CN109630224B - 一种带喷射器的有机闪蒸余热回收发电循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带喷射器的有机闪蒸余热回收发电循环系统。本发明包括沿发电工质循环方向依次连接的工质泵、蒸发器、第一喷射器、第一闪蒸罐、膨胀机、第二喷射器以及冷凝器；喷射器包括外管，外管一端安装有与外管同轴且在外管内的拉伐尔喷嘴，拉伐尔喷嘴进口端构成喷射器的主入口，外管侧面开设有喷射器的次入口，外管另一端构成喷射器的出口，次入口位于拉伐尔喷嘴出口端上游；蒸发器出口连接第一喷射器的主入口，第一喷射器的次入口连接第二闪蒸罐气相出口，第二闪蒸罐液相出口连接第二喷射器的主入口，膨胀机出口连接第二喷射器的次入口，第一闪蒸罐液相出口通过第一节流阀连接第二闪蒸罐进口。该系统具有更低的

损以及更高的发电效率。

Description

一种带喷射器的有机闪蒸余热回收发电循环系统

技术领域

本发明属于余热回收发电技术领域，具体是涉及一种带喷射器的有机闪蒸余热回收发电循环系统。

背景技术

利用膨胀机搭建的有机闪蒸余热回收发电系统是一种有效的余热回收再利用方式。该系统可以用多种热源工质作为动力源，适用于过热蒸汽、饱和蒸汽、汽液两相混合物，也适用于烟气、含污热水、热液体等；且该系统结构简单紧凑，可以实现节能环保的作用效果；且有机闪蒸循环发电系统相较传统的有机朗肯循环发电系统具有较小的换热夹点温差，具有更高的换热效率。

有机闪蒸余热回收发电系统能够很好的回收余热平衡电网负荷并在用电高峰期供应更多电量以满足用电高峰期使用要求，且余热回收发电系统也可以为解决风能、太阳能等可再生能源发电系统存在的不可预测性和难以控制特性等问题提供可靠的解决方案。但是目前有机闪蒸余热回收发电系统中高压气体经节流器减压的过程存在不可逆性且能耗巨大，降低了余热回收发电系统的发电效率。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种带喷射器的有机闪蒸余热回收发电循环系统，该系统使得发电效率显著提高。

为了实现本发明的目的，本发明采用了以下技术方案：

一种带喷射器的有机闪蒸余热回收发电循环系统，包括沿发电工质循环方向依次连接的工质泵、蒸发器、第一喷射器、第一闪蒸罐、膨胀机、第二喷射器以及冷凝器；

所述喷射器包括外管，所述外管一端安装有与外管同轴且在外管内的拉伐尔喷嘴，所述拉伐尔喷嘴进口端构成喷射器的主入口，所述外管侧面开设有喷射器的次入口，所述外管另一端构成喷射器的出口，所述次入口位于所述拉伐尔喷嘴出口端上游；

所述蒸发器出口连接所述第一喷射器的主入口，所述第一喷射器的次入口连接第二闪蒸罐气相出口，所述第二闪蒸罐液相出口连接所述第二喷射器的主入口，所述膨胀机出口连接所述第二喷射器的次入口，所述第一闪蒸罐液相出口通过第一节流阀连接第二闪蒸罐进口。

进一步的技术方案：所述外管沿发电工质流动方向分为3个管段且分别为接收管、混合管以及管径逐渐增大的扩压管，所述拉伐尔喷嘴位于接收管内，所述次入口开设在所述接收管侧面。

