CN108049917B - 一种基于单螺杆膨胀机的无储液罐撬装式有机朗肯循环发电系统 - Google Patents
一种基于单螺杆膨胀机的无储液罐撬装式有机朗肯循环发电系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于单螺杆膨胀机的无储液罐撬装式有机朗肯循环发电系统，属于工业余热利用领域。包括热源子系统、工质循环子系统、润滑油子系统、电气控制子系统、并网发电子系统、冷却循环子系统，该系统可以通过电气控制子系统调节风机鼓风量，保证烟气余热与冷风掺混后的流量和温度稳定，保证变工况时烟气余热能与蒸发器内的有机工质稳定换热；此发电系统采用撬装形式，并且无储液罐，缩减系统整体体积，保证发电系统占地面积极小；同时设置了工质侧旁通阀，保证机组安全运行，为了防止有机工质通过工质侧旁通阀倒流到油气分离器而不流进冷凝器，在油气分离器之后设置防倒流装置；单螺杆膨胀机适合全流膨胀，变工况能力优越，等熵效率高，维修费用低。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于单螺杆膨胀机的无储液罐撬装式烟气余热发电系统，属于工业余热利用领域，特别涉及烟气余热发电领域。
背景技术
烟气余热占工业余热资源总量的50%以上，分布广泛，如冶金、化工、建材、机械、电力等行业，各种冶炼炉、加热炉、内燃机和锅炉的排气排烟，而且有些工业窑炉的烟气余热量甚至高达炉窑本身燃料消耗量的30％—60％，是余热利用的主要对象。
在对余热资源利用过程中，烟气余热利用受到了广泛的关注，利用数量庞大的烟气余热每发1kW·h电量，约可节约0.4kg标准煤及4kg水的消耗，减少约1.1kg的CO2、SO2及氮氧化物等物质的排放，将烟气余热所具有的热能转换为电能，是提高能源利用效率和降低环境污染的主要途径。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是一种基于单螺杆膨胀机的无储液罐撬装式有机朗肯循环发电系统，此技术背景是利用有机朗肯循环技术，采用低沸点有机工质回收烟气余热，此系统由蒸发器、冷凝器、工质泵、膨胀机四大部件组成；其中热功转换机械单螺杆膨胀机具有理想的力平衡，单机容量大、无余隙容积，易于建立流体动力润滑，适合全流膨胀，此系统冷端处于正压状态，无需配置真空维持系统，为了满足小体积撬装式需求，合理规划设备空间位置，简约设备资源，去掉了储液罐，设置了防倒流装置，此系统结合以往工程实践，这是一套能稳定运行的并网发电系统。
发明内容
本发明的目的是设计一种基于单螺杆膨胀机的无储液罐撬装式有机朗肯循环发电系统，着眼于利用烟气余热利用问题，本发明利用烟气余热进行发电，其设计思路主要在两方面，一方面此系统是针对现有的工业设备排放出的烟气余热进行回收发电，这也就决定了此系统是后续配套安装，对于场地的要求极为严苛，所以采用撬装式，发明设计时尽可能减小系统占地面积和体积，另一方面，需要保证系统能够稳定安全的运行，便于检修，发明设计出了完善的泵管阀安装方案，使系统便于产业化投产。
为了实现上述目标，本发明采用了以下技术方案：
一种基于单螺杆膨胀机的无储液罐撬装式有机朗肯循环发电系统，其特征在于，包括余热源子系统、有机工质循环子系统、并网发电子系统、润滑油子系统、冷却循环子系统、电气控制子系统，共六个子系统，其中：
烟气余热管道（45）上设有烟气旁路风机（25），烟气旁路风机（25）下游的烟气余热管道（45）分为两路，第一路烟气旁路流经烟气旁路调节阀（26）到消音器（27），第二路烟气旁路依次流经烟气入口调节阀（28）、蒸发器（21）、烟气出口调节阀（29），最后与第一路烟气旁路合流经过消音器（27）排放到大气环境中，此段管路为余热源子系统；
