收利用，其系统尾端仍处于可利用状态，且存在能源回收率及系统性能均较低等现象，若对低品位能源进行常规单一方法的回收，效果较差。

因此，有必要设计一种高效综合联合循环发电系统。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种提高能源回收利用率，增加电量输出，且可对外制冷的基于有机朗肯循环和吸收式热泵循环的联合发电系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于有机朗肯循环和吸收式热泵循环的联合发电系统，包括第一有机朗肯循环模块、吸收式热泵模块以及第二有机朗肯循环模块；

所述第一有机朗肯循环模块包括第一蒸发器，连接于所述第一蒸发器的第一发电机组，以及连接于所述第一发电机组的第一冷凝器，有机工质于所述第一蒸发器内与初始热源换热后进入所述第一发电机组发电，然后进入所述第一冷凝器冷凝后回到所述第一蒸发器；

所述吸收式热泵模块包括发生器，与所述发生器存在高度差的气液分离器，设置于所述发生器一侧的溶液热交换器，以及连接于所述溶液热交换器的吸收器，所述发生器通过虹吸管连接于所述气液分离器，所述气液分离器的上方通过第一管道连接于第三冷凝器，所述第三冷凝器连接于第三蒸发器，所述第三蒸发器连接于所述吸收器，所述气液分离器的下方通过第二管道连接于所述吸收器，所述第二管道穿过所述溶液热交换器与之换热，所述吸收器通过第三管道连接于所述溶液热交换器及所述发生器，经所述第一有机朗肯循环模块换热后的低温热流体进入所述发生器内与所述发生器内的稀溶液换热，稀溶液在所述发生器内被加热形成气液两相混合物由所述虹吸管吸入所述气液分离器内，分离后的水蒸气由所述第一管道进入所述第三冷凝器内冷却形成冷凝液体，冷凝液体流入所述第三蒸发器内对外制冷，吸热蒸发形成制冷剂蒸汽流回所述吸收器内，分离后的浓溶液流入所述第二管道与所述溶液热交换器换热后进入所述吸收器，所述吸收器内混合形成的稀溶液经所述第三管道回流经过所述溶液热交换器进入所述发生器内；

所述第二有机朗肯循环模板包括第二蒸发器，连接于所述第二蒸发器的第二发电机组，以及连接于所述第二发电机组的第二冷凝器，经所述吸收式热泵模块换热后的余热部分排出，另一部分通过第四管道通入所述第二蒸发器内与有机工质换热，有机工质被加热后进入所述第二发电机组发电。

进一步，所述第一有机朗肯循环模块还包括设置于所述第一冷凝器与所述第一蒸发器之间的管路上的第一流量控制阀及第一工质泵。

进一步，所述第二有机朗肯循环模块还包括设置于所述第二冷凝器与所述第二蒸发器之间的管路上的第二流量控制阀及第二工质泵。

进一步，初始热源由低品位尾端热源经过滤器过滤后供入所述第一蒸发器内。

进一步，所述发生器、所述溶液热交换器及所述吸收器内的溶液为溴化锂溶液。

进一步，所述发生器、所述吸收器及所述第一管道上连接有安全阀及排气阀。

进一步，所述气液分离器内液面与所述发生器之间的高度差大于所述溶液热交换器与所述发生器之间的高度差。

进一步，所述第一蒸发器与所述发生器之间、所述第三冷凝器与所述第三蒸发器之间均设有止回阀。

进一步，所述第四管道部分进入所述吸收器内，余热与所述吸收器的溶液进行热交换，吸收浓溶液稀释时释放的热量，提升品位。

进一步，所述第四管道上设有第三流量控制阀、第三工质泵及流量显示器。

本发明的有益效果：

初始热源在第一有机朗肯循环模块内完成循环发电后，成为仍具有一定温度的低温热流体，该低温热流体进入吸收式热泵模块中品位被提升，成为高温二次热源的同时可实现一定程度的向外制冷，吸收式热泵模块采用虹吸管作为运输制冷剂溶液的主要工具，利用高度差实现溶液流动，减小了工质泵的投入，经过两次换热后的余热再进入第二有机朗肯循环模块发电，实现对余热的充分利用，解决常规低品位热源回收系统尾端仍处于可利用状态能源的去向问题，提高能源回收利用率，增加了电量输出。

