CN111878184A - 一种优先供热的两级有机朗肯循环热电联供系统及调控方法 - Google Patents

一种优先供热的两级有机朗肯循环热电联供系统及调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种优先供热的两级有机朗肯循环热电联供系统及调控方法，属于能源技术领域。包括余热换热单元、导热油分配及控制单元、供热单元、第一有机朗肯循环发电单元和第二有机朗肯循环发电单元，余热换热单元将中温的烟气余热能量进行一级换热至导热油，导热油由导热油分配及控制单元分配至供热单元和第一有机朗肯循环发电单元，供热单元和第一有机朗肯循环发电单元并联工作，与导热油换热后的烟气余热进入第二有机朗肯循环发电单元进行二级发电。通过一级换热得到高温热量，通过导热油分配及控制系统优先满足供热系统的电负荷，达到优先稳定供热的目的，剩余热量再通过两个有机朗肯循环发电系统进行两级发电，实现更优热电联供比例。

Description

一种优先供热的两级有机朗肯循环热电联供系统及调控方法
技术领域
本发明属于能源技术领域，涉及一种优先供热的两级有机朗肯循环热电联供系统及调控方法。
背景技术
工业余热的回收利用具有重大意义，热电联供技术利用热交换回收热能的同时还可以将部分热能转化成电能，是余热回收中的主要工艺。有机朗肯循环(ORC)采用低沸点的有机工质进行热功转化，在回收200℃以下低温余热方面，有机朗肯循环和蒸汽朗肯循环相比更有优势。且ORC系统具有结构紧凑、启停方便、负荷适应性好及维护费用低。ORC低温余热发电技术相对成熟，已有许多利用有机朗肯循环回收中低温热能的应用实例报道，如利用油田地热发电的有机朗肯循环机组，以及采用有机工质朗肯循环系统对150℃左右水泥窑余热烟气及水泥窑筒体辐射余热进行回收发电。
大多数热电联供的余热回收系统为保证ORC系统平稳运行，采用优先供电模式，这会导致供热波动，同时也无法满足特定变化的供热需求。此外，冬夏季烟气热源也可能产生波动，这就需要余热回收利用系统具有一定的调节能力。但是，当前已有的余热回收利用系统还未见能够通过合理调节热源达到优先供热目的的相关报道。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种优先供热的两级有机朗肯循环热电联供系统，该系统能够根据供热需求，在热源变动下通过热源调节控制系统合理分配供热和供电的热源，达到优先供热的目的。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开的一种优先供热的两级有机朗肯循环热电联供系统，包括余热换热单元、导热油分配及控制单元、供热单元、第一有机朗肯循环发电单元和第二有机朗肯循环发电单元；
所述导热油分配及控制单元包括计算机、两个导热油分配电磁阀、第一温度传感器、第二温度传感器和导热油泵；两个导热油分配电磁阀入口端与余热换热单元连接，其中一个导热油分配电磁阀的出口端与供热单元相连，另一个导热油分配电磁阀的出口端与第一有机朗肯循环发电单元相连，计算机分别与第一温度传感器和第二温度传感器相连，第一温度传感器用于探测导热油与烟气换热后出口温度，第二温度传感器探测导热油与烟气换热前进口温度；导热油分别通过供热单元和第一有机朗肯循环发电单元后，合流通过导热油泵连接至余热换热单元的导热油进口；
余热换热单元将中温的烟气余热能量进行一级换热至导热油，导热油经由导热油分配及控制单元分配至供热单元和第一有机朗肯循环发电单元，供热单元和第一有机朗肯循环发电单元并联工作，与导热油换热后的烟气余热进入第二有机朗肯循环发电单元进行二级发电。
优选地，所述余热换热单元设置烟气换热器，烟气换热器的导热油出口端与两个导热油分配电磁阀的入口端相连，导热油泵的出口端与烟气换热器的导热油进口端相连。
进一步优选地，所述烟气换热器采用板式换热器。
