一种优化的有机朗肯循环低温余热发电系统

摘要

一种优化的有机朗肯循环低温余热发电系统，热源流道与冷源流道的流向相反；在热源流道的流动方向上，第一级ORC发电机组、......第N级ORC发电机组的热源通道依次串联连接在同一个热源流道中，或者并联连接在同一个热源流道中，或者分别连接不同的热源流道；在冷源流道的流动方向上，第一级ORC发电机组、......第N级ORC发电机组的冷源通道反向依次串联连接在同一个冷源流道中，或者并联连接在同一个冷源流道中，或者分别连接不同的冷源流道。本发明可以充分回收热源携带的热量或冷源携带的冷量，优化系统的循环效率，从而增加整体发电量，能够达到最优的循环效率；系统设计更加灵活，提高系统对工况的适应能力。

说明书

技术领域

本发明涉及余热发电技术领域，尤其是涉及一种优化的有机朗肯循环低温 余热发电系统。

背景技术

工业生产消耗大量的能源并产生废热。对于品味较高的余热资源，由于能 量转化率高、综合效益好等原因，已经得到了有效的回收利用。而对一些品味 较低余热资源的回收，则受到许多限制。

一般而言，余热如果能被热用户直接利用，是最为经济、方便的，比如预 热助燃空气或燃气、预热或干燥物料、生产蒸汽或热水，等等。在很多场合， 附近没有足够的热用户，余热发电就成为一种提高能源利用率的有效途径。其 中，由于系统简单、发电效率相对较高等特点，有机朗肯循环(ORC)成为目前 回收低温余热用于发电的热点技术。

此外，ORC系统也应用于工业废冷量(例如LNG冷量)的回收发电，其本质 仍是余热发电。

ORC系统的发电效率，与工质的蒸发温度和冷凝温度相关。根据热力学理论， 较高的工质蒸发温度和较低的冷凝温度可以提高循环的做功效率。

目前，对于单一热源(和单一冷源)，通常设计单一ORC发电系统。工质能 达到的蒸发温度取决于热源的进口温度和出口温度。对于相同的热源进口温度， 较高的热源出口温度可以获得较高的工质蒸发温度，从而获得较高的做功效率。

为了充分利用余热资源，总是尽量降低热源出口温度。但是，如果可用热 源的出口温度较低，将导致工质的蒸发温度较低，系统将运行在较低的循环效 率。

ORC系统的输出功取决于两方面：可用热量和系统效率。为了增加可用热量， 必须降低热源出口温度；为了提高系统效率，必须提高工质蒸发温度。对于传 统的单一ORC系统，这两方面的要求一定程度上不可兼得。

上述对热源的分析同样适用于冷源。如果可用冷源的出口温度较高，将导 致工质的冷凝温度较高，系统将运行在较低的循环效率。

发明内容

本发明的目的在于设计一种新型的优化的有机朗肯循环低温余热发电系 统，解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种优化的有机朗肯循环低温余热发电系统，包括阶梯压力ORC发电机组、 热源和冷源，以及分别与所述热源和所述冷源连通的热源流道和冷源流道；所 述阶梯压力ORC发电机组按其工作压力从大到小依次包括第一级ORC发电机 组、......第N级ORC发电机组，其中N为自然数，并且N大于等于2；每级所述 ORC发电机组均包括热源通道和冷源通道；

所述热源流道与所述冷源流道的流向相反；

在所述热源流道的流动方向上，所述第一级ORC发电机组、......所述第N 级ORC发电机组的热源通道依次串联连接在同一个热源流道中，或者并联连接 在同一个热源流道中，或者分别连接不同的热源流道；

在所述冷源流道的流动方向上，所述第一级ORC发电机组、......所述第N 级ORC发电机组的冷源通道反向依次串联连接在同一个冷源流道中，或者并联 连接在同一个冷源流道中，或者分别连接不同的冷源流道。

