CN109386330A - 一种有机朗肯循环发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种有机朗肯循环发电装置，包括预热器、降膜式蒸发器、气液分离器、膨胀机、发电机、回热器、蒸发式冷凝器组件、储液器、和工质泵。本发明采用蒸发式冷凝器组件，使装置的ORC理论效率提高5％以上，同时大大降低了冷却水循环水泵功耗以及风机功耗。蒸发冷凝器组件的耗水率也仅为传统装置冷却塔耗水率的10％以下，由于一体化设计，使得系统占地面积减小。提高了净发电量，减少了水资源消耗，大大缩短投资回收期。采用预热器和降膜式蒸发器提高了蒸发温度，使蒸发温度更接近热源流体温度，可使蒸发温度仅比热源流体出口温度低0.5℃，此外采用预热器和降膜式蒸发器的方式，优化了系统设计，大大减少有机工质的充注量，换热效率的提高。

Description

一种有机朗肯循环发电装置
技术领域
本发明涉及有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，ORC)发电技术领域，具体涉及一种有机朗肯循环发电装置。
背景技术
能源短缺、环境污染已发展为世界范围的问题，节能减排、降低能耗、提高能源的综合利用率，是解决能源问题的根本途径。如何合理高效利用工业余热、地热能、太阳能、生物质能及海洋能，已成为节能减排工作的重要内容。在工业余热、地热能、太阳能、生物质能及海洋能中，其中的品位较低的低温能源占了其中很大一部分，目前国际上对于利用300℃以下甚至更低的低温热能，一般采用的方法是有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，ORC)发电技术。有机朗肯循环是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，其工作原理如图2所示；有机工质在蒸发器2中蒸发，从热源1(工业余热、地热能、太阳能、生物质能及海洋能)中吸收热量，生成具有一定压力和温度的蒸气，经过气液分离器3后，确保蒸气不带液进入膨胀机4膨胀做功，从而带动发电机5发电，从透平排出的降压降温后的蒸气先经过回热器6预冷，再在冷凝器12中向冷却水放热，凝结成液态，进入到储液器8，最后再通过工质泵9加压后重新回到蒸发器2，如此不断地循环，从而实现利用较低温度热能发电的目的，其中冷却水通过冷却水循环泵13送至冷却塔14，并通过冷却塔水的蒸发最终将热量散至冷源(空气)11中，冷却后的水回到冷凝器12中。
有机朗肯循环发电装置的净发电量，受冷热源温度的影响(对同一工质来说，温差越大，发电效率越高)，同时还需要扣除装置的自耗功。系统净发电量越高，其他消耗越少，则整个系统的投资回收期越短。对于传统的有机朗肯循环装置，由于采用冷却塔进行冷却，其冷却水温度将受空气湿球温度的影响，一般冷却塔湿球逼近温度大于4℃，则冷却水进入冷凝器的温度至少高于空气湿球温度4℃，若冷凝器冷却水设计温升为8℃，再考虑冷凝器的换热温差，则有机工质的冷凝温度至少要高于空气湿球温度15℃。装置的自耗功包括工质泵、冷却水循环泵和冷却塔风机的功耗，一般传统有机朗肯循环装置冷却水循环量大，且冷却塔放置由于现场原因离冷凝器较远，冷却水泵扬程高，冷却水泵的功耗较大，同时，耗水率约为冷却水循环量的1.5％。
目前一般的有机朗肯循环发电装置采用的蒸发器大多是干式蒸发器或板式蒸发器，但因需要较大传热温差，蒸发温度难以提高。
与采用干式蒸发器或板式蒸发器的有机朗肯循环发电装置相比，由于降膜式蒸发器采用膜态蒸发换热，使得有机工质蒸发温度可以有效提高2℃左右，在冷凝温度不变的条件下，能提高理论ORC效率2％以上，装置发电量提高2％左右。
若有机朗肯循环发电装置采用单一降膜式蒸发器，由于工质泵出口的有机工质流体为具有几十K过冷度的液体，直接进入降膜式蒸发器蒸发的话，会导致部分换热管为全显热交换，部分换热管均处于降膜式蒸发状态，整体换热效果较差，导致降膜式蒸发器换热面积需要大大增加，且降膜式蒸发器成本高于干式蒸发器，这种方式经济性较差。
发明内容
