CN114263513A - 一种生态算力型orc余热发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生态算力型ORC余热发电系统，涉及余热利用技术领域，包括余热产生系统和有机朗肯循环的ORC发电系统；ORC发电系统包括工质循环系统，工质循环系统包括蒸发器、水泵、第一冷凝器、膨胀机和发电机；余热产生系统所产生的热量来源所述控制芯片工作时所产生以及所述发电机工作时余热。本发明利用对控制整个余热发电系统的控制芯片工作所产生的热量和发电机的余热分别进行回收，回收后的热量用作ORC余热发电的热量来源，节能环保，提高了整个系统的能源利用效率。

Description

一种生态算力型ORC余热发电系统

技术领域

本发明涉及余热利用技术领域，具体涉及一种生态算力型ORC余热发电系统。

背景技术

随着一次能源的逐渐枯竭，人们越来越重视太阳能、地热、工厂余热等低品热能的利用，降低能耗、节能减排、提高能源利用率是解决能源紧缺问题的根本途径。有机朗肯循环(ORC)系统能够将低品位热能转换为高品位电能，可提高能源综合利用率。

ORC余热发电是我国节能中长期发展专项规划中的十大重点节能工程之一，ORC余热发电已在钢厂、水泥厂、化工等领域得到了一定的应用，其工作原理为有机工质吸热产生高压蒸汽，推动膨胀机带动发电机发电，由于膨胀机的效率和流量关系密切，当蒸汽量只有额定值的50％甚至30％时，发电效率低，甚至可能发电功率还不够消耗的功率。

发明内容

为解决现有技术问题，本发明提供一种生态算力型ORC余热发电系统，包括余热产生系统和有机朗肯循环的ORC发电系统；

所述ORC发电系统包括工质循环系统，所述工质循环系统包括蒸发器、水泵、第一冷凝器、膨胀机和发电机，所述ORC发电系统的电输出端用于连接多个用户的用电装置；

所述余热产生系统产生的热量通过所述蓄热系统与所述蒸发器的输入端相连，所述蒸发器的输出端与所述膨胀机的输入端连接，所述膨胀机与发电机电连接，所述膨胀机的输出端与所述第一冷凝器的输入端连接，所述第一冷凝器的输出端通过所述水泵与所述蒸发器的输入端连接；

所述蓄热系统和所述ORC发电系统均与控制端电性连接，所述控制端设置有控制余热发电系统的控制芯片；

所述余热产生系统所产生的热量来源所述控制芯片工作时所产生以及所述发电机工作时余热。

进一步的方案是，还包括余热回收系统，所述余热产生系统产生的余热被所述余热回收系统进行回收获得余热热能；

所述余热回收系统包括芯片余热回收系统和发电机余热回收系统。

进一步的方案是，所述控制芯片的一侧设置有冷却液管，所述冷却液管内通入有冷却液，所述冷却液通过所述控制芯片工作发热所产生的热量进行热交换。

进一步的方案是，所述发电机余热回收系统，设置为将所述工质循环系统中的工质分流并引入所述发电机，吸收所述发电机工作时的余热。

进一步的方案是，ORC发电系统还包括蒸汽喷射降温系统，蒸汽喷射降温系统设置将吸收所述发电机余热的工质进行升压，并喷射降温降压，抽吸所述工质循环系统中的气态工质，降低ORC系统的冷凝温度。

进一步的方案是，所述发电机余热回收系统包括通过管道依次连接的过滤器、流量调节阀、减压阀以及视液镜，所述过滤器的进口与所述工质泵的出口连接，所述视液镜的出口与所述发电机连接。

进一步的方案是，所述发电机余热回收系统还包括温度监测器，所述温度检测器与所述流量调节阀和所述发电机相连。

所述温度监测器设置为监测所述发电机的定子温度、内部蒸发压力、或电机转速，获得所述发电机的工作温度，同时根据所述工质温度实时反馈信号至所述流量调节阀。

进一步的方案是，还包括热泵系统以及太阳能光伏系统，所述太阳能光伏系统通过蓄热系统将电能转化为热能，该热能为所述热泵系统供热，所述热泵系统的热能输出端与所述蒸发器的输入端相连。

