CN109611169A - 一种组分动态可调的非共沸工质有机朗肯循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组分动态可调的非共沸工质有机朗肯循环系统，包括按工质流动方向循环依次连接的蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质储罐和工质泵，在蒸发器与膨胀机之间还并联接入一条带有主气液分离器的气液分离支路，主气液分离器的底部液体出口还通过管路接入膨胀机与冷凝器之间管路，从冷凝器出口后还另引一条组分分离支路，并接入工质储罐与工质泵之间，组分分离支路包括组分分离装置和过冷器，组分分离装置的进料口与轻组分出口分别连接冷凝器出口与过冷器入口，重组分出口还接入冷凝器与工质储罐之间管路。与现有技术相比，本发明可根据不同的运行工况特征，实时调节系统中非共沸混合工质的组分，大大提高了两个换热器侧的温度匹配效果等。

Description

一种组分动态可调的非共沸工质有机朗肯循环系统

技术领域

本发明属于动力工程技术领域，涉及一种组分动态可调的非共沸工质有机朗肯循环系统。

背景技术

世界范围内能源消耗的急剧增加使得对各种可再生能源和中低温余热的高效利用技术越来越受到各国政府和社会各界的关注。有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，ORC)是利用中低温热源的重要技术之一，可有效应用于地热能、生物质能、中低温太阳能集热、工业余热回收等领域。从技术创新的角度来看，由于ORC系统采用低沸点有机工质代替水/水蒸汽进行热力循环，不仅可以显著降低余热的最终排放温度，还可以在减轻环境热污染问题的同时，将回收来的余热资源转化为高品位的有用功，向外输出电能，从而大幅度减少工业企业向外部发电厂购电的需求。

非设计工况下的系统运行特性是当下针对ORC系统的研究热点。考虑到ORC系统的具体运行场景，冷热源的频繁波动会对系统的变工况运行特性造成很大的影响。冷凝器和蒸发器是ORC系统中工质与冷热源发生热量交换的主要场所，因此，要在变工况情况下实现系统的高效稳定运行，必须要对两个换热器内的传热过程进行更为精准的设计和优化。

由于在传热过程中往往伴随着冷热流体温度的变化，传统纯工质在蒸发与冷凝过程中的温度往往是恒定的，这就导致换热器内良好的温度匹配难以实现，这种由传热温差引起的不可逆损失会造成系统效率的明显下降。非共沸混合工质的温度滑移特性则很好地弥补了纯工质传热的这一缺陷。但是，当循环中高温热源与低温热源的工作温度相差较大时，仅采用单一组分的混合工质仍旧较难同时实现两个换热器侧的最佳温度匹配。为解决上述问题，本发明提供了一种组分动态可调的非共沸工质有机朗肯循环系统，以解决上述技术难题，对冷凝器与蒸发器侧混合工质的组分分别进行实时在线调节，从而实现在变工况条件下换热器内工质与冷热源温度的良好匹配，提高系统的运行效率和稳定性。

考虑到有机朗肯循环与制冷循环在结构形式和运行特性上有许多相似之处，制冷空调系统中的许多研究成果都值得借鉴参考。中国专利CN103528258A公开了一种利用混合工质变浓度来调节容量的吸收式热泵系统，该系统通过储能装置和溶液储罐，对太阳能和溶液潜能进行储存和释放，并采用变浓度溶液调节方法，使吸收式制冷系统实现全天候高效节能运行，提高了系统的COP值。中国专利CN104879952A提出了一种精馏塔型变浓度非共沸工质热泵系统及其运行方案，通过在系统中增设组分分离罐和系统储液回热罐来实现二级压缩和系统浓度调节等功能，提高了系统在低温工况下的制热量和COP，并有效控制了压缩机的排气温度。但上述两个专利所提出的系统中，高、低沸点工质需要分开储存，增加了系统的复杂性，且浓度调节的操作程序也相对繁琐。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种组分动态可调的非共沸工质有机朗肯循环系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种组分动态可调的非共沸工质有机朗肯循环系统，包括按工质流动方向循环依次连接的蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质储罐和工质泵，在蒸发器与膨胀机之间还并联接入一条带有主气液分离器的气液分离支路，所述主气液分离器的底部液体出口还通过管路接入膨胀机与冷凝器之间管路，从冷凝器出口后还另引一条组分分离支路，并接入工质储罐与工质泵之间，所述组分分离支路包括组分分离装置和过冷器，其中，组分分离装置的进料口与轻组分出口分别连接冷凝器出口与过冷器入口，重组分出口还接入冷凝器与工质储罐之间管路。

