CN111456822A - 一种双工质有机朗肯循环发电系统及其控制方法 - Google Patents

一种双工质有机朗肯循环发电系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双工质有机朗肯循环发电系统，属于中低温热源发电技术领域，在常规有机朗肯循环的基础上，增设使用低临界温度工质的带喷射器的闪蒸循环；所述的有机朗肯循环使用高临界温度的工质，闪蒸循环使用低临界温度的工质；所述的有机朗肯循环是由预热器、第一蒸发器、第一膨胀机、第一冷凝器、第一工质泵构成循环回路；所述的闪蒸循环是由第二蒸发器、闪蒸罐、第二膨胀机、喷射器、第二冷凝器、第二工质泵构成循环回路。本发明对第一蒸发器出口的热源进行分流，分别进入预热器和第二蒸发器，同时加热两个循环，通过增大热源的低温部分所加热的工质的质量流量，提高热源匹配程度，增大系统吸热量，提高系统输出功。

Description

一种双工质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，具体涉及一种双工质有机朗肯循环发电系统及其控制方法。
背景技术
有机朗肯循环是回收余热的有效手段之一。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，一般有机朗肯循环传热窄点出现在工质泡点，导致系统热源匹配程度较低，吸热量较低，系统输出功较低。因此，改善系统的热源匹配程度、降低热源的出口温度、增大系统吸热量，可以有效地提高系统输出功。在热源匹配程度提高的基础上，再进一步降低系统各部件的
Figure BDA0002458810530000011
损失，可以进一步提高循环的做功能力。
发明内容
本发明的第一个目的是提出一种双工质有机朗肯循环发电系统。
为了实现上述技术目的所采用的技术方案为：
一种双工质有机朗肯循环发电系统，在常规有机朗肯循环的基础上，增设使用低临界温度工质的带喷射器的闪蒸循环；所述的有机朗肯循环使用高临界温度的工质，闪蒸循环使用低临界温度的工质；所述的有机朗肯循环是由预热器、第一蒸发器、第一膨胀机、第一冷凝器、第一工质泵构成循环回路；所述的闪蒸循环是由第二蒸发器、闪蒸罐、第二膨胀机、喷射器、第二冷凝器、第二工质泵构成循环回路；热源在有机朗肯循环的第一蒸发器出口分为两部分：一部分进入预热器预热有机朗肯循环中的工质，另一部分进入第二蒸发器加热闪蒸循环。
本发明的第二个目的是提出一种双工质有机朗肯循环发电系统的控制方法。
为了实现上述技术目的所采用的技术方案为：
一种双工质有机朗肯循环发电系统的控制方法，包括如下步骤：
1)控制热源水进入第一蒸发器，在第一蒸发器出口处分为两股质量流量不同的热源，其中一部分进入第二蒸发器，另一部分进入预热器；有机朗肯循环使用高临界温度的工质，闪蒸循环使用低临界温度的工质；
2)有机朗肯循环：第一冷凝器出口的饱和液态工质经由第一工质泵加压到蒸发压力，然后进入预热器和第一蒸发器被加热到饱和气体状态，工质进入第一膨胀机做功带动发电机发电，第一膨胀机出口的乏汽进入第一冷凝器进行冷后进入第一工质泵，形成循环回路；
3)闪蒸循环：第二冷凝器出口的饱和液态工质经由第二工质泵加压到蒸发压力，然后进入第二蒸发器被加热到饱和液体状态，工质进入闪蒸罐中闪蒸，闪蒸后的气体进入第二膨胀机膨胀做功，第二膨胀机的排气作为喷射器的被引射流体，闪蒸罐的液体作为喷射器的工作流体，两流体经喷射器混合扩压后进入第二冷凝器，形成循环回路。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明对第一蒸发器出口的热源进行分流，分别进入预热器和第二蒸发器，同时加热两个循环，通过增大热源的低温部分所加热的工质的质量流量，提高热源匹配程度，增大系统吸热量，提高系统输出功；使用临界温度较低的工质进行闪蒸，获得较大闪蒸压力和干度，并使用喷射器回收闪蒸液体损失的热量，进一步降低系统闪蒸过程的
Figure BDA0002458810530000021
损失，进一步提高系统的输出功。
附图说明
图1是本发明系统整体的示意图。
图2是本发明系统的工质温熵图。
附图中编号说明：1、第一膨胀机；2、第一冷凝器；3、第一工质泵；4、预热器；5、第一蒸发器；6、第二膨胀机；7、第二冷凝器；8、第二工质泵；9、第二蒸发器；10、闪蒸罐；11、喷射器；其余字母为工质和热源的状态点。
具体实施方式
一种双工质有机朗肯循环发电系统，如图1所示，本系统具有预热器4、第一蒸发器5、第一膨胀机1、第一冷凝器2、第一工质泵3、第二蒸发器9、闪蒸罐10、第二膨胀机6、喷射器11、第二冷凝器7、第二工质泵8。
系统具体连接与工作流程为：由预热器4、第一蒸发器5、第一膨胀机1、第一冷凝器2、第一工质泵3构成有机朗肯循环；由第二蒸发器9、闪蒸罐10、第二膨胀机6、喷射器11、第二冷凝器7、第二工质泵8构成闪蒸循环。有机朗肯循环使用临界温度高的循环工质，闪蒸循环使用临界温度低的循环工质。热源水先进入第一蒸发器5，在第一蒸发器5出口处分为两股质量流量不同的热源：一部分进入第二蒸发器9，另一部分进入预热器4。
本发明系统的中的热源和工质状态点对应图2：
如图2所示热源经过分流后，系统热源匹配程度提高，系统吸热量增加，热源出口温度从原先的THo降至T’Ho1和T’Ho2。
有机朗肯循环中，第一冷凝器2出口c点的饱和液态工质经由第一工质泵3加压到蒸发压力d点，然后进入预热器4和第一蒸发器5被加热到饱和气体状态a点，工质进入第一膨胀机1做功带动发电机发电，第一膨胀机1出口b点的乏汽进入第一冷凝器2进行冷后进入第一工质泵3，形成循环回路。
闪蒸循环：第二冷凝器7出口h点的饱和液态工质经由第二工质泵8加压到蒸发压力i点，然后进入第二蒸发器9被加热到饱和液体状态j点，工质进入闪蒸罐10中闪蒸后分为饱和液fc点和饱和气f点，闪蒸后的饱和气进入第二膨胀机6膨胀做功，第二膨胀机6的排气g点作为喷射器的引射流体，闪蒸后闪蒸罐10中的饱和液体作为喷射器11的工作流体，两部分流体在喷射器11中混合扩压后到达k点进入第二冷凝器7冷却，形成循环回路。
以下是三种发电系统的对比。
方案一：本发明系统，有机朗肯循环选取纯工质R245fa(五氟丙烷)，闪蒸循环选取纯工质R227ea(七氟丙烷)；
方案二：使用单工质的结合闪蒸和喷射器的有机朗肯循环，选取纯工质R245fa(五氟丙烷)；
方案三：常规有机朗肯循环，选取纯工质R245fa(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℃，膨胀机等熵效率0.85，工质泵等熵效率0.8。三种方案采用热源、冷源、等熵效率条件相同；对比数据如下表1所示：
表1
Figure BDA0002458810530000031
Figure BDA0002458810530000041
上述方案一：
1.热源先进入有机朗肯循环的第一蒸发器5，在第一蒸发器5出口分为两部分：一部分进入预热器4预热有机朗肯循环中的工质，另一部分进入第二蒸发器9加热闪蒸循环中的工质，有机朗肯循环选取纯工质R245fa，闪蒸循环选取纯工质R227ea。
2.有机朗肯循环中，第一冷凝器2出口c点为34.59℃的饱和液，工质经由第一工质泵3加压到蒸发压力1.315MPa d点，然后进入预热器4被加热到e点(饱和液态)，e点温度为蒸发温度101.75℃，之后进入第一蒸发器5被加热到在蒸发温度下的饱和气态a点，工质进入第一膨胀机1做功，第一膨胀机1排气b点温度为51.51℃，排气压力为0.209MPa，排气进入冷凝器完整循环。
3.闪蒸循环：第二冷凝器7出口h点的工质为34.59℃的饱和液，工质经由第二工质泵8加压到蒸发压力2.925MP i点，然后进入第二蒸发器9被加热到饱和液体状态j点，j点温度为蒸发温度101.65℃，之后进入闪蒸罐10中，闪蒸压力为2.650MP，温度96.92℃。闪蒸罐10中饱和液体作为喷射器11的工作流体，饱和气体流经第二膨胀机6膨胀做功，排气温度为28.73℃g点，第二膨胀机6的排气作为喷射器11的引射流体，两流体在喷射器11中混合加压到达k点后流入第二冷凝器7，在第二冷凝器7中冷凝完成一个循环。
4.有机朗肯循环中工质R245fa的质量流量为m1＝0.423kg/s，闪蒸循环中工质R227ea的质量流量为m2＝2.197kg/s，二者的质量比为m2/m1＝5.2。
如表1数据比较，在设定热源条件、冷源条件、等熵效率下，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58.81％和35.68％，方案一比方案二净输出功增加17.04％。

