CN111520202B - 一种冷凝解耦与梯级蒸发耦合冷热电联产系统 - Google Patents

一种冷凝解耦与梯级蒸发耦合冷热电联产系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种冷凝解耦与梯级蒸发耦合冷热电联产系统，包括第一蒸发器、第一膨胀机、第二膨胀机、冷凝器、第一流量计、第一工质泵、第二蒸发器、第二流量计、第二工质泵、第三流量计、测功机、换热器、第四流量计、第五流量计、节流阀、第三蒸发器、压缩机、第六流量计、第七流量计、空压机、空气冷却器、第三膨胀机。本系统将ORC发电系统、蒸气压缩制冷系统、冷凝与环境解耦冷却系统和供热系统四个子系统相结合。ORC发电系统、蒸气压缩制冷系统、冷凝与环境解耦冷却系统通过共用冷凝器耦合在一起，且蒸气压缩制冷系统与ORC发电系统可以共用同一种有机工质，实现了冷凝解耦、梯级蒸发与非共沸混合工质变温相变三者相耦合。

Description

一种冷凝解耦与梯级蒸发耦合冷热电联产系统
技术领域
本发明属于热能工程领域，具体是一种冷凝解耦与梯级蒸发耦合冷热电联产系统。
背景技术
有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，简称ORC)是利用有机物工质作为热力循环的一种方式，以地热能、太阳能或其它低品位热源对有机工质进行加热产生蒸气，从而推动汽轮发电机组发电。有机朗肯循环的热源流体入口温度通常在80℃以上，蒸发器是ORC中产生不可逆损失最大的部件，尤其是在热源流体进出口焓降较高的情况下，蒸发器的不可逆损失将会进一步增大。因此合理的设置多级蒸发器，使热源流体与各级蒸发器进行连接，使液态工质在各级蒸发器中被加热为不同压力的饱和或过热蒸气，由此实现热源与工质之间良好的温度匹配。
溴化锂吸收式制冷循环不需要压缩机为循环提供动力，也就相应地减少了系统电能的输入，并且排出的余热作为ORC低压蒸发器的辅助热源提高了ORC的蒸发负荷，并增大了净发电功率。
利用冷热电联产系统可以节约能源、保护环境，具有极高的经济与社会效益，是可持续发展在能源领域的必然选择。但是，目前的冷热电联产系统多是以燃气轮机与蒸汽朗肯循环及吸收式制冷结合进行冷热电三联，虽然燃料的燃烧可以得到高品位的能量，但是系统的排热温度仍较高，并不能物尽其用。与此同时，化石燃料的燃烧也对环境造成了一定程度的污染。
利用有机朗肯循环发电则能很好的避免传统冷热电联产系统的问题。中低温热源在生活中常见且易于得到，虽然其品味不高，但是储量巨大，可以作为联产系统的热源。同时由于利用了有机工质，有机朗肯循环对于热源的最低温度的要求降低了很多，通过选用合适的工质，可以将有机朗肯循环很好的与中低温热源相匹配，再结合吸收式制冷，则可以高效的提供冷量、热量和电量，物尽其用的同时又节能环保。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种冷凝解耦与梯级蒸发耦合冷热电联产系统。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种冷凝解耦与梯级蒸发耦合冷热电联产系统，其特征在于该系统包括第一蒸发器、第一膨胀机、第二膨胀机、冷凝器、第一流量计、第一工质泵、第二蒸发器、第二流量计、第二工质泵、第三流量计、测功机、换热器、第四流量计、第五流量计、节流阀、第三蒸发器、压缩机、第六流量计、第七流量计、空压机、空气冷却器、第三膨胀机；
所述第一蒸发器的热源入口与外界热源连通，热源出口通过第三流量计与第二蒸发器的热源入口连通，工质出口与第一膨胀机的入口连通；第一膨胀机的出口与第二膨胀机的入口连通；第二膨胀机的出口与冷凝器的工质入口连通；冷凝器的进风口与第三膨胀机的出口连通，出风口用于送风；冷凝器的工质出口分别通过第一流量计与第一工质泵的入口连通以及通过第五流量计与节流阀的入口连通；
