CN112065523A - 半封闭螺杆式余热发电系统 - Google Patents

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韩东
赵文怡
张恩启
薛伟青
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Abstract

本发明公开了一种半封闭螺杆式余热发电系统，包括：工质循环回路，工质循环回路中依次接入工质泵、蒸发器、半封闭螺杆式膨胀发电机、油分离器、冷凝器并接回工质泵；回油管路，回油管路从蒸发器的回油口接入油分离器；膨胀机供油管路，膨胀机供油管路从油分离器通过油泵接入半封闭螺杆式膨胀发电机；换热装置。本发明不需联轴器，不需要轴封；不需风扇冷却，增加发电效。蒸发器最大限度降低热水出口温度，提升发电功率。把润滑油从蒸发器回到油分离器中。通过换热装置后将蒸发器中液态冷媒蒸发，防止液态冷媒进入油分，影响供油和系统可靠性。换热后的润滑油温度降低，可以降低膨胀机排气温度，保证螺杆转子和轴承的冷却。

Description

半封闭螺杆式余热发电系统
技术领域
本发明涉及一种半封闭螺杆式余热发电系统。
背景技术
有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,简称ORC)为温差循环发电系统，主要用于将中、低阶的热能转换为电力。应用的范围包含：工业余热、地热温泉、太阳热能、生物质热能、低温冷能、海洋洋流温差等。因应不同的热源温度范围，可搭配合适的工作流体(高温工质R245fa，低温工质R134a)，达到最佳热能转换电能的效益。
目前，市场螺杆式余热发电机组多为开启螺杆式发电机组，开启螺杆式发电机组主要问题如下：需要联轴器连接发电机和开启式螺杆膨胀机，存在安装复杂和性能衰减等问题；发电机或螺杆膨胀机需安装轴封，老化后易引起工质泄漏和性能衰减；一般为风冷式发电机，需安装散热风扇，敞开式舱室内,噪声较大，高原耐受性差，影响发电效率和发电机的耐久运行。
同时，发电机组的润滑油在系统中，可以对螺杆式膨胀机的轴承和转子进行冷却。润滑油可能从油分/油箱中，迁移到冷凝器或蒸发器中，需要及时的将润滑油从蒸发器中回到油分/油箱中，保证系统运行所需的润滑油。而且，液态冷媒进入油分，影响供油和系统可靠性，回油的温度高提高了膨胀机排气温度，不利于螺杆转子和轴承的冷却。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术温差循环发电系统结构复杂容易失效，发电效率低，且供油和系统可靠性差，回油温度过高的缺陷，提供一种半封闭螺杆式余热发电系统。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
一种半封闭螺杆式余热发电系统，其特点在于，所述半封闭螺杆式余热发电系统包括：
工质循环回路，所述工质循环回路中依次接入工质泵、蒸发器、半封闭螺杆式膨胀发电机、油分离器、冷凝器并接回所述工质泵；
回油管路，所述回油管路从所述蒸发器的回油口接入所述油分离器；
膨胀机供油管路，所述膨胀机供油管路从所述油分离器通过油泵接入所述半封闭螺杆式膨胀发电机；
换热装置，所述换热装置一侧接入所述回油管路，另一侧接入所述工质循环回路或者所述膨胀机供油管路，所述换热装置用于所述回油管路与所述工质循环回路中的高温气态工质或者所述膨胀机供油管路中的高温润滑油进行换热。
