CN116181432A - 有机朗肯循环能量回收系统和回收方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种有机朗肯循环能量回收系统和方法，有机朗肯循环能量回收系统包括换热系统、用功回路、冷却系统、循环回路和旁路回路；用功回路包括膨胀机和用功设备，膨胀机连接于换热系统；冷却系统连接于膨胀机；循环回路连接于冷却系统和换热系统之间，循环回路配置为能够将冷却后的工作流体输送至换热系统；旁路回路连接于换热系统和冷却系统之间，以供工作流体自换热系统流至冷却系统，旁路回路包括降温降压器，降温降压器还连接于循环回路以接收冷却后的工作流体，降温降压器能够将源自换热系统和冷却系统的工作流体混合。上述方案解决了在非正常状态下温度对机组造成的冲击，降低整个有机朗肯循环能量回收系统的运行风险。

Description

有机朗肯循环能量回收系统和回收方法

技术领域

本申请涉及有机工质能量回收技术领域，特别是涉及一种有机朗肯循环能量回收系统和回收方法。

背景技术

现阶段海上设备通过燃气轮机作为动力源，燃气轮机产生的余热(400℃～600℃)，多数排放到大气环境。现阶段的有机朗肯循环能量回收系统使用于陆地，且多采用R234FA(五氟丙烷)、丙烷等有机介质作为循环，工质的工作温度为70℃～150℃，热源温度约在70℃～200℃，工质工作温度低，其

也低，整机效率在5％～14％。

现有的有机朗肯循环能量回收系统是使用蒸发器将废烟气中的热量加热工质，工质蒸发以气态进入膨胀机，对膨胀机(多为涡旋式、螺杆式、向心透平式的膨胀机)做功，膨胀机连接发电机发电。现有的有机朗肯循环能量回收系统中膨胀机出口连接冷凝器或者连接相串联的回热器和冷凝器，以将工质冷凝为液态。冷凝器或者回热器和冷凝器使用冷源散热，冷凝后的工质重新通过泵输送到蒸发器，以继续循环。

现有的有机朗肯循环能量回收系统所采用的膨胀机发电功率在100kw～1MW，亦可多机并联以提高有机朗肯循环能量回收系统的功率，但是多机并联会占用很大的现场面积，不符合海上设备的现场条件。而且多机并联增加了设备的维护要求，海上设备现场空间狭小，维护难度大。且现有的有机朗肯循环能量回收系统在启停机器过程和紧急关停过程中存在温度、压力冲击而产生安全隐患的问题。

发明内容

基于此，有必要提供一种有机朗肯循环能量回收系统和回收方法，旨在解决现有技术存在的现有的有机朗肯循环能量回收系统适应性差、安全性差的问题。

第一方面，本申请提供一种有机朗肯循环能量回收系统，包括换热系统、用功回路、冷却系统、循环回路和旁路回路；所述换热系统用于将热源的热量交换给工作流体；所述用功回路包括膨胀机和用功设备，所述膨胀机连接于所述换热系统，且所述膨胀机配置为能够接收所述工作流体，将所述工作流体的热力学能转化为机械能，并将机械能输出至所述用功设备；所述冷却系统连接于所述膨胀机，配置为能够接收和冷却来自所述膨胀机的所述工作流体；所述循环回路连接于所述冷却系统和所述换热系统之间，所述循环回路配置为能够将冷却后的所述工作流体输送至所述换热系统；所述旁路回路连接于所述换热系统和所述冷却系统之间，以供所述工作流体自所述换热系统流至所述冷却系统，所述旁路回路包括降温降压器，所述降温降压器还连接于所述循环回路以接收冷却后的所述工作流体，所述降温降压器能够将源自所述换热系统和所述冷却系统的所述工作流体混合。

上述方案中，通过设置旁路回路，使得在启停机器过程和紧急关停过程中，源自换热系统的高温气态工作流体能够从旁路回路和用功回路流动至冷却系统，通过将高温高压的高温气态工作流体与冷却后的室温液态的工作流体混合，从而降低高温气态工作流体的温度和压力，从而避免温度对冷凝器造成的冲击，解决了机组在非正常状态下温度冲击对机组造成的冲击，减少了泄漏工作流体的风险，降低整个有机朗肯循环能量回收系统的运行风险，从而提高了有机朗肯循环能量回收系统的安全性。而在工况状态下，旁路回路不经过工作流体，也对有机朗肯循环能量回收系统的能量转换效率没有影响。

