CN111927588A - 一种实现多能互补型分布式能源系统余热梯级利用的有机朗肯循环发电系统及方法 - Google Patents

一种实现多能互补型分布式能源系统余热梯级利用的有机朗肯循环发电系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种实现多能互补型分布式能源系统余热梯级利用的有机朗肯循环发电系统及方法,本系统包括发电机、膨胀机、冷凝器、工质储存罐、工质循环泵、高温余热系统、中温余热系统、低温余热系统和冷却水系统;高温蓄热罐、中温蓄热罐和低温蓄热罐均与多能互补型分布式能源系统连接;预热器、蒸发器、过热器、膨胀机、冷凝器、工质储存罐和工质循环泵通过连接管路首尾依次连接,并在过热器和膨胀机之间的连接管路上安装主调节阀;所述发电机和膨胀机连接;本系统对余热资源品位的梯级分类利用,将多能互补型分布式能源系统的余热分为高温、中温和低温余热,并将能源系统的富余冷冻水用于冷却有机朗肯循环乏汽,提升有机朗肯循环发电系统出力。

Description

一种实现多能互补型分布式能源系统余热梯级利用的有机朗 肯循环发电系统及方法
技术领域
本发明涉及分布式能源余热利用领域,具体地讲,涉及一种实现多能互补型分布式能源系统余热梯级利用的有机朗肯循环发电系统,尤其适用于具有不同品质余热资源的多能互补型分布式能源系统及方法。
背景技术
目前,分布式能源发电已经成为电力行业供给侧结构性改革的重要举措,它具有接近用户、调节灵活、能源利用率高、环境友好等特点。根据“温度对口、梯级利用”的科学用能思想,内燃机分布式能源系统的能源利用率可达70%以上。即使如此,分布式能源系统的低温余热仍有可以深入挖掘的空间。
有机朗肯循环是一种常见的低温余热回收技术,多能互补型分布式能源系统往往具多种温度梯度的低温余热。例如内燃机、燃气轮机、微型燃机等原动机排烟经烟气型溴化锂、余热锅炉热量回收后,仍具有120-170℃的高温余热;内燃机缸套水具有80-90℃中温余热;烟气-热水换热器回收烟气余热可获得40-70℃的低温余热。各种形式的太阳能热量收集系统也可收集40-200℃的余热资源。
在有机朗肯循环系统中,提升吸热温度和降低放热温度都可以提升有机朗肯循环出力,但是目前对有机朗肯循环系统的研究多集中在两种余热资源耦合互补的有机朗肯循环系统研究上,例如公开号为CN109139157A的专利申请:一种基于有机朗肯循环的太阳能与地热能耦合的发电系统装置,该装置由太阳能集热、地热水、有机朗肯循环、以及冷却水循环等4个子系统组成,能够有效提高系统运行效率和稳定性;此外也有考虑对有机朗肯循环有机工质实现多级加热的,例如公开号为CN108954907A的专利申请:一种生物质和地热能互补有机朗肯循环分布式能源系统,该专利申请中集成了生物质有机朗肯循环和地源热泵两种能源技术,通过系统互补集成实现了两种能源高效利用,总能效率高达70%以上。但是目前还没有一种发电系统是针对多能互补型分布式能源系统本身具有丰富的余热、余冷资源这一特点而设计的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足,而提供一种结构设计合理、系统完善、针对多能互补型分布式能源系统本身具有丰富的余热、余冷资源这一特点而设计的实现多能互补型分布式能源系统余热梯级利用的有机朗肯循环发电系统。