CN114570048B - 一种有机朗肯循环发电机组油分离和工质提纯系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于工业余热回收和节能领域，涉及冷媒工质提纯和油分离回收技术，具体为一种有机朗肯循环发电机组油分离和工质提纯方法，包括以下步骤：有机朗肯循环机组长期运行后，机械密封中动静接触面的润滑油向两侧流出时会进入透平，被工质气体带入系统；第三液位计监测的油液位低于设定范围下限时，判断为系统中润滑油聚集过量，需要进行分离回收；根据第二液位计的显示数值对高取液口与低取液口的电磁阀启闭状态进行控制，混合物中的工质液在油液闪蒸筒内气化；本发明实现油分离回收和工质提纯的在线自动运行和自动控制，基于系统中主要参数的监控实现过程的无人干预，避免增加人为的维护量，也免于系统中油聚集过多导致的不利后果。

Description

一种有机朗肯循环发电机组油分离和工质提纯系统和方法

技术领域

本发明属于工业余热回收和节能领域，涉及冷媒工质提纯和油分离回收技术，具体为一种有机朗肯循环发电机组油分离和工质提纯系统和方法。

背景技术

目前针对工业领域400~500℃以上的高温烟气、余压蒸汽、可燃气体和煤气等，由于热源品位高、量大的优势，其回收技术已经发展得非常成熟，但是占据工业余热数量80%的则是250℃以下的烟气、热水、热物料等，虽然数量巨大、分布广泛，但是由于热源品位较低，且分布较为分散，难以使用常规成熟的余热锅炉加汽轮机或者烟气透平的方式回收，而代之以有机朗肯循环发电系统。

有机朗肯循环发电系统一般采用高速透平、减速箱和发电机，为了避免有机工质泄露，保持系统的密闭，在透平与减速箱之间设置润滑油冲洗的机械密封，考虑到接触式密封的特点，不可避免部分润滑油会进入系统，当累积过多后油会浮于蒸发器液面上，影响蒸发器换热效果和机组性能，且润滑油减少会导致油箱液位降低，危及减速箱和机械密封的正常运行。

目前一些机组针对此问题是采用定期人工补油和停机更换工质并进行机组外分离的方式来处理，这种做法明显严重影响机组的可靠运行，增加了人工维护成本，而且润滑油沉积于蒸发器也会严重影响机组的整体性能。

针对上述技术问题，本申请提出一种解决方案。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决现有机组定期人工补油和停机更换工质的方式会导致润滑油沉积于蒸发器严重影响机组的整体性能的问题，而提出一种有机朗肯循环发电机组油分离和工质提纯系统和方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种有机朗肯循环发电机组油分离和工质提纯方法，包括以下步骤：

步骤一：有机朗肯循环机组长期运行后，机械密封中动静接触面的润滑油向两侧流出时会进入透平，被工质气体带入系统；

步骤二：第三液位计监测的油液位低于设定范围下限时，判断为系统中润滑油聚集过量，需要进行分离回收；

步骤三：根据第二液位计的显示数值对高取液口与低取液口的电磁阀启闭状态进行控制；

步骤四：从取液口流出的是被加热到高温的油和工质的液体混合物，混合物中的工质液在油液闪蒸筒内气化；

步骤五：打开回气阀，油液闪蒸筒中工质气体沿油液闪蒸筒与冷凝器的连接管路回到冷凝器中；

步骤六：打开联通阀，使油液闪蒸筒底部液体进入油液分离筒，直至油液分离筒的液位到达上限，关闭高液控制阀和低液控制阀；

步骤七：通过温度计的数值对油液分离筒液体温度与冷凝温度的差值进行监控并对油液分离筒内是否存在工质液进行判定；

步骤八：油液分离筒内不存在工质液时进行油回收；油液分离筒内存在工质液时，打开进口阀，引入部分余热源进入盘管，加热混合液，直到油液分离筒液体温度超过冷凝温度5℃且保持三分钟以上不降低，进行油回收。