优选地，所述供热单元设置换热器，由其中一个导热油分配电磁阀分配至供热单元的导热油通过换热器换热，换热器的出口端与通过导热油泵连接至换热单元导热油进口。
优选地，所述第一有机朗肯循环发电单元包括第一蒸发器、第一膨胀机、第一冷凝器、第一循环工质泵、第一循环工质泵和第一发电机；所述第一蒸发器冷端、第一膨胀机、第一冷凝器热端、第一储液罐及第一循环工质泵依次连接形成有机工质循环回路；所述第一膨胀机通过轴连器连接第一发电机构成第一膨胀机发电机组，第一蒸发器高温流体侧入口与导热油分配及控制单元相连，第一冷凝器低温流体侧外接自来水供给端。
进一步优选地，所述第二有机朗肯循环发电单元包括第二蒸发器、第二膨胀机、第二冷凝器、第二储液罐、第二循环工质泵和第二发电机；所述第二蒸发器冷端、第二膨胀机、第二冷凝器热端、第二储液罐及第二循环工质泵依次连接形成有机工质循环回路；所述第二膨胀机通过轴连器连接第二发电机构成第二膨胀机发电机组，第二蒸发器高温流体侧入口与余热换热单元相连，第二冷凝器低温流体侧外接自来水供给端。
优选地，第一有机朗肯循环发电单元和第二有机朗肯循环发电单元均采用R245fa作为循环工质。
进一步优选地，第一膨胀机第二膨胀机均采用螺杆膨胀机。
本发明还公开了基于上述的优先供热的两级有机朗肯循环热电联供系统的调控方法，包括：
优先满足供热负荷：根据供热需求的主要部分的导热油先流入供热单元中，剩余的导热油进入第一有机朗肯循环发电单元；
导热油的流量由导热油分配及控制单元确认：计算机根据供热段热负荷，以及第一温度传感器、第二温度传感器反馈的进油温度和回油温度进行计算，通过两个导热油分配电磁阀实现控制；
二级发电：与导热油换热后的烟气余热进入第二有机朗肯循环发电单元进行二级发电。
优选地，余热换热单元对烟气进行一级利用，烟气余热先通过余热换热单元与导热油进行一级换热，导热油吸收热量后进入导热油分配及控制单元；
当热源温度<300℃时，余热换热单元回收热源的大部分能量，这时换热后的烟气温度低，剩余热量无法利用，二级有机朗肯循环单元均关闭；
当热源温度处于300～600℃时，烟气温度较高，一级回收的能量用于热电联供后，剩余热量通过二级有机朗肯循环单元进行补充发电。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开的优先供热的两级有机朗肯循环热电联供系统，包括余热换热单元、导热油分配及控制单元、供热单元、第一有机朗肯循环发电单元和第二有机朗肯循环发电单元，余热换热单元将中温的烟气余热能量进行一级换热至导热油，导热油由导热油分配及控制单元分配至供热单元和第一有机朗肯循环发电单元，供热单元和第一有机朗肯循环发电单元并联工作，与导热油换热后的烟气余热进入第二有机朗肯循环发电单元进行二级发电。通过一级换热得到高温热量，通过导热油分配及控制系统优先满足供热系统的电负荷，达到优先稳定供热的目的，剩余热量再通过两个有机朗肯循环发电系统进行两级发电，实现更优热电联供比例。因此，本发明的系统可根据供热需求，在热源变动下通过热源调节控制系统合理分配供热系统和供电系统的热源，达到优先供热的目的，具有供热、供电、热电联供三种模式。
进一步地，有机朗肯循环工质应无毒、不易燃、不易爆、化学性质稳定、环保，通过分析，本发明的两个有机朗肯循环发电单元都采用R245fa作为循环工质。螺杆膨胀机等熵效率较高，且动平衡性好、简单可靠、无易损件，所述的两个有机朗肯循环发电系统都采用螺杆膨胀机。
基于本发明上述系统的调控方法，优势在于：第一，可根据烟气热源的变化，选择一级或两级回收利用，通过一级换热得到高温热量，达到优先满足供热需求。第二，可根据供热需求变化，以热定电优先满足热负荷。通过导热油分配及控制系统优先满足供热系统的电负荷，剩余热量再通过两个有机朗肯循环发电系统进行发电，实现更优热电联供比例。
附图说明
图1为本发明提供的优先供热的两级有机朗肯循环热电联供系统的结构示意图；
其中：虚线框分别为：1、余热换热单元；2、导热油分配及控制单元；3、供热单元；4、第一有机朗肯循环发电单元；5、第二有机朗肯循环发电单元；