附图说明

图1为本发明基于有机朗肯循环和吸收式热泵循环的联合发电系统的结构示意图；

图中，1—第一蒸发器、2—第一发电机组、3—第一冷凝器、4—第一流量控制阀、5—第一工质泵、6—第二蒸发器、7—第二发电机组、8—第二冷凝器、9—第二流量控制阀、10—第二工质泵、11—过滤器、12—流量显示器、13—虹吸管、14—气液分离器、15—发生器、16—溶液热交换器、17—第三流量控制阀、18—吸收器、19—第三蒸发器、20—第三冷凝器、21—止回阀、22—排气阀、23—安全阀、24—第三工质泵、25—第一管道、26—第二管道、27—第三管道、28—第四管道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

如图1，本发明提供一种基于有机朗肯循环和吸收式热泵循环的联合发电系统，包括第一有机朗肯循环模块、吸收式热泵模块以及第二有机朗肯循环模块。

第一有机朗肯循环模块包括第一蒸发器1，连接于第一蒸发器1的第一发电机组2，以及连接于第一发电机组2的第一冷凝器3，第一冷凝器3与第一蒸发器1之间的管路上设有第一流量控制阀4及第一工质泵5，第一流量控制阀4用于控制有机朗肯循环回路上的工质流量，第一工质泵5用于加压工质。第一发电机组2包括膨胀机及设置于膨胀机末端的发电机。

初始热源由低品位尾端热源经过滤器11过滤后供入第一蒸发器1内，初始热源与第一蒸发器1是管壳式换热，液态有机工质于第一蒸发器1内与初始热源换热后被加热到饱和蒸汽状态，然后进入第一发电机组2膨胀做功，驱动发电机发电，从膨胀机出口排出的乏汽进入第一冷凝器3与冷却水换热冷却后变为液体，液态有机工质经过第一工质泵5加压后再次泵入第一蒸发器1进行换热，从而完成一个封闭的有机朗肯发电循环。初始热源进入第一蒸发器1与有机工质换热后从第一蒸发器1中排出，排出的低温热流体则送入吸收式热泵模块中进行再次应用。冷却水在第一冷凝器3中将从第一发电机组2排出的有机工质冷凝为液态，由第一冷凝器3出口端排出的冷却水散热后再次进入第一冷凝器3进行冷凝。

吸收式热泵模块包括发生器15，与发生器15存在高度差的气液分离器14，设置于发生器15一侧的溶液热交换器16，以及连接于溶液热交换器16的吸收器18。发生器15通过虹吸管13连接于气液分离器14，气液分离器14内液面与发生器15之间存在高度差h₂。气液分离器14的上方通过第一管道25连接于第三冷凝器20，第三冷凝器20连接于第三蒸发器19，第三蒸发器19连接于吸收器18。气液分离器14的下方通过第二管道26连接于吸收器18，第二管道26穿过溶液热交换器16与之换热，溶液热交换器16与发生器15之间存在高度差h₁，h₂大于h₁。由于气体与液体的密度不同，液体在与气体一起流动时，液体会受到重力的作用，产生一个向下的速度，而气体仍然朝着原来的方向流动，也就是说液体与气体在重力场中有分离的倾向，而气体在上升过程中携带的液滴，附着在气液分离器14的壁面上汇聚在一起通过第二管道26排向溶液热交换器16，提高了气液分离效果。吸收器18的底部通过第三管道27连接于溶液热交换器16及发生器15。在本发明中，发生器15、溶液热交换器16及吸收器18内的溶液为溴化锂溶液。

采用虹吸管13作为运输制冷剂容溶液的主要工具，利用大气压和联通原理的特殊应用，两个容器液面高低不同，用管子将两者液体联通，不论管子什么形状，在液体自身重力作用和大气压作用下，总有保持液面相平的运动趋势，即将流动的液体所受的合力指向下方，因此液体从高处流向低处。利用液面自身高度差作为溶液流动的驱动力，减少了部分工质泵及附加设备的投入，在一定程度上做到了节能。