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是:一种实现多能互补型分布式能源系统余热梯级利用的有机朗肯循环发电系统,包括发电机、膨胀机、冷凝器、工质储存罐和工质循环泵;其特征在于:还包括高温余热系统、中温余热系统、低温余热系统和冷却水系统;所述高温余热系统由高温蓄热罐、一号隔离阀、过热器和一号循环泵首尾依次连接构成;所述中温余热系统由中温蓄热罐、二号隔离阀、蒸发器和二号循环泵首尾依次连接构成;所述低温余热系统由低温蓄热罐、三号隔离阀、预热器和三号循环泵首尾依次连接构成;所述高温蓄热罐、中温蓄热罐和低温蓄热罐均与多能互补型分布式能源系统连接;所述预热器、蒸发器、过热器、膨胀机、冷凝器、工质储存罐和工质循环泵通过连接管路首尾依次连接,并在过热器和膨胀机之间的连接管路上安装主调节阀;所述发电机和膨胀机连接;所述冷却水系统包括冷却塔、一号冷却泵、二号冷却泵、一号三通阀、二号三通阀和蓄冷罐;所述冷凝器具有冷却水出口和冷却水进口;所述冷却塔和蓄冷罐均具有进口和出口;冷凝器的冷却水出口、冷却塔的进口和蓄冷罐的进口分别接通至一号三通阀的三个接口;冷凝器的冷却水进口、一号冷却泵的出口和二号冷却泵的出口分别接通至二号三通阀的三个接口;所述冷却塔的出口与一号冷却泵的进口接通;所述蓄冷罐的出口与二号冷却泵的进口接通。
优选的,该有机朗肯循环发电系统还设置有一条旁路,所述旁路上安装有旁路隔离阀,旁路的一端连接至主调节阀和膨胀机之间的连接管路上,旁路的另一端连接至膨胀机和冷凝器之间的连接管路上。
优选的,所述高温余热系统用于收集多能互补型分布式能源系统中100-200℃的高温余热并储存在高温蓄热罐中。
优选的,所述中温余热系统用于收集多能互补型分布式能源系统中70-100℃的中温余热并储存在中温蓄热罐中。
优选的,所述低温余热系统用于收集多能互补型分布式能源系统中40-70℃的低温余热并储存在低温蓄热罐中。
优选的,所述工质储存罐中储存的工质采用最佳工作温度为160-200℃的有机工质,选用R600、R245fa和R245ca中的一种。
优选的,所述一号三通阀和二号三通阀均是采用智能控制阀。
优选的,所述发电机选用永磁高速直驱电机,膨胀机选用高速径向透平膨胀机。
优选的,所述蓄冷罐用于收集多能互补型分布式能源系统中的溴化锂制冷机组、冰蓄冷系统或电制冷机组产生的富余冷冻水。
本发明还提供了一种实现多能互补型分布式能源系统余热梯级利用的方法,采用上述的有机朗肯循环发电系统进行实施,其特征在于:步骤如下:
步骤一:高温储热罐、中温储热罐和低温储热罐分别通过各种形式的余热回收装置从多能互补型分布式能源系统中收集100-200℃、70-100℃和40-70℃的余热资源;
步骤二:冷却水系统通过蓄冷罐收集多能互补型分布式能源系统中的溴化锂制冷机组、冰蓄冷系统或电制冷机组产生的富余冷冻水;
步骤三:通过一号三通阀、二号三通阀控制蓄冷罐和冷却塔的冷却水流量分配;
步骤四:工质储存罐中的有机工质经工质循环泵加压后,依次通过预热器、蒸发器和过热器完成三级加热,其加热热源分别来自低温储热罐、中温储热罐和高温储热罐中的余热;
步骤五:当过热器的出口温度、压力符合膨胀机的允许工作参数时,主调节阀开启,膨胀机开始冲转并逐渐升至额定负荷,从而带动发电机旋转产生电能;
步骤六:有机工质经膨胀机做功后变成的乏汽排向冷凝器,经冷却水系统冷却后从气态变成液态并储存在工质储存罐中;工质储存罐的出口与工质循环泵的入口相连,通过工质循环泵加压后继续完成下一个循环。
本发明与现有技术相比,具有以下优点和效果:
1、本系统针对多能互补型分布式能源系统本身具有丰富的余热、余冷资源这一特点而设计的;
2、将多能互补型分布式能源系统的余热资源分成三级:高温,中温和低温余热,其中,高温余热资源100-200℃,中温余热资源70-100℃,低温余热资源40-70℃,设计过热器、蒸发器、预热器分别利用对应的余热资源,提升了有机工质吸热温度;
3、对余热资源品位的梯级分类利用,将多能互补型分布式能源系统的余热分为高温、中温和低温余热,并将多能互补型分布式能源系统的富余冷冻水用于冷却有机朗肯循环乏汽,利用科学用能的思想实现了有机朗肯循环发电系统有机工质吸热温度的升高和放热温度的降低,提升有机朗肯循环发电系统出力;