第一工质泵的出口与第二蒸发器的工质入口连通；第二蒸发器的工质第一出口与第二膨胀机的入口连通；第二蒸发器的工质第二出口通过第二流量计与第二工质泵的入口连通，第二工质泵的出口与第一蒸发器的工质入口连通；第二蒸发器的热源出口与换热器的热源入口连通，换热器的热源出口将换热后的热源排到外界；换热器的供热入口通过第四流量计与外界水源连通，供热出口用于提供热量；
节流阀的出口与第三蒸发器的工质入口连通；第三蒸发器的冷冻水入口通过第六流量计与冷冻水回水连通，冷冻水出口用于提供冷量；第三蒸发器的工质出口与压缩机的入口连通，压缩机的出口与冷凝器的工质入口连通；
空压机的入口通过第七流量计与室外空气连通，空压机的出口与空气冷却器的入口连通；空气冷却器的出口与第三膨胀机的入口连通，且空压机和第三膨胀机同轴连接。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)在系统设计方面，本系统将ORC发电系统、蒸气压缩制冷系统、冷凝与环境解耦冷却系统和供热系统四个子系统相结合。ORC发电系统、蒸气压缩制冷系统、冷凝与环境解耦冷却系统通过共用冷凝器耦合在一起，且蒸气压缩制冷系统与ORC发电系统可以共用同一种有机工质，实现了冷凝解耦、梯级蒸发与非共沸混合工质变温相变三者相耦合，使整个系统结构紧凑、易于调节和控制。
(2)针对有机朗肯循环冷凝温度相对较高的特点，将冷凝解耦与变工质流量梯级蒸发应用到有机朗肯循环中，实现了冷凝与环境解耦及变工质流量梯级蒸发协同，提升有机朗肯循环热电转换性能，并在发电的同时达到制冷和供热的目的，实现冷热电联产，从而达到改善单纯有机朗肯循环发电性能较差的问题。
(3)在系统动态调控方面，实现了非共沸混合工质组分调节与变工质流量梯级蒸发控制耦合的动态调控方法，实现工质流量主动调控与混合工质组分被动调节协同，获得与用户侧负荷需求匹配的系统动态运行方法。
(4)以地热能、太阳能等中低品位能源作为系统的热源，节能环保。
(5)本系统将与第一蒸发器换热后的热源再与第二蒸发器相连，第二蒸发器进行换热后的热源再与换热器相连，可根据建筑用户的需要，用于冬季供暖或全年供热水。基于热源流体的变温特性，考虑不同热源品位及热源可利用温差，对热源采取分温度段利用的方式，实现了能量的梯级利用。
(6)针对中低温热能驱动有机朗肯循环性能相对较差的问题，本系统的冷凝器中使用的冷却介质不是冷却水，而是以膨胀后温度较低的压缩空气取代以冷却水作为有机朗肯循环的冷源，使整个系统更加经济、高效、环保、安全。
附图说明
图1为本发明的整体部件连接示意图。
图中：1-第一蒸发器；2-第一膨胀机；3-第二膨胀机；4-冷凝器；5-第一流量计；6-第一工质泵；7-第二蒸发器；8-第二流量计；9-第二工质泵；10-第三流量计；11-测功机；12-换热器；13-第四流量计；14-第五流量计；15-节流阀；16-第三蒸发器；17-压缩机；18-第六流量计；19-第七流量计；20-空压机；21-空气冷却器；22-第三膨胀机。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种冷凝解耦与梯级蒸发耦合冷热电联产系统(简称系统，参见图1)，其特征在于该系统分为ORC发电系统、蒸气压缩制冷系统、冷凝与环境解耦冷却系统和供热系统四个子系统；包括第一蒸发器1、第一膨胀机2、第二膨胀机3、冷凝器4、第一流量计5、第一工质泵6、第二蒸发器7、第二流量计8、第二工质泵9、第三流量计10、测功机11、换热器12、第四流量计13、第五流量计14、节流阀15、第三蒸发器16、压缩机17、第六流量计18、第七流量计19、空压机20、空气冷却器21、第三膨胀机22；