本方案使用半封闭螺杆式膨胀发电机，膨胀机和发电机转子同轴，因此不需联轴器；膨胀机和发电机在同一腔体内，不需要轴封；膨胀机出气冷却发电机，不需风扇冷却，增加发电效率。
本方案的蒸发器和回油管路的设置后，蒸发器最大限度降低热水出口温度，提升发电功率。蒸发器在工质和润滑油混合的油含量最高处设计回油口，把润滑油从蒸发器回到油分离器中。通过换热装置后将蒸发器中液态冷媒蒸发，防止液态冷媒进入油分，影响供油和系统可靠性。换热后的回油管路中的润滑油温度降低，可以降低膨胀机排气温度，保证螺杆转子和轴承的冷却。
较佳地，所述换热装置为油冷却器，所述油冷却器一侧接入所述回油管路，另一侧接入所述膨胀机供油管路，所述油冷却器用于所述回油管路与所述膨胀机供油管路中的高温润滑油进行换热。
较佳地，所述油冷却器的一侧接入于所述膨胀机供油管路中的所述油泵至所述半封闭螺杆式膨胀发电机的管路之间。
较佳地，所述油冷却器的一侧接入于所述回油管路中的所述蒸发器至所述油分离器的管路之间。
较佳地，所述换热装置为回油换热器，所述回油换热器一侧接入所述回油管路，另一侧接入所述工质循环回路，所述回油换热器用于所述回油管路与所述工质循环回路中的高温气态工质进行换热。
较佳地，所述回油换热器的一侧接入于所述工质循环回路中的所述蒸发器至所述半封闭螺杆式膨胀发电机的管路之间。
较佳地，所述回油换热器的一侧接入于所述回油管路中的所述蒸发器至所述油分离器的管路之间。
较佳地，所述回油管路包括油过滤器以及回油电磁阀，所述蒸发器的回油口接入所述油过滤器和所述回油电磁阀后，再接入所述换热装置。
较佳地，所述蒸发器的一路通过膨胀机入口气动阀接入半封闭螺杆式膨胀发电机，所述蒸发器的另一路通过热气旁通气动阀接入所述冷凝器。在机组故障停机或急停时，快速关闭膨胀机入口气动阀，并打开热气旁通气动阀，平衡蒸发器和冷凝器压力，防止半封闭螺杆式膨胀发电机的膨胀机转速过高产生飞车。热气旁通气动阀在机组检修/故障停机时，打开工质泵，仍可将热水温度降低，降低对用户工艺影响。
较佳地，通过设置膨胀机进气过滤器，可以防止系统杂质进入膨胀机内部，导致膨胀机磨损或卡死。
较佳地，所述油分离器通过油分出口气动阀接入所述冷凝器。
本发明的积极进步效果在于：本发明使用半封闭螺杆式膨胀发电机，不需联轴器，不需要轴封；不需风扇冷却，增加发电效。蒸发器最大限度降低热水出口温度，提升发电功率。把润滑油从蒸发器回到油分离器中。通过换热装置后将蒸发器中液态冷媒蒸发，防止液态冷媒进入油分，影响供油和系统可靠性。换热后的润滑油温度降低，可以降低膨胀机排气温度，保证螺杆转子和轴承的冷却。
附图说明
图1为实施例1的半封闭螺杆式余热发电系统的结构示意图。
图2为实施例1的蒸发器的结构示意图。
图3为实施例2的半封闭螺杆式余热发电系统的结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例公开了一种半封闭螺杆式余热发电系统，为低温型机组，本实施例的半封闭螺杆式余热发电系统包括工质循环回路A，工质循环回路A中依次接入工质泵71、蒸发器2、半封闭螺杆式膨胀发电机1、油分离器3、冷凝器4并接回工质泵71。
本实施例的半封闭螺杆式余热发电系统包括回油管路B，回油管路B从蒸发器2的回油口20接入油分离器3。
本实施例的半封闭螺杆式余热发电系统包括膨胀机供油管路C，膨胀机供油管路C从油分离器3通过油泵72接入半封闭螺杆式膨胀发电机1。
本实施例的半封闭螺杆式余热发电系统包括油冷却器51，油冷却器51一侧接入回油管路B，另一侧接入膨胀机供油管路C，油冷却器51用于回油管路B与膨胀机供油管路C中的高温润滑油进行换热。