具体地：101、烟气换热器；201、导热油分配电磁阀；202、计算机；203、第一温度传感器；204、第二温度传感器；205、导热油泵；301、换热器；401、第一蒸发器；402、第一膨胀机；403、第一冷凝器；404、第一储液罐；405、第一循环工质泵；406、第一发电机；501、第二蒸发器；502、第二膨胀机；503、第二冷凝器；504、第二储液罐；505、第二循环工质泵；506、第二发电机。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明公开的一种优先供热的两级有机朗肯循环热电联供系统，包括五个子系统：余热换热单元1、导热油分配及控制单元2、供热单元3、第一有机朗肯循环发电单元4和第二有机朗肯循环发电单元5。所述余热换热单元1将中温的烟气余热能量进行一级换热至导热油，导热油由导热油分配及控制单元2分配至供热单元3和第一有机朗肯循环发电单元4，供热单元3和第一有机朗肯循环发电单元4并联工作，与导热油换热后的烟气余热进入第二有机朗肯循环发电单元5进行二级发电。
所述余热换热单元1中先通过烟气换热器101与导热油进行一级换热，导热油吸收热量后进入导热油分配及控制单元2，所述烟气换热器101为板式换热器。
所述供热单元3设置换热器301，由其中一个导热油分配电磁阀201分配至供热单元3的导热油通过换热器301换热，换热器301的出口端与通过导热油泵205连接至换热单元1导热油进口。
所述第一有机朗肯循环发电单元4包括第一蒸发器401、第一膨胀机402、第一冷凝器403、第一循环工质泵404、第一循环工质泵405和第一发电机406；所述第一蒸发器401冷端、第一膨胀机402、第一冷凝器403热端、第一储液罐404及第一循环工质泵405依次连接形成有机工质循环回路；所述-第一膨胀机402通过轴连器连接第一发电机406构成第一膨胀机发电机组，第一蒸发器401高温流体侧入口与导热油分配及控制单元2相连，第一冷凝器403低温流体侧-外接自来水供给端。
所述第二有机朗肯循环发电单元5包括第二蒸发器501、第二膨胀机502、第二冷凝器503、第二储液罐504、第二循环工质泵505和第二发电机506；所述第二蒸发器501冷端、第二膨胀机502、第二冷凝器503热端、第二储液罐504及第二循环工质泵505依次连接形成有机工质循环回路；所述第二膨胀机502通过轴连器连接第二发电机506构成第二膨胀机发电机组，第二蒸发器501热端为与导热油换热后的烟气余热热源，第二冷凝器503低温流体侧-外接自来水供给端。
余热换热单元1对烟气进行一级利用，烟气余热先通过烟气换热器101与导热油进行一级换热，导热油吸收热量后进入导热油分配及控制系统2。当热源温度较低<300℃时，烟气换热器需要回收热源的大部分能量，这时换热后的烟气温度较低，剩余热量难以利用，二级有机朗肯循环单元关闭。当热源温度较高300-600℃时，从余热回收系统出来的烟气温度较干，一级回收的能量用于热电联供后，剩余热量可通过二级有机朗肯循环补充发电。
导热油分配及控制单元2可以分配得到热量的导热油进入供热单元3和第一有机朗肯循环单元4，它由两个导热油分配电磁阀201、计算机202、第一温度传感器203、第二温度传感器204、导热油泵205组成。第一传感器203探测导热油与烟气换热后出口温度，第二温度传感器204探测导热油与烟气换热前进口温度。计算机202采用工业控制计算机，其接受温度传感器反馈的温度，根据供热需求，计算出所需导热油流量。最后控制导热油分配电磁阀201工作，分配进入供热单元3和第一有机朗肯循环发电单元4的导热油流量。
所述导热油分配及控制单元2的分配与控制策略为：优先满足供热负荷，及导热油主要流入供热单元3，剩余导热油进入第一有机朗肯循环发电单元4。导热油的流量可以由计算机202根据供热端热负荷，和第一、第二温度传感器反馈的进油温度和回油温度进行计算，通过导热油分配电磁阀201控制。同时，计算机202还可以根据不同季节的温度变化设置控制策略，以满足热源变动下的稳定供热。
