CN115597304B

CN115597304B - Orc发电装置用可控制过冷度的冷却系统及控制方法

Info

Publication number: CN115597304B
Application number: CN202211593414.0A
Authority: CN
Inventors: 丁会修; 袁智威
Original assignee: Nanjing Tianjia Energy Technology Co ltd
Current assignee: Nanjing Tianjia Energy Technology Co ltd
Priority date: 2022-12-13
Filing date: 2022-12-13
Publication date: 2023-03-28
Anticipated expiration: 2042-12-13
Also published as: CN115597304A

Abstract

本发明公开了ORC发电装置用可控制过冷度的控制方法，包括以下具体步骤：S1、形成冷却回路；S2、形成过冷回路；S3、工质气体进入冷凝器后，由上至下依次与冷凝管的第二流程、第一流程中的冷却水进行换热，逐步冷凝；S4、冷凝后的工质液体，从壳体两端流入折流装置，在折流装置内反复折流，充分与过冷管中的冷却水换热；S5、换热后，工质液体从工质出液口流出，此时工质状态变为不饱和过冷状态；相比现有技术，本发明根据实时的工质液体运行数据，动态控制冷凝器的工质出口过冷度，使工质泵进口的工质液体变为不饱和过冷状态，从而避免工质液体在进入工质泵时因压力骤降带来的气蚀，保护了设备安全及ORC发电装置的运行稳定。

Description

ORC发电装置用可控制过冷度的冷却系统及控制方法

技术领域

本发明涉及工业余热回收和清洁能源节能领域，具体涉及ORC发电装置用可控制过冷度的冷却系统及控制方法。

背景技术

ORC（有机朗肯循环）是一种工业余热回收和清洁能源节能技术领域的重要技术，ORC发电装置一般由换热器、膨胀机、冷凝器和工质泵四大件构成。其中，工质泵的主要作用是将冷凝器出口的液态工质增压后输送至蒸发器，提供工质蒸发所需的蒸发压力。

根据ORC的循环特性，一般采用低沸点有机工质，工质在进入工质泵前，处于低温低压状态，及易出现气蚀现象。工质泵的气蚀会使工质泵的出口压力降低，工质的流量减少，供液不足会影响蒸发压力，降低ORC发电装置的发电量和系统热效率。同时，气蚀一般伴随着大量的振动和噪音，严重时造成工质泵不可逆损伤。

现有的预防措施，基本是通过增加进入工质泵的工质液体压力来提高有效气蚀余量。但是，由于ORC发电装置采用的低沸点有机工质，仅仅依靠提高进入工质泵的工质液体压力，不能完全避免气蚀现象的发生。另一方面，余热领域往往随着不同季节产量的波动，负荷会呈现一定的季节性，考虑到工况波动的情况，系统设计时一般采用冗余式设计，过大的冗余度又会影响ORC系统的发电量和系统热效率。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可实时调控的，动态控制过冷度的ORC发电装置用可控制过冷度的冷却系统及控制方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

ORC发电装置用可控制过冷度的冷却系统，包括冷却塔和冷凝器，冷凝器包括过冷却水进口、冷却水进口、冷却水出口和工质出液口；

冷却塔一端与循环水泵连接，循环水泵一路与冷却水进口连接，将冷却水输送至冷凝器中，另一路与电动调节阀连接，电动调节阀与过冷却水进口连接，冷却水出口与冷却塔连接，形成冷却回路和过冷回路；

工质出液口用于与ORC发电装置工质泵供液管相连，工质出液口上分别安装有温度传感器和压力传感器，用于测量冷凝器工质液体出口的温度和压力；温度传感器和压力传感器的另一端均与控制模组连接，控制模组通过采集到的冷凝器工质液体出口温度和压力控制电动调节阀的开度，从而达到控制过冷度的目的。

作为本发明的进一步优选，冷凝器还包括壳体，壳体设置为卧式结构，冷凝管设置为内外双面强化的高效换热铜管，壳体顶面设置有工质进气口；冷凝管下方设置有折流装置和过冷管，过冷管设置为内部单面强化的高效换热铜管，无相变工况下换热效率高。

作为本发明的进一步优选，若干冷凝管排列设置为六边形蜂窝状结构，且通过壳体中心平面将若干冷凝管上下分为第二流程和第一流程，第一流程与冷却水进口连接，第二流程与冷却水出口连接。

