CN111578555A - 蒸汽余热回收压缩制冷系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蒸汽余热回收压缩制冷系统及其工作方法，该蒸汽余热回收压缩制冷系统包括蒸汽余热源单元、ORC余热回收单元以及压缩制冷单元；ORC余热回收单元分别与蒸汽余热源单元和压缩制冷单元相连，ORC余热回收单元用于回收蒸汽余热源单元的蒸汽余热，将蒸汽热能转化为机械能，并用机械能为压缩制冷单元的制冷提供动力。本发明可充分回收蒸汽余热，从而解决了现有余热回收制冷工艺制冷效率低、设备使用寿命短、运行维护费用高等问题，提升了工厂综合能效。

Description

蒸汽余热回收压缩制冷系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及余热回收技术，特别涉及化纤及印染行业中聚酯化纤酯化蒸汽的余热回收技术。

背景技术

在聚酯直纺长纤生产工艺中，乙二醇分离塔塔顶会产生酯化蒸汽，酯化蒸气作为酯化工序的副产物，带走了大量的能量。酯化蒸汽温度一般为100-120℃，压力为常压到微正压。传统工艺采用冷却水换热器，将蒸汽冷凝后作为乙二醇分离塔回流液，导致能量损失，或将此低压蒸汽热能用作溴化锂吸收式制冷机组热源，制取冷冻水，供喷丝工艺冷却用。

溴化锂吸收式制冷机组采用溴化锂溶液作吸收剂，水作为制冷剂，借助于蒸汽的热量作为动力，使溴化锂溶液在高压发生器、低压发生器、冷凝器、吸收器、蒸发器之间不断发生吸收与释放水蒸气的化学过程，从而达到热量迁移、产生冷冻水的目的。溴化锂吸收式制冷机组所有的热量转移的过程都是依靠大温差传热，不可逆传热损失占了溴冷机能源总值的绝大部分，㶲损大。同时溴冷机运行时整机内真空状态极易被破坏而降低制冷效果，且由于乙二醇分离塔顶蒸汽压力较低，此回收工艺所采用的溴化锂机组多为效率较低的单效吸收式制冷机组。

综上所述，采用溴化锂吸收式制冷机组进行酯化蒸汽余热回收制冷的工艺存在制冷效率低、使用寿命短、运行维护费用高、综合能效低等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提出一种蒸汽余热回收压缩制冷系统及其工作方法，其可充分回收需要冷却的蒸汽的余热。

本发明所采取的技术方案是：一种蒸汽余热回收压缩制冷系统，包括蒸汽余热源单元、ORC余热回收单元以及压缩制冷单元；ORC余热回收单元分别与蒸汽余热源单元和压缩制冷单元相连，ORC余热回收单元用于回收蒸汽余热源单元的蒸汽余热，将蒸汽热能转化为机械能，并用机械能为压缩制冷单元的制冷提供动力。

本发明还提供一种蒸汽余热回收压缩制冷系统的工作方法，包括以下步骤：

ORC余热回收单元回收蒸汽余热源单元的蒸汽余热，将蒸汽热能转化为机械能，并将所述机械能传递给压缩制冷单元；

所述压缩制冷单元利用所述机械能作为动力进行制冷。

本发明至少具有以下优点：

在本发明的蒸汽余热回收压缩制冷系统及其工作方法中，通过ORC余热回收单元回收蒸汽余热源单元的蒸汽余热，将蒸汽热能转化为机械能，并用机械能为压缩制冷单元的制冷提供动力，压缩制冷单元无需消耗外部电能，从而解决了现有余热回收制冷工艺制冷效率低、设备使用寿命短、运行维护费用高等问题，提升了工厂综合能效。

附图说明

图1示出了采用冷剂型空调系统的蒸汽余热回收压缩制冷系统的原理图。

图2示出了采用全水型空调系统的蒸汽余热回收压缩制冷系统的原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明，但不作为对本发明的限制。

本实施方式的蒸汽余热回收压缩制冷系统如图1和图2所示，包括蒸汽余热源单元、ORC（Organic Rankine Cycle，有机朗肯循环）余热回收单元和压缩制冷单元。

ORC余热回收单元分别与蒸汽余热源单元和压缩制冷单元相连，ORC余热回收单元用于回收蒸汽余热源单元的蒸汽余热，将蒸汽热能转化为机械能，并用机械能为压缩制冷单元的制冷提供动力。

