CN109404078A - 一种基于水平管喷淋降膜蒸发器的低温地热有机朗肯循环发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水平管喷淋降膜蒸发器的低温地热有机朗肯循环发电系统，包括：水平管喷淋降膜蒸发器，所述水平管喷淋降膜蒸发器设有工质入口、工质气相出口、热水入口和热水出口；透平发电机，所述透平发电机的进气口与所述工质气相出口连通；冷凝器，所述冷凝器包括冷凝器管程和冷凝器壳程，所述冷凝器壳程的进气口与透平发电机的出气口连通，所述冷凝器壳程的出液口与所述工质入口连通；热水系统；冷却水系统。本发明提供的低温地热有机朗肯循环发电系统通过水平管喷淋降膜蒸发器有效实现工质蒸发，该蒸发器传热效率高，能够降低设备整体占用空间，便于建造维护，节约设备初期投入和运行维护。

Description

一种基于水平管喷淋降膜蒸发器的低温地热有机朗肯循环发 电系统

技术领域

本发明涉及低温地热能利用技术领域，更具体地，涉及一种基于水平管喷淋降膜蒸发器的低温地热有机朗肯循环发电系统。

背景技术

随着经济的持续快速发展，人类对能源的依赖程度不断增强，而化石能源消耗量的剧增和由此带来的环境污染问题，已引起全世界的重视。正是在此大背景下，近些年来，可再生能源的发电技术获得了空前的关注。地热能是大自然献给人类的礼物，是蕴藏在地球内部巨大的自然能源，已成为新世纪能源发展中必受重视的可再生能源之一，也是可再生能源中最现实和最具有竞争力的资源之一。根据其开发深度不同，地热资源又可划分为浅层地热（距地表200米以内）、水热型地热（距地表3000米以内）以及增强型地热（3000米以深，也称为“干热岩”）三种。据初步估算，我国在深度2000米以内的地热资源所包含的热能相当于2500亿吨标准煤，保守估计可以开发其中的20%。

相对于其他可再生能源，稳定性和连续性是地热能的最大优势。2007年，联合国世界能源评价报告给出的可再生能源发电的对比数字中，地热发电的利用系数约在72%-76%之间，明显高于生物质能（52%）、风能（21%）和太阳能（14%）等可再生能源发电。地热能用来发电全年可供应约7000小时以上，有些地热电站甚至可高达8000小时，同样地热能用来提供冷、热负荷也是非常稳定。因此，地热能在未来能源利用中可以供应稳定、连续的基础负荷，将在国家未来的可再生能源结构中占据重要的位置。

我国地热资源分布的显著特点就是以中低温地热为主，而且分布广而地处偏远，故在高温地热发电受限的同时需要努力探索中低温地热发电技术。有机朗肯循环ORC及其它双循环技术的应用及推广，使得80~150ºC的中低温地热资源，也具备了发电利用的可能性与经济性，这使得可经济发电的地热资源温度还在逐渐降低，学者开始关注以往一直被认为温度低于90ºC、不具备发电经济性的低温地热资源的发电潜力和经济性。

蒸发器在系统发电过程中起着传递热量的作用，循环有机工质在蒸发过程中吸收热量后变成蒸汽，然后推动汽轮机旋转，带动发电机发电。而蒸发器中存在巨大的传热不可逆损失，是ORC系统效率低于卡诺循环效率的重要原因。蒸发器是ORC发电系统的关键部件，也是整个ORC发的系统中㶲损失最大的设备之一，故提高蒸发器的传热性能和蒸发效率对于整个系统性能提高和工程投资具有重要意义。

目前，用于有机朗肯循环的主要是满液式蒸发器，通常存在传热效率低，能耗高，设备初期投入大的共同缺点，且需占用较大的立体空间，维护困难，安全性较低。

因此，需要设计出蒸发器传热效率高、能够降低设备整体占用空间、便于建造维护以及节约设备初期投入和运行维护的地热有机朗肯循环发电系统。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的蒸发器传热效率低、能耗高、初期设备投入大、空间占用大、维护困难和安全性较低缺陷，提供一种基于水平管喷淋降膜蒸发器的低温地热有机朗肯循环发电系统，提供的低温地热有机朗肯循环发电系统采用水平管喷淋降膜蒸发器，蒸发器传热效率高，能够降低设备整体占用空间，便于建造维护，节约设备初期投入和运行维护。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于水平管喷淋降膜蒸发器的低温地热有机朗肯循环发电系统，包括：