作为本发明的一种优选实施方式，步骤四中混合物中的工质液在油液闪蒸筒内气化的具体过程包括：经过节流阀节流后引入油液闪蒸筒，由于蒸发器液面处的工质是高温饱和液体，节流后会有接近一半的工质液直接闪蒸为低压饱和蒸汽，其余一半工质液和油落入油液闪蒸筒的锥形底部，此时油温高于工质液，在油液闪蒸筒底部，高温油会使剩余工质液的一部分继续气化。

作为本发明的一种优选实施方式，步骤七中对油液分离筒内是否存在工质液进行判定的具体过程包括：若油液分离筒液体温度高于冷凝温度超过5℃，且保持三分钟，判断此时油液分离筒内全是油，没有工质液；若油液分离筒液体温度与冷凝温度相差不到5℃，判断油液分离筒内存在工质液，此时需要将工质液全部气化只剩油液。

作为本发明的一种优选实施方式，步骤八中油回收的具体过程包括：关闭回气阀和联通阀，打开引气阀，延时十秒后打开回油阀，此时蒸发器高压气体将会进入油液闪蒸筒和油液分离筒，在压差的作用下将油液分离筒中的润滑油压回到油箱，当第一液位计反馈液位降到下限时关闭回油阀与引气阀，保持油液分离筒中最低油液位形成油封，防止工质进入油箱。

一种有机朗肯循环发电机组油分离和工质提纯系统，包括油液闪蒸筒、油液分离筒、蒸发器、冷凝器以及油箱；所述油液分离筒外表面设置有处理器，所述处理器通信连接有加热分析模块与存储模块；

所述加热分析模块用于对混合液加热效率进行监控分析并在混合液加热异常时向处理器进行反馈；

存储模块用于对油分离和工质提纯过程的数据进行存储。

作为本发明的一种优选实施方式，所述加热分析模块对混合液进行加热效率分析的具体过程包括：将混合液加热开始的时间标记为始热时间，加热开始后若油液分离筒液体温度超过冷凝温度5℃且保持三分钟以上不降低，则将此时的系统时间标记为终热时间；将始热时间混合液的温度值标记为始温值，将终热时间混合液的温度值标记为终温值；通过对始热时间、终热时间、始温值以及终温值进行数值计算得到热效系数，将最近一天内混合液的热效系数组成热效集合，对热效集合进行方差计算得到热效表现值，通过存储模块获取到热效阈值与热效表现阈值，将热效系数、热效表现值分别与热效阈值、热效表现阈值进行比较并通过比较结果对混合液加热是否异常进行判定。

作为本发明的一种优选实施方式，热效系数、热效表现值分别与热效阈值、热效表现阈值进行比较的具体过程包括：

若热效系数小于等于热效阈值，则判定混合液加热效率不满足要求，加热分析模块向处理器发送热效不合格信号，处理器接收到热效不合格信号后将热效不合格信号发送至管理人员的手机终端；

若热效系数大于热效阈值且热效表现值大于等于热效表现阈值，则判定混合液加热稳定性不满足要求，加热分析模块向处理器发送热稳不合格信号，处理器接收到热稳不合格信号后将热稳不合格信号发送至管理人员的手机终端；

若热效系数大于热效阈值且热效表现值小于热效表现阈值，则判定混合液加热过程满足要求，加热分析模块向处理器发送加热合格信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明实现油分离回收和工质提纯的在线自动运行和自动控制，基于系统中主要参数的监控实现过程的无人干预，避免增加人为的维护量，也免于系统中油聚集过多导致的不利后果；

2、本发明利用高温混合液的闪蒸和内部接触式换热，在高负荷工况下无需引入其它热源即可实现油与工质分离，当机组负荷很小时引入蒸发器一部分热源分离油和工质，实现宽工况范围下油分离和冷媒提纯并降低额外能耗；

3、本发明通过加热分析模块对混合液的加热情况进行监控分析，从而在混合液加热异常时及时进行反馈，避免了混合液加热异常影响油分离回收和工质提纯的正常进行。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例二的原理框图；