本发明的目的是提高传统有机朗肯循环发电装置的效率及净发电量。
为实现上述目的，本发明提供了一种有机朗肯循环发电装置。
一种有机朗肯循环发电装置，包括预热器、降膜式蒸发器、气液分离器、膨胀机、发电机、回热器、蒸发式冷凝器组件、储液器和工质泵，其中热源分别与预热器热源流入口和降膜式蒸发器的第一热源流入口相连，预热器的热源流出口与降膜式蒸发器的第二热源流入口相连，降膜式蒸发器的热源流出口与气液分离器相连，气液分离器与膨胀机相连，膨胀机带动发电机发电，同时，膨胀机与回热器第一端相连，回热器第二端蒸发器相连，回热器的第三端与蒸发式冷凝器组件的一端相连，蒸发式冷凝器组件的另一端与储液器相连，储液器通过工质泵与回热器的第四端相连；
其中，所述降膜式蒸发器包括:热源流体入口、热源流体出口、有机工质入口、有机工质出口、带喷淋装置的三级均匀分液组件、第一管束、集分液装置、第二管束、有机工质蒸气回路、壳体；所述降膜式蒸发器内，从顶部向下依次安装有带喷淋装置的三级均匀分液组件、第一管束、集分液装置、第二管束；
其中，所述蒸发式冷凝器组件包括:轴流风机、脱水器、水分配器、冷凝盘管、PVC耦合湿帘热交换层、循环水泵、自动补水装置、集水器、防溅水进风格栅、箱体；所述箱体内，从顶部向下依次安装有轴流风机、脱水器、水分配器、冷凝盘管、PVC耦合湿帘热交换层以及集水器，所述集水器通过循环水泵与水分配器相连，所述集水器顶部两侧装有防溅水进风格栅。
一种有机朗肯循环发电装置，其中，所述的带喷淋装置的三级均匀分液组件包含了喷淋头阵列和三级孔板，第一级孔板孔距和孔直径为第二级的孔板孔距的3-5倍，第三级孔板孔直径为2-8mm，孔间距也为2-8mm。
一种有机朗肯循环发电装置，其中，所述的PVC耦合湿帘热交换层由高效PVC填料和湿帘纸叠加组成，经过新风空气热交换层时形成大面积、水膜，曲经的水流波纹，延长了水流时间，使新风空气带走水份中的热量，降低水的温度。
一种有机朗肯循环发电装置，其中，所述的冷凝盘管为外套亲水铝翅片的高效内螺纹冷凝盘管，所述冷凝盘管的材质为铜、铝或不锈钢材质，有机工质气体从上端分气端进入盘管，冷凝的有机工质液体从下端集液器流出盘管与空气呈逆流换热形式，盘管为叉排布置。
一种有机朗肯循环发电装置，其中，所述的膨胀机型为涡旋式、螺杆式、向心式、转子式、活塞式。
一种有机朗肯循环发电装置，其中，所述的预热器为壳管式换热器、套管式换热器或板式换热器。
本发明的有益技术效果一是：采用高效的蒸发冷凝器组件替代传统装置温度或系统中的冷凝器、冷却水循环泵和冷却塔。采用高效的蒸发冷凝器组件的有机朗肯循环发电装置，有机工质气体直接在蒸发冷凝器组件中冷凝，冷凝温度比空气湿球温度高5-10℃，与传统有机朗肯循环发电装置相比，冷凝温度低至少5℃以上，则在热源侧条件不变的情况下，装置的ORC理论效率提高5％以上。同时减少了大流量的冷却水作为中间冷却介质，直接通过蒸发冷凝器中淋在冷凝管上的水蒸发将管内的有机工质进行冷凝，蒸发冷凝器组件仅需提供满足淋水需求的水量，并且需要克服的扬程大大降低，循环水泵消耗为传统装置中冷却水循环水泵功耗的50％以下，同时风机功耗为传统装置中冷却塔风机功耗的80％以下。蒸发冷凝器组件的耗水率也仅为传统装置冷却塔耗水率的10％以下，由于一体化设计，使得系统占地面积减小。
本发明的有益技术效果二是采用了预热器和降膜式蒸发器替代了传统的干式蒸发器或满液式蒸发器，提高了蒸发温度，使蒸发温度更接近热源流体的温度，可使蒸发温度仅比热源流体出口温度低0.5℃，与采用干式蒸发器或板式蒸发器相比，由于降膜式蒸发器采用膜态蒸发换热，使得有机工质蒸发温度可以有效提高2℃左右，在冷凝温度不变的条件下，能提高理论ORC效率2％以上，装置发电量提高2％左右，此外采用预热器和降膜式蒸发器的方式，优化了系统设计，大大减少有机工质的充注量，换热效率的提高减少了蒸发器的体积，使得热源侧的换热器成本最优，缩短投资回收期。
附图说明
图1为本发明有机朗肯循环发电原理流程示意图；
图2为传统有机朗肯循环系统原理流程图。