水平管喷淋降膜蒸发器，所述水平管喷淋降膜蒸发器设有工质入口、工质气相出口、热水入口和热水出口；

透平发电机，所述透平发电机的进气口与所述工质气相出口连通；

冷凝器，所述冷凝器包括冷凝器管程和冷凝器壳程，所述冷凝器壳程的进气口与透平发电机的出气口连通，所述冷凝器壳程的出液口与所述工质入口连通；

热水系统，所述热水系统的出水口与所述热水入口连通，所述热水系统的进水口与所述热水出口连通；

冷却水系统，所述冷却水系统的出水口与所述冷凝器管程的进水口连通，所述冷却水系统的进水口与所述冷凝器管程的出水口连通。

水平管喷淋降膜蒸发是通过顶部的布液器将工质喷淋到水平的换热管上，在换热管外部形成一层薄膜，通过薄膜传热，管外侧的有机工质与管内侧热流体进行换热的技术。

在低温地热有机朗肯循环发电系统中，相比于满液式蒸发器，水平管喷淋降膜蒸发器的优势主要体现在以下几个方面：（1）传热系数高，因为在液固、液气界面上都可能发生相变，且由于管外的膜状有利于蒸汽与液相尽快分离，所以其换热系较高；（2）传热温差小，因为水平管喷淋降膜蒸发器没有液位静压引起的沸点升高而带来的温差损失；（3）体积小，由于换热系数高，相同热负荷条件下所需的换热面积小，所以减小了体积；（4）工质充注量较少，同时减小了工质泄露概率，安全性较高；（5）投入成本低，由于体积减小，工质充注量减小，所以降低了投入成本。水平管喷淋降膜蒸发器有利于提高ORC发电系统的系统性能，在ORC系统中具有重要影响。

该低温地热有机朗肯循环发电系统通过水平管喷淋降膜蒸发器有效实现工质蒸发，蒸发器传热效率高，能够降低设备整体占用空间，便于建造维护，节约设备初期投入和运行维护。

所述低温地热有机朗肯循环发电系统使用的有机工质可以为R245fa或R123。R245fa是指制冷剂五氟丙烷。

优选地，所述水平管喷淋降膜蒸发器包括壳体、水平设置在所述壳体内的喷淋管、水平设置在所述壳体内的换热管；所述喷淋管位于所述换热管的上方；

所述喷淋管与所述工质入口连通；所述壳体内的腔体与工质气相出口连通；所述换热管的进水口与所述热水入口连通，所述换热管的出水口与所述热水出口连通。

所述壳体横置，壳体一端为固定连接的封头，另一端为可拆卸连接的封头。可拆卸连接的封头可采用法兰连接。

优选地，所述喷淋管的下部设有用于喷淋工质的通孔，所述通孔设有导流片。

优选地，所述导流片对准下方的换热管。

喷淋管的下部的通孔使有机工质液体能均匀的通过喷淋管以液滴或液柱的形式淋洒在换热管上，形成沿圆周作降膜流动的液膜。液态有机工质流入喷淋管内，从通孔流出，并顺着导流片滴落到换热管表面。为保证喷淋效果，喷淋孔径为2 mm，两喷淋孔间距为20 mm。

优选地，所述低温地热有机朗肯循环发电系统还包括换热器，所述换热器包括工质流道和热水流道，所述工质流道的进液口与冷凝器壳程的出液口连通，所述工质流道的出液口与所述工质入口连通；

所述热水流道的进水口与所述热水出口连通，所述热水流道的出水口与所述热水系统的进水口连通。

优选地，所述换热器为板式换热器。

换热器能够充分利用水平管喷淋降膜蒸发器流出的热水，对进入水平管喷淋降膜蒸发器之前的工质进行预热，能量利用更加充分，有利于降低系统所需能耗。

优选地，所述工质流道的进液口与冷凝器壳程的出液口之间的管道上设有工质泵。还可以在工质泵出水口设置流量测量装置，以用于调节有机工质的流量。系统压力与有机工质的蒸发量以及进出口流量有关，故通过调节流量可以实现对系统压力的控制。

优选地，所述水平管喷淋降膜蒸发器的底部设有工质液相出口，所述工质液相出口与工质泵的进液口通过管道连通。

优选地，所述换热管在所述壳体内均匀布置。

优选地，所述换热管的一部分位于所述壳体内底部。

来不及降膜蒸发的有机工质会聚集在壳体内底部，壳体底部的部分换热管能够加热这些来不及降膜蒸发的有机工质。这些来不及降膜蒸发的有机工质经换热管加热后，再进入换热器进行预热，进行工质内循环。