有机工质循环子系统，由在蒸发器（21）内与烟气余热换热的有机工质，首先蒸发器（21）经由工质侧安全阀（22），然后分两路，第一路流经膨胀机进口调节阀（23），进口调节阀（23）依次与单螺杆膨胀机（1）、膨胀机出口阀门（9）、油气分离器（4）、防倒流装置（31）连接，第二路流经工质侧旁通阀（24），然后两路与冷凝器（13）连接在冷凝器（13）前汇合，冷凝器（13）依次与工质泵进口阀门（14）、工质泵（15）、工质泵出口阀门（16）、过滤器（17）、止回阀（18）、工质流量计（19）、蒸发器进口阀门（20）、蒸发器（21）连接，构成循环回路，此循环回路为有机工质循环子系统，其内部充有有机工质进行循环；
并网发电子系统，由单螺杆膨胀机（1）依次与发电机（2）、并网柜（3）连接，组成并网发电子系统；
润滑油子系统，油气分离器（4）依次与油路闸阀（5）、油路过滤器（6）、润滑油泵（7），油路单向阀（8）、单螺杆膨胀机（1）通过管路连接成润滑油子系统；单螺杆膨胀机（1）中即有有机工质循环子系统的有机工质还有润滑油，单螺杆膨胀机（1）经由膨胀机出口阀门（9）出来的物质包含有机工质和润滑油，经油气分离器（4）分离后，润滑油进入润滑油子系统管路，有机工质进入有机工质循环子系统管路。
冷却循环子系统，由冷凝器（13）直接与冷却塔（10）连接，冷却塔（10）依次与冷却水过滤器（11）、冷却水泵（12）、冷却水流量计（30）、冷凝器（13）连接，通过管路连接成冷却循环子系统，其内部充有水；
电气控制子系统，现场触摸屏（32）依次与PLC控制柜（33）、上位机（34）连接组成的电气控制子系统；PLC控制柜（33）至少分别与冷却塔（10）、冷却水泵（12）、工质泵（15）、膨胀机进口调节阀（23）、工质侧旁通阀（24）、烟气旁路风机（25）、烟气旁路调节阀（26）、烟气入口调节阀（28）、烟气出口调节阀（29）连接，对上述部件进行控制。
余热源子系统是当烟气余热经过烟气余热管道（45）时，常常面临着烟气余热温度和流量不稳定的影响，检测烟气余热温度和流量（也可以采用PLC控制柜（33）进行检测），判定此温度和流量的情况下是否适合回收烟气余热，若适合，烟气旁路风机（25）不工作，若不适合，烟气旁路风机（25）工作，其有益的效果是保证烟气余热的温度和流量稳定，以此保证烟气余热与有机工质在蒸发器（21）内稳定换热；在烟气余热经过烟气旁路风机（25）后分为两路，一路流经烟气旁路调节阀（26），另一路流经烟气入口调节阀（28），蒸发器（21），烟气出口调节阀（29），其有益的效果是便于系统开机时调节小进气量，减小蒸发器热冲击，便于系统在任何紧急工况时能迅速切换到烟气旁路调节阀（26）；利用后的烟气余热合流经过消音器（27）排放到大气环境中。
有机工质循环子系统，其内部充有有机工质，在蒸发器（21）内吸热的有机工质首先经过工质侧安全阀（22），安全阀判定有机工质压力是否在极限压力下，维护系统安全；然后分两路，一路流经膨胀机进口调节阀（23），在单螺杆膨胀机（1）膨胀做功，乏汽流经膨胀机出口阀门（9）、油气分离器（4）、防倒流装置（31），另一路流经工质侧旁通阀（24），两路在冷凝器（13）汇合冷凝，其后流经工质泵进口阀门（14）、工质泵（15）、工质泵出口阀门（16）、过滤器（17）、止回阀（18）、工质流量计（19）、蒸发器进口阀门（20）、最后流回至蒸发器（21）循环完成循环，此段管路为有机工质循环子系统，其内部充有有机工质。
并网发电子系统是单螺杆膨胀机（1）与发电机（2）同轴连接带动旋转，达到一定转速后并网柜（3）通电开始并网工作。