作为本发明的进一步优选，折流装置包括固定拉杆、折流板和挡板，固定拉杆用于维持折流装置的稳定性；折流板前后交替安装于固定拉杆上，形成流动通道，且折流板上设置有若干通孔，用于固定过冷管，挡板固定于折流板顶部，起到分割冷凝管和过冷管。

ORC发电装置用可控制过冷度的控制方法，包括以下具体步骤：S1、形成冷却回路；冷却水通过冷却塔、循环水泵、冷凝器的冷却水进口进入冷凝管的第一流程，经过冷凝管的第二流程从冷却水出口流出，回流至冷却塔；S2、形成过冷回路：冷却水通过冷却塔、冷凝器的过冷却水进口进入过冷管，流经冷凝管的第二流程从冷却水出口流出，回流至冷却塔；S3、工质气体进入冷凝器后，由上至下依次与冷凝管的第二流程、第一流程中的冷却水进行换热，逐步冷凝；S4、冷凝后的工质液体，即工质气体冷凝后的冷凝水，从壳体两端流入折流装置，在折流装置内反复折流，充分与过冷管中的冷却水换热；S5、换热后，工质液体从工质出液口流出，此时工质状态变为不饱和过冷状态；S6、通过温度传感器和压力传感器采集工质液体流出时的温度和压力，并将采集信号发送至控制模组；S7、控制模组根据采集到的温度和压力对电动调节阀进行控制，控制电动调节阀开度大小，从而实现过冷却水流量的控制，当过冷却水流量增加时，工质液体出口的过冷度提高，当过冷却水流量减少时，工质液体出口的过冷度降低。

作为本发明的进一步优选，步骤S7中，包括以下具体步骤：

S7.1、通过工质物性查询软件获取当前工质的饱和状态物性，导出不同冷凝压力下的饱和温度，形成一一对应的数据组；

S7.2、将数据组导入计算机，进行曲线拟合，得到工质冷凝温度Tc，

Tc=10-6X^3－0.0009X^2＋0.4077X－14.508，

其中，Tc为冷凝器的工质冷凝温度；X为冷凝压力，即压力传感器实测数据；

S7.3、计算得到工质液体出口过冷度，ΔT=T_c－Y，其中，ΔT为过冷度，Y为工质出液口温度，即温度传感器实测数据；

S7.4、设定工质出液口过冷度阈值ΔT_c；

S7.5、当ΔT＞ΔT_c+1时，控制模组输出信号，减少电动调节阀开度；

当ΔT_c＜ΔT＜ΔT_c+1时，控制模组不发出信号，维持电动调节阀当前开度；

当ΔT＜ΔT_c时，控制模组输出信号，增加电动调节阀开度。

本发明的有益之处在于：本发明根据实时的工质液体运行数据，动态控制冷凝器的工质出口过冷度，使工质泵进口的工质液体变为不饱和过冷状态，从而避免工质液体在进入工质泵时因压力骤降带来的气蚀，保护了设备安全及ORC发电装置的运行稳定；由于工质液体出口过冷度是根据实时测量数据进行动态调控，可以更好的适应工况波动的状况，扩大了ORC发电装置的运行工况范围。本发明同样适用于低温余热回收循环发电技术领域及LNG冷能回收发电领域。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是冷凝器的结构示意图；

图3是冷却回路流向图；

图4是过冷回路流向图；

图5是折流装置的主视图；

图6是折流装置的仰视图；

图7是冷凝压力与冷凝温度的关系图。

图中附图标记的含义：1、冷却塔，2、冷凝器，3、温度传感器，4、压力传感器，5、控制模组，6、电动调节阀，7、循环水泵，8、壳体，9、冷凝管，10、工质进气口，11、过冷管，12、工质出液口，13、折流装置，14、过冷却水进口，15、冷却水进口，16、冷却水出口，17、固定拉杆，18、折流板，19、挡板。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

实施例一：

结合图1，ORC发电装置用可控制过冷度的冷却系统，包括冷却塔1和冷凝器2，其特征在于，冷凝器2包括过冷却水进口14、冷却水进口15、冷却水出口16和工质出液口12。