所述热泵系统包括第一蒸发装置以及第二蒸发装置；

所述第一蒸发装置与所述太阳能光伏系统的光伏发电板结合从而利用光伏电池发电产生的热量对制冷制进行加热；

所述第二蒸发装置与所述蓄热系统连接从而利用所述蓄热系统的热量对制冷剂进行加热。

进一步的方案是，所述热泵系统包括第一蒸发装置以及第二蒸发装置；

所述第一蒸发装置与所述太阳能光伏系统的光伏发电板结合从而利用光伏电池发电产生的热量对制冷制进行加热；

所述第二蒸发装置与所述蓄热系统连接从而利用所述蓄热系统的热量对制冷剂进行加热。

进一步的方案是，所述热泵系统还包括依次连接的压缩机、冷凝器以及储液罐；

所述压缩机由所述太阳能光伏系统供电，所述压缩机的入口与所述第一蒸发装置的出口连接，用于对制冷剂进行加压加热；

所述冷凝器用于所述制冷剂与空气的换热；

所述储液罐用于存储所述制冷剂，所述储液罐的入口与所述冷凝器的出口连接，所述储液罐的出口与所述第一蒸发器的入口连接。

本发明的有益效果：

本发明利用对控制整个余热发电系统的控制芯片工作所产生的热量和发电机的余热分别进行回收，回收后的热量用作ORC余热发电的热量来源，节能环保，提高了整个系统的能源利用效率。

本发明的ORC系统设置一个采用喷射器的制冷循环，利用系统工质经过压气机升压后进入喷射器，抽吸冷凝器的工质，冷凝器中工质蒸发吸收大量的热，降低冷凝器中的温度，即通过相变吸热回收发电机的余热作为制冷循环的一部分动力来驱动蒸汽喷射降温系统，从而降低ORC系统冷凝温度，降低膨胀机出口焓值，增加膨胀机的输出功率。

本发明对发电机的余热进行回收的同时解决发电机散热问题。本发明无需增加工质，结构简单无运动部件，回收了发电机的余热。

在芯片余热和发电机余热作为ORC余热发电的热源热量不足时，本发明通过太阳能光伏系统转化的热能作为其热源的热量补充，进一步提高了整个系统的能源利用效率。

附图说明

图1为本发明实施例一种生态算力型ORC余热发电系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中ORC发电系统的结构示意图；

图3为本发明实施例中ORC发电系统、发电机余热回收系统、蒸汽喷射降温系统三者连接的结构示意图；

图4为本发明实施例蒸汽喷射器的结构示意图；

附图标注：10-进口端；11-喷嘴；12-混合段；13-扩压段；14-出口端；15-低压流体进口。

具体实施方式

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。

如图1所示，本发明的一个实施例公开了一种生态算力型ORC余热发电系统，包括余热产生系统和有机朗肯循环的ORC发电系统；

ORC发电系统包括工质循环系统，工质循环系统包括蒸发器、水泵、第一冷凝器、膨胀机和发电机，ORC发电系统的电输出端用于连接多个用户的用电装置；

余热产生系统产生的热量通过蓄热系统与蒸发器的输入端相连，蒸发器的输出端与膨胀机的输入端连接，膨胀机与发电机电连接，膨胀机的输出端与冷凝器的输入端连接，冷凝器的输出端通过水泵与蒸发器的输入端连接；

蓄热系统和ORC发电系统均与控制端电性连接，控制端设置有控制余热发电系统的控制芯片；

余热产生系统所产生的热量来源控制芯片工作时所产生以及发电机工作时余热。

还包括余热回收系统，余热产生系统产生的余热被余热回收系统进行回收获得余热热能；

余热回收系统包括芯片余热回收系统和发电机余热回收系统。

本实施例利用对控制整个余热发电系统的控制芯片工作所产生的热量和发电机的余热分别进行回收，回收后的热量用作ORC余热发电的热量来源，节能环保，提高了整个系统的能源利用效率。

