CN111022137A - 基于有机朗肯循环和有机闪蒸循环的余热回收系统及方法 - Google Patents

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Abstract

基于有机朗肯循环和有机闪蒸循环的余热回收系统及方法，冷凝器输出的液态有机工质通过低压泵加压后通入加热器，在加热器中恒压加热后成为饱和液态工质并送入闪蒸罐，饱和液态工质在闪蒸罐中受节流作用闪发为气液两相混合物，液体工质经高压泵加压后送入蒸发器与余热进行热交换，饱和蒸汽被送入混合器；蒸发器出口的过热蒸汽或饱和蒸汽进入高压膨胀机进行做功，高压膨胀机的排汽被送入混合器与来自闪蒸罐的饱和蒸汽混合，混合后的蒸汽被送入低压膨胀机进行做功，低压膨胀机的排汽被送入冷凝器，并在冷凝器中被冷却介质冷凝成液态工质。本发明减少了有机闪蒸循环和有机朗肯循环中的有效能损失，提高了系统的净电功率输出和余热能回收利用能力。

Description

基于有机朗肯循环和有机闪蒸循环的余热回收系统及方法
技术领域
本发明属于余热回收领域，为基于有机朗肯循环和有机闪蒸循环的余热回收系统及方法。
背景技术
余热能和可再生能源的有效利用对于减少化石燃料的使用和缓解全球环境问题具有十分重要的意义。使用低沸点有机物作为循环工质的有机朗肯循环(Organic RankineCycle，ORC)是一种将中低级热能转化为机械能或电能进而输出的能量回收技术。目前，基于有机朗肯循环的余热回收系统凭借其较高的系统效率、紧凑的系统配置、较低的投资成本和良好的运行稳定性等特性得到了国内外学者的关注和广泛的应用。特别地，基于有机朗肯循环的余热回收系统在工业余热回收和可再生能源(例如太阳能、地热能等)利用等领域应用潜力巨大。
不过，传统的基于有机朗肯循环的余热回收系统在实现最高的系统效率时，由于余热回收系统的净电功率输出很小，造成系统对余热能的回收利用能力很差。此外，有机工质在系统蒸发器内与余热源发生热交换时，由于有机工质在蒸发段的温度保持不变，导致余热源与有机工质之间的传热温差较大，造成明显的不可逆有效能损失。为了克服这些问题，研究人员提出了各种各样的解决方案，例如采用超临界有机朗肯循环、有机闪蒸循环(Organic FlashCycle，OFC)以及多级有机朗肯循环等来代替基本的有机朗肯循环。
有机闪蒸循环是在有机朗肯循环的基础上进行调整后的一种循环结构。在这种循环中，有机工质在加热器中被加热为饱和液体而不会经历蒸发过程，从而避免了蒸发过程中由于热源与工质之间存在着较大的传热温差而造成的不可逆有效能损失。不过，饱和液体在流经加热器后会被节流成气液两相混合物，其中饱和蒸汽进入膨胀机做功，而饱和液体则会被再次节流降压，之后其与膨胀机排汽进行混合后送入冷凝器，完成循环过程。虽然系统在热交换过程中的有效能损失得到减少，但附加的节流过程却引入了额外的有效能损失。
发明内容
本发明的目的在于针对上述有机朗肯循环中有机工质蒸发过程的有效能损失以及有机闪蒸循环中饱和液体节流过程的有效能损失的问题，提供一种基于有机朗肯循环和有机闪蒸循环的余热回收系统及方法，结合传统的有机朗肯循环余热回收系统和有机闪蒸循环余热回收系统的各自优点，提高系统效率，增大系统净电功率输出，提高系统的余热能回收利用能力。