CN111042885A - 一种回收不同温位余热的发电系统及发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种回收不同温位余热的发电系统及发电方法。该系统包括：多台蒸发装置、至少一台膨胀机、冷凝装置以及发电装置。多台蒸发装置用于分别与不同的余热介质热交换进而加热换热工质；多台蒸发装置与膨胀机连通，换热工质受热产生的换热工质蒸汽进入膨胀机；冷凝装置的一端与膨胀机连接，冷凝装置的另一端分别与多台蒸发装置连接，发电装置与膨胀机传动连接，膨胀机驱动发电装置发电。本发明提供的系统可以集中利用不同温位余热分别加热不同压力的换热工质使其蒸发，然后变成不同压力换热工质蒸汽进入多级膨胀机膨胀做功，实现了不同温位余热集中回收发电的目的。

Description

一种回收不同温位余热的发电系统及发电方法

技术领域

本发明涉及余热发电领域，尤其涉及一种回收不同温位余热的发电系统及发电方法。

背景技术

随着我国经济快速发展，能源需求快速上升，但能源的总体利用效率较低。据统计数据显示，现阶段中国一次能源利用率约为30％，仅为日本的1/2，进而存在着巨大的能源浪费。因此，提高能源利用效率成为当前国家节能环保的重要手段。

据专家推测，钢铁、有色、化工、水泥、建材、石油与石化、轻工、煤炭等行业的余热总资源约占其燃料消耗总量的17％-67％，根据我国2018年一次能源消耗情况，即按照全国余热资源约占能源消耗总量的40％算，则2018年余热资源总量达到18.48亿吨标准煤。因此，中国的余热资源十分丰富。在我国实行节能减排，提高能源利用效率的基本政策以及环保要求的前提下，更有效且高效地利用余热资源显得尤为重要。

工业余热资源除了数量巨大之外，还存在温位不同的特点。比如，石油化工等工业企业生产过程中会产生大量的不同温位的余热资源，包括热水、低压蒸汽、汽油、柴油、塔顶气、顶回流气、烟气、工艺循环冷却水、工艺废水、采油污水等，这些余热资源数量大且同时存在，具有极高的利用价值，但由于温度不同无法统一高效回收利用。

余热回收利用常用方法主要有余热锅炉、中间热媒水法、预热空气法、烟气-流体换热器法、加热物料等。但是，每种方法只能回收同一温位的余热。例如，余热锅炉只能回收高温位余热；烟气-流体换热器法只能回收烟气余热。如果不同温位余热同时存在时，就要建设多套回收装置，导致设备多、运行维护工作量大、初期投资增加，延长了投资回报周期。若采用中间热媒和不同温位余热换热后再集中利用，这样存在二次换热和温位损失的现象，热损失大，中间热媒温位低，无法实现对余热的高效利用。

因此。对不同温位余热，根据各个余热温位不同的特点，实现不同温位余热的高效利用是亟需解决的技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供了一种回收不同温位余热的发电系统及发电方法，用于解决上述问题中的至少一个。

本发明具体公开了一种回收不同温位余热的发电系统。该系统包括：

多个蒸发装置，多个所述蒸发装置用于分别与不同的余热介质热交换进而加热换热工质；

至少一台膨胀机，多个所述蒸发装置与所述膨胀机连通，多个所述蒸发装置中所述换热工质受热产生的换热工质蒸汽进入所述膨胀机；

冷凝装置，所述冷凝装置的一端与所述膨胀机连接，用于接收所述膨胀机输出的所述换热工质蒸汽做功后产生的换热工质乏汽并将其冷凝为所述换热工质，所述冷凝装置的另一端分别与多台所述蒸发装置连接，用于将冷凝后的所述换热工质输送到多台所述蒸发装置中；

发电装置，所述发电装置与所述膨胀机传动连接，所述膨胀机驱动所述发电装置发电。

在实施方式中，还包括：工质泵，所述工质泵位于所述冷凝装置和所述蒸发装置之间，用于驱动所述换热工质。

在实施方式中，所述膨胀机为一台，所述膨胀机上设置有多个工质入口，多个所述工质入口分别与所述蒸发装置连接。

在实施方式中，所述膨胀机为多台，多台所述膨胀机串联连接，各所述膨胀机与对应的所述蒸发装置连接。

在实施方式中，所述的余热介质的温度在60～300℃之间，所述的余热介质包括热水、低压蒸汽、汽油、柴油、塔顶气、顶回流气、烟气、工艺循环冷却水、工艺废水、采油污水、变换气以及未变换气中的至少一种。