进一步的技术方案：所述接收管分为等径管段以及管径逐渐减小的收口管段，所述等径管段与收口管段的连接处与所述拉伐尔喷嘴的出口端平齐。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明在余热回收发电过程中：蒸发器后的工质从第一喷射器的主入口流入，第二闪蒸罐中较低压力的气态工质由第一喷射器的主入口进入的工质卷吸压缩混合后进入第一闪蒸罐，工质在第一闪蒸罐中闪发成气态进入膨胀机膨胀做功发电。同时，第一闪蒸罐中的饱和液态工质流经第一节流阀进入第二闪蒸罐中，如此便可以提高第一闪蒸罐中的工质质量流量，进而提高进入膨胀机的工质质量流量，在膨胀机膨胀比一定的情况下，系统便可以得到更多的发电量。第二闪蒸罐中的饱和液态工质从第二喷射器的主入口流入，卷吸压缩膨胀机后工质，可有效降低膨胀机后压力，提高膨胀机工作膨胀比，从而进一步提高系统发电量。从第二喷射器流出的工质进入冷凝器被冷凝后流入工质泵提压，提压后的工质流入蒸发器被再次加热，实现发电系统的下一个循环。

(2)本发明所述喷射器包括处于喷射器主入口中心处的拉伐尔喷嘴以及外管，其中外管包括接收管、混合管以及扩压管。喷射器将两种不同压力的流体进行混合，进而达到一种中间压力流体，可以提高压力却不直接消耗机械能。本发明中，高压流体Pp由主入口进入拉伐尔喷嘴进行膨胀，压力下降，速度增加，在喷嘴出口处流体的速度大于喷嘴的临界截面上流体具体的临界速度。工质流体以高速度进入接收管，同时把低压流体Ps从次入口吸入到接收管中，并在混合管内进行两股流体的混合，当混合流体达到足够均匀的速度场时，流入扩压管进行增压减速，最终混合流体以一定的中间压力Pb流出喷射器。整个喷射器无动力部件，与各设备连接简单，运行安全可靠，并且随着工作流体的压力升高，喷射器的经济性更加明显。

(3)本发明所述接收管的收口管段利于增加所述低压流体Ps的流速，使其快速与从拉伐尔喷嘴进入的高压流体Pp进行混合，从而实现混合流体在混合管达到足够均匀的速度场。

附图说明

图1为传统有机闪蒸余热回收发电系统结构示意图。

图2为传统有机闪蒸余热回收发电系统的T-s图。

图3为本发明有机闪蒸余热回收发电系统结构示意图。

图4为本发明有机闪蒸余热回收发电系统的T-s图。

图5为喷射器结构示意图。

图6为基本OFC系统(OFC)和带喷射器的OFC系统(DEDF-OFC)主要部件的

损分析条形图。

附图中标记的含义如下：

Pump-工质泵；HRU-蒸发器；Ejector1-第一喷射器；FE1-第一闪蒸罐；TB-膨胀机；Ejector2-第二喷射器；CON-冷凝器；TV1-第一节流阀；TV2-第二节流阀；Mixer-混合器；G-发电机；A-外管；A1-接收管；A11-等径管段；A12-收口管段；A2-混合管；A3-扩压管；B-拉伐尔喷嘴；C-主入口；D-次入口。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明技术方案做出更为具体的说明：

如图3、5所示：本发明包括沿发电工质循环方向依次连接的工质泵Pump、蒸发器HRU、第一喷射器Ejector1、第一闪蒸罐FE1、膨胀机TB、第二喷射器Ejector2以及冷凝器CON；

所述喷射器包括外管A，所述外管A一端安装有与外管A同轴且在外管A内的拉伐尔喷嘴B，所述拉伐尔喷嘴B进口端构成喷射器的主入口C，所述外管A侧面开设有喷射器的次入口D，所述外管A另一端构成喷射器的出口，所述次入口D位于所述拉伐尔喷嘴B出口端上游；

所述蒸发器HRU出口连接所述第一喷射器Ejector1的主入口C，所述第一喷射器Ejector1的次入口D连接第二闪蒸罐FE2气相出口，所述第二闪蒸罐FE2液相出口连接所述第二喷射器Ejector2的主入口C，所述膨胀机TB出口连接所述第二喷射器Ejector2的次入口D，所述第一闪蒸罐FE1液相出口通过节流阀TV1连接第二闪蒸罐FE2进口。

所述外管A沿发电工质流动方向分为3个管段且分别为接收管A1、混合管A2以及管径逐渐增大的扩压管A3，所述拉伐尔喷嘴B位于接收管A1内，所述次入口D开设在所述接收管A1侧面。所述接收管A1与拉伐尔喷嘴B共同构成喷射器吸入段。