蒸汽余热源单元包括乙二醇分离塔1、塔顶冷凝器2、凝液罐3、切断阀14及第一调节阀17。

ORC余热回收单元包括第一蒸发器4、膨胀机5、第一冷凝器6、工质缓冲罐7、工质泵8。第一蒸发器4、膨胀机5、第一冷凝器6、工质缓冲罐7和工质泵8通过管路依次连成回路。

压缩制冷单元包括压缩机9、第二冷凝器10、节流元件11、第二蒸发器12以及风机13或空调终端设备13’。压缩机9、第二蒸发器12、节流元件11和第二冷凝器10依次连成回路，制冷剂在它们之间循环流动。本实施例中，压缩机9为制冷空调机组内的压缩机。

在蒸汽余热源单元中，塔顶冷凝器2的余热入口通过第一调节阀17与位于乙二醇分离塔1顶部的第二出口相连，且塔顶冷凝器的余热出口和第一蒸发器4的余热出口分别与凝液罐3的入口连通。循环冷却水在塔顶冷凝器2中流通，塔顶冷凝器2将换热后的塔顶蒸汽从塔顶冷凝器的余热出口排出到凝液罐3。乙二醇分离塔1的第一出口通过切断阀14与ORC余热回收单元中的第一蒸发器4的余热入口连通。

ORC余热回收单元与塔顶冷凝器2并联设置。ORC余热回收单元中，第一蒸发器4的余热入口通过切断阀14连接于蒸汽余热源单元的乙二醇分离塔1上部的第一出口，第一蒸发器4的余热出口（液态水出口）连通于凝液罐3的入口，第一蒸发器4的有机工质入口连通于工质泵8的出口，第一蒸发器4的有机工质出口连通于膨胀机5的入口。膨胀机5的出口连通于第一冷凝器6的有机工质入口。膨胀机5与压缩制冷单元中的压缩机9相连且同轴设置。第一冷凝器6的有机工质出口与工质缓冲罐7的入口相连通，工质缓冲罐7用于储存工质。第一冷凝器6还设置有循环冷却水入口和出口，且在循环冷却水入口处设置有第四调节阀18。工质缓冲罐7的出口连通工质泵8的入口，工质泵8的出口连通第一蒸发器4的有机工质入口。第一旁通管路21连接在工质泵8的出口与工质缓冲罐7的旁通入口之间，在第一旁通管路21上设有第二调节阀15。第二旁通管路22连接在膨胀机5的入口与膨胀机5的出口之间，在第二旁通管路22上设有第三调节阀16。

在压缩制冷单元中，压缩机9与ORC余热回收单元中的膨胀机5相连且同轴设置，通过膨胀机5的同轴驱动压缩做功制冷剂，压缩机9的入口与第二冷凝器10的制冷剂出口相连，出口与第二蒸发器12的制冷剂入口相连。第二冷凝器10还设置有循环冷却水的入口和出口。节流元件11设置在第二蒸发器12的制冷剂出口与第二冷凝器10的制冷剂入口之间，本实施例中，节流元件11为节流阀。如图1采用冷剂型空调系统时，第二蒸发器12还设置有冷风出口和回风入口，通过与风机13的共同作用实现空气循环冷却。如图2采用全水型空调系统时，第二蒸发器12还设置有冷冻水出口和冷冻水入口，分别与空调终端设备13’相连。

膨胀机5和压缩机9可分别采用叶轮式的透平膨胀机和离心压缩机，也可采用容积式的双螺杆膨胀机和双螺杆压缩机，对于双螺杆膨胀机和双螺杆压缩机来说，双螺杆压缩机的阳转子与双螺杆膨胀机的阳转子同轴设置。

此外，即使在本系统中不设置切断阀14、第二调节阀15、第三调节阀16、第一调节阀17、第四调节阀18中的一个或多个，也可以实现本发明最基本的目的。

本实施方式的聚酯化纤酯化蒸汽余热回收压缩制冷系统的工作方法如下所述。

该系统将ORC余热回收单元与塔顶冷凝器2并联设置，来自乙二醇分离塔1塔顶的酯化蒸汽通过切断阀14进入第一蒸发器4，将热量传递给ORC余热回收单元内有机工质后冷凝为液态水进入凝液罐3。