优选地，所述热水系统包括热水供应管道和热水回灌管道，所述热水供应管道与所述热水入口连通，所述热水回灌管道与所述热水流道的出水口连通；所述热水供应管道设有地热水过滤装置和热水泵。所述热水供应管道和热水回灌管道与地热水源连通。

低温地热水温度约为80~100℃；在热水泵的作用下，通过地热水过滤装置后进入水平管喷淋降膜蒸发器的管程，与壳程的有机工质进行换热，换热后的地热水通过水平管喷淋降膜蒸发器的管程出口管流出，进入换热器对来自冷凝器的液态有机工质进行预热，然后通过回灌装置流回地下。完成热水循环。

优选地，所述冷却水系统包括冷却塔），所述冷却塔的出水口与所述冷凝器管程的进水口连通，所述冷却塔的出水口设有冷却水泵；所述冷却塔的进水口与所述冷凝器管程出水口连通。

冷凝器管程连接冷却水管路，冷却水采用自来水，冷却水通过冷水泵将冷却水打入冷凝器管程进口，用以冷却有机工质的乏汽，将有机工质由低温低压的气态变为液态，冷凝器管程出口与冷却塔连接。冷却塔可采用混合风冷对冷却水进行降温。冷凝器壳程进口连接透平发电机的出口乏汽，冷凝器壳程出口管路连接工质泵。乏汽在冷凝器内遇冷凝结为液体，通过工质泵进入换热器进行预热。完成冷却水循环。

优选地，所述低温地热有机朗肯循环发电系统还包括真空泵，所述水平管喷淋降膜蒸发器的腔体和/或所述冷凝器管程与所述真空泵连通。

优选地，所述工质入口、工质气相出口、热水入口、热水出口、冷凝器管程的进水口和冷凝器管程的出水口均设有温度计。

优选地，所述工质泵的出水口、热水系统的管道和冷却水系统的管道设有流量测量装置。所述流量测量装置可以为涡轮流量计。

优选地，所述工质入口、工质气相出口、工质液相出口、冷凝器壳程的出液口、热水系统的管道和冷却水系统的管道设有阀门。所述阀门可以调节阀。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的低温地热有机朗肯循环发电系统通过水平管喷淋降膜蒸发器有效实现工质蒸发，水平管喷淋降膜蒸发器有利于提高ORC发电系统的系统性能，在ORC系统中具有重要影响，该蒸发器传热效率高，能够降低设备整体占用空间，便于建造维护，节约设备初期投入和运行维护。

附图说明

图1为实施例1的低温地热有机朗肯循环发电系统的示意图。

图2为实施例1中水平管喷淋降膜蒸发器的示意图。

图3为实施例1中水平管喷淋降膜蒸发器的左视图。

图4为实施例1中水平管喷淋降膜蒸发器的喷淋管的主视图。

图5为实施例1中水平管喷淋降膜蒸发器的喷淋管的俯视图。

图1~5中，1-水平管喷淋降膜蒸发器；11-工质入口；12-工质气相出口；13-工质液相出口；14-热水入口；15-热水出口；16-壳体；17-喷淋管；171-通孔；172-导流片；18-换热管；2-透平发电机；3-冷凝器；4-工质泵；5-换热器；6-热水系统；61-热水供应管道；62-热水回灌管道；63-地热水过滤装置；64-热水泵；7-冷却水系统； 71-冷却塔；72-冷却水泵；T-温度计；P-真空泵；M-涡轮流量计。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例1

一种基于水平管喷淋降膜蒸发器的低温地热有机朗肯循环发电系统，如图1~5所示，包括：水平管喷淋降膜蒸发器1、透平发电机2、冷凝器3、换热器5、热水系统6和冷却水系统7。

水平管喷淋降膜蒸发器1设有工质入口11、工质气相出口12、工质液相出口13、热水入口14和热水出口15。透平发电机2的进气口与工质气相出口12连通。

冷凝器3包括冷凝器管程和冷凝器壳程，冷凝器壳程的进气口与透平发电机的2出气口连通。

换热器5包括工质流道和热水流道，工质流道的进液口与冷凝器壳程的出液口连通，工质流道的出液口与工质入口11连通。换热器5为板式换热器。换热器5能够充分利用水平管喷淋降膜蒸发器1流出的热水，对进入水平管喷淋降膜蒸发器1之前的工质进行预热，能量利用更加充分，有利于降低系统所需能耗。

