CN114352368B - 基于温差发电与有机朗肯循环的输油站锅炉烟气余热回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于温差发电与有机朗肯循环的输油站锅炉烟气余热回收系统，包括高低品位有机朗肯循环系统、有机朗肯循环系统、原油输运系统和温差发电及控制系统。高低品位有机朗肯循环系统分别对锅炉尾气进行前后两次分梯级能量回收。有机朗肯循环系统负责为整个系统提供热量，其中一部分热量用来加热原油；另一部分用来发电，剩下锅炉烟气中的热量被有机朗肯循环回收。整个系统不仅保证输油站对原油的加热增压工作，还对锅炉烟气进行了两次回收利用，将回收的热能转化为输油泵所耗的机械能。在节约输油站能耗的同时，还减少了锅炉烟气在环境中的热量排放。

Description

基于温差发电与有机朗肯循环的输油站锅炉烟气余热回收 系统

技术领域

本发明涉及一种中低品位余热回收利用发电技术，尤其涉及一种基于温差发电与有机朗肯循环的输油站锅炉烟气余热回收系统。

背景技术

输油泵和输油站锅炉是原油长输管道系统的主要耗能设备，且输油站锅炉是仅次于输油泵的耗能设备。目前，加热炉的节能空间很大。

温差发电技术的研究始于20世纪40年代，并在20世纪60年代达到了顶峰，结果包括实现了对航天器进行长期供电，是一种已被证明可靠、低维护且能够在极端环境中长时间工作的电力技术。

然而，由于热电转换效率和成本限制，热电技术很少用于民用和工业，主要应用于航空航天和军事武器等尖端技术。随着半导体工艺和材料技术的发展，未来生产的热电材料可能具有更高的转换效率。温差发电技术是全固态能量的转换方法，体积小，便于安装，具有较长的使用寿命并且无泄漏，从而使维护成本几乎为零。日本则是废热利用的世界领先者，尤其是陶瓷热电材料方面。以上因素使得温差发电技术在民用领域的研究是目前的一个热点方向。

对于各种中低品位余热能的回收，有机朗肯循环的有机工质具有沸点低、蒸发潜热小、的特点，且可以针对不同温度的低品位余热能，应采用不同沸点的有机工质，实现能量的梯级利用。所以与传统的以水作为工质的朗肯循环系统相比，有机朗肯循环在余热回收利用方面更具优势。

如果能将有机朗肯循环系统、温差发电和原油输运系统耦合在一起，利用有机朗肯循环对输油站锅炉烟气余热进行合理的回收利用，将会对节能减排有十分重要的意义。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供了一种基于温差发电与有机朗肯循环的输油站锅炉烟气余热回收系统，以解决现有技术中存在的上述技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的基于温差发电与有机朗肯循环的输油站锅炉烟气余热回收系统，包括高低品位有机朗肯循环系统、朗肯循环系统、原油输运系统和温差发电及控制系统；

所述的高低品位有机朗肯循环系统由高品位有机朗肯循环系统和低品位有机朗肯循环系统两个组成，其中：

高品位有机朗肯循环系统包括高温蒸发器9、分液器一23、透平机一22、高温凝汽器二12、集液器一11和增压泵一10；

低品位有机朗肯循环系统包括低温蒸发器1、分液器二2、透平机二3、低温凝汽器一5、集液器二7和增压泵二8。

与现有技术相比，本发明所提供的基于温差发电与有机朗肯循环的输油站锅炉烟气余热回收系统，不仅保证输油站对原油的加热增压工作，还对锅炉烟气进行了两次回收利用，将回收的热能转化为输油泵所耗的机械能。在节约输油站能耗的同时，还减少了锅炉烟气在环境中的热量排放。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于温差发电与有机朗肯循环的输油站锅炉烟气余热回收系统结构示意图；

图中：

1-低温蒸发器，2-分液器，3-透平机，4-输油泵一，5-低温凝汽器一，6-温差发电器，7-集液器，8-增压泵，9-高温蒸发器，10-增压泵，11-集液器，12-高温凝汽器二，13-冷凝加热器，14-电子控制单元，15-输油泵二，16-增压泵，17-锅炉，18-加热器，19-发电机，20-汽轮机，21-输油泵三，22-透平机，23-分液器。

具体实施方式

下面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实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：

术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，X和/或Y表示既包括“X”或“Y”的情况也包括“X和Y”的三种情况。

术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。

术语“由……组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。

术语“质量份”是表示多个组分之间的质量比例关系，例如：如果描述了X组分为x质量份、Y组分为y质量份，那么表示X组分与Y组分的质量比为x:y；1质量份可表示任意的质量，例如：1质量份可以表示为1kg也可表示3.1415926kg等。所有组分的质量份之和并不一定是100份，可以大于100份、小于100份或等于100份。除另有说明外，本文中所述的份、比例和百分比均按质量计。