进一步的，沿工质流动方向，蒸发器与主气液分离器之间、蒸发器与膨胀机之间、主气液分离器与膨胀机之间、主气液分离器出口与冷凝器之间、冷凝器与工质储罐之间、冷凝器与组分分离装置之间、组分分离装置与工质储罐之间、组分分离装置与过冷器之间，以及工质储罐与工质泵之间均单独设有控制其通断的阀门。

进一步的，所述的组分分离装置包括从上到下设置并依次接通的副气液分离器、精馏柱和低压溶液储罐，其中，副气液分离器上还设有所述进料口和轻组分出口，低压溶液储罐的底部设置所述重组分出口。

更进一步的，在低压溶液储罐中还设有加热组件。

进一步的，所述的冷凝器出口还布置有气相色谱取样点。

进一步的，所述的工质储罐的出口处装有视液镜和过滤器。

工作时，基于工况的不同，通过选择性的接通或关闭某些部件之间的管路，即可变换为不同的回路，如蒸发器、主气液分离器、膨胀机、冷凝器、工质储罐和工质泵之间接通后可组成整个有机朗肯循环系统的基础回路，而蒸发器、膨胀机、冷凝器、组分分离装置、工质储罐/过冷器和工质泵之间接通，即可组成变蒸发器组分回路，同样的，蒸发器、主气液分离器、膨胀机、冷凝器、组分分离装置、工质储罐和工质泵之间接通，则组成变冷凝器组分回路。

本发明中，当热源温度和流量发生波动时，通过变蒸发器组分回路对蒸发器侧的非共沸工质组分进行在线调节，以获得蒸发器侧较好的温度匹配，提升其换热能力；当冷源温度和流量发生波动时，通过变冷凝器组分回路对冷凝器侧的非共沸工质组分进行在线调节，以获得冷凝器侧较好的温度匹配，提升其换热能力；当冷热源同时发生波动时，通过变冷凝器组分回路和变蒸发器组分回路，分别对冷凝器、蒸发器侧的非共沸工质组分进行在线调节，以分别获得较好的温度匹配，从而提升其换热能力。通过对冷凝器出口工质进行气液分离和精馏的方式，改变蒸发器侧非共沸工质低沸点和高沸点工质组分的比例；通过对蒸发器出口工质进行气液分离的方式，改变冷凝器侧非共沸工质低沸点和高沸点工质组分的比例。即，蒸发器侧非共沸工质组分的在线调节是通过对冷凝器出口的工质进行气液分离的方式来完成的。而冷凝器侧非共沸工质组分的在线调节是通过对蒸发器出口的工质进行气液分离和精馏的方式来完成的。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)可以实现有机朗肯循环系统非共沸工质组分的在线调节，大大提高了两个换热器侧的温度匹配。在蒸发器侧，当工质与热源温差变大时，减小高压组分的浓度，以获得更大的温度滑移；而当工质与热源温差变小时，增加高压组分的浓度，以获得较小的温度滑移。在冷凝器侧，当工质与冷源温差变大时，增加高压组分的浓度，以获得更大的温度滑移；而当工质与冷源温差变小时，减少高压组分的浓度，以获得较小的温度滑移。

(2)可以实现在不改变蒸发器侧非共沸工质组分的前提下，对冷凝器侧非共沸工质的组分进行调节；反之亦可。实现了两个换热器侧的非共沸工质组分的独立调节，增加了调节的灵活性，从而可以进一步提升系统的性能。

(3)对系统不可逆传热损失最大的蒸发器侧采用了气液分离+精馏的组分分离方法，大幅提高了组分分离的效率，且扩大了系统中非共沸工质组分的调节范围。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参照图1所示，一种组分动态可调的非共沸工质有机朗肯循环(ORC)系统，所述有机朗肯循环系统10包括由蒸发器11、主气液分离器12、膨胀机13、冷凝器14、工质储罐15、工质泵16和组分分离装置20所组成的闭环有机工质回路。