结合图2，冷凝器2还包括壳体8，壳体8设置为卧式结构，通用性强，ORC发电装置撬块化程度高；壳体8内设置有若干冷凝管9，冷凝管9设置为内外双面强化的高效换热铜管，单位面积热负荷较普通光管提高百分之三十，壳体8顶面设置有工质进气口10，用于与ORC发电装置工质输入管相连；冷凝管9下方设置有折流装置13和过冷管11，过冷管11设置为内部单面强化的高效换热铜管，无相变工况下换热效率高。

若干冷凝管9排列设置为六边形蜂窝状结构，且通过壳体8中心平面将若干冷凝管9上下分为第二流程和第一流程，第一流程与冷却水进口15连接，第二流程与冷却水出口16连接。

结合图3，冷却塔1一端与循环水泵7连接，循环水泵7一路与冷却水进口15连接，将冷却水输送至冷凝器2中，冷却水出口16与冷却塔1连接，冷却水通过冷却塔1、循环水泵7、冷凝器2的冷却水进口15进入冷凝管9的第一流程，经过冷凝管9的第二流程从冷却水出口16流出，回流至冷却塔1，冷却水升温后重新回到冷却塔1进行降温，完成一个冷却水循环，即形成冷却回路。

结合图4，循环水泵7另一路与电动调节阀6连接，电动调节阀6与过冷却水进口14连接，冷却水通过冷却塔1、冷凝器2的过冷却水进口14进入过冷管11，流经冷凝管9的第二流程从冷却水出口16流出，回流至冷却塔1，冷却水升温后重新回到冷却塔1进行降温，完成一个过冷却水循环，即形成过冷回路。

结合图4-5，折流装置13包括固定拉杆17、折流板18和挡板19，固定拉杆17用于维持折流装置13的稳定性；折流板18前后交替安装于固定拉杆17上，形成流动通道，增强过冷段的换热效果，折流板18上设置有若干通孔，用于固定过冷管11，挡板19固定于折流板18顶部，起到分割冷凝管9和过冷管11，用于阻挡冷凝后下落的液体工质，使其从折流装置13两侧位置进入折流装置13；工质侧的结构和冷却水侧形成逆流换热结构，换热性能更好，过冷效果更加明显。

工质气体从工质进气口10进入，先后与冷凝管9的第二流程和第一流程进行换热；冷凝后的工质液体（即工质气体冷凝后的冷凝水）从壳体8两端进行入折流装置13，与过冷管11进行过冷换热，使工质液体出口为不饱和过冷状态，可以有效避免工质泵的气蚀，有效保证了ORC发电装置的安全性与稳定性。

结合图1和2，工质出液口12用于与ORC发电装置工质泵供液管相连，工质出液口12上分别安装有温度传感器3和压力传感器4，用于测量冷凝器2工质液体出口的温度和压力；温度传感器3和压力传感器4的另一端均与控制模组5连接，控制模组5通过采集到的冷凝器2工质液体出口温度和压力控制电动调节阀6的开度，从而达到控制过冷度的目的。