除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。

当浓度、温度、压力、尺寸或者其它参数以数值范围形式表示时，该数值范围应被理解为具体公开了该数值范围内任何上限值、下限值、优选值的配对所形成的所有范围，而不论该范围是否被明确记载；例如，如果记载了数值范围“2～8”时，那么该数值范围应被解释为包括“2～7”、“2～6”、“5～7”、“3～4和6～7”、“3～5和7”、“2和5～7”等范围。除另有说明外，本文中记载的数值范围既包括其端值也包括在该数值范围内的所有整数和分数。

术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。

本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明的基于温差发电与有机朗肯循环的输油站锅炉烟气余热回收系统，包括高低品位有机朗肯循环系统、朗肯循环系统、原油输运系统和温差发电及控制系统；

所述的高低品位有机朗肯循环系统由高品位有机朗肯循环系统和低品位有机朗肯循环系统两个组成，其中：

高品位有机朗肯循环系统包括高温蒸发器9、分液器一23、透平机一22、高温凝汽器二12、集液器一11和增压泵一10；

低品位有机朗肯循环系统包括低温蒸发器1、分液器二2、透平机二3、低温凝汽器一5、集液器二7和增压泵二8。

所述的朗肯循环系统包括依次连接并形成一个朗肯循环的汽轮机20、发电机19、冷凝加热器13、增压泵16、锅炉17、加热器18。

所述的原油输运系统包括输油泵一4、冷凝加热器13、输油泵三21、输油泵二15和加热器18，同时还设有旁路和阀门。

所述的温差发电及控制系统包括温差发电器6和电子控制单元14，所述电子控制单元14连接了整个系统的涉电器件，包括系统中的各种泵以及温差发电器6和发电机19。

所述的透平机二3、透平机一22和汽轮机20采用轴流式、具有高转速的透平；

所述的增压泵二8和增压泵一10采用旋转轴流式；

所述输油泵一4、输油泵三21、输油泵二15均采用的活塞式、磨片式或滑片式中任意一种。

所述的高温蒸发器9、低温蒸发器1、冷凝加热器13和加热器18采用耐温耐压的管壳式换热器；

所述低温凝汽器一5和高温凝汽器二12采用板式换热器。

所述的透平机一22和输油泵三21同轴布置；

所述的透平机二3和输油泵一4同轴布置。

所述的高低品位有机朗肯循环系统采用的工质为甲苯、苯、R141b或R245fa等；

所述朗肯循环采用的工质为软化水。

整个系统的运行过程分为四部分：

第一部分是朗肯循环系统的运行，软化水在锅炉17中吸热气化后通入加热器18的热端，换热后进入汽轮机20中做功并带动发电机19发电，做完工后的乏汽在冷凝加热器13中与原油换热，再由增压泵16加压后回到锅炉17完成朗肯循环；

第二部分是锅炉烟气的余热回收，锅炉烟气从锅炉17排出后，分成两条支路，一条支路先经由高温蒸发器9进行热量回收，另一条支路经由温差发电器6的热端换热后与前一支路汇合，再经由低温蒸发器1回收热量后排空；其中温差发电器6的冷源是低品位有机朗肯循环的冷凝液态工质，热源是锅炉高温烟气；

第三部分是高低品位有机朗肯循环的运行，在高品位有机朗肯循环中，工质在高温蒸发器9低温侧受热后进入分液器一23中，分液器一23里的高温高压气态工质推动透平机一22做功后在高温凝汽器二12中冷凝成液态，再与分液器一23里的液态工质汇合于集液器一11，最终在增压泵一10的作用下回到高温蒸发器9完成循环，其中透平机一22产生的动能直接被用来驱动输油泵三21进行增压；在低品位有机朗肯循环中，工质在低温蒸发器1低温侧受热后进入分液器二2中，分液器二2里的高温高压气态工质推动透平机二3做功后在低温凝汽器一5中冷凝成液态，再与分液器二2里的液态工质汇合于集液器二7，最终在增压泵二8的作用下回到低温蒸发器1完成循环，其中透平机二3产生的动能直接被用来驱动输油泵三21进行增压；

第四部分是原油输运系统的运行，上站来油进入输油站后分成两条支路，支路一的原油需经过加热器18的加热，支路二的原油在输油泵二15的加压和冷凝加热器13的加热后，和支路一原油汇合成总路后一起经由输油泵一4的加压后输往下站，其中在支路二与总路间设有旁路，各个管道间设有K1～K5阀门以确保原油输运的稳定。