有机工质在第一蒸发器4中吸热后变为高压高温有机工质蒸汽，进入膨胀机5，驱动膨胀机5旋转并带动压缩机9做功。做功后压力和温度均降低的有机工质进入第一冷凝器6，被循环冷却水冷凝为液态进入工质缓冲罐7，工质泵8将工质缓冲罐7内的低温液态工质泵送至第一蒸发器4中进行循环吸热。从而实现将乙二醇分离塔1的塔顶蒸汽余热转换为机械能，并作为压缩制冷系统的能量输入，驱动与膨胀机5同轴的压缩机9运转。另外，制冷系统压缩机还可通过控制膨胀机5的转速实现变频调节。

压缩机9将系统内的做功制冷剂（冷媒介质如R134a、R22等）压缩成液态后通过管道送至第二蒸发器12，吸收热空气（冷剂型空调系统）或水（全水型空调系统）的热量，气化后进入节流阀11降压，继而进入第二冷凝器10 ，经循环冷却水冷凝后再回到压缩机9进行做功。如图1采用冷剂型空调系统时，喷丝车间内高温空气将热量传递给空调制冷剂后温度降低，再通过风机13实现车间内空气循环，保证喷丝车间温度满足工艺需求。如图2采用全水型空调系统时，第二蒸发器12处放热产生的冷冻水先送至喷丝车间，经空调终端设备13’与车间内热空气进行换热和送风。

本实施方式的聚酯化纤酯化蒸汽余热回收压缩制冷系统可实现化纤及印染行业聚酯(PET)生产过程中，回收乙二醇分离塔顶原需要冷却的酯化蒸汽热量来驱动制冷机组压缩机工作制冷，用于聚酯工艺喷丝冷却车间，解决了现有余热回收制冷工艺制冷效率低、设备使用寿命短、运行维护费用高等问题，提升了工厂综合能效。

本实施方式还涉及该蒸汽余热回收压缩制冷系统的以下工作方法，以适用乙二醇分离塔1塔顶蒸汽热负荷和喷丝车间制冷需求的季节性波动工况。

ORC余热回收单元与塔顶冷凝器2并联设置。ORC余热回收单元停运期间及发生故障时，切断阀14关闭，第一调节阀17全开，全部蒸汽进入塔顶冷凝器2；ORC余热回收单元负荷调节时，切断阀14和第一调节阀17都处于打开状态，ORC余热回收单元的负荷增大时，增大切断阀14的开度，减小第一调节阀17的开度，ORC余热回收单元的负荷变小时，减小切断阀14的开度，增加第一调节阀17的开度，从而使不能消耗的多余蒸汽进入塔顶冷凝器2。由此，即使在ORC余热回收单元非正常工作期间，也能保证乙二醇塔顶蒸汽稳定，从而保证聚酯化纤生产工艺的正常进行。

ORC余热回收单元内第一蒸发器4设置低液位报警和高液位报警。当乙二醇分离塔的塔顶蒸汽热量增加或喷丝车间用冷量降低时，触发第一蒸发器4低液位报警，增加第一调节阀17、第三调节阀16以及第四调节阀18的开度，减小第二调节阀15的开度；当乙二醇分离塔的塔顶蒸汽热量减小或喷丝车间用冷量增加时，触发第一蒸发器4高液位报警，减小第一调节阀17、第三调节阀16以及第四调节阀18的开度，增加第二调节阀15的开度。由此，能够调节进入塔顶冷凝器2的蒸汽、进入膨胀机5的有机工质、进入第一冷凝器6的循环冷却水以及回收至工质缓冲罐7的量，从而能够适应乙二醇分离塔1塔顶蒸汽热负荷和喷丝车间制冷需求的季节性波动工况。

本实施方式的聚酯纤维酯化蒸汽余热回收制冷系统及其工作方法至少具有以下优点：

1.系统包括蒸汽余热源单元、ORC余热回收单元以及压缩制冷单元，采用ORC余热回收单元回收蒸汽余热源单元的蒸汽余热，将蒸汽热能转化为机械能，并为压缩制冷单元提供动力，由此能够提高酯化蒸汽余热回收制冷工艺的制冷效率；

