CN110578566A - 结合闪蒸和喷射泵的有机朗肯循环发电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合闪蒸和喷射泵的有机朗肯循环发电系统。系统具体连接与工作流程为：预热器、蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵串接构成有机朗肯循环回路一。预热器、闪蒸罐、膨胀机、喷射泵、冷凝器、工质泵构成闪蒸循环回路二。闪蒸循环回路中的闪蒸罐的液体部分作为喷射泵的工作流体，闪蒸罐的气体部分流经膨胀机做功后的排气作为喷射泵的被引射流体，经喷射泵混合扩压后流入冷凝器。预热器出口工质分为两个回路：常规有机朗肯循环和带喷射泵的闪蒸循环回路；并且通过调节一、二回路的质量流量比例，来调节工质吸热部分的传热窄点位置，使传热窄点下移，降低热源的出口温度，增大热源的放热量，以提高循环的做功能力。

Description

结合闪蒸和喷射泵的有机朗肯循环发电系统及其控制方法

技术领域

本发明属于中低温热源发电技术领域，具体涉及一种在常规有机朗肯循环系统的基础上增设带喷射泵的闪蒸循环，并能调节传热窄点以提高有机朗肯循环发电能力的系统及其控制方法。

背景技术

在中低温能源的利用中，有机朗肯循环是技术上最可行的方法之一。中低温能源都是有限热源，随着能量的传递热源温度会逐步降低，这样就限制了循环工质的蒸发温度。同时由于单相热源的线性变化与循环工质吸热过程的非线性变化引起了很大的温度不匹配，造成低热效率和较高有效能的损失。因此，改善循环外换热过程的传热匹配性，以及降低热源的出口温度，即提高热源的供热量，可以提高有机朗肯循环的做功能力。另外，喷射泵的应用，可以降低膨胀机的背压以提高循环的做功能力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结合闪蒸和喷射泵的有机朗肯循环发电系统及其控制方法。在常规有机朗肯循环基础上，增设一带喷射泵的闪蒸循环回路。在预热器出口工质分为两回路：一路为常规有机朗肯循环，另一路为带喷射泵的闪蒸循环回路；并且通过改变两回路的质量流量比例以调节工质吸热过程的传热窄点：

通过改变两回路的质量流量比例调节吸热过程的传热窄点。

为实现上述目的，本发明提出的技术方案是一种结合闪蒸和喷射泵以提高有机朗肯循环发电能力的系统，在预热器出口分为两个回路，系统具体连接方法为：

预热器、蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵串接构成有机朗肯循环回路一；

预热器、闪蒸罐、膨胀机、喷射泵、冷凝器、工质泵构成闪蒸循环回路二；

本发明的第二个技术方案是一种结合闪蒸和喷射泵的有机朗肯循环发电系统的控制方法，步骤如下：

1)冷凝器出口的饱和液态工质经由工质泵加压到蒸发压力、进入预热器后将工质加热到饱和液体状态；

2)该状态下工质分流成两部分质量流量不同的工质流：

一部分流经回路一通过蒸发器加热蒸发；

另一部分流经回路二，作为闪蒸循环的流体；

3)进入蒸发器的流体被加热到饱和气体(或过热气)，然后进入膨胀机A做功带动发电机发电；膨胀后的工质进入冷凝器冷却。

上述工作流程2)中闪蒸循环流体进入闪蒸罐中闪蒸，闪蒸后气体进入膨胀机B膨胀做功发电，膨胀机A、膨胀机B发电机同轴连接。膨胀机的排气作为喷射泵的引射流体，闪蒸罐的液体作为喷射泵的工作流体，经喷射泵混合扩压后进入冷凝器。

4)各路工质进入冷凝器进行冷却，再经工质泵加压进入预热器形成一个循环过程。

本发明的有益效果是：预热器出口工质分为一、二两个回路：常规有机朗肯循环和带喷射泵的闪蒸循环回路；并且通过调节一、二回路工质流量的比例，调节吸热部分工质的传热窄点位置，使传热窄点下移，降低热源的出口温度，增大热源的放热量和工质与热源的传热匹配性，以提高循环的做功能力。与此同时通过在膨胀机B后串接喷射泵，降低排气压力，增大了膨胀机B的前后压力差，增大了膨胀机B的做功能力。

附图说明

图1为本发明系统示意图；

图2为本发明系统的工质温熵图。

附图1标记：1-蒸发器，2-膨胀机A，3-闪蒸罐，4-膨胀机B，5-喷射泵，6-冷凝器，7-工质泵，8-预热器，9-发电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

常规有机朗肯循环中，工质与外界热源的传热过程存在传热窄点，该传热窄点一般处于工质的泡点，使得工质从热源的吸热量受到了限制，从而限制了循环的输出功。针对此问题，本发明公开了一种在常规有机朗肯循环基础上，增设一带喷射泵的闪蒸循环回路。其特征在于在预热器出口工质分为两回路：常规有机朗肯循环和带喷射泵的闪蒸循环回路；并且通过改变两回路的质量流量比例来调节吸热过程的传热窄点，增大循环做功能力。