润滑油子系统为单螺杆膨胀机（1）提供润滑油，使螺杆与星轮获得良好的啮合，并改善密封；在润滑油泵（7）上游安装油路闸阀、油路过滤器（6），润滑油泵下游安装油路单向阀（8）。
冷却循环子系统，由冷却塔（10）、冷却水过滤器（11）、冷却水泵（12）、冷凝器（13）、冷却水流量计（30）通过管路连接组成循环回路。
电气控制子系统由现场触摸屏（32）、PLC控制柜（33）、上位机（34）依次连接组成，现场触摸屏（32）是运行人员用来现场监测数据和进行现场操作的，PLC控制柜（33）用来控制操作的，也可由工程师进行修改程序，满足机组不同工况下运行条件，上位机（34）是用来远距离发出指令，与现场触摸屏（32）联动监测机组运行的计算机。
进一步优选，有机工质循环子系统中安装高度是受撬装式布局影响的，目的节省体积，便于整体挪移，且工艺合理，一般说来，烟气余热管道（45）的位置普遍较高，所以蒸发器（21）的位置是设备最高的，相应的蒸发器（21）至单螺杆膨胀机（1）的管路是管路最高的，冷凝器（13）高度仅次于蒸发器（21），单螺杆膨胀机（1）出口比油气分离器(4)进口高，这样能保证润滑油能从单螺杆膨胀机（1）中顺利排出，避免单螺杆膨胀机（1）和排气管路大量积油；为了避免工质泵（15）汽蚀，冷凝器（13）出口比工质泵（15）进口高，冷凝器(13)的进口在冷凝器(13)上部，出口在冷凝器(13)下部。
本发明取消了现有技术中常用的循环系统储液罐，其有益效果是极大降低了发电系统的体积和占地面积，节省成本，规避储液罐易泄露有机工质的问题，便于撬装式布局。
有机工质在单螺杆膨胀机（1）进口前分为两路，一路连接单螺杆膨胀机（1），另一路连接工质侧旁通阀（24）通往冷凝器（13），在通往冷凝器期间与油气分离器（4）出口的防倒流装置相连，其有益效果是，防倒流装置（31）保证有机工质只流入冷凝器，而不会流向油气分离器，防倒流装置（31）可以是高于工质侧旁通阀（24）安装高度的管道，可以是具有单向流通功能的单向阀、止回阀等阀门。工质泵（15）出口设置过滤器（17），清理脏污，保证流入蒸发器（21）的工质清洁性，过滤器（17）出口设置止回阀（18），防止倒灌损坏叶轮，叶片，单向阀出口设置工质流量计（19），用来校核工作实际流量，工质流量计受过滤器压降影响颇大，所以设置在最后远离过滤器。增设了工质侧旁通阀（24），上游与蒸发器（21）出口管路相连，下游与油气分离器（4）出口和冷凝器（13）进口相连，开机前启动工质侧旁通阀（24），危险情况与工质侧安全阀（22），烟气旁路调节阀（26）一同开启，为系统增加双保险。
工质侧旁通阀（24）在系统初期运行时打开，此时膨胀机进口调节阀（23）关闭，相当于旁路关掉单螺杆膨胀机（1），其有益效果是观察系统开机时期管路是否畅通，此时系统是旁路掉单螺杆膨胀机（1）的循环系统，可以找出除单螺杆膨胀机（1）以外的系统问题，便于检修；此外，在单螺杆膨胀机（1）非正常工作时打开，保证机组安全稳定运行，最重要的是，工质侧旁通阀（24）开度可变，可以配合膨胀机进口调节阀（23）开度，保证有机工质在不同工况时流入单螺杆膨胀机（1）。
与现有的技术相比，本发明具有如下优点：
本发明着眼于工程实际，在余热回收角度，余热源子系统部分，通过电气调节，可以安全回收稳定温度和流量的烟气余热，减小热冲击；在机械加工角度，巧妙的利用高度势差，确定了设备安装位置，省去储液罐，减小撬装体积和占地面积；在稳定运行角度，设置了工质侧旁路调节阀和防倒流装置，保证机组安全稳定运行。该系统用有机工质代替水作为循环工质，可使余热回收温度低至80℃，且冷凝压力高，不需抽真空设备，凝固点低，无需担心冬天冻堵问题。单螺杆膨胀机适合全流膨胀，允许湿蒸汽进入膨胀机，受力平衡，低泄露，结构简单，寿命长尤其适合小型余热系统。烟气余热管道（45）中烟气余热可以是工业窑炉，内燃机和锅炉的排气排烟等，稳定的烟气温度和烟气流量可以更好的应用于本系统。