所述供热系统3主要通过换热器301提供稳定热能。
本实施例提供的第一有机朗肯循环发电单元4与第二有机朗肯循环发电单元5中，工质依次流过第一蒸发器401或第二蒸发器501进行等压加热获得热量，加热后的工质进入第一膨胀机402或第二膨胀机502进行绝热膨胀，带动第一发电机406或第二发电机506旋转发电，膨胀后的工质进入第一冷凝器403或第二冷凝器503进行等压放热，将热量传递给冷凝水后进入第一储液罐404或第二储液罐504，最后再通过第一循环工质泵405或第二循环工质泵505绝热压缩回到第一蒸发器401或第二蒸发器505。
本实施例两个有机朗肯循环发电单元都采用采用R245fa作为循环工质，在热源温度为150℃-250℃时，蒸发温度100℃-150℃，冷凝温度35℃-50℃，过热度1℃-5℃、过冷度1℃-20℃，节点温差5℃-20℃，膨胀机等熵效率由膨胀机性能决定，约为60-85％，采用螺杆式膨胀机时效率可达70％。在此参数下，有机朗肯循环发电系统效率可达到10％左右。
本实施例可根据烟气热源的变化，选择一级或两级回收利用。其中一级换热得到稳定高温热量，达到优先满足供热需求。同时还可以可根据供热需求变化，以热定电优先满足热负荷。通过导热油分配及控制系统优先满足供热系统的电负荷，剩余热量再通过两个有机朗肯循环发电系统进行发电，实现更优热电联供比例。
本发明的系统可根据供热需求，在热源变动下通过热源调节控制系统合理分配供热系统和供电系统的热源，达到优先供热的目的，具有供热、供电、热电联供三种模式：
在供热需求大于或等于烟气可回收能量时，系统为供热模式：第一有机朗肯循环发电单元与第二有机朗肯循环发电单元均不工作，导热油分配及控制单元将与烟气换热后的但热油全部送至供热系统供热。
在供热需求较小时，系统为热电联供模式：当热源温度<300℃时，通过余热换热单元进行一级利用，导热油分配及控制单元调控供热系统和第一有机朗肯循环发电单元进行热电联供，二级有机朗肯循环单元关闭；当热源温度处于300～600℃时，一级回收的能量用于热电联供后，剩余热量通过二级有机朗肯循环单元进行补充发电。
在无供热需求情况下，系统为供电模式：当热源温度处于300～600℃时，通过两级有机朗肯循环进行循环发电。当热源温度<300℃，可关闭一级换热单元，直接将烟气通入第二有机朗肯循环发电单元供电。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种优先供热的两级有机朗肯循环热电联供系统，其特征在于，包括余热换热单元(1)、导热油分配及控制单元(2)、供热单元(3)、第一有机朗肯循环发电单元(4)和第二有机朗肯循环发电单元(5)；
所述导热油分配及控制单元(2)包括计算机(202)、两个导热油分配电磁阀(201)、第一温度传感器(203)、第二温度传感器(204)和导热油泵(205)；两个导热油分配电磁阀(201)入口端与余热换热单元(1)连接，其中一个导热油分配电磁阀(201)的出口端与供热单元(3)相连，另一个导热油分配电磁阀(201)的出口端与第一有机朗肯循环发电单元(4)相连，计算机(202)分别与第一温度传感器(203)和第二温度传感器(204)相连，第一温度传感器(203)用于探测导热油与烟气换热后出口温度，第二温度传感器(204)探测导热油与烟气换热前进口温度；导热油分别通过供热单元(3)和第一有机朗肯循环发电单元(4)后，合流通过导热油泵(205)连接至余热换热单元(1)的导热油进口；
余热换热单元(1)将中温的烟气余热能量进行一级换热至导热油，导热油经由导热油分配及控制单元(2)分配至供热单元(3)和第一有机朗肯循环发电单元(4)，供热单元(3)和第一有机朗肯循环发电单元(4)并联工作，与导热油换热后的烟气余热进入第二有机朗肯循环发电单元(5)进行二级发电。