Claims (2)

1.一种双工质有机朗肯循环发电系统，其特征在于，在常规有机朗肯循环的基础上，增设使用低临界温度工质的带喷射器的闪蒸循环；所述的有机朗肯循环使用高临界温度的工质，闪蒸循环使用低临界温度的工质；所述的有机朗肯循环是由预热器、第一蒸发器、第一膨胀机、第一冷凝器、第一工质泵构成循环回路；所述的闪蒸循环是由第二蒸发器、闪蒸罐、第二膨胀机、喷射器、第二冷凝器、第二工质泵构成循环回路；热源在有机朗肯循环的第一蒸发器出口分为两部分：一部分进入预热器预热有机朗肯循环中的工质，另一部分进入第二蒸发器加热闪蒸循环。
2.一种如权利要求1所述的双工质有机朗肯循环发电系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)控制热源水进入第一蒸发器，在第一蒸发器出口处分为两股质量流量不同的热源，其中一部分进入第二蒸发器，另一部分进入预热器；有机朗肯循环使用高临界温度的工质，闪蒸循环使用低临界温度的工质；
2)有机朗肯循环：第一冷凝器出口的饱和液态工质经由第一工质泵加压到蒸发压力，然后进入预热器和第一蒸发器被加热到饱和气体状态，工质进入第一膨胀机做功带动发电机发电，第一膨胀机出口的乏汽进入第一冷凝器进行冷后进入第一工质泵，形成循环回路；
3)闪蒸循环：第二冷凝器出口的饱和液态工质经由第二工质泵加压到蒸发压力，然后进入第二蒸发器被加热到饱和液体状态，工质进入闪蒸罐中闪蒸，闪蒸后的气体进入第二膨胀机膨胀做功，第二膨胀机的排气作为喷射器的被引射流体，闪蒸罐的液体作为喷射器的工作流体，两流体经喷射器混合扩压后进入第二冷凝器，形成循环回路。
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