CN108425713A - 一种基于气液分离与双级蒸发的有机朗肯循环发电系统 - Google Patents

一种基于气液分离与双级蒸发的有机朗肯循环发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于气液分离与双级蒸发的有机朗肯循环发电系统，包括有机朗肯循环发电系统和气液分离器系统；所述气液分离器系统包括第一换热器、第二换热器、冷凝器、第一泵、第二泵和气液分离器；所述第一泵通过管道依次与第一换热器、气液分离器、第二泵、第二换热器、一个有机朗肯循环发电系统和冷凝器闭环连接；所述气液分离器的气体出口与另一个有机朗肯循环发电系统的输入端连接，所述另一个有机朗肯循环发电系统的输出端与冷凝器连接；所述管道内填充混合有机工质。本发明可改变混合工质的混合浓度，即使其工质能在热源温度变化时也能得到与热源温度匹配的系统最佳的热效率，从而提高的能源的利用率。

Description

一种基于气液分离与双级蒸发的有机朗肯循环发电系统
技术领域
本发明涉及热能发电领域，特别涉及一种基于气液分离与双级蒸发的有机朗肯循环发电系统。
背景技术
能源紧缺及环境污染已成为制约世界经济发展的重大问题，而提高能源利用效率和开发新能源成为解决此问题的重要措施。
目前，能源主要来自石油、天然气、煤等，这些能源正在濒临枯竭，同时也造成了严重的环境污染。众所周知，燃烧化石然料排放的二氧化硫是造成酸雨的主要原因，排放的二氧化碳是导致全球变暖的主要原因。因此找到一种廉价、可再生且不造成环境污染的能源是人类必然面临的唯一选择。
而其中余热回收技术和太阳能利用技术一直备受关注。余热回收方面，按照温度水平的不同，余热资源可以分为三种：高温余热(500℃以上)、中温余热(200-500℃之间)和低温余热(200℃以下)。就煤、石油、天然气等高品位能源而言，500℃以下的中温余热以及200℃以下的低温余热，在相同单位内包含的可用能量较低、利用难度大。但由于其余热量很大，且基本没有被有效利用，因此中低温余热利用将对节能减排起到重要作用。
而有机朗肯循环系统，即ORC系统，能高效回收中低温余热，将其用于发电，实现了余热的回收利用。同时，有机朗肯循环与一般朗肯循环不同点在于其使用的是蒸发温度更低的有机工质，所以更适用于低温余热回收。在实际应用中，因为产生的工业余热并不稳定具有波动性，即热源温度易改变，但是与此同时，每种工质对应的最佳热源温度并不相同，所以在热源温度变化时，不能满足系统在最佳热效率的工况内运行。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于气液分离与双级蒸发的有机朗肯循环发电系统，该系统使用混合工质，通过气液分离器，可改变混合工质的混合浓度，即使其工质能在热源温度变化时也能得到与热源温度匹配的系统最佳的热效率，从而提高的能源的利用率。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于气液分离与双级蒸发的有机朗肯循环发电系统，包括有机朗肯循环发电系统和气液分离器系统；所述气液分离器系统包括第一换热器、第二换热器、冷凝器、第一泵、第二泵和气液分离器；所述第一泵通过管道依次与第一换热器、气液分离器、第二泵、第二换热器、一个有机朗肯循环发电系统和冷凝器闭环连接；所述气液分离器的气体出口与另一个有机朗肯循环发电系统的输入端连接，所述另一个有机朗肯循环发电系统的输出端与冷凝器连接；所述管道内填充混合有机工质。
进一步，所述混合有机工质为制冷剂R245fa和制冷剂R152a的混合工质。
进一步，所述制冷剂R245fa和制冷剂R152a的混合工质的质量比为42:58～70:30。
进一步，所述制冷剂R245fa和制冷剂R152a的混合工质的质量比为56:44。
进一步，有机朗肯循环发电系统包括膨胀机和发电机，所述膨胀机与发电机连接，所述膨胀机进口与第二换热器出口或者所述气液分离器的气体出口连通，所述膨胀机出口与冷凝器进口连通。
进一步，所述第一换热器的热交换介质进口和第二换热器的热交换介质出口连通。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的基于气液分离与双级蒸发的有机朗肯循环发电系统，以余热烟气中的中低温热能作为热源并通过换热器的热能转换驱动双级ORC发电系统，对外输出电能，与现有发电技术相比，本发明的有机朗肯循环发电系统，采用混合工质，使其适合的热源温度范围大大增加，提高了整个系统的实用性。
2.本发明所述的基于气液分离与双级蒸发的有机朗肯循环发电系统，能够通过第一换热器和气液分离器，实现了对混合工质的组分的浓度改变，让进入第二换热器的混合工质组分浓度为最佳配比，使系统处于此热源温度的最佳工况，可达到能源利用的最大化。
附图说明
图1为本发明所述的基于气液分离与双级蒸发的有机朗肯循环发电系统原理图。
图2为本发明不同质量比混合的制冷剂R245fa和制冷剂R152a的系统效率曲线图。
图中：
1-第一换热器；2-第二换热器；3-第二膨胀机；4-第二发电机；5-第一膨胀机；6-第一发电机；7-冷凝器；8-冷却水；9-第一泵；10-第二泵；11-气液分离器；12-余热烟气；13-混合有机工质；14-气态混合有机工质；15-液态混合有机工质。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本发明所述的基于气液分离与双级蒸发的有机朗肯循环发电系统，包括有机朗肯循环发电系统和气液分离器系统；所述气液分离器系统包括第一换热器1、第二换热器2、冷凝器7、第一泵9、第二泵10和气液分离器11；第一有机朗肯循环发电系统包括第一膨胀机5和第一发电机6；第二有机朗肯循环发电系统包括第二膨胀机3和第二发电机4；所述第一泵9通过管道依次与第一换热器1、气液分离器11、第二泵10、第二换热器2、第一膨胀机5和冷凝器7闭环连接；所述气液分离器11的气体出口与第二膨胀机3进口连接，所述第二膨胀机3出口与冷凝器7连接；所述管道内填充混合有机工质13。所述混合有机工质为制冷剂R245fa和制冷剂R152a的混合工质。所述制冷剂R245fa和制冷剂R152a的混合工质的质量比为42:58～70:30。