在实施方式中，所述膨胀机包括轴流式、离心式、径流式透平膨胀机或螺杆膨胀机中的至少一种。

在实施方式中，所述膨胀机具有多级膨胀功能，所述膨胀机包括至少一个压力等级的工质入口，所述蒸发装置产生的至少一种压力的所述换热工质蒸汽分别进入所述膨胀机对应压力等级的所述工质入口进行膨胀做功。

在实施方式中，所述的换热工质包括R290、R134a、R600a、R600、R601a、R123、R245fa、R143a、R32、R23、R1234ze、CO2、氨水中的一种或多种的混合物。

在实施方式中，所述的冷凝装置包括水冷式冷凝装置、空冷式冷凝装置或蒸发空冷式冷凝装置中的一种或多种，所述的冷凝装置至少为一台。

在实施方式中，所述的余热介质包括温位不同或温位不同以及类型不同的所述余热介质。

本发明还公开了一种采用如上所述的回收不同温位余热发电系统的发电方法，包括步骤：

根据不同的余热介质选择适合集中回收不同温位余热介质的换热工质；

根据不同的所述余热介质确定每种所述余热介质对应的所述换热工质的蒸发压力，使所述换热工质的所述蒸发压力和所述余热介质相匹配；

将多台工质泵、多台蒸发装置、至少一台膨胀机、至少一台冷凝装置连接组成发电回路；

不同的所述余热介质在所述蒸发装置内将所述换热工质加热成对应压力的换热工质蒸汽；

不同压力的所述换热工质蒸汽分别进入所述膨胀机的对应进口，在所述膨胀机内膨胀做功以带动发电机发电；

做功后的所述换热工质乏汽排出所述膨胀机并进入所述冷凝装置，被冷凝成所述换热工质；

冷凝后的所述换热工质分别经过所述工质泵加压后被重新输入对应的所述蒸发装置循环使用。

本发明的实施例提供的回收不同温位余热的发电系统，可以集中利用不同温位余热分别加热不同压力的换热工质使其蒸发，然后变成不同压力换热工质蒸汽进入多级膨胀机膨胀做功，将多种温位热能转化为机械能，最后带动发电机发电，实现了不同温位余热集中回收发电的目的。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的第一实施例提供的一种回收不同温位余热的发电系统的结构示意图；

图2为本发明的第二实施例提供的一种回收不同温位余热的发电系统的结构示意图；

图3为本发明提供的一种回收不同温位余热的循环发电方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。

第一实施例：

如图1所示为一种回收不同温位余热的发电系统，主要针对工业企业生产过程中存在产生不同温位的余热介质时，能对不同温位的余热介质实现集中利用，其中，不同温位的余热介质的余热温度范围可以在60～300℃之间。例如，余热介质的类型可以包括热水、低压蒸汽、汽油、柴油、塔顶气、顶回流气、烟气、工艺循环冷却水、工艺废水、采油污水、变换气等的一种或多种。根据余热温位不同以及余热类型不同可以表示为余热介质H-1至余热介质H-n，其中n为大于或等于1的自然数。同理，蒸发装置可以包括1-1到蒸发装置1-n。该系统还包括：膨胀机2、发电机3、冷凝装置4、工质泵5-1至工质泵5-n，以及冷源C(C-1和C-2表示冷源C进入冷凝装置4之前和之后的状态)等。

膨胀机2入口的一侧与各蒸发装置相连通，用于承接蒸发装置内产生的换热工质的蒸汽。膨胀机2出口的一侧与冷凝装置4相连接，用于将做功发电后的换热工质输出到冷凝装置4中。冷凝装置4再通过工质泵与各蒸发装置相连接，进而形成一循环系统。

n股余热介质热源分别通过n组蒸发装置的入口H-1-1～H-n-1进入发电系统，通过n组蒸发装置的出口H-1-2～H-n-2流出蒸发装置(即各蒸发装置的入口用-1表示，出口用-2表示)。在此过程中与换热工质(即低沸点工质)进行换热，进而将换热工质加热为n组压力不同的换热工质蒸汽。n组换热工质气体分别进入多级膨胀机2的n个对应入口，在膨胀机2中进行膨胀做功变为换热工质流出膨胀机2带动发电机3转动，进行发电。

