CN208793052U - 基于复叠朗肯循环和两级水蓄热的工业余热回收发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及基于复叠朗肯循环和两级水蓄热的工业余热回收发电系统。包括余热回收蓄热回路、一级蒸汽朗肯循环发电回路和二级有机朗肯循环发电回路；工作时，余热介质温度为150～400℃，余热介质为中低温余热烟气、余热蒸汽、废水中的一种。当系统处于正常工作模式时，水工质吸收余热介质中的热量，吸热后的水工质可处于液态，气态或气液两相。余热介质的温度越高，水工质吸热后的干度越高，其中产生蒸汽具有较为的品位，通过复叠朗肯循环将热量转换为功，而液态水品位较低，通过二级有机朗肯循环将热量转换为功。本实用新型的技术方案可以保证系统发电的稳定性，并对工业余热进行高效利用。

Description

基于复叠朗肯循环和两级水蓄热的工业余热回收发电系统

技术领域

本实用新型属于工业余热回收发电技术领域，具体涉及一种基于复叠朗肯循环和两级水蓄热的工业余热回收发电系统。

背景技术

我国工业余热中的中低温余热约为总余热量的一半，通过对中低温余热加以利用，有望节约大量能源，减少二氧化碳排放和降低热污染，改善生态环境。工业余热的一个显著特点为热负荷不稳定，这是由工艺生产过程决定的。例如：1.对于炼钢行业产生的余热蒸汽，余热产汽量及放散周期随着生产变化而变化，具有一定的波动性，使得放散蒸汽具有很强的间歇性和不连续性 [参考：戴海波. 低压放散蒸汽回收发电技术. 冶金动力，2015,5:63-67.]。2. 对于钢铁厂的烧结余热，在烧结生产中设备运行不稳定，短时间的停机很难避免，烧结矿物流的中断是经常出现的情况，因此，烧结余热热源的连续性难以保证。此外，由于烧结料透气性的差异以及辅料不均等原因，造成烧结烟气系统的阻力变化较大，最终导致烟气量变化大，幅度可达40%以上 [参考：李宝东, 李鹏元, 杜蒙. 烧结余热发电现状及存在问题的分析. 冶金能源，2012, 31(3):49-52.]。3. 对于水泥生产中的废气余热，出熟料冷却机子的废气温度在250-450℃之间，波动较大 [参考：卢来要. 纯低温水泥余热发电系统调试. 安装, 2013, 2:24-26.]。

有机朗肯循环（organic Rankine cycle, ORC）发电技术是中低温余热利用的有效手段之一。其循环工质是有机流体，具有低沸点和高饱和蒸汽压力的热力特性。相比于以水为工质的蒸汽朗肯循环，有机朗肯循环在烟气等余热温度低于300℃的热源下具有更好的热力性能和稳定性。但是，中低温余热的不稳定性给有机朗肯循环技术带来了巨大挑战。当膨胀机严重偏离设计工况或频繁启停时，效率将急剧降低，并会造成很大的机械损伤。目前，主要有以下几种应对方案，带回热型的有机朗肯循环、带油路型的有机朗肯循环、风机辅助型的有机朗肯循环、双罐蓄热型的有机朗肯循环、单罐蓄热型的有机朗肯循环、相变蓄热型的有机朗肯循环 [参考：Roberto Pili，Alessandro Romagnoli，HartmutSpliethoff，Christoph Wieland. Techno-Economic Analysis of Waste Heat Recoverywith ORC from Fluctuating Industrial Sources. Energy Procedia, 2017, 129:503-510.]。

本实用新型旨在提出一种基于水蒸气-有机工质的复叠朗肯循环和两级水蓄热的创新方案，用于应对中低温余热利用的不稳定问题，实现热源的高效低成本利用。

实用新型内容

为了解决工业余热负荷波动对工业余热回收发电系统造成的不利影响，本实用新型提供了一种基于复叠朗肯循环和两级水蓄热的工业余热回收发电系统。

基于复叠朗肯循环和两级水蓄热的工业余热回收发电系统包括余热回收蓄热回路、一级蒸汽朗肯循环发电回路和二级有机朗肯循环发电回路；

所述余热回收蓄热回路包括蒸发器1、第一预热器2、第二预热器4、高温蓄热水罐6、低温蓄热水罐7和低温水泵13；

所述一级蒸汽朗肯循环发电回路包括蒸发器1、中间换热器3、高温蓄热水罐6、蒸汽螺杆膨胀机8、第一发电机10、中温水泵12；其中蒸发器1、高温蓄热水罐6、蒸汽螺杆膨胀机8、中间换热器3和中温水泵12串联形成一级水工质回路；