图3为本发明实施例三的方法流程图。

图中：1、油液闪蒸筒；2、油液分离筒；3、盘管；4、第一液位计；5、温度计；6、联通阀；7、回油阀；8、第二液位计；9、取液口；10、高液控制阀；11、低液控制阀；12、节流阀；13、引气阀；14、回气阀；15、进口阀；16、第三液位计。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

目前在技术主要是提出采用低沸点的有机工质构成的亚临界或超临界循环进行回收，针对200℃以下的余热回收国内外常常采用R245fa工质的有机朗肯循环机组，由于循环特性，单机功率不大而转速很高，而且常常需要根据热源适配进行定制化设计，这就使得处于成本和模块化的考虑选择高速透平加减速箱-发电机的布置。考虑到有机工质价格昂贵，为了保证工质的零泄漏或近零泄漏，一种方式是在透平与减速箱之间设置润滑油冲洗的机械密封，考虑到接触式密封的特点，不可避免部分润滑油会进入系统，当累积过多后油会浮于蒸发器液面上，影响蒸发器换热效果和机组性能，且润滑油减少会导致油箱液位降低，危及减速箱和机械密封的正常运行。

实施例一

请参阅图1所示，一种有机朗肯循环发电机组油分离和工质提纯系统，包括油液闪蒸筒1、油液分离筒2、蒸发器、冷凝器以及油箱；冷凝器为有机朗肯循环系统的机件，把透平排气冷却为液体，乏气热量被冷却水带走，蒸发器则吸收工业余热源的热量，将工质泵输送过来的有机工质加热为蒸气；油液闪蒸筒1连接在油液分离筒2与蒸发器之间，油液分离筒2内部设置有盘管3、第一液位计4与温度计5，油液分离筒2与油箱连通，且油液分离筒2与油箱的连接管路上设置有回油阀7，油液分离筒2与油液闪蒸筒1的连接管路上还设置有联通阀6，油液分离筒2与蒸发器的连接管路上设置有进口阀15；蒸发器上设置有第二液位计8、取液口9、高液控制阀10以及低液控制阀11，蒸发器与油液闪蒸筒1的一条连接管路上设置有引气阀13，蒸发器与油液闪蒸筒1的另一条连接管路上设置有节流阀12；冷凝器与油液闪蒸筒1的连接管路上设置有回气阀14，油箱内设置有第三液位计16。

实施例二

请参阅图2所示，一种有机朗肯循环发电机组油分离和工质提纯系统，还包括设置在油液分离筒2外表面的处理器，处理器通信连接有加热分析模块与存储模块。

加热分析模块用于对混合液加热效率进行监控分析，对混合液进行加热效率分析的具体过程包括：将混合液加热开始的时间标记为始热时间，加热开始后若油液分离筒2液体温度超过冷凝温度5℃且保持三分钟以上不降低，则将此时的系统时间标记为终热时间；将始热时间混合液的温度值标记为始温值，将终热时间混合液的温度值标记为终温值；通过公式热效系数=（终温值-始温值）/（终热时间-始热时间）得到热效系数，热效系数是一个反应混合液加热效率的数值，热效系数的数值越高则表示混合液的加热效率越高，将最近一天内混合液的热效系数组成热效集合，对热效集合进行方差计算得到热效表现值，通过存储模块获取到热效阈值与热效表现阈值，将热效系数、热效表现值分别与热效阈值、热效表现阈值进行比较：若热效系数小于等于热效阈值，则判定混合液加热效率不满足要求，加热分析模块向处理器发送热效不合格信号，处理器接收到热效不合格信号后将热效不合格信号发送至管理人员的手机终端；若热效系数大于热效阈值且热效表现值大于等于热效表现阈值，则判定混合液加热稳定性不满足要求，加热分析模块向处理器发送热稳不合格信号，处理器接收到热稳不合格信号后将热稳不合格信号发送至管理人员的手机终端；若热效系数大于热效阈值且热效表现值小于热效表现阈值，则判定混合液加热过程满足要求，加热分析模块向处理器发送加热合格信号。