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种基于有机朗肯循环和有机闪蒸循环的余热回收系统，该余热回收系统包括冷凝器，冷凝器中通入冷却介质和有机工质，冷凝器的有机工质出口通过管路连接低压泵的入口，低压泵的出口通过管路连接加热器的有机工质入口，加热器中通入余热工质，余热工质通过与有机工质进行热量交换得到饱和液体工质，加热器的工质出口通过管路连接闪蒸罐的入口，闪蒸罐的液体工质出口通过管路连接高压泵的入口，高压泵的出口通过管路连接蒸发器的有机工质入口，蒸发器中通入余热工质，余热工质通过与液体工质进行热量交换得到过热蒸汽或饱和蒸汽，蒸发器的蒸汽出口通过管路连接高压膨胀机的蒸汽入口，高压膨胀机的蒸汽出口通过管路连接混合器，闪蒸罐的饱和蒸汽出口通过管路直接连接混合器，混合器的蒸汽出口通过管路连接低压膨胀机的蒸汽入口，低压膨胀机的蒸汽出口通过管路连接冷凝器的有机工质入口，所述的高压膨胀机和低压膨胀机均连接有发电机。
作为本发明余热回收系统的一种优选方案，所述的低压泵与加热器之间、低压膨胀机与冷凝器之间的管路上设置有一个共用的预热器，预热器中分别通入低压膨胀机的排汽与低压泵加压之后的液态有机工质，液态有机工质在预热器中被低压膨胀机的排汽加热后送入加热器，而低压膨胀机的排汽在该预热器中被液态有机工质冷却后送入冷凝器。
所述的高压膨胀机与混合器之间的管路上设置有再热器，高压膨胀机的排汽送入再热器后被余热工质加热，加热后的蒸汽送入混合器，而被冷却的余热工质则送入蒸发器。
作为本发明余热回收系统的一种优选方案，有机循环工质可以采用一种具有等熵流体或干流体特性的纯有机工质，也可以采用由两种或多种纯有机工质混合而成的混合有机工质。
所述的高压膨胀机与低压膨胀机可以采用同一种类型的膨胀机也可以采用两种不同类型的膨胀机。膨胀机类型包括各种速度式膨胀机和容积式膨胀机，例如离心式膨胀机、透平膨胀机、螺杆式膨胀机、往复式膨胀机、涡旋膨胀机、滚动转子膨胀机、滑片膨胀机等。
本发明还提供了一种基于有机朗肯循环和有机闪蒸循环的余热回收方法，包括以下步骤：冷凝器输出的液态有机工质通过低压泵加压之后通入加热器，经加热器恒压加热之后成为饱和液态工质并送入闪蒸罐；饱和液态工质在闪蒸罐中受节流作用闪发为气液两相混合物，气液两相混合物中的液体工质经过高压泵加压之后送入蒸发器与余热工质进行热交换，饱和蒸汽被送入混合器；蒸发器出口的过热蒸汽或饱和蒸汽进入高压膨胀机进行膨胀做功，高压膨胀机的排汽被送入混合器，与来自闪蒸罐的饱和蒸汽混合；混合后的蒸汽被送入低压膨胀机进行膨胀做功，低压膨胀机的排汽被送入冷凝器，并在冷凝器中被冷却介质冷凝成液态工质。
相较于现有技术，本发明的余热回收系统具有如下有益效果：闪蒸罐输出的液体工质不再经过节流阀节流降压，而是送入蒸发器回收余热能，消除了液体节流过程所带来的不可逆能量损失。冷却介质流经冷凝器被初步预热后可以被进一步加热，从而变为可用于供暖供热的热水输出，实现了基于有机朗肯循环和有机闪蒸循环的新型热电联产系统。有机工质依次流经高压膨胀机和低压膨胀机，两个膨胀机提高了系统余热能回收的能力，增大了系统的净电功率输出。高压膨胀机和低压膨胀机也可以整合为一个膨胀机，此时来自闪蒸罐的饱和蒸汽可以作为中间补汽送入该膨胀机，与膨胀机内已有的蒸汽混合之后膨胀做功。本发明减少了有机闪蒸循环中饱和液体节流过程的有效能损失和有机朗肯循环中有机工质蒸发过程的有效能损失，最大化发挥有机朗肯循环余热回收系统和有机闪蒸循环余热回收系统的各自优点。
进一步的，冷凝器与闪蒸罐之间的管路上设置有加热器，余热介质依次流经蒸发器和加热器两个热交换器，一股载热介质可以顺序送入蒸发器和加热器作为热源供应，也可以将两股不同温度的载热介质分别送入蒸发器和加热器作为热源供应，提高了余热回收利用能力。
进一步的，闪蒸罐与蒸发器之间的管路上设置高压泵，液体工质经过高压泵加压之后送入蒸发器与余热介质进行热交换，高压泵使得系统的蒸发压力变高，减小了饱和液体蒸发过程所需的汽化潜热，使得有机工质在汽液两相区发生的定温蒸发换热过程变短，改善了有机工质与余热介质之间的换热温差曲线，减小了有机工质在蒸发换热过程中的不可逆能量损失。