所述二级有机朗肯循环发电回路包括中间换热器3、第二预热器4、冷凝器5、有机工质汽轮机9、第二发电机11和有机工质泵14；其中第二预热器4、中间换热器3、有机工质汽轮机9、冷凝器5和有机工质泵14串联形成二级有机工质回路；

所述蒸发器1和第一预热器2的一侧为余热介质，蒸发器1和第一预热器2的另一侧为水工质；

所述中间换热器3和第二预热器4的一侧为水工质，中间换热器3和第二预热器4的另一侧为有机工质，水工质一侧的中间换热器3串联在一级蒸汽朗肯循环发电回路中，水工质一侧的第二预热器4串联在余热回收蓄热回路中，有机工质一侧的中间换热器3和第二预热器4串联在二级有机朗肯循环发电回路中；

所述冷凝器5的一侧为冷却水工质，冷凝器5的另一侧为有机工质，有机工质一侧的冷凝器5串联在二级有机朗肯循环发电回路中；

所述蒸发器1的水工质出口连通着高温蓄热水罐6的上部入口，高温蓄热水罐6的上部出口通过高温蒸汽阀15连通着蒸汽螺杆膨胀机8的入口，蒸汽螺杆膨胀机8的出口通过中温蒸汽阀16连通着中间换热器3的水工质入口，中间换热器3的水工质出口通过第一换热水阀17、中温水泵12和第一中温水阀18连通着蒸发器1的水工质入口；

高温蓄热水罐6的底部出口通过第一高温水阀19和第二高温水阀23分为两路，一路连通着第二预热器4的水工质入口，另一路连通着中间换热器3的水工质入口，中间换热器3的水工出口通过第二换热水阀24连通着第二预热器4的水工质入口，第二预热器4的水工质出口通过节流阀20连通着低温蓄热水罐7的入口，低温蓄热水罐7的出口通过低温水阀21和低温水泵13连通着第一预热器2的水工质的入口，第一预热器2的水工质出口通过第二中温水阀22连通着蒸发器1的水工质入口；

所述中间换热器3的有机工质出口连通着有机工质汽轮机9的入口，有机工质汽轮机9的出口连通着冷凝器5的有机工质入口，冷凝器5的有机工质出口通过有机工质泵14连通着第二预热器4的有机工质入口，第二预热器4的有机工质出口连通着中间换热器3的有机工质入口；

工作时，余热介质温度为150～400℃，当有充足的余热可以利用时，系统同时进行蓄热和复叠朗肯循环发电模式；当余热负荷剧烈波动时，系统利用储存的高温水进行单级有机朗肯循环发电模式。

进一步限定的技术方案如下：

所述余热介质为中低温余热烟气、余热蒸汽、废水中的一种。

所述高温蓄热水罐6的工作温度为150～300℃，所述低温蓄热水罐7的工作温度为30～150℃。

所述高温蒸汽阀15、中温蒸汽阀16、第一换热水阀17、第一中温水阀18、第一高温水阀19、低温水阀21、第二中温水阀22、第二高温水阀23和第二换热水阀24均为球阀。

所述节流阀20为滑套式节流阀。

本实用新型的有益技术效果体现在以下方面：

1. 本实用新型系统具有独特的工作原理。已有的复叠朗肯循环技术方案，底部循环的热量全部来自顶部循环的冷凝端余热。而本实用新型的技术方案，当系统处于正常工作模式时，高温蓄热水罐6的液态水通过第二预热器4流入低温蓄热水罐7，底部有机朗肯循环的工质首先经过第二预热器4吸收热量，部分蒸发；然后进一步从顶部水蒸气朗肯循环的冷凝端（即中间换热器3）吸取热量，完全蒸发。顶部循环的冷凝端余热仅提供底部有机朗肯循环的部分热源。

2. 本实用新型将余热的品位和热力循环有机结合。当系统处于正常工作模式时，顶部蒸汽朗肯循环的水工质从蒸发器1吸收热量，蒸发器1水工质出口侧的状态可为液态、气态或气液两相。工业余热介质的入口温度越高，则系统产生的蒸汽量越大。高温蓄热水罐6的气态水蒸气的能量品位相对较高，适合于驱动复叠朗肯循环发电。高温蓄热水罐6的液态水的能量品位相对较低，适合于驱动底部有机朗肯循环发电。因此，余热品位和热力过程自动匹配，优化运行。