本实施例中，控制芯片的一侧设置有冷却液管，冷却液管内通入有冷却液，冷却液通过控制芯片工作发热所产生的热量进行热交换。

本实施例的控制芯片在工作时测得其芯片温度为60.5℃。本实施例通过控制芯片工作所产生的热量进行废热利用，集热效率高，节约ORC发电的成本。

本实施例中，发电机余热回收系统，设置为将工质循环系统中的工质分流并引入发电机，吸收发电机工作时的余热。

如图2所示，本实施例中，ORC发电系统还包括蒸汽喷射降温系统，蒸汽喷射降温系统设置将吸收发电机余热的工质进行升压，并喷射降温降压，抽吸工质循环系统中的气态工质，降低ORC系统的冷凝温度。

工质循环系统中的工质推动发电机做功，发电机余热回收系统将工质循环系统中的工质分流并引入发电机，吸收发电机工作过程中产生的热量，随后通过蒸汽喷射降温系统形成一个附加的制冷循环来提升有机朗肯循环系统的能源利用效率。

如图3所示，本实施例中，发电机余热回收系统包括通过管道依次连接的过滤器、流量调节阀、减压阀以及视液镜，其中，过滤器的进口与水泵的出口连接，视液镜的出口与发电机连接。发电机余热回收系统还包括温度监测器，温度检测器与流量调节阀和发电机同时相连。实施例中的流量调节阀可为气动阀、电动阀、液压阀或其他具有流量调节功能的阀门。

蒸汽喷射降温系统包括通过管道依次连接的压气机、蒸气喷射器、第二冷凝器以及节流阀，其中，压气机的进口端连接至余热回收气体出口，节流阀与循环系统中的第一冷凝器的工质侧连接。并且，压气机可由膨胀机通过直连(直连时，发电机、膨胀机和压气机同轴设置)、减速器等其他方式驱动。

蒸气喷射器1的结构如图4所示，包括进口端10、喷嘴11、混合段12、扩压段13、出口端14以及低压流体进口15。其中，进口端10与压气机11的出口端连接，出口端14与第二冷凝器连接，低压流体进口15与第一冷凝器的工质侧连接。其工作原理将在下文详细描述。

发电机余热回收系统利用系统本身的工质，通过相变吸热的方式回收发电机产生的余热，提高工质内能。其具体工作过程为：工质循环系统中水泵的出口分流另一路工质，该路工质经由过滤器除去水、粉尘等杂质，通过流量调节阀22调节流量，然后进入减压阀降低压力，调整到发电机正常运行所需冷却介质温度对应的压力，通过视液镜可初步观察工质的含水量、流量以及液体工质所占的比例，最后工质进入发电机回收其工作时产生的余热，且产生的余热通过余热回收气体出口输送至蒸汽喷射降温系统。温度监测器实时监测发电机的温度，或通过监测发电机的定子温度、内部蒸发压力、电机转速或其他参数来获得对应的发电机的工作温度，同时根据温度实时反馈信号发送至流量调节阀，流量调节阀根据反馈信号调节阀门开度，以调整进入发电机内部的冷却工质流量，从而始终维持发电机的最佳工作温度。因过滤器、流量调节阀以及视液镜在理论分析过程中无换热、无压降，所以无热力变化过程。

蒸汽喷射降温系统回收发电机余热资源后的工质，升压至喷射器工作状态，通过喷射器降低温度降到ORC系统冷凝温度以下，进而降低ORC系统冷凝温度。其具体的工作过程为：回收发电机余热后的工质进入压气机升温升压，随后进入蒸气喷射器的进口端，工质在喷嘴中绝缘膨胀，形成一股低压高速气流，形成低压环境。此时由于压力低于第一冷凝器中的压力，受压力驱动，第一冷凝器中的工质被低压流体进口抽吸，部分工质会持续性的从液态通过蒸发转变为气态，蒸发过程会吸收大量的热，从而降低液态工质温度。蒸气喷射器中的工质与第一冷凝器中的工质在混合段中混合后进入扩压段，在扩压段增压升温后由出口端排出，进入第二冷凝器。工质被冷凝成液体，并通过节流阀降压，随后降压后的工质继续进入第一冷凝器，从而实现工质的循环利用。