进一步的，在低压泵与加热器之间、低压膨胀机与冷凝器之间的管路上可以设置一个共用的预热器，预热器中分别通入低压膨胀机的排汽与低压泵加压之后的液态有机工质，液态有机工质在该预热器中被低压膨胀机的排汽初步预热后送入加热器，而低压膨胀机的排汽在该预热器中被泵送液冷却后送入冷凝器，减小了系统的冷源损失。在高压膨胀机与混合器之间的管路上可以添加一个再热器，高压膨胀机的排汽先送入再热器被余热工质再热后再与来自闪蒸罐的饱和蒸汽混合，之后混合蒸汽被送入低压膨胀机，而被冷却的余热工质则送入蒸发器，此时余热介质依次流经再热器、蒸发器、加热器三个热交换器，实现了对余热能的梯级利用。本发明的余热回收系统结构设置灵活，能够实现多层次的余热回收利用。
相较于现有技术，本发明的余热回收方法具有如下有益效果：使得有机闪蒸循环中节流过程的不可逆有效能损失被减少，有机朗肯循环中蒸发过程的不可逆有效能损失也被减少，因此系统效率被提升。此外两个膨胀机(高压膨胀机和低压膨胀机)的存在增大了系统的净电功率输出，蒸发器和加热器的存在提高了系统对余热能的回收利用能力。
附图说明
图1传统的基于有机朗肯循环的余热回收系统示意图；
图2传统的基于有机闪蒸循环的余热回收系统示意图；
图3本发明基于有机朗肯循环和有机闪蒸循环的余热回收系统示意图；
图4本发明余热回收系统的温熵图；
附图1-4中的数字表示系统的各个运行状态点。
附图中：A-低压泵；B-加热器；C-闪蒸罐；D-高压泵；E-蒸发器；F-高压膨胀机；K-混合器；H-低压膨胀机；I-发电机；J-冷凝器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
传统的基于有机朗肯循环的余热回收系统由五个主要部件组成，分别为泵、蒸发器、膨胀机、冷凝器及发电机，其系统配置如图1所示。在传统的基于有机朗肯循环的余热回收系统中，来自冷凝器出口的液态有机工质(状态点1)由泵加压后送入蒸发器(状态点2)；液态工质在蒸发器中恒压受热，由过冷液态依次经过饱和液态、气液两相态后最终变为饱和蒸汽态(或过热蒸汽态)，即状态点3；饱和蒸汽(或过热蒸汽)后被送入膨胀机去膨胀做功以输出机械能，发电机将机械能转变为电能输出，而膨胀机排汽(状态点4)则被送入冷凝器，并在那里被冷水冷凝成液态工质(状态点1)进而完成整个循环过程。在上述过程中，余热介质由状态点5被冷却至状态点6，冷水则由状态点7被加热至状态点8。传统的有机朗肯循环余热回收系统在实现最高的系统效率时，系统的净电功率输出很小，造成系统对余热能的回收利用能力很差。此外，有机工质在系统蒸发器内与余热源发生热交换时，由于其在蒸发段温度保持不变，导致余热源与其之间的传热温差较大，造成明显的不可逆有效能损失。
传统的基于有机闪蒸循环的余热回收系统由八个主要部件组成，分别为泵、加热器、闪蒸罐、膨胀机、节流阀、混合器、冷凝器及发电机，其系统配置如图2所示。来自冷凝器出口的液态有机工质(状态点1)由泵加压后送入加热器(状态点2)，并在那恒压受热变为饱和液态工质(状态点3)；饱和液体后被送入闪蒸罐，并在那里闪蒸成汽液两相混合物(状态点4)，其中饱和蒸汽(状态点4”)被送入膨胀机去膨胀做功，而饱和液体(状态点4’)则经节流阀降压后(状态点6)送入混合器与膨胀机排汽(状态点5)混合；最后，混合物(状态点7)被送入冷凝器，并在那里被冷水冷凝成液态工质(状态点1)进而完成整个循环过程。在上述过程中，余热介质由状态点8被冷却至状态点9，冷水由状态点10被加热至状态点11。传统的有机闪蒸循环虽减小了有机朗肯循环过程中工质在蒸发器里面由于较大的传热温差而造成的不可逆有效能损失，但其附加的节流过程却引入了额外的不可逆有效能损失。