3. 本实用新型系统中的高温蓄热水罐6和低温蓄热水罐7保证了热功转换的稳定性，解决了中低温余热利用的不稳定问题。当系统处于正常工作模式时，如果蒸发器1水工质出口侧产生的蒸汽量大于顶部蒸气螺杆膨胀机8的流量，那么高温蓄热水罐6中的部分蒸汽将冷凝；如果蒸发器1水工质出口侧产生的蒸汽量小于顶部蒸气螺杆膨胀机8的流量，那么高温蓄热水罐6中的部分液态水将蒸发。由于高温蓄热水罐6具有一定的容量，因此可有效缓解工业余热波动导致的发电不稳定问题。

附图说明

图1为本实用新型系统结构示意图。

图2为本实用新型系统正常运行模式示意图。

图3为本实用新型系统蓄热发电模式示意图。

上图中序号：蒸发器1、第一预热器2、中间换热器3、第二预热器4、冷凝器5、高温蓄热水罐6、低温蓄热水罐7、蒸汽螺杆膨胀机8、有机工质汽轮机9、第一发电机10、第二发电机11、中温水泵12、低温水泵13、有机工质泵14、高温蒸汽阀15、中温蒸汽阀16、第一换热水阀17、第一中温水阀18、第一高温水阀19、节流阀20、低温水阀21、第二中温水阀22、第二高温水阀23、第二换热水阀24。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本实用新型作进一步地描述。

实施例

参见图1，基于复叠朗肯循环和两级水蓄热的工业余热回收发电系统包括余热回收蓄热回路、一级蒸汽朗肯循环发电回路和二级有机朗肯循环发电回路。

余热回收蓄热回路包括蒸发器1、第一预热器2、第二预热器4、高温蓄热水罐6、低温蓄热水罐7和低温水泵13；

一级蒸汽朗肯循环发电回路包括蒸发器1、中间换热器3、高温蓄热水罐6、蒸汽螺杆膨胀机8、第一发电机10、中温水泵12；其中蒸发器1、高温蓄热水罐6、蒸汽螺杆膨胀机8、中间换热器3和中温水泵12串联形成一级水工质回路；

二级有机朗肯循环发电回路包括中间换热器3、第二预热器4、冷凝器5、有机工质汽轮机9、第二发电机11和有机工质泵14；其中第二预热器4、中间换热器3、有机工质汽轮机9、冷凝器5和有机工质泵14串联形成二级有机工质回路。

蒸发器1和第一预热器2的一侧为余热介质，蒸发器1和第一预热器2的另一侧为水工质；

中间换热器3和第二预热器4的一侧为水工质，中间换热器3和第二预热器4的另一侧为有机工质，水工质一侧的中间换热器3串联在一级蒸汽朗肯循环发电回路中，水工质一侧的第二预热器4串联在余热回收蓄热回路中，有机工质一侧的中间换热器3和第二预热器4串联在二级有机朗肯循环发电回路中；

冷凝器5的一侧为冷却水工质，冷凝器5的另一侧为有机工质，有机工质一侧的冷凝器5串联在二级有机朗肯循环发电回路中。

蒸发器1的水工质出口连通着高温蓄热水罐6的上部入口，高温蓄热水罐6的上部出口通过高温蒸汽阀15连通着蒸汽螺杆膨胀机8的入口，蒸汽螺杆膨胀机8的出口通过中温蒸汽阀16连通着中间换热器3的水工质入口，中间换热器3的水工质出口通过第一换热水阀17、中温水泵12和第一中温水阀18连通着蒸发器1的水工质入口。

高温蓄热水罐6的底部出口通过第一高温水阀19和第二高温水阀23分为两路，一路连通着第二预热器4的水工质入口，另一路连通着中间换热器3的水工质入口，中间换热器3的水工出口通过第二换热水阀24连通着第二预热器4的水工质入口，第二预热器4的水工质出口通过节流阀20连通着低温蓄热水罐7的入口，低温蓄热水罐7的出口通过低温水阀21和低温水泵13连通着第一预热器2的水工质的入口，第一预热器2的水工质出口通过第二中温水阀22连通着蒸发器1的水工质入口。