实施例二：

,一种ORC发电装置用可控制过冷度的控制方法，包括以下具体步骤：

S1、形成冷却回路；冷却水通过冷却塔1、循环水泵7、冷凝器2的冷却水进口15进入冷凝管9的第一流程，经过冷凝管9的第二流程从冷却水出口16流出，回流至冷却塔1。

S2、形成过冷回路：冷却水通过冷却塔1、冷凝器2的过冷却水进口14进入过冷管11，流经冷凝管9的第二流程从冷却水出口16流出，回流至冷却塔1。

S3、工质气体进入冷凝器2后，由上至下依次与冷凝管9的第二流程、第一流程中的冷却水进行换热，逐步冷凝。

S4、冷凝后的工质液体，即工质气体冷凝后的冷凝水，从壳体8两端流入折流装置13，在折流装置13内反复折流，充分与过冷管11中的冷却水换热。

S5、换热后，工质液体从工质出液口12流出，此时工质状态变为不饱和过冷状态。

S6、通过温度传感器3和压力传感器4采集工质液体流出时的温度和压力，并将采集信号发送至控制模组5。

S7、控制模组5根据采集到的温度和压力对电动调节阀6进行控制。

包括以下具体步骤：

S7.1、通过工质物性查询软件获取当前工质的饱和状态物性，导出不同冷凝压力下的饱和温度，形成一一对应的数据组，见图7。

Tc=10-6X^3－0.0009X^2＋0.4077X－14.508，

其中，Tc为冷凝器2的工质冷凝温度；X为冷凝压力，即压力传感器4实测数据。

S7.3、计算得到工质液体出口过冷度，ΔT=T_c－Y，其中，ΔT为过冷度，Y为工质出液口12温度，即温度传感器3实测数据。

S7.4、设定工质出液口12过冷度阈值ΔT_c。

S7.5、当ΔT＞ΔT_c+1时，控制模组5输出信号，减少电动调节阀6开度。

当ΔT_c＜ΔT＜ΔT_c+1时，控制模组5不发出信号，维持电动调节阀6当前开度。

当ΔT＜ΔT_c时，控制模组5输出信号，增加电动调节阀6开度。

控制电动调节阀6开度大小，从而实现过冷却水流量的控制，当过冷却水流量增加时，工质液体出口的过冷度提高，当过冷却水流量减少时，工质液体出口的过冷度降低。

本发明的有益之处在于：本发明根据实时的工质液体运行数据，动态控制冷凝器2的工质出口过冷度，使工质泵进口的工质液体变为不饱和过冷状态，从而避免工质液体在进入工质泵时因压力骤降带来的气蚀，保护了设备安全及ORC发电装置的运行稳定；由于工质液体出口过冷度是根据实时测量数据进行动态调控，可以更好的适应工况波动的状况，扩大了ORC发电装置的运行工况范围。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims

1. ORC发电装置用可控制过冷度的控制方法，其特征在于，包括冷却塔和冷凝器，所述冷凝器包括过冷却水进口、冷却水进口、冷却水出口和工质出液口；

工质出液口用于与ORC发电装置工质泵供液管相连，工质出液口上分别安装有温度传感器和压力传感器，用于测量冷凝器工质液体出口的温度和压力；温度传感器和压力传感器的另一端均与控制模组连接，控制模组通过采集到的冷凝器工质液体出口温度和压力控制电动调节阀的开度；冷凝器还包括壳体，壳体设置为卧式结构，壳体内设置有若干冷凝管；所述冷凝管下方设置有折流装置和过冷管；所述折流装置包括固定拉杆、折流板和挡板；所述挡板固定于折流板顶部，起到分割冷凝管和过冷管；包括以下具体步骤：S1、形成冷却回路；冷却水通过冷却塔、循环水泵、冷凝器的冷却水进口进入冷凝管的第一流程，经过冷凝管的第二流程从冷却水出口流出，回流至冷却塔；S2、形成过冷回路：冷却水通过冷却塔、冷凝器的过冷却水进口进入过冷管，流经冷凝管的第二流程从冷却水出口流出，回流至冷却塔；S3、工质气体进入冷凝器后，由上至下依次与冷凝管的第二流程、第一流程中的冷却水进行换热，逐步冷凝；S4、冷凝后的工质液体，从壳体两端流入折流装置，在折流装置内反复折流，充分与过冷管中的冷却水换热；S5、换热后，工质液体从工质出液口流出，此时工质状态变为不饱和过冷状态；S6、通过温度传感器和压力传感器采集工质液体流出时的温度和压力，并将采集信号发送至控制模组；S7、控制模组根据采集到的温度和压力对电动调节阀进行控制，包括以下具体步骤：

Tc=10-6X^3－0.0009X^2＋0.4077X－14.508，

S7.4、设定工质出液口过冷度阈值ΔT_c；

当ΔT＜ΔT_c时，控制模组输出信号，增加电动调节阀开度。

2.采用权利要求1所述的ORC发电装置用可控制过冷度的控制方法的冷却系统，其特征在于，所述冷凝管设置为内外双面强化的高效换热铜管，壳体顶面设置有工质进气口，所述过冷管设置为内部单面强化的高效换热铜管。

3.根据权利要求2的ORC发电装置用可控制过冷度的控制方法的冷却系统，其特征在于，若干冷凝管排列设置为六边形蜂窝状结构，且通过壳体中心平面将若干冷凝管上下分为第二流程和第一流程，第一流程与冷却水进口连接，第二流程与冷却水出口连接。

4.根据权利要求2的ORC发电装置用可控制过冷度的控制方法的冷却系统，其特征在于，固定拉杆用于维持折流装置的稳定性；折流板前后交替安装于固定拉杆上，形成流动通道，且折流板上设置有若干通孔，用于固定过冷管。