所述接收管A1分为等径管段A11以及管径逐渐减小的收口管段A12，所述等径管段A11与收口管段A12的连接处与所述拉伐尔喷嘴B的出口端平齐。

以下通过实施例来说明本发明有机闪蒸余热回收发电系统的优点：

如图1所示，为传统有机闪蒸余热回收发电系统结构示意图，传统有机闪蒸余热回收发电系统简称“基本OFC系统”，该系统在工作时，流经蒸发器HRU的工质被待回收的余热加热后流经第一节流阀TV1，随后进入第一闪蒸罐FE1闪发成高温高压的气态工质，气态工质随后进入膨胀机TB做功发电，第一闪蒸罐FE1中的液态工质流经第二节流阀TV2被降压至与膨胀机TB出口工质压力相当，两路工质在混合器Mixer中共混后流入冷凝器CON降温液化，后流入工质泵Pump提压后送入蒸发器HRU加热。自此，完成整个有机闪蒸余热回收发电循环。

图1中序号1-9分别代表工质各不同工作状态点，具体含义分别为：1-工质泵Pump出口状态/蒸发器HRU进口状态；2-蒸发器HRU出口/第一节流阀TV1进口状态；3-第一节流阀TV1出口状态/第一闪蒸罐FE1进口状态；4-第一闪蒸罐FE1出口状态/膨胀机TB进口状态；5-膨胀机TB出口状态/混合器Mixer进口状态；6-第一闪蒸罐FE1出口状态/第二节流阀TV2进口状态；7-第二节流阀TV2出口状态/混合器Mixer进口状态；8-混合器Mixer出口状态/冷凝器CON进口状态；9-冷凝器CON出口状态/工质泵Pump入口状态。

如图2所示：为传统有机闪蒸余热回收发电系统的T-s图，其中T表示温度，s表示熵，图中给出了系统工质流经各设备的流程图，是后续热力分析的计算依据。图2中9-1表示工质泵提压过程；1-2表示等压换热过程；2-3表示喷嘴等焓节流过程；3-6表示第一闪蒸罐等温液化过程；3-4表示第一闪蒸罐等温闪蒸过程；4-5表示膨胀机膨胀过程；5-8、7-8表示混合器中气液混合过程；8-9表示冷凝器CON换热过程。

如图3所示本发明有机闪蒸余热回收发电系统结构示意图，本发明有机闪蒸余热回收发电系统简称“带喷射器的OFC系统”，该系统在工作时，蒸发器HRU后的工质从第一喷射器Ejector1的主入口a流入，第二闪蒸罐FE2中较低压力的气态工质由第一喷射器Ejector1的主入口a进入的工质卷吸压缩混合后进入第一闪蒸罐FE1，工质在第一闪蒸罐FE1中闪发成气态进入膨胀机TB膨胀做功发电。同时，第一闪蒸罐FE1中的饱和液态工质流经第一节流阀TV1进入第二闪蒸罐FE2中，如此便可以提高第一闪蒸罐FE1中的工质质量流量，进而提高进入膨胀机TB的工质质量流量，在膨胀机TB膨胀比一定的情况下，系统便可以得到更多的发电量。第二闪蒸罐FE2中的饱和液态工质从第二喷射器Ejector2的主入口流入，卷吸压缩膨胀机TB后工质，可有效降低膨胀机TB后压力，提高膨胀机TB工作膨胀比，从而进一步提高系统发电量。从第二喷射器Ejector2流出的工质进入冷凝器CON被冷凝后流入工质泵Pump提压，提压后的工质流入蒸发器HRU被再次加热，实现发电系统的下一个循环。