图中序号：热源1、降膜式蒸发器2、气液分离器3、膨胀机4、发电机5、回热器6、蒸发式冷凝器组件7、储液器8、工质泵9、预热器10、冷源(空气)11、冷凝器12、循环水泵13、冷却塔14。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
参见图1，一种利用降膜式蒸发技术耦合蒸发冷凝技术的高效有机朗肯循环发电装置，包括由降膜式蒸发器2、气液分离器3、膨胀机4、发电机5、回热器6、蒸发式冷凝器组件7、储液器8、工质泵9和预热器10构成的有机朗肯循环发电装置。
本发明的工作原理如下：近饱和状态有机工质液体在降膜式蒸发器2中，通过喷淋到管内走热源流体的管束外表面，形成膜态蒸发，从热源1(工业余热、地热能、太阳能、生物质能及海洋能)中吸收热量，生成具有一定压力和温度的蒸气，经过气液分离器3后，确保蒸气不带液进入膨胀机4膨胀做功，从而带动发电机5发电，从透平排出的降压降温后的蒸气先经过回热器6预冷，再在蒸发式冷凝器组件7中通过水分蒸发将有机工质热量带入到冷源(空气)11，进入到储液器8，最后再通过工质泵9进入预热器10与从热源1初步预热为近饱和状态，重新回到蒸发器2，如此不断地循环，从而实现利用较低温度热能发电的目的。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种有机朗肯循环发电装置，其特征在于，包括预热器、降膜式蒸发器、气液分离器、膨胀机、发电机、回热器、蒸发式冷凝器组件、储液器和工质泵，其中热源分别与预热器热源流入口和降膜式蒸发器的第一热源流入口相连，预热器的热源流出口与降膜式蒸发器的第二热源流入口相连，降膜式蒸发器的热源流出口与气液分离器相连，气液分离器与膨胀机相连，膨胀机带动发电机发电，同时，膨胀机与回热器第一端相连，回热器第二端蒸发器相连，回热器的第三端与蒸发式冷凝器组件的一端相连，蒸发式冷凝器组件的另一端与储液器相连，储液器通过工质泵与回热器的第四端相连；
其中，所述降膜式蒸发器包括:热源流体入口、热源流体出口、有机工质入口、有机工质出口、带喷淋装置的三级均匀分液组件、第一管束、集分液装置、第二管束、有机工质蒸气回路、壳体；所述降膜式蒸发器内，从顶部向下依次安装有带喷淋装置的三级均匀分液组件、第一管束、集分液装置、第二管束；
其中，所述蒸发式冷凝器组件包括:轴流风机、脱水器、水分配器、冷凝盘管、PVC耦合湿帘热交换层、循环水泵、自动补水装置、集水器、防溅水进风格栅、箱体；所述箱体内，从顶部向下依次安装有轴流风机、脱水器、水分配器、冷凝盘管、PVC耦合湿帘热交换层以及集水器，所述集水器通过循环水泵与水分配器相连，所述集水器顶部两侧装有防溅水进风格栅。
2.如权利要求1所述的有机朗肯循环发电装置，其特征在于，所述的带喷淋装置的三级均匀分液组件包含了喷淋头阵列和三级孔板，第一级孔板孔距和孔直径为第二级的孔板孔距的3-5倍，第三级孔板孔直径为2-8mm，孔间距也为2-8mm。
3.如权利要求1-2所述的有机朗肯循环发电装置，其特征在于，所述的PVC耦合湿帘热交换层由高效PVC填料和湿帘纸叠加组成。
4.如权利要求1-2所述的有机朗肯循环发电装置，其特征在于，所述的冷凝盘管为外套亲水铝翅片的高效内螺纹冷凝盘管，所述冷凝盘管的材质为铜、铝或不锈钢材质，有机工质气体从上端分气端进入盘管，冷凝的有机工质液体从下端集液器流出盘管与空气呈逆流换热形式，盘管为叉排布置。
5.如权利要求3所述的有机朗肯循环发电装置，其特征在于，所述的冷凝盘管为外套亲水铝翅片的高效内螺纹冷凝盘管，所述冷凝盘管的材质为铜、铝或不锈钢材质，有机工质气体从上端分气端进入盘管，冷凝的有机工质液体从下端集液器流出盘管与空气呈逆流换热形式，盘管为叉排布置。
6.如权利要求1-5所述的有机朗肯循环发电装置，其特征在于，所述的膨胀机型为涡旋式、螺杆式、向心式、转子式、活塞式。
7.如权利要求1-6所述的高效有机朗肯循环发电装置，其特征在于，所述的预热器为壳管式换热器、套管式换热器或板式换热器。
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