在其中一个实施例中，所述旁路回路还包括第一阀组，所述第一阀组连接于所述换热系统和所述降温降压器之间，所述第一阀组配置为能够开闭所述旁路回路且能够调节所述旁路回路的流量。

在其中一个实施例中，所述冷却系统包括依次连接的回热器和冷凝器，所述回热器连接于所述膨胀机和所述冷凝器之间，所述回热器配置为能够将所述工作流体降温，所述冷凝器配置为能够接收并冷却所述工作流体。

在其中一个实施例中，所述循环回路包括相独立的第一循环支路和第二循环支路，所述第一循环支路连接于所述回热器和所述换热系统之间，所述第一循环支路配置为能够将降温后的所述工作流体输送至所述换热系统；所述第二循环支路连接于所述冷凝器和所述降温降压器，所述第二循环支路配置为能够将所述冷凝器冷却后的所述工作流体输送至所述降温降压器。

在其中一个实施例中，所述第二循环支路还连接所述冷凝器，所述第二循环支路还配置为能够将所述冷凝器冷却后的所述工作流体输送至所述回热器。

在其中一个实施例中，所述换热系统包括第一换热器、第二换热器和第三换热器，所述热源依次经过所述第三换热器、所述第二换热器和所述第一换热器，所述工作流体依次经过所述第一换热器、所述第二换热器和所述第三换热器，所述用功回路和所述旁路回路均连接于所述第三换热器。

在其中一个实施例中，所述用功回路还包括第二阀组，所述第二阀组连接于所述换热系统和所述膨胀机之间，所述第二阀组配置为能够开闭所述用功回路且能够调节所述用功回路的流量。

在其中一个实施例中，所述膨胀机采用轴流式膨胀机或离心式膨胀机。

在其中一个实施例中，所述工作流体采用八甲基三硅氧烷、环戊烷、戊烷、甲苯、六甲基二硅氧烷中的一种或多种。

第二方面，本申请还提供一种有机朗肯循环能量回收方法，在正常工况时：室温工作流体吸热后成为高温工作流体，高温工作流体将热量转化为其他形式的能量，且高温工作流体温度降低为低温工作流体，低温工作流体冷却后成为室温工作流体；在不稳定工况时：室温工作流体吸热后成为高温工作流体，高温工作流体与室温工作流体混合后，经过冷却系统，共同冷却成为室温工作流体。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施方式及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

为了更清楚地说明本申请实施方式中的技术方案，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施方式所示的有机朗肯循环能量回收系统的系统循环图；

图2是图1中的有机朗肯循环能量回收系统的结构图。

附图标记说明：

100、有机朗肯循环能量回收系统；110、换热系统；111、第一换热器；112、第二换热器；113、第三换热器；120、用功回路；121、膨胀机；122、用功设备；123、第二阀组；130、冷却系统；131、回热器；132、冷凝器；140、循环回路；141、第一循环支路；142、第二循环支路；143、增压泵；150、旁路回路；151、降温降压器；152、第一阀组。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施方式的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

在本申请实施方式的描述中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本申请的描述中，需要理解的是，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”、“轴向”、“径向”、“周向”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，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指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申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，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，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

下面结合附图，说明本申请的较佳实施方式。

如图1和图2所示，为本申请一实施方式展示的一种有机朗肯循环能量回收系统100，其占用空间小，维护成本低，能够适用于海上能量回收。如图1所示，有机朗肯循环能量回收系统100包括换热系统110、用功回路120、冷却系统130、循环回路140和旁路回路150。

如图1所示，换热系统110用于将热源的热量交换给工作流体。根据本申请的一些实施方式，可选地，工作流体采用八甲基三硅氧烷、环戊烷、戊烷、甲苯、六甲基二硅氧烷中的一种或多种。这些工作流体的特点在于在相同温度、压力下体积较其他工作流体小，且能够在较高的热源温度下正常工作，以能够减小有机朗肯循环能量回收系统100内的各部件，从而达到占用面积小的目的，进而提高有机朗肯循环能量回收系统100的适应性，实现有机朗肯循环能量回收系统100能够适用于海上运行。而且，以上工作流体不会在膨胀机121中液化，减小了机器运转风险，提高了机器运转寿命，以上工作流体在高温气态时的