综上可见，本发明实施例的基于温差发电与有机朗肯循环的输油站锅炉烟气余热回收系统，具有优点和有益效果：

1.本发明对锅炉烟气进行了两次余热回收，可以最大限度地回收烟气里的废热，提高了能源的利用率的同时，还减少烟气对环境的热污染。

2.电子控制单元对各个子系统的协调运行，其中包括根据运行需求对电能的调配和涉电器件的启停，确保整个系统的稳定运行。

3.本发明通过高低品位有机朗肯循环对烟气余热进行分级回收，相比于其他节能措施，其能量回收更彻底，节能力度更大。

为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例所提供的进行详细描述。

实施例1

如图1所示，本实例中的一种基于温差发电与有机朗肯循环的输油站锅炉烟气余热回收系统，包括高低品位有机朗肯循环系统、朗肯循环系统、原油输运系统和温差发电及控制系统；其中：

所述的高低品位有机朗肯循环系统由高品位有机朗肯循环系统和低品位有机朗肯循环系统两个组成；其中高品位有机朗肯循环系统包括高温蒸发器9、分液器一23、透平机一22、高温凝汽器二12、集液器一11和增压泵一10；低品位有机朗肯循环系统包括低温蒸发器1、分液器二2、透平机二3、低温凝汽器一5、集液器二7和增压泵二8。其中蒸发器低温端出口和分液器入口连接，分液器液态工质出口和储液器连接，气态工质出口和透平机入口连接，透平机出口和凝汽器入口连接，凝汽器的出口和温差发电器冷端进口相连，温差发电器冷端出口连接了储液器，储液器出口连接增压泵，增压泵出口和蒸发器冷端入口相连，整个构成一个循环。

所述的朗肯循环系统包括依次连接并形成一个朗肯循环的汽轮机20、发电机19、冷凝加热器13、增压泵16、锅炉17、加热器18。其中锅炉软化水出口和汽轮机入口连接，汽轮器出口连接了冷凝器热端入口，冷凝器热端出口同增压泵入口相连，增压泵出口连接锅炉软化水进口，整个构成一个完整循环。

所述的原油输运系统包括输油泵一4、冷凝加热器13、输油泵三21、输油泵二15和加热器18，同时还设有旁路和阀门K1～K5以确保输油系统的稳定运行。

所述的温差发电及控制系统包括温差发电器(TEG)6和电子控制单元(ECU)14，其中电子控制单元14连接了整个系统的涉电器件，主要是以系统中的各种泵为主，同时还有温差发电器6和发电机19；电子控制单元(ECU)同时协调控制各个子系统的运行。

本发明的工作流程主要有四个部分：

第一部分是朗肯循环系统的运行，软化水在锅炉17中吸热气化后通入加热器18的热端，换热后进入汽轮机20中做功并带动发电机19发电，做完工后的乏汽在冷凝加热器13中与原油换热，再由增压泵16加压后回到锅炉17完成朗肯循环。第二部分是锅炉烟气的余热回收，锅炉烟气从锅炉17排出后，分成两条支路，一条支路先经由高温蒸发器9进行热量回收，另一条支路经由温差发电器6的热端换热后与前一支路汇合，再经由低温蒸发器1回收热量后排空；其中温差发电器6的冷源是低品位有机朗肯循环的冷凝液态工质，热源是锅炉高温烟气。第三部分是高低品位有机朗肯循环的运行，在高品位有机朗肯循环中，工质在高温蒸发器9低温侧受热后进入分液器一23中，分液器一23里的高温高压气态工质推动透平机一22做功后在高温凝汽器二12中冷凝成液态，再与分液器一23里的液态工质汇合于集液器一11，最终在增压泵一10的作用下回到高温蒸发器9完成循环，其中透平机一22产生的动能直接被用来驱动输油泵三21进行增压；在低品位有机朗肯循环中，工质在低温蒸发器1低温侧受热后进入分液器二2中，分液器二2里的高温高压气态工质推动透平机二3做功后在低温凝汽器一5中冷凝成液态，再与分液器二2里的液态工质汇合于集液器二7，最终在增压泵二8的作用下回到低温蒸发器1完成循环，其中透平机二3产生的动能直接被用来驱动输油泵三21进行增压；第四部分是原油输运系统的运行，上站来油进入输油站后分成两条支路，支路一的原油需经过加热器18的加热，支路二的原油在输油泵二15的加压和冷凝加热器13的加热后，和支路一原油汇合成总路后一起经由输油泵一4的加压后输往下站，其中在支路二与总路间设有旁路，各个管道间设有K1～K5阀门以确保原油输运的稳定。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种基于温差发电与有机朗肯循环的输油站锅炉烟气余热回收系统，其特征在于，包括高低品位有机朗肯循环系统、朗肯循环系统、原油输运系统和温差发电及控制系统；