图3中序号1-11分别代表工质各不同工作状态点，具体含义分别为：1-工质泵Pump出口状态/蒸发器HRU进口状态；2-蒸发器HRU出口状态/第一喷射器Ejector1主入口状态；3-第一喷射器Ejector1出口状态/第一闪蒸罐FE1进口状态；4-第一闪蒸罐FE1出口状态/膨胀机TB进口状态；5-膨胀机TB出口状态/第一喷射器Ejector1次入口状态；6-第一闪蒸罐FE1出口状态/第一节流阀TV1进口状态；7-第一节流阀TV1出口状态/第二闪蒸罐FE2入口状态；8-第二闪蒸罐FE2出口状态/第一喷射器Ejector1次入口状态；9-第二闪蒸罐FE2出口状态/第二喷射器Ejector2主入口状态；10-第二喷射器Ejector2出口状态/冷凝器CON入口状态；11-冷凝器CON出口状态/工质泵Pump入口状态。

如图4所示：为本发明有机闪蒸余热回收发电系统的T-s图，其中T表示温度，s表示熵，图中给出了系统工质流经各设备的流程图，也是后续热力分析的计算依据。图4中给出了系统工质流经各设备的流程图，其中11-1表示工质泵提压过程；1-2表示等压换热过程；2-3、8-3表示第一喷射器喷射过程(2n代表第一喷射器中喷嘴位置处；2m代表第一喷射器中混合管位置)；3-6表示第一闪蒸罐等温液化过程；6-7表示等焓节流过程；7-9表示第二闪蒸罐等温液化过程；7-8表示第二闪蒸罐等温闪蒸过程；3-4表示第一闪蒸罐等温闪蒸过程；4-5表示膨胀机膨胀过程；5-10、9-10第二喷射器喷射过程(9n代表第二喷射器中喷嘴位置处；9m代表第二喷射器中混合管位置)；10-11表示等温等压换热过程。

下面进行系统热力循环计算，为分析整个热力循环过程，做如下假设：

(1)系统在任一状态点均达到稳态；

(2)忽略系统中热量和压力损失；

(3)节流过程为等焓过程；

(4)忽略换热器与环境之间的换热；

(5)压缩机电机和膨胀机的电气效率均为1。

异戊烷因其环保、高热力学性能而被推荐为本发明系统工作的工质。选择66号导热油作为废热的传热流体。异戊烷的热力学性质由美国国家标准与技术研究院(NIST)开发的REFPROP9.1制冷剂物性查询软件计算得到。基本OFC系统和新型带喷射器的OFC系统模拟的所有基本参数和设定参数如表1所示。

表1OFC系统参数

在基本OFC系统中：

已知：T₉＝313.15K；T_HTFin＝453.15K；T₀＝303.15K；热油的比容、质量流量；工质泵、膨胀机、喷嘴等设备的等熵效率；蒸发器、冷凝器中的压降、夹点温差等参数。T₉为9状态点的温度；T_HTFin为蒸发器HRU中热流体进口温度；T₀为环境温度。

从9状态点作为计算起始点，在蒸发器HRU中利用Matlab编程调用Refprop软件中工质物性参数，采用迭代计算方法可以得到1状态点、2状态点的状态参数；根据基本OFC系统T-s图(图2)中示意的各热力过程，同样利用Matlab编程调用Refprop软件中工质物性参数得到3-8状态点的状态参数，其中包括工质质量流量、各点温度、压力、焓、熵、

值；之后计算工质泵、膨胀机、蒸发器、冷凝器等设备的做功及热量值；最后再计算工质泵、膨胀机、蒸发器、冷凝器中的

损及效率。自此，完成基本OFC系统的能量分析和系统评价部分参数计算。

本发明带喷射器的OFC系统中：

已知：T₁₁＝313.15K；T_HTFin＝453.15K；T₀＝303.15K；热油的比容、质量流量；工质泵、膨胀机、喷嘴、喷射器等设备的等熵效率；蒸发器、冷凝器中的压降、夹点温差等参数。T₁₁为11状态点的温度；T_HTFin为蒸发器HRU中热流体进口温度；T₀为环境温度。

从11状态点作为计算起始点，在蒸发器HRU中利用Matlab编程调用Refprop软件中工质物性参数，采用迭代计算方法可以得到1状态点、2状态点的状态参数；根据带喷射器的OFC系统T-s图(图4)中示意的各热力过程，同样利用Matlab编程调用Refprop软件中工质物性参数得到3-11状态点的状态参数，其中包括工质质量流量、各点温度、压力、焓、熵、