高，发电效率在16％～24％区间内，有很大的效率优势。优选地，在工作温度在150～233℃情况下使用环戊烷作为工作流体。

如图1所示，根据本申请的一些实施方式，可选地，换热系统110包括第一换热器111、第二换热器112和第三换热器113，可以理解的是，第一换热器111、第二换热器112和第三换热器113均包括用于热源进出的热程进出口、以及用于工作流体进出的冷程进出口。

可选地，第一换热器111和第二换热器112的典型形式为管壳式换热器，或者其他形式的换热器，包括但不限于管套式换热器，热套式换热器，板式换热器等。第三换热器113的典型形式为管壳式换热器，其设置的主要目的是去除混合态工作流体中的液态部分。

如图1所示，热源依次经过第三换热器113、第二换热器112和第一换热器111，经过处理的高温热源经过第三换热器113(由热程进口至热程出口)，热量少量减少，成为中温热源；中温热源经过第二换热器112(由热程进口至热程出口)，热量大幅度减少，成为低温热源；低温热源经过第一换热器111(由热程进口至热程出口)，热量继续减少，成为废热源，废热源通过管道排出换热系统110。

工作流体依次经过第一换热器111、第二换热器112和第三换热器113，低温液态工作流体经过第一换热器111(由冷程进口至冷程出口)，初步吸收热量，对工作流体初步预热，预热的工作流体保持液态流动；预热的工作流体经过第二换热器112(由冷程进口至冷程出口)，大量吸收热量，工作流体被蒸发为气态或雾态，此时工作流体为气态与雾状液态的混合态；混合态的工作流体经过第三换热器113(由冷程进口至冷程出口)，继续吸收热量，此过程中杂雾状液态工作流体会进一步成为高温气态工作流体，工作流体完全变为高温气态工作流体。

在工作流体的流动过程中，第三换热器113的用途在于去除混合态的工作流体中的雾状液态工作流体，因此，可选地，将第三换热器113更换为具有除雾功能的除雾器(或者具有除雾和加热功能的设备)，与本申请中图1所示的实施方式的区别在于：高温热源不经过第三换热器113直接进入第二换热器112。

用功回路120包括膨胀机121和用功设备122，膨胀机121连接于换热系统110，膨胀机121连接于第三换热器113，且膨胀机121配置为能够接收来自第三换热器113的高温气态的工作流体，将高温气态的工作流体的热力学能转化为机械能，并将机械能输出至用功设备122。示例性地，用功设备122为发电机，膨化机带动用功设备122旋转而产生电能。

根据本申请的一些实施方式，可选地，膨胀机121采用轴流式膨胀机121或离心式膨胀机121，以能够使用单台机器在占用体积较小的情况下发出1～15MW的电功率。可选地，膨胀机121有一个进口和一个出口以及一个用于和别的机械设备连接的轴。工况情况下高温气态工作流体从进口进入，出口流出流出时高温气态工作流体变为低温气态工作流体。高温气态工作流体内的热量经过膨胀机121后降低，并且因为工作流体的特性在出口处依然保持气态。其中气体降低的能量通过膨化机的轴带动用功设备122旋转进而输出能量。可选地，在其他实施方式中，膨胀机121轴与齿轮箱连接，齿轮箱变速后与用功设备122连接。

如图1所示，根据本申请的一些实施方式，可选地，用功回路120还包括第二阀组123，第二阀组123连接于换热系统110和膨胀机121之间，第二阀组123配置为能够开闭用功回路120且能够调节用功回路120的流量。可选地，第二阀组123为流量调节阀和速开阀，流量调节阀具有0％～100％流量的调节能力，速关阀的典型特征是在200ms～4s内将流量从100％降低到0％的能力，或者第二阀组123是具有流量调节及速开效果的阀门。