其中，n个入口即代表膨胀机2具有n级膨胀功能。第n-1级出口的压力即为第n股高压换热工质蒸汽的进口压力，即若假设n股进入膨胀机2的蒸汽的压力为P1～Pn，则P1>P2>……>Pn。P1压力的蒸汽从膨胀机2中出来后，因发电做工的原因，其蒸汽压力大小变为P2左右，同理，P2至Pn以此类推。

第n股换热工质蒸汽汇合前n-1股换热工质蒸汽，进入膨胀机的第n级膨胀，膨胀完成的换热工质蒸汽从膨胀机出口流出。流出膨胀机2的换热工质乏汽进入冷凝装置4，与冷源进行换热，变为液态后，通过冷凝装置出口流出，进入工质泵5-1至5-n，各自经过加压后再次进入对应的蒸发装置1-1至1-n，从而完成整个系统循环。

可选的，可实现多级膨胀的膨胀机2可以是轴流式，离心式、向心式透平膨胀机或螺杆膨胀机，膨胀机具有多级不同压力的进气口。膨胀机2的n个换热工质入口，按压力大小依次排列，且进入最后一级膨胀的换热工质质量流量是n个换热工质入口质量流量之和。为使膨胀机2更好地运转，需给其配备相应的润滑系统。

可选的，冷凝装置4的冷却方式可以是水冷、空冷、蒸发式空冷，或者是其它的形式，需根据工业企业的实际需求具体设计，但无论是何种方式，冷源需同时满足换热工质乏汽冷凝的需求。冷凝装置4换热工质出口的质量流量需与换热工质进入膨胀机2的n个入口的质量流量相等。

本发明系统，具有n个回路S-1至S-n，这n个回路中循环工质为换热工质，不同于传统的以水换热工质的系统，换热工质沸点低，可实现更高效率的能量转换。的换热工质选择包括R290、R134a、R600a、R600、R601a、R123、R245fa、R143a、R32、R23、R1234ze、CO2、氨水等的一种或几种的混合物，但需根据安全性、环保性以及换热工质热物理性质出发进行筛选。回路中可以是纯换热工质，也可以是两种或两种以上纯换热工质的混合物，但同一系统中各回路中的换热工质种类需相同。

可选的，本发明的实施例中的蒸发装置以及冷凝装置均可以为承压设备，需满足密闭性要求，防止泄露。同时对于承压能力而言蒸发装置1-1>蒸发装置1-2……>蒸发装置1-n。n个回路共用一台膨胀机，一台或几台冷凝装置，但每个回路都单独具有一台蒸发装置和工质泵，整个系统配备有两个或两个以上蒸发装置和工质泵。

第二实施例：

如图2所示为一种回收不同温位余热的发电系统。第二实施例所提供的回收不同温位余热的发电系统的结构与图1的相似，在此不再赘述。其主要是针对工业企业生产过程中存在多种不同品位余热介质，其中有两股或两股以上余热介质的温位相同但余热介质的类型不同的情况。

第三实施例：

第三实施例也提供了一种回收不同温位余热的发电系统。第三实施例所提供的系统的结构与图1相似，不同之处在于该系统包括与蒸发装置的数量相匹配的膨胀机2(未示出)，即有n台蒸发装置便有n台膨胀机2，各蒸发装置所产生的工质蒸汽分别进入对应的膨胀机2内，然后做功发电后再汇总流到冷凝装置4中。

本发明的实施例提供的回收不同温位余热的发电系统，可以集中利用不同温位余热介质分别加热不同压力的换热工质使其蒸发，然后变成不同压力换热工质蒸汽进入多级膨胀机膨胀做功，将多种温位热能转化为机械能，最后带动发电机发电，实现了不同温位余热介质集中回收发电的目的。

请参阅图3，本发明还提供一种使用回收不同温位余热的循环发电方法，包括以下步骤：

S101：根据不同的余热介质选择适合集中回收不同温位余热介质的换热工质；

S102：根据不同的所述余热介质确定每种所述余热介质对应的所述换热工质的蒸发压力，使所述换热工质的所述蒸发压力和所述余热介质相匹配；

S103：将多台工质泵、多台蒸发装置、至少一台膨胀机、至少一台冷凝装置连接组成发电回路；

S104：不同的所述余热介质在所述蒸发装置内将所述换热工质加热成对应压力的换热工质蒸汽；

S105：不同压力的所述换热工质蒸汽分别进入所述膨胀机的对应进口，在所述膨胀机内膨胀做功以带动发电机发电；

S106：做功后的所述换热工质乏汽排出所述膨胀机并进入所述冷凝装置，被冷凝成所述换热工质；

在该步骤中，膨胀机的出口可以为一个，通过各进口进入的换热工质蒸汽其做功后产生的换热工质乏汽统一由一个出口排出。

S107：冷凝后的所述换热工质分别经过所述工质泵加压后被重新输入对应的所述蒸发装置循环使用。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (11)