所述ORC发电系统包括第一蒸发器1、第一膨胀机2、第二膨胀机3、冷凝器4、第一流量计5、第一工质泵6、第二蒸发器7、第二流量计8、第二工质泵9、第三流量计10和测功机11；所述蒸气压缩制冷系统包括冷凝器4、第五流量计14、节流阀15、第三蒸发器16、压缩机17和第六流量计18；冷凝与环境解耦冷却系统包括冷凝器4、第七流量计19、空压机20、空气冷却器21和第三膨胀机22；所述供热系统包括换热器12和第四流量计13；
所述第一蒸发器1的热源入口与中低温热源连通，热源出口与第三流量计10的入口连通，工质出口与第一膨胀机2的入口连通；第一膨胀机2的出口与第二膨胀机3的入口连通，且第一膨胀机2、第二膨胀机3和测功机11同轴连接；第二膨胀机3的出口与冷凝器4的工质入口连通；冷凝器4的进风口与第三膨胀机22的出口连通，接收第三膨胀机22的出口排出的冷却风源；冷凝器4的出风口作为空调系统或冷库的送风；冷凝器4的工质出口通过三通分别与第一流量计5的入口和第五流量计14的入口连通；
第一流量计5的出口与第一工质泵6的入口连通，第一工质泵6的出口与第二蒸发器7的工质入口连通；第二蒸发器7的工质第一出口与第二膨胀机3的入口连通；第二蒸发器7的工质第二出口与第二流量计8的入口连通，第二流量计8的出口与第二工质泵9的入口连通，第二工质泵9的出口与第一蒸发器1的工质入口连通；第二蒸发器7的热源入口与第三流量计10的出口连通；第二蒸发器7的热源出口与换热器12的热源入口连通，换热器12的热源出口用于换热后的热源排出到外界环境中；换热器12的供热入口通过第四流量计13与外界水源连通，供热出口可与供热设备(本实施例是用户采暖设备)连通，用于提供热量或提供热水；
第五流量计14的出口与节流阀15的入口连通，节流阀15的出口与第三蒸发器16的工质入口连通；第三蒸发器16的冷冻水入口通过第六流量计18与制冷设备的冷冻水回水连通，冷冻水出口与制冷设备(本实施例是室内空调设备)连通，用于提供冷量；第三蒸发器16的工质出口与压缩机17的入口连通，压缩机17的出口与冷凝器4的工质入口连通；
第七流量计19的入口通过管道与室外空气连通，第七流量计19的出口与空压机20的入口连通，空压机20的出口与空气冷却器21的入口连通；空气冷却器21的出口与第三膨胀机22的入口连通，且空压机20和第三膨胀机22同轴连接。
第三蒸发器16位于节流阀15的上方。
本发明的工作原理和工作流程是：
中低温热源进入第一蒸发器1中，与第一蒸发器1中的液态有机工质换热，换热后的液态有机工质变成气态有机工质；换热后的热源从第一蒸发器1流出，通过第三流量计10流入第二蒸发器7中，与第二蒸发器7进行换热；换热后的热源从第二蒸发器7流出，热源的余热再与换热器12进行换热，换热后的热量可供用户采暖使用；
气态有机工质从第一蒸发器1流出，进入第一膨胀机2内，驱动第一膨胀机2内的汽轮转动；然后气态有机工质从第一膨胀机2流出，进入第二膨胀机3内，驱动第二膨胀机3内的汽轮转动，使得第一膨胀机2和第二膨胀机3内的焓降转化为机械功，带动测功机11运行，使其产生电能；
从第二膨胀机3排出的气态有机工质进入冷凝器4，与由第三膨胀机22的出口排出的冷却风源在冷凝器4中进行换热；换热后的风源从冷凝器4排出可用于用户的空调系统或冷库的送风；换热后的气态有机工质冷凝成饱和液态有机工质，分为两部分从冷凝器4流出；
从冷凝器4流出的一部分饱和液态有机工质经过第一流量计5流入第一工质泵6中，被第一工质泵6加压，送入到第二蒸发器7中，与第二蒸发器7内的热源进行换热；换热后，一部分液态有机工质变为饱和气态有机工质，另一部分没有变化还是液态有机工质；饱和气态有机工质从第二蒸发器7中流出，进入到第二膨胀机3内；液态有机工质从第二蒸发器7流出，经过第二流量计8流入第二工质泵9中，被第二工质泵9加压，送入到第一蒸发器1中完成有机朗肯循环；