参见图3，本发明提出的一种基于有机朗肯循环和有机闪蒸循环的余热回收系统，将基本的有机朗肯循环和有机闪蒸循环耦合到一个系统当中。冷凝器J中通入冷却介质和有机工质，冷凝器J的有机工质出口通过管路连接低压泵A的入口，低压泵A的出口通过管路连接加热器B的有机工质入口，加热器B中通入余热工质，余热工质通过与有机工质进行热量交换得到饱和液体工质，加热器B的有机工质出口通过管路连接闪蒸罐C的入口，闪蒸罐C的液体工质出口通过管路连接高压泵D的入口，高压泵D的出口通过管路连接蒸发器E的有机工质入口，蒸发器E中通入余热工质，余热工质通过与液体工质进行热量交换得到过热蒸汽或饱和蒸汽，蒸发器E的蒸汽出口通过管路连接高压膨胀机F的蒸汽入口，高压膨胀机F的蒸汽出口通过管路连接混合器K，闪蒸罐C的饱和蒸汽出口通过管路直接连接混合器K，混合器K的蒸汽出口通过管路连接低压膨胀机H的蒸汽入口，低压膨胀机H的蒸汽出口通过管路连接至冷凝器J的有机工质入口，高压膨胀机F和低压膨胀机H均连接有发电机I。
作为一种优选的实施例，在低压泵A与加热器B之间、低压膨胀机H与冷凝器J之间的管路上可设置一个共用的预热器，预热器中分别通入低压膨胀机H的排汽与低压泵A加压之后的液态有机工质，液态有机工质在该预热器中被低压膨胀机H的排汽加热后送入加热器B，而低压膨胀机H的排汽在该预热器中被泵送液冷却后送入冷凝器J。
作为另一种优选的实施例，本发明基于有机朗肯循环和有机闪蒸循环的余热回收系统在高压膨胀机F与混合器K之间的管路上可设置一个再热器，高压膨胀机F的排汽送入再热器后被余热工质加热，加热后的蒸汽送入混合器K，而被冷却的余热工质则送入蒸发器E。
在上述实施例中，有机循环工质可以采用一种具有等熵流体或干流体特性的纯有机工质，也可以采用由两种或多种纯有机工质混合而成的混合有机工质。
在上述实施例中，高压膨胀机F与低压膨胀机H可以采用同一种类型的膨胀机(包括各种速度式膨胀机和容积式膨胀机，例如离心式膨胀机、透平膨胀机、螺杆式膨胀机、往复式膨胀机、涡旋膨胀机、滚动转子膨胀机、滑片膨胀机等)，也可以采用两种不同类型的膨胀机。
在本发明基于有机朗肯循环和有机闪蒸循环的余热回收系统及方法当中，冷凝器J出口的液态有机工质(状态点1)经低压泵A加压后送入加热器B(状态点2)，回收一部分余热能变为饱和液体(状态点3)；之后饱和液体被送入闪蒸罐C，并在闪蒸罐中闪蒸成汽液两相混合物(状态点4)，其中液体工质(状态点4’)经高压泵D加压后送入蒸发器E(状态点5)进一步回收余热能，而饱和蒸汽(状态点4”)则被送入混合器K；蒸发器E出口的过热蒸汽(或饱和蒸汽，状态点6)进入高压膨胀机F去膨胀做功，之后高压膨胀机F的排汽(状态点7)被送入混合器K与来自闪蒸罐C的饱和蒸汽混合；混合后的蒸汽(状态点8)被送入低压膨胀机H去膨胀做功，低压膨胀机H的排汽(状态点9)被送入冷凝器J，并被冷水冷凝成液态工质(状态点1)进而完成整个循环过程。在上述过程中，余热介质由状态点10经流蒸发器E和加热器B后被冷却至状态点12，冷水则由状态点13被加热至状态点14。
参见图4，很明显，本发明的余热回收系统将基本的有机朗肯循环和有机闪蒸循环耦合在一起，消除了基本有机闪蒸循环中液体工质在闪蒸罐后经节流阀降压节流所造成的不可逆能量损失。此外，由于系统存在着低压泵和高压泵，使得耦合系统中有机朗肯循环部分的蒸发压力变高，减小了饱和液体蒸发过程所需的汽化潜热，使得有机工质在汽液两相区发生的蒸发换热过程变短，改善了有机工质与余热介质之间的换热温差曲线，减小了有机工质在蒸发换热过程中的不可逆能量损失。最后，由于在耦合系统中，余热介质依次流经蒸发器和加热器两个热交换器，同时有机工质依次流经高压膨胀机和低压膨胀机两个膨胀机，这提高了系统对余热能的回收利用能力，增大了系统的净电功率输出。按照以上所述本发明的方案设计系统，系统的能量利用效率、净电功率输出以及系统的余热能回收利用能力均可得到提高。