沿工质流动方向，蒸发器11与主气液分离器12之间设有阀门b 32、蒸发器11与膨胀机13之间设有阀门a 31、主气液分离器12与膨胀机13之间设有阀门c 33、主气液分离器12出口与冷凝器14之间设有阀门j 310、冷凝器14与工质储罐15之间设有阀门d 34和阀门e35、冷凝器14与组分分离装置20之间存在有阀门d 34和阀门f 36、组分分离装置20与工质储罐15之间设有阀门h 38、组分分离装置20与过冷器17之间存在阀门g 37，以及工质储罐15与工质泵16之间设有阀门i 39。

请再参见图1所示，组分分离装置20包括从上到下设置并依次接通的副气液分离器21、精馏柱22和低压溶液储罐23，其中，副气液分离器20上的进料口20a和出料口(即轻组分出口)20b分别连接阀门f 36和阀门g 37，低压溶液储罐23的底部设置所述重组分出口，在低压溶液储罐23中还设有加热组件，加热组件可以选用本领域常用的带有温控功能的加热设备，如电加热器45。

请再参见图1所示，冷凝器14出口，即在阀门d 34后面还布置有气相色谱取样点41。工质储罐15的出口处，即阀门i 39后面装有视液镜43和过滤器44，在工质储罐15上还装有液位计42。

工质以正常组分运行时，阀门a 31打开、阀门b 32、阀门c 33关闭。液态的非共沸工质从工质储罐15的储罐出口15b经泵入口16a进入工质泵16加压后，再从泵出口16b出来并进入蒸发器11，蒸发器侧的工质从蒸发器入口11a进入、蒸发器出口11b流出，热源由热源入口11c进入、热源出口11d流出，在此过程中工质充分吸收低品位热源的热量而汽化；高温高压的工质蒸汽随后经膨胀机入口13a进入膨胀机13进行膨胀，再向外输出机械功。膨胀后的工质从膨胀机出口13b出来并进入冷凝器14进行冷凝，工质由冷凝器入口14a进入、冷凝器出口14b流出，冷源由冷源入口14c进入、冷源出口14d流出；冷凝后的工质从储罐入口15a进入工质储罐15，完成一个循环。冷凝器出口14b后布置气相色谱取样点41，用于非共沸工质的循环组分监测，作为变工况情况下实时调节运行组分的重要依据。冷凝器出口处的阀门d 34用于取样管段的检修和清洗，运行检测时呈常开状态。需检测正常组分回路时，打开阀门e 35，关闭阀门f 36；需检测变组分回路时，打开阀门f 36，关闭阀门e 35。

当仅需要增加蒸发器侧的低沸点工质组分时，通过打开阀门a 31、关闭阀门b32和阀门c 33，将主气液分离器12从正常组分回路中隔断。蒸发器出口11b流出的非共沸工质由膨胀机入口13a进入膨胀机做功后，进入冷凝器14冷凝放热。随后打开阀门f 36、阀门g 37，关闭阀门e 35、阀门h 38和阀门i 39，将组分分离装置20接入循环中。组分分离装置20中的温度由电加热器45来控制，而压力控制则通过调节阀门f 36和g 37的开度来实现。冷凝器出口14b流出的非共沸工质由进料口20a首先进入组分分离装置20的气液分离部分(即副气液分离器21)。非共沸工质气液两相经分离后，富含低沸点工质组分的气相工质通过组分分离装置20的出料口20b进入过冷器17，过冷器中工质由过冷器入口17a进入、过冷器出口17b流出，冷源由冷液入口17c进入、冷液出口17d流出。过冷后的液体通过工质泵16加压，继续进入循环；同时被分离出来的液相工质则向下流动进入精馏柱22，与来自低压溶液储罐23的工质蒸汽进行传质，将液相工质中的低沸点工质组分进一步分离出来，与气相工质一同重新进入循环，使得进入蒸发器11的低沸点工质组分升高。另一侧，被组分分离装置20分离出来的富含高沸点工质组分的液相工质则继续向下流动，被储存在低压溶液储罐23中。