值；之后计算工质泵、膨胀机、蒸发器、冷凝器、喷射器等设备的做功及热量值；最后计算工质泵、膨胀机、蒸发器、冷凝器、喷射器中的

损及效率。自此，完成本发明带喷射器的OFC系统的能量分析和系统评价部分参数计算。

基本OFC系统和带喷射器的OFC系统的计算结果对比如表3所示。可以看出，本发明带喷射器的OFC系统的效率比基本OFC系统的发电效率更高。

表2异戊烷在OFC系统中优化后的系统关键状态点参数

表2中,T₂：为状态点2的温度；T₃：状态点3的温度；P₃：状态点3的压力；

状态点3的质量流量；

状态点4的质量流量；P₅：状态点5的压力；P_FE2：第二闪蒸罐中的压力；

表3OFC系统计算结果对比表.

表3中，η_I,G：根据热力学第一定律计算得到的系统效率；η_II,G：根据热力学第二定律计算的系统效率。

表3显示，本发明带喷射器的OFC系统(DEDF-OFC)的η_I,G为8.45％，η_II,G为45.06％，相比基本OFC系统(OFC)的η_I,G增大了23.18％，η_II,G增大了23.28％。结果表明，用喷射器代替节流阀是提高OFC系统性能的有效方法。本发明带喷射器的DEDF-OFC系统较基本OFC系统具有更高的发电效率。

图6为基本OFC系统(OFC)和带喷射器的OFC系统(DEDF-OFC)主要部件的

损情况，可以看出蒸发器HRU和冷凝器CON是造成

损的两个主要因素。结果表明，这些OFC系统的

损还表现在节流阀、喷射器和膨胀机组件上。在基本OFC系统中各主要部件的

损之和为37.49kJ/s，带喷射器的DEDF-OFC系统的各主要部件

损之和为32.45kJ/s，即本发明较基本OFC系统

损减小13.4％。

Claims (3)

1.一种带喷射器的有机闪蒸余热回收发电循环系统，其特征在于：包括沿发电工质循环方向依次连接的工质泵(Pump)、蒸发器(HRU)、第一喷射器(Ejector1)、第一闪蒸罐(FE1)、膨胀机(TB)、第二喷射器(Ejector2)以及冷凝器(CON)；

所述喷射器包括外管(A)，所述外管(A)一端安装有与外管(A)同轴且在外管(A)内的拉伐尔喷嘴(B)，所述拉伐尔喷嘴(B)进口端构成喷射器的主入口(C)，所述外管(A)侧面开设有喷射器的次入口(D)，所述外管(A)另一端构成喷射器的出口，所述次入口(D)位于所述拉伐尔喷嘴(B)出口端上游；

所述蒸发器(HRU)出口连接所述第一喷射器(Ejector1)的主入口(C)，所述第一喷射器(Ejector1)的次入口(D)连接第二闪蒸罐(FE2)气相出口，所述第二闪蒸罐(FE2)液相出口连接所述第二喷射器(Ejector2)的主入口(C)，所述膨胀机(TB)出口连接所述第二喷射器(Ejector2)的次入口(D)，所述第一闪蒸罐(FE1)液相出口通过第一节流阀(TV1)连接第二闪蒸罐(FE2)进口。

2.如权利要求1所述的带喷射器的有机闪蒸余热回收发电循环系统，其特征在于：所述外管(A)沿发电工质流动方向分为3个管段且分别为接收管(A1)、混合管(A2)以及管径逐渐增大的扩压管(A3)，所述拉伐尔喷嘴(B)位于接收管(A1)内，所述次入口(D)开设在所述接收管(A1)侧面。

3.如权利要求2所述的带喷射器的有机闪蒸余热回收发电循环系统，其特征在于：所述接收管(A1)分为等径管段(A11)以及管径逐渐减小的收口管段(A12)，所述等径管段(A11)与收口管段(A12)的连接处与所述拉伐尔喷嘴(B)的出口端平齐。

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