实施例三

请参阅图3所示，一种有机朗肯循环发电机组油分离和工质提纯方法，包括以下步骤：

步骤一：有机朗肯循环机组长期运行后，机械密封中动静接触面的润滑油向两侧流出时不可避免会有一部分油进入透平，被工质气体带入系统，由于所选的润滑油是与工质互溶的矿物油，其沸点远高于有机工质，而密度比有机工质小，进入系统的油最终逐步聚集在蒸发器液面附近；

步骤二：当第三液位计16监测的油液位低于设定范围下限，反馈到控制系统，判断为系统中润滑油聚集量较多，需要进行分离回收；

步骤三：根据第二液位计8，判断液位范围，确定打开高取液口9或低取液口9的电磁阀，设置两个取液口9的原因是蒸发器中液位按照设计是允许在一定范围内波动的，根据允许范围的上下限在蒸发器壳体上设置两个取液口9；

步骤四：从取液口9流出的是被加热到高温的油和工质的液体混合物，经过节流阀12节流后引入油液闪蒸筒1，油液闪蒸筒1中设置有过滤网、旋风板等，由于蒸发器液面处的工质几乎是高温饱和液体，节流后会有接近一半的工质液直接闪蒸为低压饱和蒸汽，其余一半工质液和油落入闪蒸筒1的锥形底部。此时油温高于工质液，在油液闪蒸筒1底部，高温油会使剩余工质液的一部分继续气化；

步骤五：打开回气阀14，油液闪蒸筒1中工质气体即可回到冷凝器中（冷凝器为系统中的低压区域）；

步骤六：打开联通阀6，使油液闪蒸筒1底部液体进入油液分离筒2，当油液分离筒2的液位到达上限，关闭高液控制阀10和低液控制阀11；

步骤七：监测温度计5，反馈控制系统，判断油液分离筒2液体温度与冷凝温度的差值，如果油液分离筒2液体温度高于冷凝温度超过5℃，且保持三分钟，判断此时油液分离筒2内全是油，没有工质液，此时准备进行油回收；关闭回气阀14和联通阀6，打开引气阀13，延时十秒后打开回油阀7，此时蒸发器高压气体将会进入油液闪蒸筒1和油液分离筒2，在压差的作用下将油液分离筒2中的润滑油压回到油箱，当第一液位计4反馈液位降到下限时关闭回油阀7与引气阀13，保持油液分离筒2中最低油液位形成油封，防止工质进入油箱；

步骤八：如果油液分离筒2液体温度与冷凝温度相差不到5℃，判断油液分离筒2内存在工质液，此时需要将工质液全部气化只剩油液；打开进口阀15，引入部分余热源进入盘管3，加热混合液，直到油液分离筒2液体温度超过冷凝温度5℃且保持三分钟以上不降低；此时认为油液分离筒2中只有油，关闭进口阀15，准备进行油回收；关闭回气阀14和联通阀6，打开引气阀13，延时十秒后打开回油阀7，此时蒸发器高压气体将会进入油液闪蒸筒1和油液分离筒2，在压差的作用下将油液分离筒2中的润滑油压回到油箱，当第一液位计4反馈液位降到下限时关闭回油阀7与引气阀13，保持油液分离筒2中最低油液位形成油封，防止工质进入油箱，利用高温混合液的闪蒸和内部换热，正常工况下无需余热源的引入即可实现油与工质分离，只有当机组负荷很小同时又需要油分离时才会需要引入额外热源分离油和工质。