以上所述仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限定，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均落入由所提交权利要求划定的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于有机朗肯循环和有机闪蒸循环的余热回收系统，其特征在于：包括冷凝器(J)，冷凝器(J)中通入冷却介质和有机工质，冷凝器(J)的有机工质出口通过管路连接低压泵(A)的入口，低压泵(A)的出口通过管路连接加热器(B)的有机工质入口，加热器(B)中通入余热工质，余热工质通过与有机工质进行热量交换得到饱和液体工质，加热器(B)的工质出口通过管路连接闪蒸罐(C)的入口，闪蒸罐(C)的液体工质出口通过管路连接高压泵(D)的入口，高压泵(D)的出口通过管路连接蒸发器(E)的有机工质入口，蒸发器(E)中通入余热工质，余热工质通过与液体工质进行热量交换得到过热蒸汽或饱和蒸汽，蒸发器(E)的蒸汽出口通过管路连接高压膨胀机(F)的蒸汽入口，高压膨胀机(F)的蒸汽出口通过管路连接混合器(K)，闪蒸罐(C)的饱和蒸汽出口通过管路直接连接混合器(K)，混合器(K)的蒸汽出口通过管路连接低压膨胀机(H)的蒸汽入口，低压膨胀机(H)的蒸汽出口通过管路连接冷凝器(J)的有机工质入口，高压膨胀机(F)和低压膨胀机(H)均连接有发电机(I)。
2.根据权利要求1所述基于有机朗肯循环和有机闪蒸循环的余热回收系统，其特征在于：所述的低压泵(A)与加热器(B)之间、低压膨胀机(H)与冷凝器(J)之间的管路上设置有一个共用的预热器，预热器中分别通入低压膨胀机(H)的排汽与低压泵(A)加压之后的液态有机工质，液态有机工质在预热器中被低压膨胀机(H)的排汽加热后送入加热器(B)，而低压膨胀机(H)的排汽在该预热器中被液态有机工质冷却后送入冷凝器(J)。
3.根据权利要求1所述基于有机朗肯循环和有机闪蒸循环的余热回收系统，其特征在于：高压膨胀机(F)与混合器(K)之间的管路上设置有再热器，高压膨胀机(F)的排汽送入再热器后被余热工质加热，加热后的蒸汽送入混合器(K)，被冷却的余热工质送入蒸发器(E)。
4.根据权利要求1所述基于有机朗肯循环和有机闪蒸循环的余热回收系统，其特征在于：所述冷凝器(J)当中通入的有机工质采用一种具有等熵流体或干流体特性的纯有机工质，或者采用由两种或多种纯有机工质混合而成的混合有机工质。
5.根据权利要求1所述基于有机朗肯循环和有机闪蒸循环的余热回收系统，其特征在于：所述的高压膨胀机(F)与低压膨胀机(H)采用同一种类型的膨胀机或两种不同类型的膨胀机，其中，膨胀机的类型包括各种速度式膨胀机和容积式膨胀机。
6.一种基于有机朗肯循环和有机闪蒸循环的余热回收方法，其特征在于，包括以下步骤：由冷凝器(J)输出的液态有机工质通过低压泵(A)加压之后通入加热器(B)，经加热器(B)恒压加热之后成为饱和液态工质并送入闪蒸罐(C)；饱和液态工质在闪蒸罐(C)中受节流作用闪发为气液两相混合物，气液两相混合物中的液体工质经过高压泵(D)加压之后送入蒸发器(E)与余热工质进行热交换，饱和蒸汽被送入混合器(K)；蒸发器(E)出口的过热蒸汽或饱和蒸汽进入高压膨胀机(F)进行膨胀做功，高压膨胀机(F)的排汽被送入混合器(K)，与来自闪蒸罐(C)的饱和蒸汽混合；混合后的蒸汽被送入低压膨胀机(H)进行膨胀做功，低压膨胀机(H)的排汽被送入冷凝器(J)，并在冷凝器(J)中被冷却介质冷凝成液态工质。
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