如图1所示，油冷却器51的一侧接入于膨胀机供油管路C中的油泵72至半封闭螺杆式膨胀发电机1的管路之间。油冷却器51的一侧接入于回油管路B中的蒸发器2至油分离器3的管路之间。
本实施例使用半封闭螺杆式膨胀发电机1，膨胀机和发电机转子同轴，因此不需联轴器；膨胀机和发电机在同一腔体内，不需要轴封；膨胀机出气冷却发电机，不需风扇冷却，增加发电效率。
本实施例的蒸发器2和回油管路B的设置后，蒸发器2最大限度降低热水出口温度，提升发电功率。蒸发器2在工质和润滑油混合的油含量最高处设计回油口20，把润滑油从蒸发器2回到油分离器3中。通过油冷却器51后将蒸发器2中液态冷媒蒸发，防止液态冷媒进入油分，影响供油和系统可靠性。换热后的回油管路B中的润滑油温度降低，可以降低膨胀机排气温度，保证螺杆转子和轴承的冷却。
如图1所示，回油管路B包括油过滤器61以及回油电磁阀62，蒸发器2的回油口20接入油过滤器61和回油电磁阀62后，再接入油冷却器51。
如图1所示，蒸发器2的一路通过膨胀机入口气动阀81接入半封闭螺杆式膨胀发电机1，蒸发器2的另一路通过热气旁通气动阀82接入冷凝器4。在机组故障停机或急停时，快速关闭膨胀机入口气动阀81，并打开热气旁通气动阀82，平衡蒸发器2和冷凝器4压力，防止半封闭螺杆式膨胀发电机1的膨胀机转速过高产生飞车。热气旁通气动阀82在机组检修/故障停机时，打开工质泵71，仍可将热水温度降低，降低对用户工艺影响。
如图1所示，通过设置膨胀机进气过滤器9，可以防止系统杂质进入膨胀机内部，导致膨胀机磨损或卡死。如图1所示，油分离器3通过油分出口气动阀83接入冷凝器4。
如图2所示，本实施例的蒸发器2包括回油口20、工质出口21、工质入口22、热水出口23以及热水进口24。
本实施例的具体运行过程如下
一、工质循环回路A
1、低压液态工质流体通过工质泵71，将工质流体升压高压过冷液态，进入蒸发器2；
2、当高压液态有机工质流体透过蒸发器2吸收热传导介质(蒸汽、热水或热媒油等)的热能蒸发成为高压饱和汽态或过热汽态，进入半封闭螺杆式膨胀发电机1；
3、高压饱和/过热汽态蒸气有机工质流体，通过膨胀机进气过滤器9和膨胀机入口气动阀81(正常运行：膨胀机入口气动阀81开启，热气旁通阀阀82关闭)后，进入半封闭螺杆式膨胀发电机1内，推动螺杆转子转动，对外输出功率，同时压力降低，变为低压过热有机工质(润滑油对轴承和转子润滑冷却后，与低压过热有机工质混合进入油分)；
4、膨胀机转子转动以带动发电机，再将发电机轴功率通过磁电转换为电力输出电网馈线提供使用；
5、膨胀后的低压过热汽态蒸气有机工质流体(混合有润滑油)，通过油分离器3后，有机工质流体进入冷凝器4，与冷却水换热后冷凝成为液态，重新进入工质泵71，完成ORC循环系统、不间断循环回收热能利用；
6、当机组停机时，膨胀机入口气动阀81和油分出口气动阀83关闭，同时热气旁通气动阀82打开，平衡蒸发器2和冷凝器4的压力。
二、回油管路B
对于低温型机组(热水温度小于90℃，为低温型机组，使用R134a工质)从蒸发器2的回油口20(高压)处，工质和润滑油混合物通过阀门、油过滤器61和回油电磁阀62后，与高温气态有机工质换热后，回油侧有机工质蒸发变为气态，与润滑油一起回到油分离器3中。
三、膨胀机供油管路C
1、从半封闭螺杆式膨胀发电机1的出口处，有机工质(气态)和润滑油(液态)混合物进入油分离器3；
2、在油分离器3中绝大部分润滑油(液态)分离下来，通过油泵72提升压力，给半封闭螺杆式膨胀发电机1的膨胀机转子和轴承润滑。
实施例2