1.一种回收不同温位余热的发电系统，其特征在于，包括：

多个蒸发装置，多个所述蒸发装置用于分别与不同的余热介质热交换进而加热换热工质；

至少一台膨胀机，多个所述蒸发装置与所述膨胀机连通，多个所述蒸发装置中所述换热工质受热产生的换热工质蒸汽进入所述膨胀机；

冷凝装置，所述冷凝装置的一端与所述膨胀机连接，用于接收所述膨胀机输出的所述换热工质蒸汽做功后产生的换热工质乏汽并将其冷凝为所述换热工质，所述冷凝装置的另一端分别与多台所述蒸发装置连接，用于将冷凝后的所述换热工质输送到多台所述蒸发装置中；

发电装置，所述发电装置与所述膨胀机传动连接，所述膨胀机驱动所述发电装置发电。

2.根据权利要求1所述的回收不同温位余热的发电系统，其特征在于，还包括：

工质泵，所述工质泵位于所述冷凝装置和所述蒸发装置之间，用于驱动所述换热工质。

3.根据权利要求1所述的回收不同温位余热的发电系统，其特征在于，所述膨胀机为一台，所述膨胀机上设置有多个工质入口，多个所述工质入口分别与所述蒸发装置连接。

4.根据权利要求1所述的回收不同温位余热的发电系统，其特征在于，所述膨胀机为多台，多台所述膨胀机串联连接，各所述膨胀机与对应的所述蒸发装置连接。

5.根据权利要求1所述的回收不同温位余热的发电系统，其特征在于，所述的余热介质的温度在60～300℃之间，所述的余热介质包括热水、低压蒸汽、汽油、柴油、塔顶气、顶回流气、烟气、工艺循环冷却水、工艺废水、采油污水、变换气以及未变换气中的至少一种。

6.根据权利要求3所述的回收不同温位余热的发电系统，其特征在于，所述膨胀机包括轴流式、离心式、径流式透平膨胀机或螺杆膨胀机中的至少一种。

7.根据权利要求6所述的回收不同温位余热的发电系统，其特征在于，所述膨胀机具有多级膨胀功能，所述膨胀机包括至少一个压力等级的工质入口，所述蒸发装置产生的至少一种压力的所述换热工质蒸汽分别进入所述膨胀机对应压力等级的所述工质入口进行膨胀做功。

8.根据权利要求1所述的回收不同温位余热的发电系统，其特征在于，所述的换热工质包括R290、R134a、R600a、R600、R601a、R123、R245fa、R143a、R32、R23、R1234ze、CO2、氨水中的一种或多种的混合物。

9.根据权利要求1所述的回收不同温位余热的发电系统，其特征在于，所述的冷凝装置包括水冷式冷凝装置、空冷式冷凝装置或蒸发空冷式冷凝装置中的一种或多种，所述的冷凝装置至少为一台。

10.根据权利要求1所述的回收不同温位余热的发电系统，其特征在于，所述的余热介质包括温位不同或温位不同以及类型不同的所述余热介质。

11.一种采用如权利要求1-10中任意一项所述的回收不同温位余热的发电系统的发电方法，包括步骤：

根据不同的余热介质选择适合集中回收不同温位余热介质的换热工质；

根据不同的所述余热介质确定每种所述余热介质对应的所述换热工质的蒸发压力，使所述换热工质的所述蒸发压力和所述余热介质相匹配；

将多台工质泵、多台蒸发装置、至少一台膨胀机、至少一台冷凝装置连接组成发电回路；

不同的所述余热介质在所述蒸发装置内将所述换热工质加热成对应压力的换热工质蒸汽；

不同压力的所述换热工质蒸汽分别进入所述膨胀机的对应进口，在所述膨胀机内膨胀做功以带动发电机发电；

做功后的所述换热工质乏汽排出所述膨胀机并进入所述冷凝装置，被冷凝成所述换热工质；

冷凝后的所述换热工质分别经过所述工质泵加压后被重新输入对应的所述蒸发装置循环使用。

Images