如图1所示，冷却系统130连接于膨胀机121，配置为能够接收和冷却来自膨胀机121的工作流体，以使低温气态工作流体变为室温液态工作流体。

如图1所示，根据本申请的一些实施方式，可选地，冷却系统130包括依次连接的回热器131和冷凝器132，回热器131连接于膨胀机121和冷凝器132之间，回热器131配置为能够将工作流体降温，回热器131包括热程和冷程，低温气态的工作流体经过回热器131的热程后变为更低温气态工作流体。可选地，回热器131为管壳式换热器，或者其他带有换热器性质的机械。

冷凝器132配置为能够接收并冷却工作流体，冷凝器132也包括热程和冷程，更低温气态工作流体进入冷凝器132的热程并被进一步降温，对外放出大量热量后液化，以室温液态工作流体从热程出口流出。如图1所示，可选地，冷凝器132为管壳式换热器，冷源为液态流体，冷源在冷凝器132的冷程流动并吸收热程的热量。在其他实施方式中，冷凝器132使用风扇冷却，在冷凝器132的冷程直接使用风扇吹空气作为冷源对低低温气态工作流体冷却。

如图1所示，循环回路140连接于冷却系统130和换热系统110之间，循环回路140配置为能够将冷却后的工作流体输送至换热系统110，使得工作流体循环工作。

如图1所示，根据本申请的一些实施方式，可选地，循环回路140包括相独立的第一循环支路141和第二循环支路142，第一循环支路141连接于回热器131和换热系统110之间，第一循环支路141配置为能够将降温后的工作流体输送至换热系统110的第一换热器111，为其冷程提供室温工作流体。第二循环支路142连接于冷凝器132和降温降压器151，第二循环支路142配置为能够将冷凝器132冷却后的工作流体输送至降温降压器151，以为降温降压器151提供液态工作液体，并与旁路回路150形成循环的回路。

如图1所示，根据本申请的一些实施方式，可选地，第二循环支路142还连接冷凝器132，第二循环支路142还配置为能够将冷凝器132冷却后的工作流体输送至回热器131，以为回热器131的冷程提供室温的工作流体。

如图1所示，根据本申请的一些实施方式，可选地，第二循环支路142设有增压泵143，用于增压稳压。

如图1所示，旁路回路150连接于换热系统110和冷却系统130之间，以供工作流体自换热系统110流至冷却系统130，旁路回路150连接于第三换热器113，高温气态的工作流体能够经过旁路回路150流至冷却系统130。

旁路回路150包括第一阀组152，第一阀组152配置为能够开闭旁路回路150且能够调节旁路回路150的流量，使得有机朗肯循环能量回收系统100在工况状态下，旁路回路150不经过工作流体，旁路回路150的作用在于启停机器过程和紧急关停过程使用。可选地，第一阀组152为流量调节阀和速关阀，流量调节阀具有0％～100％流量的调节能力，速关阀的典型特征是在200ms～2s内将流量从100％降低到0～10％的能力。

如图1所示，根据本申请的一些实施方式，可选地，旁路回路150还包括降温降压器151，降温降压器151连接于第一阀组152和冷却系统130之间，高温气态的工作流体经过第一阀组152进入降温降压器151，降温降压器151还连接于循环回路140以接收冷却后(室温液态)的工作流体，降温降压器151能够将源自换热系统110和冷却系统130的工作流体混合，混合后的工作流体再流至冷凝器132。通过将高温高压的高温气态工作流体与冷却后的室温液态的工作流体混合，从而降低高温气态工作流体的温度和压力，从而避免温度对冷凝器造成的冲击。

本申请还提供一种有机朗肯循环能量回收方法，在正常工况时：室温工作流体吸热后成为高温工作流体，高温工作流体将热量转化为其他形式的能量，且高温工作流体温度降低为低温工作流体，低温工作流体冷却后成为室温工作流体；在不稳定工况时：室温工作流体吸热后成为高温工作流体，高温工作流体与室温工作流体混合后，经过冷却系统，共同冷却成为室温工作流体。其中不稳定工况可以理解为以启停机器过程和紧急关停为例的非正常工况状态。