工质流道的进液口与冷凝器壳程的出液口之间的管道上设有工质泵4。工质液相出口13位于水平管喷淋降膜蒸发器1的底部。工质液相出口13与工质泵4的进液口通过管道连通。

述热水系统6包括热水供应管道61和热水回灌管道62，热水供应管道61与热水入口14连通；热水出口15与热水流道的进水口连通；热水回灌管道62与热水流道的出水口连通；热水供应管道61设有地热水过滤装置63和热水泵64。热水供应管道61和热水回灌管道62与地热水源连通。低温地热水温度约为80~100℃；在热水泵64的作用下，通过地热水过滤装置63后进入水平管喷淋降膜蒸发器1的管程，与壳程的有机工质进行换热，换热后的地热水通过水平管喷淋降膜蒸发器1的管程出口管流出，进入换热器5对来自冷凝器3的液态有机工质进行预热，然后通过热水回灌管道62流回地下。完成热水循环。

冷却水系统7包括冷却塔71，冷却塔71的出水口与冷凝器管程的进水口连通，冷却塔71的出水口设有冷却水泵72；冷却塔71的进水口与所述冷凝器管程出水口连通。冷凝器管程连接冷却水管路，冷却水采用自来水，冷却水通过冷水泵72将冷却水打入冷凝器管程进口，用以冷却有机工质的乏汽，将有机工质由低温低压的气态变为液态，冷凝器管程出口与冷却塔71连接。冷却塔可采用混合风冷对冷却水进行降温。冷凝器壳程进口连接透平发电机2的出口乏汽，冷凝器壳程出口管路连接工质泵4。乏汽在冷凝器3内遇冷凝结为液体，通过工质泵4进入换热器5进行预热。完成冷却水循环。

水平管喷淋降膜蒸发器1包括壳体16、水平设置在壳体16内的喷淋管17、水平设置在壳体16内的换热管18；喷淋管17位于换热管18的上方；喷淋管17与工质入口11连通；壳体16内的腔体与工质气相出口12连通；换热管18的进水口与热水入口14连通，换热管18的出水口与热水出口15连通。

壳体16横置，壳体16一端为固定连接的封头，另一端为可拆卸连接的封头。固定连接的封头为焊接。可拆卸连接的封头为法兰连接。水平管喷淋降膜蒸发器1的喷淋管17为两根，两根的喷淋管17平行设置。喷淋管17的下部设有用于喷淋工质的通孔171，通孔171设有导流片172。导流片172对准下方的换热管18。喷淋管17的下部的通孔171使有机工质液体能均匀的通过喷淋管17以液滴或液柱的形式淋洒在换热管18上，形成沿圆周作降膜流动的液膜。液态有机工质流入喷淋管17内，从通孔171流出，并顺着导流片172滴落到换热管18表面。为保证喷淋效果，喷淋通孔的孔径为2 mm，两喷淋通孔间距为20 mm。换热管18在壳体16内均匀布置。换热管18的一部分位于壳体16内底部。

来不及降膜蒸发的有机工质会聚集在壳体16内底部，壳体16底部的部分换热管18能够加热这些来不及降膜蒸发的有机工质。这些来不及降膜蒸发的有机工质经换热管18加热后，再进入换热器5进行预热，进行工质内循环。

低温地热有机朗肯循环发电系统还设有真空泵P，水平管喷淋降膜蒸发器1的腔体和冷凝器管程与真空泵P连通。

工质入口11、工质气相出口12、热水入口14、热水出口15、冷凝器管程的进水口和冷凝器管程的出水口均设有温度计T。

工质泵4的出水口、热水系统6的管道和冷却水系统7的管道设有流量测量装置。流量测量装置为涡轮流量计M。工质泵4的出水口设置流量测量装置，以用于调节有机工质的流量。系统压力与有机工质的蒸发量以及进出口流量有关，故通过调节流量可以实现对系统压力的控制。

工质入口11、工质气相出口12、工质液相出口13、冷凝器壳程的出液口、热水系统6的管道和冷却水系统7的管道设有阀门。阀门为调节阀。本实施例的低温地热有机朗肯循环发电系统使用的有机工质为R245fa。

液态有机工质在水平管喷淋降膜蒸发器1的壳程被加热为高温高压的气态工质，然后以一定的压力进入透平发电机2做功，做功后的乏汽进入冷凝器3冷却，得到液态有机工质，至此完成有机工质循环。