上述高温蒸汽阀15、中温蒸汽阀16、第一换热水阀17、第一中温水阀18、第一高温水阀19、低温水阀21、第二中温水阀22、第二高温水阀23和第二换热水阀24均为球阀。

上述节流阀20为滑套式节流阀。

中间换热器3的有机工质出口连通着有机工质汽轮机9的入口，有机工质汽轮机9的出口连通着冷凝器5的有机工质入口，冷凝器5的有机工质出口通过有机工质泵14连通着第二预热器4的有机工质入口，第二预热器4的有机工质出口连通着中间换热器3的有机工质入口。

高温蓄热水罐6的工作温度为200℃，所述低温蓄热水罐7的工作温度为40℃。

本实用新型的工作原理详细说明如下：

（1）正常运行模式。

正常运行模式相关设计工况如表1所示，其中：

余热介质为中低温余热烟气，温度波动范围为200-320℃，且为线性波动。中低温余热烟气的流量为1.0 kg/s，经过回收之后，排气温度为120℃。二级有机朗肯循环工质为R245fa；

参见图2，当有充足的中低温余热烟气可以利用时，系统同时进行蓄热和复叠朗肯循环发电模式。中温水泵12、低温水泵13和有机工质泵14运行，高温蒸汽阀15、中温蒸汽阀16、第一换热水阀17、第一中温水阀18、第一高温水阀19、节流阀20、低温水阀21和第二中温水阀22开启。余热介质依次流入蒸发器1和第一预热器2，低温蓄热水罐7中的低温水经由低温水泵13和低温水阀21进入第一预热器2预热，再经由蒸发器1加热至设定的温度并部分蒸发，高温水储存在高温蓄热水罐6中，高温饱和蒸汽经由高温蒸汽阀15进入蒸汽螺杆膨胀机8膨胀做功并由第一发电机10输出电能；蒸汽螺杆膨胀机8排出的中温蒸汽经由中温蒸汽阀16进入中间换热器3冷凝至中温水，中温水经由第一换热水阀17、中温水泵12和第一中温水阀18进入蒸发器1重新吸热蒸发，完成第一级蒸汽朗肯循环。高温蓄热水罐6中储存的高温水经由第一高温水阀19进入第二预热器4放热，放热后的低温水经由节流阀20进入低温蓄热水罐7，完成余热蓄热水循环。有机工质在第二预热器4中吸热预热，并在中间换热器3中吸热蒸发变成饱和蒸气，饱和蒸气进入有机工质汽轮机9膨胀做功并由第二发电机11输出电能，有机工质汽轮机9排出的废气进入冷凝器5冷凝成饱和液体，饱和液体经由有机工质泵14重新进入预热器4和中间换热器3吸热蒸发，完成第二级有机朗肯循环。

（2）蓄热发电模式。

参见图3，当中低温余热烟气的余热负荷剧烈波动时，系统利用高温蓄热水罐6储存的高温水进行单级有机朗肯循环发电模式。有机工质泵14运行，节流阀20、第二高温水阀23和第二换热水阀24开启。高温蓄热水罐6中的高温水经由第二高温水阀23进入中间换热器3放热，再经由第二换热水阀24进入第二预热器4放热变成低温水，低温水经由节流阀20进入低温蓄热水罐7中。高温水在中间换热器3和第二预热器4中释放的热量驱动二级有机朗肯循环；

计算结果如表2所示，当工业余热温度在200-320℃波动时，蒸发器1的水工质出口侧产生的蒸汽的干度在0%-37.74%变化，中低温余热烟气的入口温度越高，蒸汽的干度越大。二级有机朗肯循环的工质首先经过第二预热器4吸收热量，部分蒸发（干度11%）；然后进一步从顶部水蒸气朗肯循环的冷凝端吸取热量，完全蒸发（干度100%）。顶部循环的冷凝端余热仅提供底部有机朗肯循环的部分热源。当工业余热温度变动时，复叠朗肯循环可以稳定工作。

Claims (5)