当仅需要增加蒸发器侧的高沸点工质组分时，打开阀门f 36、阀门h 38和阀门i39，关闭阀门g 37，使工质储罐15底部的高沸点组分工质液体经过储罐出口15b进入到系统中，实现蒸发器侧的高沸点工质组分的增加。

当仅需要增加冷器侧的低沸点工质组分时，通过打开阀门b 32和阀门c 33、关闭阀门a 31和阀门h 38，将主气液分离器12接入回路中。蒸发器侧流出的工质首先经分离器入口12a进入主气液分离器12，工质的气液两相经分离后，富含低沸点工质组分的气相工质从分离器出口12b进入膨胀机13做功后，进入冷凝器放热，实现冷凝器侧低沸点工质组分的增加。

当仅需要增加冷凝器侧的高沸点工质组分时，打开阀门b 32、阀门c 33和阀门j310，关闭阀门a 31，使主气液分离器12中富含高沸点工质组分的液态工质与膨胀机13出口工质混合，继而进入冷凝器14放热，实现冷凝器侧高沸点工质组分的增加。

当蒸发器和冷凝器内同时需要增加低沸点的工质组分时，打开阀门b 32、阀门c33、阀门f 36、阀门g 37，关闭阀门a 31、阀门e 35、阀门h 38、阀门i 39和阀门j 310；当蒸发器和冷凝器内同时需要增加高沸点的工质组分时，打开阀门b 32、阀门c 33、阀门h 38、阀门i 39和阀门j 310，关闭阀门a 31、阀门e 35、阀门f 36和阀门g 37；当蒸发器侧需要增加低沸点组分而冷凝器内需要增加高沸点的工质组分时，打开阀门f 36和阀门g 37，关闭阀门c 33、阀门e 35、阀门h 38和阀门i 39；当蒸发器侧需要增加高沸点组分而冷凝器内需要增加低沸点的工质组分时，打开阀门b 32、阀门c 33、阀门h 38和阀门i 39，关闭阀门a31、阀门f 36、阀门g 37和阀门j 310。其余重复前述步骤即可，不再赘述。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种组分动态可调的非共沸工质有机朗肯循环系统，其特征在于，包括按工质流动方向循环依次连接的蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质储罐和工质泵，在蒸发器与膨胀机之间还并联接入一条带有主气液分离器的气液分离支路，所述主气液分离器的底部液体出口还通过管路接入膨胀机与冷凝器之间管路，从冷凝器出口后还另引一条组分分离支路，并接入工质储罐与工质泵之间，所述组分分离支路包括组分分离装置和过冷器，其中，组分分离装置的进料口与轻组分出口分别连接冷凝器出口与过冷器入口，重组分出口还接入冷凝器与工质储罐之间管路。

2.根据权利要求1所述的一种组分动态可调的非共沸工质有机朗肯循环系统，其特征在于，沿工质流动方向，蒸发器与主气液分离器之间、蒸发器与膨胀机之间、主气液分离器与膨胀机之间、主气液分离器出口与冷凝器之间、冷凝器与工质储罐之间、冷凝器与组分分离装置之间、组分分离装置与工质储罐之间、组分分离装置与过冷器之间，以及工质储罐与工质泵之间均单独设有控制其通断的阀门。

3.根据权利要求1所述的一种组分动态可调的非共沸工质有机朗肯循环系统，其特征在于，所述的组分分离装置包括从上到下设置并依次接通的副气液分离器、精馏柱和低压溶液储罐，其中，副气液分离器上还设有所述进料口和轻组分出口，低压溶液储罐的底部设置所述重组分出口。

4.根据权利要求3所述的一种组分动态可调的非共沸工质有机朗肯循环系统，其特征在于，在低压溶液储罐中还设有加热组件。

5.根据权利要求1所述的一种组分动态可调的非共沸工质有机朗肯循环系统，其特征在于，所述的冷凝器出口还布置有气相色谱取样点。

6.根据权利要求1所述的一种组分动态可调的非共沸工质有机朗肯循环系统，其特征在于，所述的工质储罐的出口处装有视液镜和过滤器。