为实现上述目的，调节传热窄点以提高有机朗肯循环发电能力的系统，如图1所示具有1-蒸发器，2-膨胀机A，3-闪蒸罐，4-膨胀机B，5-喷射泵，6-冷凝器，7-工质泵，8-预热器，9-发电机。系统具体连接与工作流程为：预热器、蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵串接构成有机朗肯循环回路一；预热器、闪蒸罐、膨胀机、喷射泵、冷凝器、工质泵构成闪蒸循环回路二；闪蒸循环回路的闪蒸罐中的液体部分作为喷射泵的工作流体，闪蒸罐的气体部分流经膨胀机做功后的排气作为喷射泵的引射流体。

该发明系统的工作过程如附图2所示为：冷凝器出口的饱和液态工质经由工质泵加压到蒸发压力，然后进入预热器将工质加热到饱和液体状态；预热器出口的饱和液工质分流成两部分质量流量不同的工质流：一部分流经回路一进入蒸发器加热，另一部分流经回路二，作为闪蒸循环的流体。进入蒸发器的流体被加热到饱和气(或过热气)，然后进入膨胀机A做功带动发电机发电；膨胀后的工质进入冷凝器冷却。回路二的闪蒸循环工质进入闪蒸罐中闪蒸，闪蒸后的气体进入膨胀机B膨胀做功发电，膨胀机A、膨胀机B与发电机同轴连接。膨胀机B的排气作为喷射泵的引射流体，闪蒸后闪蒸罐中的液体作为喷射泵的工作流体，两部分流体在喷射泵中混合扩压后进入冷凝器冷却。各路工质进入冷凝器进行冷却，再经工质泵加压流经预热器形成一个循环过程。

以下是三种发电系统的对比。

方案一：本发明系统，选取纯工质R245fa(1,1,1,3,3-五氟丙烷)；

方案二：常规闪蒸循环，选取纯工质R245fa(1,1,1,3,3-五氟丙烷)。

方案三：常规有机朗肯循环，选取纯工质R245fa(1,1,1,3,3-五氟丙烷)；

计算条件：热源以热水120℃为代表，质量流量为1kg/s；冷却水进口温度25℃，出口温度30℃。三种方案采用循环工质、热源/冷源条件相同。

表1

方案一：

1.冷凝器出口的工质为34.66℃的饱和液，由工质泵加压到蒸发压力1.228MP，再进入预热器加热，工质被加热到98.68℃，为在蒸发压力下饱和液体状态。

2.预热器出口的饱和液工质被分流成两部分，一部分通过有机朗肯循环回路一，该部分质量流量为m_v＝0.48kg/s；另一部分通过闪蒸循环回路二，质量流量为m_l＝2.4kg/s，二者的质量比为m_l/m_v＝5。

3.有机朗肯循环回路一中饱和液工质经蒸发器加热至饱和气态，温度为98.68℃，压力1.228MP。然后进入膨胀机做功。等熵膨胀后排气温度为45.89℃，压力为0.209MP。

4.闪蒸循环回路二中饱和液体工质，流经闪蒸罐，闪蒸压力为0.482MP，温度79.73℃，其中闪蒸罐中饱和液体作为喷射泵的工作流体。饱和气体流经膨胀机B做功，排气温度为20.90℃，膨胀机B的排气作为喷射泵的引射流体，两流体在喷射泵中混合加压后流入冷凝器。各路工质在冷凝器中冷凝，冷凝器出口的饱和液由工质泵加压送入预热器。如此完成一个循环。图2为本发明系统的工质温熵图。

如表1数据比较，在设定热源和冷源条件下，得到：基于常规有机朗肯循环(方案三)，方案一与方案二的净输出功增加率分别为37.9％和-11.6％。

Claims (2)

1.结合闪蒸和喷射泵的有机朗肯循环发电系统，其特征在于，在常规有机朗肯循环基础上，

增设一带喷射器的闪蒸循环回路，在预热器出口工质分为两回路：一路为常规有机朗肯循环，

另一路为带喷射泵的闪蒸循环回路；并且通过改变两回路的质量流量比例以调节工质吸热过程的传热窄点：

预热器、蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵串接构成有机朗肯循环回路一；

预热器、闪蒸罐、膨胀机、喷射泵、冷凝器、工质泵构成闪蒸循环回路二。

2.根据权利要求1所述的结合闪蒸和喷射泵的有机朗肯循环发电系统的控制方法，其特征在于，具体流程步骤:

1)冷凝器出口的饱和液态工质经由工质泵加压到蒸发压力、进入预热器后将工质加热到饱和液体状态；

2)预热器出口的饱和液体工质分流成两个质量流量不同的工质流：

一部分流经回路一进入蒸发器加热蒸发；

另一部分流经回路二，作为闪蒸循环的流体；

3)进入蒸发器的工质被加热到饱和气(或过热气)，然后进入膨胀机A做功带动发电机发电；

膨胀后的工质进入冷凝器冷却。

上述步骤2)中闪蒸循环流体进入闪蒸罐中闪蒸，闪蒸后气体进入膨胀机B膨胀做功，膨胀机的排气作为喷射泵的被引射流体，闪蒸罐的液体作为喷射泵的工作流体，两流体经喷射泵混合扩压后进入冷凝器；

4)各路工质进入冷凝器进行冷却，再经工质泵加压进入预热器形成一个循环过程。