实施例中，发电机余热回收系统还包括温度监测器，温度检测器与流量调节阀和发电机相连。

温度监测器设置为监测发电机的定子温度、内部蒸发压力、或电机转速，获得发电机的工作温度，同时根据工质温度实时反馈信号至流量调节阀。

本实施例中，还包括热泵系统以及太阳能光伏系统，太阳能光伏系统通过蓄热系统将电能转化为热能，该热能为热泵系统供热，热泵系统的热能输出端与蒸发器的输入端相连。

热泵系统包括第一蒸发装置以及第二蒸发装置；

第一蒸发装置与太阳能光伏系统的光伏发电板结合从而利用光伏电池发电产生的热量对制冷制进行加热；

第二蒸发装置与蓄热系统连接从而利用蓄热系统的热量对制冷剂进行加热。

本实施例中，热泵系统包括第一蒸发装置以及第二蒸发装置；

第一蒸发装置与太阳能光伏系统的光伏发电板结合从而利用光伏电池发电产生的热量对制冷制进行加热；

第二蒸发装置与蓄热系统连接从而利用蓄热系统的热量对制冷剂进行加热。

本实施例中，热泵系统还包括依次连接的压缩机、冷凝器以及储液罐；

压缩机由太阳能光伏系统供电，压缩机的入口与第一蒸发装置的出口连接，用于对制冷剂进行加压加热；

冷凝器用于制冷剂与空气的换热；

储液罐用于存储制冷剂，储液罐的入口与冷凝器的出口连接，储液罐的出口与第一蒸发器的入口连接。

热泵系统利用太阳能光伏系统的热量或者蓄热系统的热量对制冷剂进行加热，可以理解，在白天太阳能能够维持热泵系统的运行时，热泵系统只需要依靠太阳能光伏系统产生的热量即可以作为热源对ORC发电系统提供热源。而在夜晚或者阴雨天，当太阳能光伏系统无法提供热源时，则依靠本实施例中的的余热回收系统通过蓄热系统转化为余热热能为ORC发电系统提供热源；此外，可以理解，热泵系统的热量也可以同时来源于太阳能光伏系统以及蓄热系统，例如当太阳能光伏系统产生的热量不足以维持热泵系统的正常运行时，此为可选的具体实现方式，本发明实施例对此不作具体限定。

太阳能光伏系统将太阳能转化为电能以及热能是同时进行的，其产生的热能直接用于为热泵系统提供热源，而产生的电能小部分用于系统内各个组件的供电，大部分则存储起来，当太阳能光伏系统不足为维持热泵系统的运行时，蓄热系统将存储起来的电能转化为热量从而为热泵系统提供热源。

通过设置太阳能光伏系统可以将太阳能转化为电能和热能，产生的电能可用于为整体系统提供电力，产生的热能用于为热泵系统提供热源并为ORC发电系统提供热源；通过设置蓄热系统可以将太阳能光伏系统产生的电能存储为热能，从而在夜晚或者阴雨天气为热泵系统供热。本实施例提供的零能耗的供热系统为ORC发电系统在晴好天气、阴雨天气或者晚上均能提供热源，使其能ORC发电系统能正常工作，无需要外部供给能源。

本实施例的热泵系统包括第一蒸发装置以及第二蒸发装置；

蒸发器的基本结构包括换热板以及内部通道，制冷剂在内部通道中流动，通过换热板与外界空气或者其它介质进行热交换，从而实现冷却或者供热。本发明实施例对于第一蒸发装置以及第二蒸发装置的具体结构不作具体限定，其各类的变形均是允许的。