本发明在使用时，有机朗肯循环机组长期运行后，机械密封中动静接触面的润滑油向两侧流出时会进入透平，被工质气体带入系统；第三液位计16监测的油液位低于设定范围下限时，判断为系统中润滑油聚集过量，需要进行分离回收，进行油回收时关闭回气阀14和联通阀6，打开引气阀13，延时十秒后打开回油阀7，此时蒸发器高压气体将会进入油液闪蒸筒1和油液分离筒2，在压差的作用下将油液分离筒2中的润滑油压回到油箱，当第一液位计4反馈液位降到下限时关闭回油阀7与引气阀13。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员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。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (4)

1.一种有机朗肯循环发电机组油分离和工质提纯方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：有机朗肯循环机组长期运行后，机械密封中动静接触面的润滑油向两侧流出时会进入透平，被工质气体带入系统；

步骤二：第三液位计监测的油液位低于设定范围下限时，判断为换热器系统中润滑油聚集过量，需要进行分离回收；

步骤三：根据第二液位计的显示数值对高取液口与低取液口的电磁阀启闭状态进行控制；

步骤四：从取液口流出的是被加热到高温的油和工质的液体混合物，混合物中的工质液在油液闪蒸筒内气化；

步骤五：打开回气阀，油液闪蒸筒中工质气体沿油液闪蒸筒与冷凝器的连接管路回到冷凝器中；

步骤六：打开联通阀，使油液闪蒸筒底部液体进入油液分离筒，直至油液分离筒的液位到达上限，关闭高液控制阀和低液控制阀；

步骤七：通过温度计的数值对油液分离筒液体温度与冷凝温度的差值进行监控并对油液分离筒内是否存在工质液进行判定；

步骤八：油液分离筒内不存在工质液时进行油回收；油液分离筒内存在工质液时，打开进口阀，引入部分余热源进入盘管，加热混合液，直到油液分离筒液体温度超过冷凝温度5℃且保持三分钟以上不降低，进行油回收；

油液闪蒸筒连接在油液分离筒与蒸发器之间，油液分离筒内部设置有盘管、第一液位计与温度计，油液分离筒与油箱连通，且油液分离筒与油箱的连接管路上设置有回油阀，油液分离筒与油液闪蒸筒的连接管路上还设置有联通阀，油液分离筒与蒸发器的连接管路上设置有进口阀；蒸发器上设置有第二液位计、取液口、高液控制阀以及低液控制阀，蒸发器与油液闪蒸筒的一条连接管路上设置有引气阀，蒸发器与油液闪蒸筒的另一条连接管路上设置有节流阀；冷凝器与油液闪蒸筒的连接管路上设置有回气阀，油箱内设置有第三液位计。

2.根据权利要求1所述的一种有机朗肯循环发电机组油分离和工质提纯方法，其特征在于，步骤四中混合物中的工质液在油液闪蒸筒内气化的具体过程包括：经过节流阀节流后引入油液闪蒸筒，由于蒸发器液面处的工质是高温饱和液体，节流后会有接近一半的工质液直接闪蒸为低压饱和蒸汽，其余一半工质液和油落入油液闪蒸筒的锥形底部，此时油温高于工质液，在油液闪蒸筒底部，高温油会使剩余工质液的一部分继续气化。

3.根据权利要求1所述的一种有机朗肯循环发电机组油分离和工质提纯方法，其特征在于，步骤七中对油液分离筒内是否存在工质液进行判定的具体过程包括：若油液分离筒液体温度高于冷凝温度超过5℃，且保持三分钟，判断此时油液分离筒内全是油，没有工质液；若油液分离筒液体温度与冷凝温度相差不到5℃，判断油液分离筒内存在工质液，此时需要将工质液全部气化只剩油液。

4.根据权利要求1所述的一种有机朗肯循环发电机组油分离和工质提纯方法，其特征在于，步骤八中油回收的具体过程包括：关闭回气阀和联通阀，打开引气阀，延时十秒后打开回油阀，此时蒸发器高压气体将会进入油液闪蒸筒和油液分离筒，在压差的作用下将油液分离筒中的润滑油压回到油箱，当第一液位计反馈液位降到下限时关闭回油阀与引气阀，保持油液分离筒中最低油液位形成油封，防止工质进入油箱。

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