上述方案中，通过设置旁路回路150，使得在启停机器过程和紧急关停过程中，源自换热系统110的高温气态工作流体能够从旁路回路150和用功回路120流动至冷却系统130，在降温降压器151中高温高压的高温气态工作流体与冷却后的室温液态的工作流体混合，从而降低高温气态工作流体的温度和压力，从而避免温度对冷凝器132造成的冲击，解决了机组在非正常状态下温度冲击对机组造成的冲击，减少了泄漏工作流体的风险，降低整个有机朗肯循环能量回收系统100的运行风险，从而提高了有机朗肯循环能量回收系统100的安全性。而在工况状态下，旁路回路150不经过工作流体，也对有机朗肯循环能量回收系统100的能量转换效率没有影响。

最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施方式技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施方式中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施方式，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种有机朗肯循环能量回收系统，其特征在于，包括：

换热系统，用于将热源的热量交换给工作流体；

用功回路，包括膨胀机和用功设备，所述膨胀机连接于所述换热系统，且所述膨胀机配置为能够接收所述工作流体，将所述工作流体的热力学能转化为机械能，并将机械能输出至所述用功设备；

冷却系统，连接于所述膨胀机，配置为能够接收和冷却来自所述膨胀机的所述工作流体；

循环回路，连接于所述冷却系统和所述换热系统之间，所述循环回路配置为能够将冷却后的所述工作流体输送至所述换热系统；

旁路回路，连接于所述换热系统和所述冷却系统之间，以供所述工作流体自所述换热系统流至所述冷却系统，所述旁路回路包括降温降压器，所述降温降压器还连接于所述循环回路以接收冷却后的所述工作流体，所述降温降压器能够将源自所述换热系统和所述冷却系统的所述工作流体混合。

2.根据权利要求1所述的有机朗肯循环能量回收系统，其特征在于，所述旁路回路还包括第一阀组，所述第一阀组连接于所述换热系统和所述降温降压器之间，所述第一阀组配置为能够开闭所述旁路回路且能够调节所述旁路回路的流量。

3.根据权利要求1所述的有机朗肯循环能量回收系统，其特征在于，所述冷却系统包括依次连接的回热器和冷凝器，所述回热器连接于所述膨胀机和所述冷凝器之间，所述回热器配置为能够将所述工作流体降温，所述冷凝器配置为能够接收并冷却所述工作流体。

4.根据权利要求3所述的有机朗肯循环能量回收系统，其特征在于，所述循环回路包括相独立的第一循环支路和第二循环支路，所述第一循环支路连接于所述回热器和所述换热系统之间，所述第一循环支路配置为能够将降温后的所述工作流体输送至所述换热系统；所述第二循环支路连接于所述冷凝器和所述降温降压器，所述第二循环支路配置为能够将所述冷凝器冷却后的所述工作流体输送至所述降温降压器。

5.根据权利要求4所述的有机朗肯循环能量回收系统，其特征在于，所述第二循环支路还连接所述冷凝器，所述第二循环支路还配置为能够将所述冷凝器冷却后的所述工作流体输送至所述回热器。

6.根据权利要求1所述的有机朗肯循环能量回收系统，其特征在于，所述换热系统包括第一换热器、第二换热器和第三换热器，所述热源依次经过所述第三换热器、所述第二换热器和所述第一换热器，所述工作流体依次经过所述第一换热器、所述第二换热器和所述第三换热器，所述用功回路和所述旁路回路均连接于所述第三换热器。

7.根据权利要求1所述的有机朗肯循环能量回收系统，其特征在于，所述用功回路还包括第二阀组，所述第二阀组连接于所述换热系统和所述膨胀机之间，所述第二阀组配置为能够开闭所述用功回路且能够调节所述用功回路的流量。

8.根据权利要求1所述的有机朗肯循环能量回收系统，其特征在于，所述膨胀机采用轴流式膨胀机或离心式膨胀机。

9.根据权利要求1所述的有机朗肯循环能量回收系统，其特征在于，所述工作流体采用八甲基三硅氧烷、环戊烷、戊烷、甲苯、六甲基二硅氧烷中的一种或多种。

10.一种有机朗肯循环能量回收方法，其特征在于，

在正常工况时：室温工作流体吸热后成为高温工作流体，高温工作流体将热量转化为其他形式的能量，且高温工作流体温度降低为低温工作流体，低温工作流体冷却后成为室温工作流体；

在不稳定工况时：室温工作流体吸热后成为高温工作流体，高温工作流体与室温工作流体混合后，经过冷却系统，共同冷却成为室温工作流体。

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