1.基于复叠朗肯循环和两级水蓄热的工业余热回收发电系统，其特征在于：包括余热回收蓄热回路、一级蒸汽朗肯循环发电回路和二级有机朗肯循环发电回路；

所述余热回收蓄热回路包括蒸发器（1）、第一预热器（2）、第二预热器（4）、高温蓄热水罐（6）、低温蓄热水罐（7）和低温水泵（13）；

所述一级蒸汽朗肯循环发电回路包括蒸发器（1）、中间换热器（3）、高温蓄热水罐（6）、蒸汽螺杆膨胀机（8）、第一发电机（10）、中温水泵（12）；其中蒸发器（1）、高温蓄热水罐（6）、蒸汽螺杆膨胀机（8）、中间换热器（3）和中温水泵（12）串联形成一级水工质回路；

所述二级有机朗肯循环发电回路包括中间换热器（3）、第二预热器（4）、冷凝器（5）、有机工质汽轮机（9）、第二发电机（11）和有机工质泵（14）；其中第二预热器（4）、中间换热器（3）、有机工质汽轮机（9）、冷凝器（5）和有机工质泵（14）串联形成二级有机工质回路；

所述蒸发器（1）和第一预热器（2）的一侧为余热介质，蒸发器（1）和第一预热器（2）的另一侧为水工质；

所述中间换热器（3）和第二预热器（4）的一侧为水工质，中间换热器（3）和第二预热器（4）的另一侧为有机工质，水工质一侧的中间换热器（3）串联在一级蒸汽朗肯循环发电回路中，水工质一侧的第二预热器（4）串联在余热回收蓄热回路中，有机工质一侧的中间换热器（3）和第二预热器（4）串联在二级有机朗肯循环发电回路中；

所述冷凝器（5）的一侧为冷却水工质，冷凝器（5）的另一侧为有机工质，有机工质一侧的冷凝器（5）串联在二级有机朗肯循环发电回路中；

所述蒸发器（1）的水工质出口连通着高温蓄热水罐（6）的上部入口，高温蓄热水罐（6）的上部出口通过高温蒸汽阀（15）连通着蒸汽螺杆膨胀机（8）的入口，蒸汽螺杆膨胀机（8）的出口通过中温蒸汽阀（16）连通着中间换热器（3）的水工质入口，中间换热器（3）的水工质出口通过第一换热水阀（17）、中温水泵（12）和第一中温水阀（18）连通着蒸发器（1）的水工质入口；

高温蓄热水罐（6）的底部出口通过第一高温水阀（19）和第二高温水阀（23）分为两路，一路连通着第二预热器（4）的水工质入口，另一路连通着中间换热器（3）的水工质入口，中间换热器（3）的水工出口通过第二换热水阀（24）连通着第二预热器（4）的水工质入口，第二预热器（4）的水工质出口通过节流阀（20）连通着低温蓄热水罐（7）的入口，低温蓄热水罐（7）的出口通过低温水阀（21）和低温水泵（13）连通着第一预热器（2）的水工质的入口，第一预热器（2）的水工质出口通过第二中温水阀（22）连通着蒸发器（1）的水工质入口；

所述中间换热器（3）的有机工质出口连通着有机工质汽轮机（9）的入口，有机工质汽轮机（9）的出口连通着冷凝器（5）的有机工质入口，冷凝器（5）的有机工质出口通过有机工质泵（14）连通着第二预热器（4）的有机工质入口，第二预热器（4）的有机工质出口连通着中间换热器（3）的有机工质入口；

工作时，余热介质温度为150～400℃，当有充足的余热可以利用时，系统同时进行蓄热和复叠朗肯循环发电模式；当余热负荷剧烈波动时，系统利用储存的高温水进行单级有机朗肯循环发电模式。

2.根据权利要求1所述的基于复叠朗肯循环和两级水蓄热的工业余热回收发电系统，其特征在于：所述余热介质为中低温余热烟气、余热蒸汽、废水中的一种。

3.根据权利要求1所述的基于复叠朗肯循环和两级水蓄热的工业余热回收发电系统，其特征在于：所述高温蓄热水罐（6）的工作温度为150～300℃，所述低温蓄热水罐（7）的工作温度为30～150℃。

4.根据权利要求1所述的基于复叠朗肯循环和两级水蓄热的工业余热回收发电系统，其特征在于：所述高温蒸汽阀（15）、中温蒸汽阀（16）、第一换热水阀（17）、第一中温水阀（18）、第一高温水阀（19）、低温水阀（21）、第二中温水阀（22）、第二高温水阀（23）和第二换热水阀（24）均为球阀。

5.根据权利要求1所述的基于复叠朗肯循环和两级水蓄热的工业余热回收发电系统，其特征在于：所述节流阀（20）为滑套式节流阀。