经第一有机朗肯循环模块换热后的低温热流体进入发生器15内与发生器15内的溴化锂稀溶液换热，稀溶液在发生器15内被加热至沸腾，形成的气液两相混合物由虹吸管13吸入气液分离器14内，分离后的高压饱和蒸气由顶部的第一管道25进入第三冷凝器20内，与外部冷却水换热后被冷却形成冷凝液体，冷凝液体流入第三蒸发器19内吸收循环水的热量再次蒸发形成制冷剂蒸汽，同时对外制冷，制冷剂蒸汽流回到吸收器18内。分离后的浓溶液存积到气液分离器14的底部，依靠气液分离器14与溶液热交换器16之间的高度差流入第二管道26，与溶液热交换器16换热后进入吸收器18，制冷剂蒸汽、浓溶液在吸收器18内混合吸收，形成稀溶液再经过第三管道27回流到发生器15内，其中第三管道27的中部连接到溶液热交换器16，在流经溶液热交换器16的过程中，第三管道27内的稀溶液与第二管道26内的浓溶液在溶液热交换器16中换热，换热方式也是管壳式换热。

由于吸收式热泵系统中第三冷凝器20使用外界冷却水进行冷却会散失部分热量，因此由第三冷凝器20进入第三蒸发器19内的制冷剂冷凝液体携带能量减少，虽然制冷剂冷凝液体在第三蒸发器19中吸热蒸发再次成为制冷剂蒸汽，同时对外实现制冷，但是由于在第三冷凝器20内部分热量的散失，此时吸收式热泵系统中制冷剂自身总能量较第三冷凝器20前降低，为保证系统能量守恒，需要对经吸收式热泵模块换热后的余热进行分流，分流后的一部分余热排出至地下再利用，另一部分送入吸收器18内，吸收浓溶液稀释时释放出的热量，从而提升自身品位成为二次热源，进入第二有机朗肯循环模块中完成二级发电循环。

第二有机朗肯循环模板包括第二蒸发器6，连接于第二蒸发器6的第二发电机组7，以及连接于第二发电机组7的第二冷凝器8，第二冷凝器8与第二蒸发器6之间的管路设有第二流量控制阀9和第二工质泵10，第二流量控制阀9用于控制有机朗肯循环回路上的工质流量，第二工质泵10用于加压工质。第二发电机组7也包括膨胀机及设置于膨胀机末端的发电机。

第二蒸发器6通过第四管道28连接于发生器15，经吸收式热泵模块换热后的部分余热分流，一部分排出到地下再利用，另一部分通过第四管道28通入第二蒸发器6内，第四管道28部分进入吸收器18内，余热与吸收器18内的溶液进行热交换，吸收浓溶液稀释时释放的热量，从而提升自身品位成为二次热源，进入第二蒸发器6中与有机工质换热，有机工质被加热后进入第二发电机组7发电，可以充分利用余热。第四管道28上设有第三流量控制阀17及第三工质泵24，第三流量控制阀17的设置，可人工调配用于生成二次热源的热流流量。

优选的，发生器15、吸收器18及第一管道25上均连接有安全阀23和排气阀22，安全阀23用于检测三处气体压力，若安全阀23测得的气体压力过高，则启动排气阀22，使得循环管路内压力在正常运行范围内。第一蒸发器1与发生器15之间、第三冷凝器20与第三蒸发器19之间均设有止回阀21，用于防止液体或气体回流。过滤器11与第一蒸发器1之间、第一蒸发器1与发生器15之间以及第四管道28上均设有流量显示器12，用于实时读取流量数据。

本发明基于有机朗肯循环和吸收式热泵循环的联合发电系统适用于可提供大流量、持续低温热源的地区。初始热源在完成一级有机朗肯发电循环后，成为仍具有一定温度的低温热流体，而分流后的部分该热流进入吸收式热泵模块中品位被再次提升，成为高温二次热源的同时可实现一定程度的向外制冷，实现二级有机朗肯发电循环。吸收式热泵模块中采用虹吸管13作为运输制冷剂溶液的主要工具，打破了传统第二类热泵组件设备排列模式，利用高度差实现溶液流动，减小了工质泵的投入。该系统以“温度对口、梯级利用”为基础，结构新颖简单，在提高能源回收利用率方面具有重要意义。