在本实施例中，在系统压力控制稳定的情况下，布液均匀，液膜呈柱状或连续滴状分布，流动均匀且流速正常，无粘度明显增加的情况，运行过程中管壁始终湿润，未见干斑的出现，表明水平管喷淋降膜蒸发器能满足有机朗肯循环发电的需求。

在相同工况下，实测总传热系数超过3300w/(m²℃)，而满液式蒸发装置中，这一数值仅为1800 w/(m²℃)左右，再加上采用薄壁管，管束总重量有明显降低，水平管喷淋降膜装置在材料上能节省50%以上的成本。

本实施例提供的低温地热有机朗肯循环发电系统通过水平管喷淋降膜蒸发器有效实现工质蒸发，水平管喷淋降膜蒸发器有利于提高ORC发电系统的系统性能，在ORC系统中具有重要影响，该蒸发器传热效率高，能够降低设备整体占用空间，便于建造维护，节约设备初期投入和运行维护。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于水平管喷淋降膜蒸发器的低温地热有机朗肯循环发电系统，其特征在于，包括：

水平管喷淋降膜蒸发器（1），所述水平管喷淋降膜蒸发器（1）设有工质入口（11）、工质气相出口（12）、热水入口（14）和热水出口（15）；

透平发电机（2），所述透平发电机（2）的进气口与所述工质气相出口（12）连通；

冷凝器（3），所述冷凝器（3）包括冷凝器管程和冷凝器壳程，所述冷凝器壳程的进气口与透平发电机（2）的出气口连通，所述冷凝器壳程的出液口与所述工质入口连通；

热水系统（6），所述热水系统（6）的出水口与所述热水入口（14）连通，所述热水系统（6）的进水口与所述热水出口（15）连通；

冷却水系统（7），所述冷却水系统（7）的出水口与所述冷凝器管程的进水口连通，所述冷却水系统（7）的进水口与所述冷凝器管程的出水口连通。

2.根据权利要求1所述的低温地热有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述水平管喷淋降膜蒸发器（1）包括壳体（16）、水平设置在所述壳体（16）内的喷淋管（17）、水平设置在所述壳体（11）内的换热管（18）；所述喷淋管（17）位于所述换热管（18）的上方；

所述喷淋管（17）与所述工质入口（11）连通；所述壳体（16）内的腔体与工质气相出口（12）连通；所述换热管（18）的进水口与所述热水入口（14）连通，所述换热管（18）的出水口与所述热水出口（15）连通。

3.根据权利要求2所述的低温地热有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述喷淋管（17）的下部设有用于喷淋工质的通孔（171），所述通孔（171）设有导流片（172）。

4.根据权利要求2或3所述的低温地热有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述低温地热有机朗肯循环发电系统还包括换热器（5），所述换热器（5）包括工质流道和热水流道，所述工质流道的进液口与冷凝器壳程的出液口连通，所述工质流道的出液口与所述工质入口连通；

所述热水流道的进水口与所述热水出口（15）连通，所述热水流道的出水口与所述热水系统（6）的进水口连通。

5.根据权利要求4所述的低温地热有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述工质流道的进液口与冷凝器壳程的出液口之间的管道上设有工质泵（4）。

6.根据权利要求5所述的低温地热有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述水平管喷淋降膜蒸发器的底部设有工质液相出口（13），所述工质液相出口（13）与工质泵（4）的进液口通过管道连通。

7.根据权利要求6所述的低温地热有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述换热管（18）的一部分位于所述壳体（16）内底部。

8.根据权利要求4所述的低温地热有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述热水系统（6）包括热水供应管道（61）和热水回灌管道（62），所述热水供应管道（61）与所述热水入口（14）连通，所述热水回灌管道（62）与所述热水流道的出水口连通；所述热水供应管道（61）设有地热水过滤装置（63）和热水泵（64）。

9.根据权利要求4所述的低温地热有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述冷却水系统（7）包括冷却塔（71），所述冷却塔（71）的出水口与所述冷凝器管程的进水口连通，所述冷却塔（71）的出水口设有冷却水泵（72）；所述冷却塔（71）的进水口与所述冷凝器管程出水口连通。

10.根据权利要求1所述的低温地热有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述低温地热有机朗肯循环发电系统还包括真空泵（P），所述水平管喷淋降膜蒸发器（1）的腔体和/或所述冷凝器管程与所述真空泵（P）连通。