如图3所示，本实施例公开了一种半封闭螺杆式余热发电系统，为高温型机组，半封闭螺杆式余热发电系统包括工质循环回路A，工质循环回路A中依次接入工质泵71、蒸发器2、半封闭螺杆式膨胀发电机1、油分离器3、冷凝器4并接回工质泵71。
本实施例的半封闭螺杆式余热发电系统包括回油管路B，回油管路B从蒸发器2的回油口20接入油分离器3。
本实施例的半封闭螺杆式余热发电系统包括膨胀机供油管路C，膨胀机供油管路C从油分离器3通过油泵72接入半封闭螺杆式膨胀发电机1。
本实施例的半封闭螺杆式余热发电系统包括回油换热器52，回油换热器52一侧接入回油管路B，另一侧接入工质循环回路A，回油换热器52用于回油管路B与工质循环回路A中的高温气态工质进行换热。
如图3所示，回油换热器52的一侧接入于工质循环回路A中的蒸发器2至半封闭螺杆式膨胀发电机1的管路之间。回油换热器52的一侧接入于回油管路B中的蒸发器2至油分离器3的管路之间。
本实施例使用半封闭螺杆式膨胀发电机1，膨胀机和发电机转子同轴，因此不需联轴器；膨胀机和发电机在同一腔体内，不需要轴封；膨胀机出气冷却发电机，不需风扇冷却，增加发电效率。
本实施例的蒸发器2和回油管路B的设置后，蒸发器2最大限度降低热水出口温度，提升发电功率。蒸发器2在工质和润滑油混合的油含量最高处设计回油口20，把润滑油从蒸发器2回到油分离器3中。通过油换热器后将蒸发器2中液态冷媒蒸发，防止液态冷媒进入油分，影响供油和系统可靠性。换热后的回油管路B中的润滑油温度降低，可以降低膨胀机排气温度，保证螺杆转子和轴承的冷却。
如图3所示，回油管路B包括油过滤器61以及回油电磁阀62，蒸发器2的回油口20接入油过滤器61和回油电磁阀62后，再接入油换热器。
如图3所示蒸发器2的一路通过膨胀机入口气动阀81接入半封闭螺杆式膨胀发电机1，蒸发器2的另一路通过热气旁通气动阀82接入冷凝器4。在机组故障停机或急停时，快速关闭膨胀机入口气动阀81，并打开热气旁通气动阀82，平衡蒸发器2和冷凝器4压力，防止半封闭螺杆式膨胀发电机1的膨胀机转速过高产生飞车。热气旁通气动阀82在机组检修/故障停机时，打开工质泵71，仍可将热水温度降低，降低对用户工艺影响。
如图3所示通过设置膨胀机进气过滤器9，可以防止系统杂质进入膨胀机内部，导致膨胀机磨损或卡死。如图3所示油分离器3通过油分出口气动阀83接入冷凝器4。
本实施例的具体运行过程如下
一、工质循环回路A
1、低压液态工质流体通过工质泵71，将工质流体升压高压过冷液态，进入蒸发器2；
2、当高压液态有机工质流体透过蒸发器2吸收热传导介质(蒸汽、热水或热媒油等)的热能蒸发成为高压饱和汽态或过热汽态，进入半封闭螺杆式膨胀发电机1；
3、高压饱和/过热汽态蒸气有机工质流体，通过膨胀机进气过滤器9和膨胀机入口气动阀81(正常运行：膨胀机入口气动阀81开启，热气旁通阀阀82关闭)后，进入半封闭螺杆式膨胀发电机1内，推动螺杆转子转动，对外输出功率，同时压力降低，变为低压过热有机工质(润滑油对轴承和转子润滑冷却后，与低压过热有机工质混合进入油分)；
4、膨胀机转子转动以带动发电机，再将发电机轴功率通过磁电转换为电力输出电网馈线提供使用；
5、膨胀后的低压过热汽态蒸气有机工质流体(混合有润滑油)，通过油分离器3后，有机工质流体进入冷凝器4，与冷却水换热后冷凝成为液态，重新进入工质泵71，完成ORC循环系统、不间断循环回收热能利用；
6、当机组停机时，膨胀机入口气动阀81和油分出口气动阀83关闭，同时热气旁通气动阀82打开，平衡蒸发器2和冷凝器4的压力。
二、回油管路B