2.ORC余热回收单元内膨胀机5的负载为制冷空调机组内的压缩机9，膨胀机5与压缩机9同轴设置，消除了机械连接造成的损失，同时能够降低轴向力；

3.酯化蒸汽经ORC余热回收单元的蒸发器取热后液化为凝结水，排入凝液罐3，进行凝水回收；

4.ORC余热回收单元内，有机工质在第一蒸发器4和第一冷凝器6内为等温相变，实现乙二醇塔顶蒸汽能量转移，传热温差小，不可逆损失小，热能利用率高；

5.ORC余热回收单元与塔顶冷凝器2并联设置，通过对切断阀14和第一调节阀17的控制，即使在ORC余热回收单元非正常工作期间，也能保证乙二醇塔顶蒸汽稳定，从而保证聚酯化纤生产工艺的正常进行，可降低设备运行维护费用；

6．ORC余热回收单元内第一蒸发器4设置低液位报警和高液位报警。当塔顶蒸汽热量或喷丝车间用冷量改变时，触发第一蒸发器4低液位报警或高液位报警，通过调节第一调节阀17、第二调节阀15、第三调节阀16以及第四调节阀18中的一个或多个的开度，能够调节进入塔顶冷凝器2的蒸汽、进入膨胀机5的有机工质、进入第一冷凝器6的循环冷却水以及回收至工质缓冲罐7的量，从而能够适应乙二醇分离塔1塔顶蒸汽热负荷和喷丝车间制冷需求的季节性波动工况；

7.制冷系统采用压缩机制冷机组，压缩机9采用膨胀机5的输出功驱动，不另外消耗外部电能，可提升工厂综合能效；

8.制冷单元的压缩机可通过控制膨胀机5的转速实现变频调节，进一步降低运行能耗；

9.制冷单元内制冷剂在第二蒸发器12和第二冷凝器10内为等温相变，将ORC余热回收单元输出的机械能转化为喷丝车间所需的冷能，传热温差小，不可逆损失小，能量利用率高；

10. 蒸汽余热回收制冷系统可根据车间空间特点及布置要求，采用冷剂式中央空调系统或全水式中央空调系统；

11.针对冷剂式中央空调系统，第二蒸发器12和风机13作为空调终端设备位于喷丝车间内，通过制冷剂直接蒸发吸收车间内空气热量，再结合风机13对车间进行送风。此类系统不需要占用机房面积，节省了建筑面积，且可以满足不同工况空调车间的使用要求；

12.针对全水式中央空调系统，制冷剂在第二蒸发器12内吸热先制取冷冻水，然后将冷冻水输送至喷丝车间空调终端设备进行换热和送风，此类系统压缩机9、第二蒸发器12、节流阀11以及第二冷凝器10均设置在机房，空调终端设备13’设置于喷丝车间；

13.ORC余热回收单元停运或出现故障停机时，蒸汽余热回收制冷系统能自动平稳停机，蒸汽余热回收制冷系统根据喷丝车间用冷负荷反馈信号至ORC余热回收单元进行变工况调节，进而对蒸汽余热源的分配进行调节，易于实现无人值守，大大降低维护管理费用。

以上描述是结合具体实施方式和附图对本发明所做的进一步说明。但是，本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方法来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内容的情况下根据实际使用情况进行推广、演绎，因此，上述具体实施例的内容不应限制本发明确定的保护范围。

Claims (10)

1.一种蒸汽余热回收压缩制冷系统，其特征在于，包括蒸汽余热源单元、ORC余热回收单元以及压缩制冷单元；

所述ORC余热回收单元分别与所述蒸汽余热源单元和所述压缩制冷单元相连，所述ORC余热回收单元用于回收蒸汽余热源单元的蒸汽余热，将蒸汽热能转化为机械能，并用所述机械能为所述压缩制冷单元的制冷提供动力。

2.根据权利要求1所述的蒸汽余热回收压缩制冷系统，其特征在于，所述蒸汽余热源单元包括乙二醇分离塔；

所述ORC余热回收单元包括第一蒸发器、膨胀机、第一冷凝器和工质泵，第一蒸发器、膨胀机、第一冷凝器和工质泵通过管路依次连成回路，所述第一蒸发器的余热入口与乙二醇分离塔的第一出口连通，用于将来自乙二醇分离塔的蒸汽与从所述工质泵流入的工质进行换热；