附图说明
图1为一种基于单螺杆膨胀机的无储液罐撬装式有机朗肯循环发电系统；
图2为一种基于单螺杆膨胀机的无储液罐撬装式有机朗肯循环发电系统安装位置图；
图3为一种基于单螺杆膨胀机的无储液罐撬装式有机朗肯循环发电系统的电气控制子系统示意图。
图中1单螺杆膨胀机，2发电机，3并网柜，4油气分离器，5油路闸阀，6油路过滤器，7润滑油泵，8油路单向阀，9膨胀机出口阀门，10冷却塔，11冷却水过滤器，12冷却水泵，13冷凝器，14工质泵进口阀门，15工质泵，16工质泵出口阀门，17过滤器，18止回阀，19工质流量计，20蒸发器进口阀门，21蒸发器，22工质侧安全阀，23膨胀机进口调节阀，24工质侧旁通阀，25烟气旁路风机，26烟气旁路调节阀，27消音器，28烟气入口调节阀，29烟气出口调节阀，30冷却水流量计，31防倒流装置，32现场触摸屏，33PLC控制柜，34上位机，45烟气余热管道。
实施方式
本发明是一种基于单螺杆膨胀机的无储液罐撬装式烟气余热发电系统，这是一种经过工程实践的完整发电系统，电气部分采用PLC控制程序，可以进行重要节点的测量与手自动控制，以下将结合附图对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例
附图1所示为一种基于单螺杆膨胀机的无储液罐撬装式烟气余热发电系统部件连接示意图。利用有机工质在蒸发器21内吸收烟气余热管道45内烟气余热后变成高温高压饱和蒸汽，再进入单螺杆膨胀机1，带动发电机2运转发电，达到稳定转速并网柜3开始工作，乏汽通过冷凝器13被冷凝下来，然后通过工质泵15加压液体有机工质，最后进入蒸发器21吸热继续循环，发电系统分为六部分。
附图3所示，PLC控制柜33与膨胀机进口调节阀23相连、与工质侧旁通阀24相连、与烟气旁路调节阀26相连、与烟气入口调节阀28相连、与烟气出口调节阀29相连、与工质泵15相连，与冷却塔10，与冷却水泵相连，与风机相连；现场触摸屏32与PLC控制柜33相连、PLC控制柜33与上位机34相连、工程师在上位机上操作。
在进行发电系统工程搭建时，需按照附图2所示的安装高度设计台架。
一种基于单螺杆膨胀机的无储液罐撬装式烟气余热发电系统工作流程可按照以下步骤：
开机前步骤，保证膨胀机进口调节阀23、烟气入门调节阀28和烟气出口调节阀29关闭，其他阀门开启，开启冷却塔10频率为50hz，循环水泵12频率为50hz，确认冷却系统正常工作，监测温度压力表读数是否正常，当烟气余热经过烟气旁路风机时，此时会根据烟气余热的温度，PLC控制系统中PID调节功能自动调整烟气旁路风机25流量以保证排烟温度在合理范围内，适宜系统运行。
开机步骤，打开膨胀机进口调节阀23并开启工质泵频率为50hz，观察膨胀机进口温度压力表示数是否正常升温升压，保证在合理范围内，调节烟气入口调节阀28和烟气出口调节阀29，降低工质泵15频率，保证单螺杆膨胀机1进口工质有一定的过热度，此时逐渐减小工质侧旁通阀24开度，此时膨胀机起转，通过PLC控制柜33调节工质泵15频率和膨胀机进口调节阀23，使有机工质稳定持续流经单螺杆膨胀机1膨胀做功，待膨胀机3000r/min后，通过并网柜3并网发电，此后依次关闭工质侧旁通阀24，烟气旁路调节阀26，以吸收最多热量，输出最大功率。然后进行稳定热回收和发电。