本发明可针对地热能这类可用能源进行合理的应用，缓解我国能源及环境问题；可解决常规低品位热源回收系统尾端仍处于可利用状态能源的去向问题，提高能源回收利用率，且两级有机朗肯循环发电，增加了电量的输出，且联合采用吸收式热泵系统，可实现一定程度的对外制冷。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (5)

1.一种基于有机朗肯循环和吸收式热泵循环的联合发电系统，其特征在于，包括：第一有机朗肯循环模块、吸收式热泵模块以及第二有机朗肯循环模块；

所述第一有机朗肯循环模块包括第一蒸发器，连接于所述第一蒸发器的第一发电机组，以及连接于所述第一发电机组的第一冷凝器，有机工质于所述第一蒸发器内与初始热源换热后进入所述第一发电机组发电，然后进入所述第一冷凝器冷凝后回到所述第一蒸发器；

所述第一有机朗肯循环模块还包括设置于所述第一冷凝器与所述第一蒸发器之间的管路上的第一流量控制阀及第一工质泵；

所述吸收式热泵模块包括发生器，与所述发生器存在高度差的气液分离器，设置于所述发生器一侧的溶液热交换器，以及连接于所述溶液热交换器的吸收器，所述发生器通过虹吸管连接于所述气液分离器，所述气液分离器内液面与所述发生器之间的高度差大于所述溶液热交换器与所述发生器之间的高度差，所述气液分离器的上方通过第一管道连接于第三冷凝器，所述第三冷凝器连接于第三蒸发器，所述第三蒸发器连接于所述吸收器，所述气液分离器的下方通过第二管道连接于所述吸收器，所述第二管道穿过所述溶液热交换器与之换热，所述吸收器通过第三管道连接于所述溶液热交换器及所述发生器，经所述第一有机朗肯循环模块换热后的低温热流体进入所述发生器内与所述发生器内的稀溶液换热，稀溶液在所述发生器内被加热形成气液两相混合物由所述虹吸管吸入所述气液分离器内，分离后的水蒸气由所述第一管道进入所述第三冷凝器内冷却形成冷凝液体，冷凝液体流入所述第三蒸发器内对外制冷，吸热蒸发形成制冷剂蒸汽流回所述吸收器内，分离后的浓溶液流入所述第二管道与所述溶液热交换器换热后进入所述吸收器，所述吸收器内混合形成的稀溶液经所述第三管道回流经过所述溶液热交换器进入所述发生器内；

所述第二有机朗肯循环模板包括第二蒸发器，连接于所述第二蒸发器的第二发电机组，以及连接于所述第二发电机组的第二冷凝器，经所述吸收式热泵模块换热后的余热部分排出，另一部分通过第四管道通入所述第二蒸发器内与有机工质换热，有机工质被加热后进入所述第二发电机组发电；

所述第二有机朗肯循环模块还包括设置于所述第二冷凝器与所述第二蒸发器之间的管路上的第二流量控制阀及第二工质泵；

所述发生器、所述吸收器及所述第一管道上连接有安全阀及排气阀，所述第四管道上设有第三流量控制阀、第三工质泵及流量显示器。

2.根据权利要求1所述的基于有机朗肯循环和吸收式热泵循环的联合发电系统，其特征在于：初始热源由低品位尾端热源经过滤器过滤后供入所述第一蒸发器内。

3.根据权利要求1所述的基于有机朗肯循环和吸收式热泵循环的联合发电系统，其特征在于：所述发生器、所述溶液热交换器及所述吸收器内的溶液为溴化锂溶液。

4.根据权利要求1所述的基于有机朗肯循环和吸收式热泵循环的联合发电系统，其特征在于：所述第一蒸发器与所述发生器之间、所述第三冷凝器与所述第三蒸发器之间均设有止回阀。

5.根据权利要求1所述的基于有机朗肯循环和吸收式热泵循环的联合发电系统，其特征在于：所述第四管道部分进入所述吸收器内，余热与所述吸收器的溶液进行热交换，吸收浓溶液稀释时释放的热量，提升品位。