4、在本系统中,优先采用的高速径向透平+永磁高速直驱电机的发电方案可以提高动力机械发电效率,从而提升技术应用的经济性和竞争力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的结构示意图。
附图标记说明:
高温蓄热罐1;中温蓄热罐2;低温蓄热罐3;
一号隔离阀4;二号隔离阀5;三号隔离阀6;
一号循环泵7;二号循环泵8;三号循环泵9;
过热器10;蒸发器11;预热器12;
工质循环泵13;工质储存罐14;
一号冷却泵18;二号冷却泵15;
一号三通阀20;二号三通阀17;
蓄冷罐16;冷却塔19;冷凝器21;旁路隔离阀22;主调节阀23;
膨胀机24;发电机25。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明,以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例。
参见图1。
本实施例中公开了一种实现多能互补型分布式能源系统余热梯级利用的有机朗肯循环发电系统(以下简称“本系统”),本系统针对多能互补型分布式能源系统本身具有丰富的余热、余冷资源这一特点而设计的。
本系统包括发电机25、膨胀机24、冷凝器21、工质储存罐14和工质循环泵13以及高温余热系统、中温余热系统、低温余热系统和冷却水系统。
本实施例中,高温余热系统由高温蓄热罐1、一号隔离阀4、过热器10和一号循环泵7首尾依次连接构成。中温余热系统由中温蓄热罐2、二号隔离阀5、蒸发器11和二号循环泵8首尾依次连接构成。低温余热系统由低温蓄热罐3、三号隔离阀6、预热器12和三号循环泵9首尾依次连接构成。高温蓄热罐1、中温蓄热罐2和低温蓄热罐3均与多能互补型分布式能源系统连接。一号隔离阀4在高温蓄热罐1工作温度达到定值时允许开启。二号隔离阀5在中温蓄热罐2工作温度达到定值时允许开启。三号隔离阀6在低温蓄热罐3工作温度达到定值时允许开启。
本实施例中,将多能互补型分布式能源系统的余热资源分成三级:高温,中温和低温余热,其中,高温余热资源100-200℃,中温余热资源70-100℃,低温余热资源40-70℃。过热器10、蒸发器11和预热器12分别利用高温,中温和低温余热对应的余热资源。
本实施例中,高温余热系统用于收集多能互补型分布式能源系统中100-200℃的高温余热并储存在高温蓄热罐1中。中温余热系统用于收集多能互补型分布式能源系统中70-100℃的中温余热并储存在中温蓄热罐2中。低温余热系统用于收集多能互补型分布式能源系统中40-70℃的低温余热并储存在低温蓄热罐3中。
本实施例中,低温余热系统通过预热器12对有机朗肯循环发电系统有机工质进行初级加热,不引起有机工质相态变化;中温余热系统通过蒸发器11对有机朗肯循环发电系统有机工质进行二级加热,使有机工质从液态变为气态;高温余热系统通过过热器10对有机朗肯循环发电系统有机工质进行三级加热,继续提高有机工质的温度和压力,提高系统做功能力。
本实施例中,预热器12、蒸发器11、过热器10、膨胀机24、冷凝器21、工质储存罐14和工质循环泵13通过连接管路首尾依次连接,并在过热器10和膨胀机24之间的连接管路上安装主调节阀23。当过热器10出口温度、压力符合膨胀机24允许工作参数时,开启主调节阀23。
本实施例中,发电机25和膨胀机24连接。膨胀机24选用高速径向透平膨胀机,发电机25采用永磁高速直驱电机,在小功率情况下,高速的膨胀发电技术方案可以提高系统发电效率。
本实施例中,冷却水系统包括冷却塔19、一号冷却泵18、二号冷却泵15、一号三通阀20、二号三通阀17和蓄冷罐16。冷凝器21具有冷却水出口和冷却水进口;冷却塔19和蓄冷罐16均具有进口和出口;冷凝器21的冷却水出口、冷却塔19的进口和蓄冷罐16的进口分别接通至一号三通阀20的三个接口;冷凝器21的冷却水进口、一号冷却泵18的出口和二号冷却泵15的出口分别接通至二号三通阀17的三个接口;冷却塔19的出口与一号冷却泵18的进口接通;蓄冷罐16的出口与二号冷却泵15的进口接通。