第一蒸发装置与太阳能光伏系统的光伏发电板结合从而利用光伏发电板发电过程中产生的热量对制冷剂进行加热，而第二蒸发装置则利用蓄热系统产生的热量对制冷剂进行加热。结合前一实施例所述，可以理解，第一蒸发装置与第二蒸发装置可以同时工作也可以分别工作。

本发明实施例通过设置第一蒸发装置以及第二蒸发装置可以分别利用太阳能光伏系统的热量以及蓄热系统的热量对热泵系统内的制冷剂进行加热，可以适用阴冷天气、夜晚等。

热泵系统还包括依次连接的压缩机、冷凝装置以及储液罐；

在本实施例中，压缩机用于对制冷剂进行压缩从而得到高温高压的制冷剂蒸气，高温高压的制冷剂蒸气进入到冷凝装置内与空气发生热交换，之后制冷剂进入到储液罐，并从储液罐进入到第一蒸发装置和/或第二蒸发装置中吸收热量。

储液罐与第一蒸发装置之间设置有第一膨胀阀以及第一球阀。

第一球阀可以是电控球阀也可以是拖动控制球阀，此为可选的具体实现方式。

第二蒸发装置的制冷剂入口与储液罐的出口连接，第二蒸发装置的制冷剂出口与压缩机的入口连接。

本发明实施例中的出口、入口均是指制冷剂流通路径的出口或者入口。

本实施例的第一蒸发装置与第二蒸发装置实际是并联设置。

本实施例的第二蒸发装置与储液罐之间设置有第二膨胀阀以及第二球阀，第二蒸发装置与压缩机之间设置有单向阀。

第二球阀可以是电控球阀也可以是拖动控制球阀，此为可选的具体实现方式。设置单向阀可以防止制冷剂的倒流。

本实施例的太阳能光伏系统包括光伏发电板、蓄电池以及逆变器；

光伏发电板与热泵系统的第一蒸发器结合从而利用光伏电池发电产生的热量对制冷制进行加热；

蓄电池与光伏发电板电连接，用于存储所述光伏发电板产生的电能；

逆变器与蓄电池电连接，用于对蓄电池的电量进行转化从而为用电设备供电。

光伏发电板利用太阳能产生电能，在此过程中，光伏电池会产生热量，此部分热量直接用于为热泵系统供热，产生的电能部分用于为系统的部分用电设备供电，部分存储于蓄电池中；逆变器与蓄电池连接，可以将蓄电池存储的电量以一定的电压和/或电流稳定输出，可以理解，各个用电设备同样是通过逆变器取用电量而非直接与蓄电池连接。利用光伏发电板实现太阳能转化此为现有技术，本发明实施例对此不作进一步限定。

固态蓄热器与太阳能光伏系统电连接，用于利用所述太阳能光伏系统的电能存储热量；

换热组件用于将固态蓄热器的热量转移到热泵系统的第二蒸发装置中以对制冷剂进行加热。

在本实施例中，固态蓄热器与太阳能光伏系统中的逆变器连接，逆变器输出电压对固态蓄热器的电阻进行加热，从而产生热量。换热组件用于将固态蓄热器产生的热量与第二蒸发装置进行热交换。

固态蓄热器与太阳能光伏系统之间设置有充电开关。

最后说明的是，以上仅对本发明具体实施例进行详细描述说明。但本发明并不限制于以上描述具体实施例。本领域的技术人员对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都涵盖在本发明范围内。

Claims (10)

1.一种生态算力型ORC余热发电系统，其特征在于：

包括余热产生系统和有机朗肯循环的ORC发电系统；

所述ORC发电系统包括工质循环系统，所述工质循环系统包括蒸发器、水泵、第一冷凝器、膨胀机和发电机，所述ORC发电系统的电输出端用于连接多个用户的用电装置；

所述余热产生系统产生的热量通过所述蓄热系统与所述蒸发器的输入端相连，所述蒸发器的输出端与所述膨胀机的输入端连接，所述膨胀机与发电机电连接，所述膨胀机的输出端与所述第一冷凝器的输入端连接，所述第一冷凝器的输出端通过所述水泵与所述蒸发器的输入端连接；