所述第一换热器1的热交换介质进口和第二换热器2的热交换介质出口连通，所述第二换热器2的热交换介质进口通入余热烟气12。
工作过程：
混合有机工质13由第一泵9加压运送到第一换热器1，第二换热器2热交换介质出口的余热烟气12将液体混合有机工质13中的部分有机工质提前蒸发，因此进入所述气液分离器11的液体混合有机工质13分为气态混合有机工质14和液态混合有机工质15；液态混合有机工质15经过第二泵10加压运输到第二换热器2进行热交换，液态混合有机工质15的余热烟气12加热变为高温高压的气体。所述高温高压的气体进入第二膨胀机4中做功膨胀；所述第二膨胀机3带动第二发电机4发电；气态混合有机工质14通过气液分离器11气体出口后直接进入第一膨胀机5中做功膨胀；所述第一膨胀机5带动第一发电机6发电。
所述第一膨胀机5和第二膨胀机4做功后排出的气体经过混合后进入冷凝器7，被冷凝为混合有机工质13。冷凝器7由冷却水8进行冷却。
根据余热烟气12的温度，调整所述制冷剂R245fa和制冷剂R152a的混合工质的质量比在42:58～70:30的范围内，即可以调整混合有机工质13在第一换热器1中的蒸发量，将混合有机工质13分为已被蒸发的气态混合有机工质14和液态混合有机工质15，用以保证液态混合有机工质15对应余热烟气12的最佳效率配比浓度。
实施例：
下面按照本发明所述的质量比在42:58～70:30之间混合的制冷剂R245fa和制冷剂R152a的例子做说明：
实施例A1：热源温度为110℃时，将R245fa/R152a按42:58进行物理混合后进行系统充灌。
实施例A2：热源温度为120℃时，将R245fa/R152a按56:44进行物理混合后进行系统充灌。
实施例A3：热源温度为130℃时，将R245fa/R152a按63:37进行物理混合后进行系统充灌。
实施例A4：热源温度为140℃时，将R245fa/R152a按70:30进行物理混合后进行系统充灌。
实施例A5：热源温度为120℃时，仅将R245fa进行系统充灌。
实施例A6：热源温度为120℃时，仅将R152a进行系统充灌。
设计工况取为：平均蒸发温度为80℃，平均冷凝温度为30℃，蒸发器窄点温差为10℃，冷源温度为20℃，蒸发器过热度为10℃，热源质量流量为0.90kg/m3,膨胀过程顶上效率和工质泵效率均为80％。根据循环计算，上述6个实施例的在系统中有关参数和循环性能指标如表1所示，其中关于换热器的参数均为第二换热器2参数。
表1 实施例参数和循环性能指标表
从表1可看出，实例A5和实例A6为热源温度为120℃的情况，但是其效率和热效率小于实例A1、A2、A3和A4。结合图2和表1中A2的效率和热效率最高。所以在该工况下，采用混合工质的系统性能比采用纯工质的系统性能更好，即第一换热器提前蒸发部分工质，可使系统达到最优工况。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于气液分离与双级蒸发的有机朗肯循环发电系统，其特征在于，包括有机朗肯循环发电系统和气液分离器系统；所述气液分离器系统包括第一换热器(1)、第二换热器(2)、冷凝器(7)、第一泵(9)、第二泵(10)和气液分离器(11)；所述第一泵(9)通过管道依次与第一换热器(1)、气液分离器(11)、第二泵(10)、第二换热器(2)、一个有机朗肯循环发电系统和冷凝器(7)闭环连接；所述气液分离器(11)的气体出口与另一个有机朗肯循环发电系统的输入端连接，所述另一个有机朗肯循环发电系统的输出端与冷凝器(7)连接；所述管道内填充混合有机工质(13)。
2.根据权利要求1所述的基于气液分离与双级蒸发的有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述混合有机工质(13)为制冷剂R245fa和制冷剂R152a的混合工质。
3.根据权利要求2所述的基于气液分离与双级蒸发的有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述制冷剂R245fa和制冷剂R152a的混合工质的质量比为42:58～70:30。
4.根据权利要求3所述的基于气液分离与双级蒸发的有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述制冷剂R245fa和制冷剂R152a的混合工质的质量比为56:44。
5.根据权利要求1所述的基于气液分离与双级蒸发的有机朗肯循环发电系统，其特征在于，有机朗肯循环发电系统包括膨胀机(3、5)和发电机(4、6)，所述膨胀机(3、5)与发电机(4、6)连接，所述膨胀机(3、5)进口与第二换热器(2)出口或者所述气液分离器(11)的气体出口连通，所述膨胀机(3、5)出口与冷凝器(7)进口连通。
6.根据权利要求1所述的基于气液分离与双级蒸发的有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述第一换热器(1)的热交换介质进口和第二换热器(2)的热交换介质出口连通。
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