关机步骤，首先打开烟气旁路调节阀26，此时膨胀机负荷降低，当输出功小于2kW后，可逐步打开工质侧旁通阀24，使有机工质逐渐旁通，在此过程始终要注意膨胀机出口过热度变化，确保制冷液体不能进入油气分离器4，逐渐关闭蒸发器的烟气入口调节阀28和烟气出口调节阀29，此时应注意观察排烟背压的变化，无异常后可全关，烟气入口调节阀28和烟气出口调节阀29全关，膨胀机进口调节阀23关闭，膨胀机出口阀门9关闭，工质侧旁通阀24全开，工质泵15频率为50HZ运行、冷却塔风机频率为50HZ运行、循环水泵频率为50HZ运行、使系统完全降温，随后关闭工质泵15，关闭冷却塔10，关闭冷却水泵12，待无异常后，关机。
关机后步骤：观察关机后原动机机组运行状况是否良好，确定自动阀门烟气旁路调节阀26需100％全开，要观察烟气入口调节阀28，烟气出口调节阀29全部关闭至0％刻度，此时已断电，各调节阀的开度是就地显示刻度表盘观察得出的。
最后，可以根据上位机34软件记录下的各测点温度压力参数，对发电系统进行热力学分析和经济性分析。
Claims (5)
1.一种基于单螺杆膨胀机的无储液罐撬装式有机朗肯循环发电系统，其特征在于，包括余热源子系统、有机工质循环子系统、并网发电子系统、润滑油子系统、冷却循环子系统、电气控制子系统，共六个子系统，其中：
烟气余热管道（45）上设有烟气旁路风机（25），烟气旁路风机（25）下游的烟气余热管道（45）分为两路，第一路烟气旁路流经烟气旁路调节阀（26）到消音器（27），第二路烟气旁路依次流经烟气入口调节阀（28）、蒸发器（21）、烟气出口调节阀（29），最后与第一路烟气旁路合流经过消音器（27）排放到大气环境中，此段管路为余热源子系统；
有机工质循环子系统，由在蒸发器（21）内与烟气余热换热的有机工质，首先蒸发器（21）经由工质侧安全阀（22），然后分两路，第一路流经膨胀机进口调节阀（23），进口调节阀（23）依次与单螺杆膨胀机（1）、膨胀机出口阀门（9）、油气分离器（4）、防倒流装置（31）连接，第二路流经工质侧旁通阀（24），然后两路与冷凝器（13）连接在冷凝器（13）前汇合，冷凝器（13）依次与工质泵进口阀门（14）、工质泵（15）、工质泵出口阀门（16）、过滤器（17）、止回阀（18）、工质流量计（19）、蒸发器进口阀门（20）、蒸发器（21）连接，构成循环回路，此循环回路为有机工质循环子系统，其内部充有有机工质进行循环；
并网发电子系统，由单螺杆膨胀机（1）依次与发电机（2）、并网柜（3）连接，组成并网发电子系统；
润滑油子系统，油气分离器（4）依次与油路闸阀（5）、油路过滤器（6）、润滑油泵（7），油路单向阀（8）、单螺杆膨胀机（1）通过管路连接成润滑油子系统；
冷却循环子系统，由冷凝器（13）直接与冷却塔（10）连接，冷却塔（10）依次与冷却水过滤器（11）、冷却水泵（12）、冷却水流量计（30）、冷凝器（13）连接，通过管路连接成冷却循环子系统，其内部充有水；
电气控制子系统，现场触摸屏（32）依次与PLC控制柜（33）、上位机（34）连接组成的电气控制子系统；PLC控制柜（33）至少分别与冷却塔（10）、冷却水泵（12）、工质泵（15）、膨胀机进口调节阀（23）、工质侧旁通阀（24）、烟气旁路风机（25）、烟气旁路调节阀（26）、烟气入口调节阀（28）、烟气出口调节阀（29）连接；
余热源子系统是当烟气余热经过烟气余热管道（45）时，常常面临着烟气余热温度和流量不稳定的影响，检测烟气余热温度和流量或采用PLC控制柜（33）进行检测，判定此温度和流量的情况下是否适合回收烟气余热，若适合，烟气旁路风机（25）不工作，若不适合，烟气旁路风机（25）工作，其有益的效果是保证烟气余热的温度和流量稳定，以此保证烟气余热与有机工质在蒸发器（21）内稳定换热；在烟气余热经过烟气旁路风机（25）后分为两路，一路流经烟气旁路调节阀（26），另一路流经烟气入口调节阀（28），蒸发器（21），烟气出口调节阀（29），其有益的效果是便于系统开机时调节小进气量，减小蒸发器热冲击，便于系统在任何紧急工况时能迅速切换到烟气旁路调节阀（26）；利用后的烟气余热合流经过消音器（27）排放到大气环境中；