所述蓄热系统和所述ORC发电系统均与控制端电性连接，所述控制端设置有控制余热发电系统的控制芯片；

所述余热产生系统所产生的热量来源所述控制芯片工作时所产生以及所述发电机工作时余热。

2.根据权利要求1所述的一种生态算力型ORC余热发电系统，其特征在于：

还包括余热回收系统，所述余热产生系统产生的余热被所述余热回收系统进行回收获得余热热能；

所述余热回收系统包括芯片余热回收系统和发电机余热回收系统。

3.根据权利要求1所述的一种生态算力型ORC余热发电系统，其特征在于：

所述控制芯片的一侧设置有冷却液管，所述冷却液管内通入有冷却液，所述冷却液通过所述控制芯片工作发热所产生的热量进行热交换。

4.根据权利要求2所述的一种生态算力型ORC余热发电系统，其特征在于：

所述发电机余热回收系统，设置为将所述工质循环系统中的工质分流并引入所述发电机，吸收所述发电机工作时的余热。

5.根据权利要求4所述的一种生态算力型ORC余热发电系统，其特征在于：

ORC发电系统还包括蒸汽喷射降温系统，蒸汽喷射降温系统设置将吸收所述发电机余热的工质进行升压，并喷射降温降压，抽吸所述工质循环系统中的气态工质，降低ORC系统的冷凝温度。

6.根据权利要求4所述的一种生态算力型ORC余热发电系统，其特征在于：

所述发电机余热回收系统包括通过管道依次连接的过滤器、流量调节阀、减压阀以及视液镜，所述过滤器的进口与所述工质泵的出口连接，所述视液镜的出口与所述发电机连接。

7.根据权利要求6所述的一种生态算力型ORC余热发电系统，其特征在于：

所述发电机余热回收系统还包括温度监测器，所述温度检测器与所述流量调节阀和所述发电机相连。

所述温度监测器设置为监测所述发电机的定子温度、内部蒸发压力、或电机转速，获得所述发电机的工作温度，同时根据所述工质温度实时反馈信号至所述流量调节阀。

8.根据权利要求1所述的一种生态算力型ORC余热发电系统，其特征在于：

还包括热泵系统以及太阳能光伏系统，所述太阳能光伏系统通过蓄热系统将电能转化为热能，该热能为所述热泵系统供热，所述热泵系统的热能输出端与所述蒸发器的输入端相连。

所述热泵系统包括第一蒸发装置以及第二蒸发装置；

所述第一蒸发装置与所述太阳能光伏系统的光伏发电板结合从而利用光伏电池发电产生的热量对制冷制进行加热；

所述第二蒸发装置与所述蓄热系统连接从而利用所述蓄热系统的热量对制冷剂进行加热。

9.根据权利要求8所述的一种生态算力型ORC余热发电系统，其特征在于：

所述热泵系统包括第一蒸发装置以及第二蒸发装置；

所述第一蒸发装置与所述太阳能光伏系统的光伏发电板结合从而利用光伏电池发电产生的热量对制冷制进行加热；

所述第二蒸发装置与所述蓄热系统连接从而利用所述蓄热系统的热量对制冷剂进行加热。

10.根据权利要求9所述的一种生态算力型ORC余热发电系统，其特征在于：

所述热泵系统还包括依次连接的压缩机、冷凝器以及储液罐；

所述压缩机由所述太阳能光伏系统供电，所述压缩机的入口与所述第一蒸发装置的出口连接，用于对制冷剂进行加压加热；

所述冷凝器用于所述制冷剂与空气的换热；

所述储液罐用于存储所述制冷剂，所述储液罐的入口与所述冷凝器的出口连接，所述储液罐的出口与所述第一蒸发器的入口连接。

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