从冷凝器4流出的另一部分饱和液态有机工质经过第五流量计14流入到节流阀15中，绝热节流后变为气态有机工质，气态有机工质向上流入第三蒸发器16中，与进入第三蒸发器16的冷冻水换热；换热后的冷冻水可用于提供室内空调的冷量；换热后的气态有机工质变为饱和态或过热态，从第三蒸发器16流出，送入到压缩机17内被压缩成高温高压的有机蒸汽后，从压缩机17流出，进入冷凝器4内，完成蒸气压缩制冷循环；
室外空气通过第七流量计19进入到空压机20内，被压缩成高温高压的空气后，从空压机20排出，进入空气冷却器21，被空气冷却器21冷却为常温高压的气体后，从空气冷却器21排出，进入第三膨胀机22；常温高压的气体在第三膨胀机22内膨胀后变为低温常压的气体，进入到冷凝器4内，作为ORC发电系统和蒸气压缩制冷系统的冷源，由于第三膨胀机22排出的空气温度明显低于环境温度，因此，实现了ORC发电系统和蒸气压缩制冷系统的冷凝过程与环境状态之间的解耦。
整个系统使用的有机工质为低沸点纯工质或非共沸混合工质。
实施例
室外空气经过空压机20、空气冷却器21和第三膨胀机22后温度降低(本实施例是降温至5℃)，可以明显低于环境温度(本实施例的环境温度为20℃)，从而实现了ORC发电系统和蒸气压缩制冷系统的冷凝过程与环境状态之间的解耦；将降温的空气作为ORC发电系统和蒸气压缩制冷系统的冷源，可以降低冷凝器4中的工质的冷凝温度，提高了ORC发电系统的发电性能；还降低了蒸气压缩制冷系统的压力比和耗功，进而提高了蒸气压缩制冷系统的性能系数；在夏季室外干球温度为32.5℃和湿球温度为29.6℃、中低温热源温度100℃和冷冻水出水温度为7℃的工况条件下，ORC发电系统的输出功率增加了15～25％，蒸气压缩制冷系统的性能系数提高了25～40％。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (3)

1.一种基于ORC的冷凝解耦与梯级蒸发耦合冷热电联产系统，其特征在于该系统包括第一蒸发器、第一膨胀机、第二膨胀机、冷凝器、第一流量计、第一工质泵、第二蒸发器、第二流量计、第二工质泵、第三流量计、测功机、换热器、第四流量计、第五流量计、节流阀、第三蒸发器、压缩机、第六流量计、第七流量计、空压机、空气冷却器、第三膨胀机；
所述第一蒸发器的热源入口与外界热源连通，热源出口通过第三流量计与第二蒸发器的热源入口连通，工质出口与第一膨胀机的入口连通；第一膨胀机的出口与第二膨胀机的入口连通；第二膨胀机的出口与冷凝器的工质入口连通；冷凝器的进风口与第三膨胀机的出口连通，出风口用于送风；冷凝器的工质出口分别通过第一流量计与第一工质泵的入口连通以及通过第五流量计与节流阀的入口连通；
第一工质泵的出口与第二蒸发器的工质入口连通；第二蒸发器的工质第一出口与第二膨胀机的入口连通；第二蒸发器的工质第二出口通过第二流量计与第二工质泵的入口连通，第二工质泵的出口与第一蒸发器的工质入口连通；第二蒸发器的热源出口与换热器的热源入口连通，换热器的热源出口将换热后的热源排到外界；换热器的供热入口通过第四流量计与外界水源连通，供热出口用于提供热量；
节流阀的出口与第三蒸发器的工质入口连通；第三蒸发器的冷冻水入口通过第六流量计与冷冻水回水连通，冷冻水出口用于提供冷量；第三蒸发器的工质出口与压缩机的入口连通，压缩机的出口与冷凝器的工质入口连通；
空压机的入口通过第七流量计与室外空气连通，空压机的出口与空气冷却器的入口连通；空气冷却器的出口与第三膨胀机的入口连通，且空压机和第三膨胀机同轴连接。
2.根据权利要求1所述的基于ORC的冷凝解耦与梯级蒸发耦合冷热电联产系统，其特征在于第三蒸发器位于节流阀的上方。
3.根据权利要求1所述的基于ORC的冷凝解耦与梯级蒸发耦合冷热电联产系统，其特征在于第一膨胀机、第二膨胀机和测功机同轴连接。
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