本实施例中,一号三通阀20和二号三通阀17均是采用智能控制阀,可以根据发电负荷情况、蓄冷罐16工作温度、冷却水温度等关键参数调节阀门开度,从而降低有机朗肯循环乏汽的冷凝温度,增加系统发电出力。
本系统还设置有一条旁路,旁路上安装有旁路隔离阀22,旁路的一端连接至主调节阀23和膨胀机24之间的连接管路上,旁路的另一端连接至膨胀机24和冷凝器21之间的连接管路上。即该旁路的两端连接至膨胀机24进口和出口处,旁路隔离阀22在过热器10出口温度、压力超过允许限值或膨胀机监测到超速和异常震动时开启,使高温高压有机工质降压后排往冷凝器21,从而保护膨胀机24不受损坏。
本实施例中,工质储存罐14中储存的工质采用最佳工作温度为160-200℃的有机工质,选用R600、R245fa和R245ca中的一种,当然在其他的实施例中也可采用某些有机工质组成的混合工质。
在具体应用时,本系统的工作方法为:
步骤一:高温储热罐1、中温储热罐2和低温储热罐3分别通过各种形式的余热回收装置从多能互补型分布式能源系统收集100-200℃、70-100℃和40-70℃的余热资源;
步骤二:冷却水系统通过蓄冷罐16收集多能互补型分布式能源系统中的溴化锂制冷机组、电制冷、冰蓄冷等富余冷却水;
步骤三:通过一号三通阀20、二号三通阀17控制蓄冷罐16和冷却塔19的冷却水流量分配;
步骤四:工质储存罐14中的有机工质经工质循环泵13加压后,依次通过预热器12、蒸发器11、过热器10完成三级加热,其加热热源分别来自低温储热罐3、中温储热罐2和高温储热罐1中的余热;
步骤五:过热器10的出口温度、压力符合膨胀机24的允许工作参数时,主调节阀23开启,膨胀机24开始冲转并逐渐升至额定负荷,从而带动发电机25旋转产生电能;
步骤六:有机工质经膨胀机24做功后变成的乏汽排向冷凝器21,经冷却水系统冷却后从气态变成液态并储存在工质储存罐14中;工质储存罐14的出口与工质循环泵13的入口相连,通过工质循环泵13加压后继续完成下一个循环。
此外,需要说明的是,本说明书中所描述的具体实施例,其零、部件的形状、所取名称等可以不同,本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化,均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围,均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种实现多能互补型分布式能源系统余热梯级利用的有机朗肯循环发电系统,包括发电机(25)、膨胀机(24)、冷凝器(21)、工质储存罐(14)和工质循环泵(13);其特征在于:还包括高温余热系统、中温余热系统、低温余热系统和冷却水系统;所述高温余热系统由高温蓄热罐(1)、一号隔离阀(4)、过热器(10)和一号循环泵(7)首尾依次连接构成;所述中温余热系统由中温蓄热罐(2)、二号隔离阀(5)、蒸发器(11)和二号循环泵(8)首尾依次连接构成;所述低温余热系统由低温蓄热罐(3)、三号隔离阀(6)、预热器(12)和三号循环泵(9)首尾依次连接构成;所述预热器(12)、蒸发器(11)、过热器(10)、膨胀机(24)、冷凝器(21)、工质储存罐(14)和工质循环泵(13)通过连接管路首尾依次连接,并在过热器(10)和膨胀机(24)之间的连接管路上安装主调节阀(23);所述发电机(25)和膨胀机(24)连接;所述冷却水系统包括冷却塔(19)、一号冷却泵(18)、二号冷却泵(15)、一号三通阀(20)、二号三通阀(17)和蓄冷罐(16);所述冷凝器(21)具有冷却水出口和冷却水进口;所述冷却塔(19)和蓄冷罐(16)均具有进口和出口;冷凝器(21)的冷却水出口、冷却塔(19)的进口和蓄冷罐(16)的进口分别接通至一号三通阀(20)的三个接口;冷凝器(21)的冷却水进口、一号冷却泵(18)的出口和二号冷却泵(15)的出口分别接通至二号三通阀(17)的三个接口;所述冷却塔(19)的出口与一号冷却泵(18)的进口接通;所述蓄冷罐(16)的出口与二号冷却泵(15)的进口接通;