2.根据权利要求1所述的优先供热的两级有机朗肯循环热电联供系统，其特征在于，所述余热换热单元(1)设置烟气换热器(101)，烟气换热器(101)的导热油出口端与两个导热油分配电磁阀(201)的入口端相连，导热油泵(205)的出口端与烟气换热器(101)的导热油进口端相连。
3.根据权利要求2所述的优先供热的两级有机朗肯循环热电联供系统，其特征在于，所述烟气换热器(101)采用板式换热器。
4.根据权利要求1所述的优先供热的两级有机朗肯循环热电联供系统，其特征在于，所述供热单元(3)设置换热器(301)，由其中一个导热油分配电磁阀(201)分配至供热单元(3)的导热油通过换热器(301)换热，换热器(301)的出口端与通过导热油泵(205)连接至换热单元(1)导热油进口。
5.根据权利要求1所述的优先供热的两级有机朗肯循环热电联供系统，其特征在于，所述第一有机朗肯循环发电单元(4)包括第一蒸发器(401)、第一膨胀机(402)、第一冷凝器(403)、第一循环工质泵(404)、第一循环工质泵(405)和第一发电机(406)；所述第一蒸发器(401)冷端、第一膨胀机(402)、第一冷凝器(403)热端、第一储液罐(404)及第一循环工质泵(405)依次连接形成有机工质循环回路；所述第一膨胀机(402)通过轴连器连接第一发电机(406)构成第一膨胀机发电机组，第一蒸发器(401)高温流体侧入口与导热油分配及控制单元(2)相连，第一冷凝器(403)低温流体侧外接自来水供给端。
6.根据权利要求5所述的优先供热的两级有机朗肯循环热电联供系统，其特征在于，所述第二有机朗肯循环发电单元(5)包括第二蒸发器(501)、第二膨胀机(502)、第二冷凝器(503)、第二储液罐(504)、第二循环工质泵(505)和第二发电机(506)；所述第二蒸发器(501)冷端、第二膨胀机(502)、第二冷凝器(503)热端、第二储液罐(504)及第二循环工质泵(505)依次连接形成有机工质循环回路；所述第二膨胀机(502)通过轴连器连接第二发电机(506)构成第二膨胀机发电机组，第二蒸发器(501)高温流体侧入口与余热换热单元(1)相连，第二冷凝器(503)低温流体侧外接自来水供给端。
7.根据权利要求1或6所述的优先供热的两级有机朗肯循环热电联供系统，其特征在于，第一有机朗肯循环发电单元(4)和第二有机朗肯循环发电单元(5)均采用R245fa作为循环工质。
8.根据权利要求6所述的优先供热的两级有机朗肯循环热电联供系统，其特征在于，第一膨胀机(402)第二膨胀机(502)均采用螺杆膨胀机。
9.基于权利要求1～8中任意一项所述的优先供热的两级有机朗肯循环热电联供系统的调控方法，其特征在于，包括：
优先满足供热负荷：根据供热需求的主要部分的导热油先流入供热单元(3)中，剩余的导热油进入第一有机朗肯循环发电单元(4)；
导热油的流量由导热油分配及控制单元(2)确认：计算机(202)根据供热段热负荷，以及第一温度传感器(203)、第二温度传感器(204)反馈的进油温度和回油温度进行计算，通过两个导热油分配电磁阀(201)实现控制；
二级发电：与导热油换热后的烟气余热进入第二有机朗肯循环发电单元(5)进行二级发电。
10.如权利要求9所述的基于优先供热的两级有机朗肯循环热电联供系统的调控方法，其特征在于，余热换热单元(1)对烟气进行一级利用，烟气余热先通过余热换热单元(101)与导热油进行一级换热，导热油吸收热量后进入导热油分配及控制单元(2)；
当热源温度<300℃时，余热换热单元(101)回收热源的大部分能量，这时换热后的烟气温度低，剩余热量无法利用，二级有机朗肯循环单元均关闭；
当热源温度处于300～600℃时，烟气温度较高，一级回收的能量用于热电联供后，剩余热量通过二级有机朗肯循环单元进行补充发电。
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