对于高温型机组(热水温度＞90℃，为高温型机组，使用R245fa工质)从蒸发器2的回油口20(高压)处，工质和润滑油混合物通过阀门、油过滤器61和回油电磁阀62后，与高温润滑油换热后，有机工质蒸发变为气态，与润滑油一起回到油分离器3中；
三、膨胀机供油管路C
1、从半封闭螺杆式膨胀发电机1的出口处，有机工质(气态)和润滑油(液态)混合物进入油分离器3；
2、在油分离器3中绝大部分润滑油(液态)分离下来，通过油泵72提升压力，给半封闭螺杆式膨胀发电机1的膨胀机转子和轴承润滑。
本发明使用半封闭螺杆式膨胀发电机，不需联轴器，不需要轴封；不需风扇冷却，增加发电效。蒸发器最大限度降低热水出口温度，提升发电功率。把润滑油从蒸发器回到油分离器中。通过换热装置后将蒸发器中液态冷媒蒸发，防止液态冷媒进入油分，影响供油和系统可靠性。换热后的润滑油温度降低，可以降低膨胀机排气温度，保证螺杆转子和轴承的冷却。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种半封闭螺杆式余热发电系统，其特征在于，所述半封闭螺杆式余热发电系统包括：
工质循环回路，所述工质循环回路中依次接入工质泵、蒸发器、半封闭螺杆式膨胀发电机、油分离器、冷凝器并接回所述工质泵；
回油管路，所述回油管路从所述蒸发器的回油口接入所述油分离器；
膨胀机供油管路，所述膨胀机供油管路从所述油分离器通过油泵接入所述半封闭螺杆式膨胀发电机；
换热装置，所述换热装置一侧接入所述回油管路，另一侧接入所述工质循环回路或者所述膨胀机供油管路，所述换热装置用于所述回油管路与所述工质循环回路中的高温气态工质或者所述膨胀机供油管路中的高温润滑油进行换热。
2.如权利要求1所述的半封闭螺杆式余热发电系统，其特征在于，所述换热装置为油冷却器，所述油冷却器一侧接入所述回油管路，另一侧接入所述膨胀机供油管路，所述油冷却器用于所述回油管路与所述膨胀机供油管路中的高温润滑油进行换热。
3.如权利要求2所述的半封闭螺杆式余热发电系统，其特征在于，所述油冷却器的一侧接入于所述膨胀机供油管路中的所述油泵至所述半封闭螺杆式膨胀发电机的管路之间。
4.如权利要求2所述的半封闭螺杆式余热发电系统，其特征在于，所述油冷却器的一侧接入于所述回油管路中的所述蒸发器至所述油分离器的管路之间。
5.如权利要求1所述的半封闭螺杆式余热发电系统，其特征在于，所述换热装置为回油换热器，所述回油换热器一侧接入所述回油管路，另一侧接入所述工质循环回路，所述回油换热器用于所述回油管路与所述工质循环回路中的高温气态工质进行换热。
6.如权利要求5所述的半封闭螺杆式余热发电系统，其特征在于，所述回油换热器的一侧接入于所述工质循环回路中的所述蒸发器至所述半封闭螺杆式膨胀发电机的管路之间。
7.如权利要求5所述的半封闭螺杆式余热发电系统，其特征在于，所述回油换热器的一侧接入于所述回油管路中的所述蒸发器至所述油分离器的管路之间。
8.如权利要求1所述的半封闭螺杆式余热发电系统，其特征在于，所述回油管路包括油过滤器以及回油电磁阀，所述蒸发器的回油口接入所述油过滤器和所述回油电磁阀后，再接入所述换热装置。
9.如权利要求1所述的半封闭螺杆式余热发电系统，其特征在于，所述蒸发器的一路通过膨胀机入口气动阀接入半封闭螺杆式膨胀发电机，所述蒸发器的另一路通过热气旁通气动阀接入所述冷凝器。
10.如权利要求1所述的半封闭螺杆式余热发电系统，其特征在于，所述油分离器通过油分出口气动阀接入所述冷凝器。
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