所述高温蓄热罐(1)、中温蓄热罐(2)、低温蓄热罐(3)和蓄冷罐(16)均与多能互补型分布式能源系统连接。
2.根据权利要求1所述的实现多能互补型分布式能源系统余热梯级利用的有机朗肯循环发电系统,其特征在于:该有机朗肯循环发电系统还设置有一条旁路,所述旁路上安装有旁路隔离阀(22),旁路的一端连接至主调节阀(23)和膨胀机(24)之间的连接管路上,旁路的另一端连接至膨胀机(24)和冷凝器(21)之间的连接管路上。
3.根据权利要求1所述的实现多能互补型分布式能源系统余热梯级利用的有机朗肯循环发电系统,其特征在于:所述高温余热系统用于收集多能互补型分布式能源系统中100-200℃的高温余热并储存在高温蓄热罐(1)中。
4.根据权利要求1所述的实现多能互补型分布式能源系统余热梯级利用的有机朗肯循环发电系统,其特征在于:所述中温余热系统用于收集多能互补型分布式能源系统中70-100℃的中温余热并储存在中温蓄热罐(2)中。
5.根据权利要求1所述的实现多能互补型分布式能源系统余热梯级利用的有机朗肯循环发电系统,其特征在于:所述低温余热系统用于收集多能互补型分布式能源系统中40-70℃的低温余热并储存在低温蓄热罐(3)中。
6.根据权利要求1所述的实现多能互补型分布式能源系统余热梯级利用的有机朗肯循环发电系统,其特征在于:所述工质储存罐(14)中储存的工质采用最佳工作温度为160-200℃的有机工质,选用R600、R245fa和R245ca中的一种。
7.根据权利要求1所述的实现多能互补型分布式能源系统余热梯级利用的有机朗肯循环发电系统,其特征在于:所述一号三通阀(20)和二号三通阀(17)均是采用智能控制阀。
8.根据权利要求1所述的实现多能互补型分布式能源系统余热梯级利用的有机朗肯循环发电系统,其特征在于:所述膨胀机(24)选用高速径向透平膨胀机,发电机(25)选用永磁高速直驱电机。
9.根据权利要求1所述的实现多能互补型分布式能源系统余热梯级利用的有机朗肯循环发电系统,其特征在于:所述蓄冷罐(16)用于收集多能互补型分布式能源系统中的溴化锂制冷机组、冰蓄冷系统或电制冷机组产生的富余冷冻水。
10.一种实现多能互补型分布式能源系统余热梯级利用的方法,采用权利要求1-9任一项权利要求所述的有机朗肯循环发电系统进行实施,其特征在于:步骤如下:
步骤一:高温储热罐(1)、中温储热罐(2)和低温储热罐(3)分别通过各种形式的余热回收装置从多能互补型分布式能源系统中收集100-200℃、70-100℃和40-70℃的余热资源;
步骤二:冷却水系统通过蓄冷罐(16)收集多能互补型分布式能源系统中的溴化锂制冷机组、冰蓄冷系统或电制冷机组产生的富余冷冻水;
步骤三:通过一号三通阀(20)、二号三通阀(17)控制蓄冷罐(16)和冷却塔(19)的冷却水流量分配;
步骤四:工质储存罐(14)中的有机工质经工质循环泵(13)加压后,依次通过预热器(12)、蒸发器(11)和过热器(10)完成三级加热,其加热热源分别来自低温储热罐(3)、中温储热罐(2)和高温储热罐(1)中的余热;
步骤五:当过热器(10)的出口温度、压力符合膨胀机(24)的允许工作参数时,主调节阀(23)开启,膨胀机(24)开始冲转并逐渐升至额定负荷,从而带动发电机(25)旋转产生电能;
步骤六:有机工质经膨胀机(24)做功后变成的乏汽排向冷凝器(21),经冷却水系统冷却后从气态变成液态并储存在工质储存罐(14)中;工质储存罐(14)的出口与工质循环泵(13)的入口相连,通过工质循环泵(13)加压后继续完成下一个循环。
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