所述的高低品位有机朗肯循环系统由高品位有机朗肯循环系统和低品位有机朗肯循环系统两个组成，其中：

高品位有机朗肯循环系统包括高温蒸发器(9)、分液器一(23)、透平机一(22)、高温凝汽器二(12)、集液器一(11)和增压泵一(10)；

低品位有机朗肯循环系统包括低温蒸发器(1)、分液器二(2)、透平机二(3)、低温凝汽器一(5)、集液器二(7)和增压泵二(8)；

所述的朗肯循环系统包括依次连接并形成一个朗肯循环的汽轮机(20)、发电机(19)、冷凝加热器(13)、增压泵(16)、锅炉(17)、加热器(18)；

所述的原油输运系统包括输油泵一(4)、冷凝加热器(13)、输油泵三(21)、输油泵二(15)和加热器(18)，同时还设有旁路和阀门；

所述的温差发电及控制系统包括温差发电器(6)和电子控制单元(14)，所述电子控制单元(14)连接了整个系统的涉电器件，包括系统中的各种泵以及温差发电器(6)和发电机(19)；

整个系统的运行过程分为四部分：

第一部分是朗肯循环系统的运行，软化水在锅炉(17)中吸热气化后通入加热器(18)的热端，换热后进入汽轮机(20)中做功并带动发电机(19)发电，做完工后的乏汽在冷凝加热器(13)中与原油换热，再由增压泵(16)加压后回到锅炉(17)完成朗肯循环；

第二部分是锅炉烟气的余热回收，锅炉烟气从锅炉(17)排出后，分成两条支路，一条支路先经由高温蒸发器(9)进行热量回收，另一条支路经由温差发电器(6)的热端换热后与前一支路汇合，再经由低温蒸发器(1)回收热量后排空；其中温差发电器(6)的冷源是低品位有机朗肯循环的冷凝液态工质，热源是锅炉高温烟气；

第三部分是高低品位有机朗肯循环的运行，在高品位有机朗肯循环中，工质在高温蒸发器(9)低温侧受热后进入分液器一(23)中，分液器一(23)里的高温高压气态工质推动透平机一(22)做功后在高温凝汽器二(12)中冷凝成液态，再与分液器一(23)里的液态工质汇合于集液器一(11)，最终在增压泵一(10)的作用下回到高温蒸发器(9)完成循环，其中透平机一(22)产生的动能直接被用来驱动输油泵三(21)进行增压；在低品位有机朗肯循环中，工质在低温蒸发器(1)低温侧受热后进入分液器二(2)中，分液器二(2)里的高温高压气态工质推动透平机二(3)做功后在低温凝汽器一(5)中冷凝成液态，再与分液器二(2)里的液态工质汇合于集液器二(7)，最终在增压泵二(8)的作用下回到低温蒸发器(1)完成循环，其中透平机二(3)产生的动能直接被用来驱动输油泵三(21)进行增压；

第四部分是原油输运系统的运行，上站来油进入输油站后分成两条支路，支路一的原油需经过加热器(18)的加热，支路二的原油在输油泵二(15)的加压和冷凝加热器(13)的加热后，和支路一原油汇合成总路后一起经由输油泵一(4)的加压后输往下站，其中在支路二与总路间设有旁路，各个管道间设有K1～K5阀门以确保原油输运的稳定。

2.根据权利要求1所述的基于温差发电与有机朗肯循环的输油站锅炉烟气余热回收系统，其特征在于，所述的透平机二(3)、透平机一(22)和汽轮机(20)采用轴流式、具有高转速的透平；

所述的增压泵二(8)和增压泵一(10)采用旋转轴流式；

所述输油泵一(4)、输油泵三(21)、输油泵二(15)均采用的活塞式、磨片式或滑片式中任意一种。

3.根据权利要求2所述的基于温差发电与有机朗肯循环的输油站锅炉烟气余热回收系统，其特征在于，所述的高温蒸发器(9)、低温蒸发器(1)、冷凝加热器(13)和加热器(18)采用耐温耐压的管壳式换热器；

所述低温凝汽器一(5)和高温凝汽器二(12)采用板式换热器。

4.根据权利要求3所述的基于温差发电与有机朗肯循环的输油站锅炉烟气余热回收系统，其特征在于，所述的透平机一(22)和输油泵三(21)同轴布置；

所述的透平机二(3)和输油泵一(4)同轴布置。

5.根据权利要求4所述的基于温差发电与有机朗肯循环的输油站锅炉烟气余热回收系统，其特征在于：

所述的高低品位有机朗肯循环系统采用的工质为甲苯、苯、R141b或R245fa；

所述朗肯循环采用的工质为软化水。