所述压缩制冷单元包括压缩机，所述压缩机与所述膨胀机同轴设置，由所述膨胀机驱动做功，实现制冷。

3.根据权利要求2所述的蒸汽余热回收压缩制冷系统，其特征在于，所述蒸汽余热源单元包括塔顶冷凝器及凝液罐；

所述塔顶冷凝器的余热入口与乙二醇分离塔的第二出口连通，所述塔顶冷凝器的余热出口和所述第一蒸发器的余热出口分别与所述凝液罐的入口连通。

4.根据权利要求2所述的蒸汽余热回收压缩制冷系统，其特征在于，所述ORC余热回收单元包括工质缓冲罐，所述工质缓冲罐设置在所述第一冷凝器与所述工质泵之间，所述工质缓冲罐的入口与第一冷凝器的有机工质出口连通，所述工质缓冲罐的出口与所述工质泵的入口连通。

5.根据权利要求4所述的蒸汽余热回收压缩制冷系统，其特征在于，所述ORC余热回收单元包括第一旁通管路和第二旁通管路；所述第一旁通管路连接在所述工质泵的出口与所述工质缓冲罐的旁通入口之间，在所述第一旁通管路上设有第二调节阀；所述第二旁通管路连接在所述膨胀机的入口与所述膨胀机的出口之间，在所述第二旁通管路上设有第三调节阀。

6.根据权利要求1所述的蒸汽余热回收压缩制冷系统，其特征在于，所述压缩制冷单元包括第二蒸发器、节流元件和第二冷凝器，所述压缩机、所述第二蒸发器、所述节流元件和所述第二冷凝器依次连成回路。

7.一种蒸汽余热回收压缩制冷系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

ORC余热回收单元回收蒸汽余热源单元的蒸汽余热，将蒸汽热能转化为机械能，并将所述机械能传递给压缩制冷单元；

所述压缩制冷单元利用所述机械能作为动力进行制冷。

8.根据权利要求7所述的蒸汽余热回收压缩制冷系统的工作方法，其特征在于，所述ORC余热回收单元包括膨胀机，所述压缩制冷单元包括压缩机，所述膨胀机与所述压缩机同轴设置。

9.根据权利要求7所述的蒸汽余热回收压缩制冷系统的工作方法，其特征在于，所述蒸汽余热源单元包括乙二醇分离塔、塔顶冷凝器及凝液罐；所述ORC余热回收单元包括第一蒸发器，所述第一蒸发器的余热入口通过切断阀与乙二醇分离塔的第一出口连通，所述塔顶冷凝器的余热入口通过第一调节阀与所述乙二醇分离塔的第二出口连通，所述塔顶冷凝器的余热出口和所述第一蒸发器的余热出口分别与所述凝液罐的入口连通；

通过控制切断阀和第一调节阀，在ORC余热回收单元停运期间及发生故障时，使全部蒸汽进入塔顶冷凝器，或在ORC余热回收单元负荷调节时，使不能消耗的多余蒸汽进入塔顶冷凝器。

10.根据权利要求7所述的蒸汽余热回收压缩制冷系统的工作方法，其特征在于，所述蒸汽余热源单元包括乙二醇分离塔、塔顶冷凝器及凝液罐；所述ORC余热回收单元包括第一蒸发器、膨胀机、第一冷凝器、工质缓冲罐、工质泵、第一旁通管路和第二旁通管路，第一蒸发器、膨胀机、第一冷凝器、工质缓冲罐和工质泵通过管路依次连成回路，所述第一蒸发器的余热入口通过切断阀与乙二醇分离塔的第一出口连通，所述塔顶冷凝器的余热入口通过第一调节阀与所述乙二醇分离塔的第二出口连通，所述塔顶冷凝器的余热出口和所述第一蒸发器的余热出口分别与所述凝液罐的入口连通；所述第一旁通管路连接在所述工质泵的出口与所述工质缓冲罐的旁通入口之间，在所述第一旁通管路上设有第二调节阀；所述第二旁通管路连接在所述膨胀机的入口与所述膨胀机的出口之间，在所述第二旁通管路上设有第三调节阀；所述第一冷凝器中设置有循环冷却水入口和循环冷却水出口，且在循环冷却水入口处设置有第四调节阀；所述第一蒸发器设置低液位报警和高液位报警；

第一蒸发器低液位报警时，增加第一调节阀、第三调节阀以及第四调节阀的开度，减小第二调节阀的开度，第一蒸发器高液位报警时，减小第一调节阀、第三调节阀以及第四调节阀的开度，增加第二调节阀的开度。

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