运行方式包括以下步骤：
开机前步骤，保证膨胀机进口调节阀、烟气入门调节阀和烟气出口调节阀关闭，其他阀门开启，开启冷却塔、循环水泵，确认冷却系统正常工作，监测温度压力表读数是否正常，当烟气余热经过烟气旁路风机时，此时会根据烟气余热的温度，PLC控制柜中PID调节功能自动调整烟气旁路风机流量以保证排烟温度在合理范围内，适宜系统运行；
开机步骤，打开膨胀机进口调节阀并开启工质泵，观察膨胀机进口温度压力表示数是否正常升温升压，保证在合理范围内，调节烟气入口调节阀和烟气出口调节阀，降低工质泵频率，保证单螺杆膨胀机进口工质有一定的过热度，此时逐渐减小工质侧旁通阀开度，此时膨胀机起转，通过PLC控制柜调节工质泵频率和膨胀机进口调节阀，使有机工质稳定持续流经单螺杆膨胀机膨胀做功，通过并网柜并网发电，此后依次关闭工质侧旁路调节阀，烟气旁路调节阀，以吸收最多热量，输出最大功率；然后进行稳定热回收和发电；
关机步骤，首先打开烟气旁路调节阀，此时膨胀机负荷降低，当输出功小于2kW后，可逐步打开工质侧旁通阀，使有机工质逐渐旁通，在此过程始终要注意膨胀机出口过热度变化，确保制冷液体不能进入油气分离器，逐渐关闭蒸发器的烟气入口调节阀和烟气出口调节阀，此时应注意观察排烟背压的变化，无异常后可全关，烟气入口调节阀和烟气出口调节阀全关，膨胀机入口调节阀关闭，膨胀机出口阀门关闭，工质侧旁通阀全开，工质泵运行、冷却塔风机运行、循环水泵运行、使系统完全降温，随后关闭工质泵，关闭冷却塔，关闭冷却水泵，待无异常后，关机；
关机后步骤：观察关机后原动机机组运行状况是否良好，确定自动阀门烟气旁通调节阀需100％全开，要观察烟气入口调节阀，烟气出口调节阀全部关闭至0％刻度，此时已断电，各调节阀的开度是就地显示刻度表盘观察得出的。
2.按照权利要求1所述的一种基于单螺杆膨胀机的无储液罐撬装式有机朗肯循环发电系统，其特征在于，单螺杆膨胀机（1）中既有有机工质循环子系统的有机工质还有润滑油，单螺杆膨胀机（1）经由膨胀机出口阀门（9）出来的物质包含有机工质和润滑油，经油气分离器（4）分离后，润滑油进入润滑油子系统管路，有机工质进入有机工质循环子系统管路。
3.按照权利要求1所述的一种基于单螺杆膨胀机的无储液罐撬装式有机朗肯循环发电系统，其特征在于，并网发电子系统是单螺杆膨胀机（1）与发电机（2）同轴连接，带动旋转。
4.按照权利要求1所述的一种基于单螺杆膨胀机的无储液罐撬装式有机朗肯循环发电系统，其特征在于，现场触摸屏（32）是运行人员用来现场监测数据和进行现场操作的，PLC控制柜（33）用来控制操作的，上位机（34）是用来远距离发出指令，与现场触摸屏（32）联动监测机组运行的计算机。
5.按照权利要求1所述的一种基于单螺杆膨胀机的无储液罐撬装式有机朗肯循环发电系统，其特征在于，
烟气余热管道（45）的位置普遍较高，所以蒸发器（21）的位置是设备最高的，相应的蒸发器（21）至单螺杆膨胀机（1）的管路是管路最高的，冷凝器（13）高度仅次于蒸发器（21），单螺杆膨胀机（1）出口比油气分离器(4)进口高，这样能保证润滑油能从单螺杆膨胀机（1）中顺利排出，避免单螺杆膨胀机（1）和排气管路大量积油；为了避免工质泵（15）汽蚀，冷凝器（13）出口比工质泵（15）进口高，冷凝器(13)的进口在冷凝器(13)上部，出口在冷凝器(13)下部。
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