优选的，所述N等于2，所述阶梯压力ORC发电机组包括高压ORC发电机组 和低压ORC发电机组；

在所述热源流道的流动方向上，所述高压ORC发电机组和所述低压ORC发 电机组的热源通道依次串联连接在同一个热源流道中，或者并联连接在同一个 热源流道中，或者分别连接不同的热源流道；

在所述冷源流道的流动方向上，所述高压ORC发电机组和所述低压ORC发 电机组的冷源通道反向依次串联连接在同一个冷源流道中，或者并联连接在同 一个冷源流道中，或者分别连接不同的冷源流道。

优选的，在所述热源流道的流动方向上，各级所述ORC发电机组的热源通 道依次串联连接在同一个热源流道中；

在所述冷源流道的流动方向上，各级所述ORC发电机组的冷源通道反向依 次串联连接在同一个冷源流道中。

优选的，在所述热源流道的流动方向上，各级所述ORC发电机组的热源通 道依次串联连接在同一个热源流道中；

在所述冷源流道的流动方向上，各级所述ORC发电机组的冷源通道并联连 接在同一个冷源流道中。

优选的，在所述热源流道的流动方向上，各级所述ORC发电机组的热源通 道并联连接在同一个热源流道中；

在所述冷源流道的流动方向上，各级所述ORC发电机组的冷源通道反向依 次串联连接在同一个冷源流道中。

优选的，在所述热源流道的流动方向上，各级所述ORC发电机组的热源通 道依次串联连接在同一个热源流道中；

在所述冷源流道的流动方向上，各级所述ORC发电机组的冷源通道分别连 接不同的冷源流道。

优选的，在所述热源流道的流动方向上，各级所述ORC发电机组的热源通 道分别连接不同的热源流道；

在所述冷源流道的流动方向上，各级所述ORC发电机组的冷源通道反向依 次串联连接在同一个冷源流道中。

优选的，每级所述ORC发电机组均包括预热器、蒸发器、回热器、冷凝器、 工质泵、发电机和供电系统，还包括膨胀机或透平机、；其中，所述预热器和所 述蒸发器构成所述热源通道，所述冷凝器构成所述冷源通道；

所述热源101依次流经所述蒸发器和所述预热器，所述冷源102流经冷凝 器；

在所述ORC发电机组内，所述冷凝器中通过所述工质泵连通到所述回热器， 然后依次连通通过所述预热器和所述蒸发器，然后连通到所述膨胀机或所述透 平机，然后再次经过所述回热器后返回到所述冷凝器中；

所述膨胀机或所述透平机与所述发电机传动连接，所述发电机与所述供电 系统电连接。

优选的，各级所述ORC发电机组内的工质循环压力不同；沿所述热源流道 的流动方向串联布置的所述ORC发电机组内的工质蒸发温度和蒸发压力依次降 低；所述冷源流道的流动方向串联布置的所述ORC发电机组内的工质冷凝温度 和冷凝压力依次升高。

对于传统的ORC系统，增加可用热量或可用冷量与提高系统效率有时不能 同时兼顾，这导致余热资源不能得到最大程度的有效转化。

针对上述问题，为了提高余热资源的转化效果，本发明专利提供一种优化 的有机朗肯循环低温余热发电系统。其中，通过对单一热源或单一冷源的温降 过程进行合理的区间划分，设计热源和冷源的利用方式，且至少一项为串联设 置；在热源流动方向串联或并联布置两组或多组换热器，向两组或多组ORC发 电机组供热；各ORC发电机组相互独立；在冷源流动方向串联或并联布置两组 或多组换热器，向两组或多组ORC发电机组提供冷量。

通过本技术发明，在充分回收热源热量或冷源冷量的同时，可以有效地提 高ORC循环的综合效率，从而增加系统的整体发电量。

本发明的有益效果可以总结如下：

1、使用本发明，可以充分回收热源携带的热量或冷源携带的冷量。

2、使用本发明，可以优化系统的循环效率，从而增加整体发电量。

3、使用本发明，由于对热源温度或冷源温度区间进行了细分，各发电机 组可以采用不同的工质，以达到最优的循环效率，系统设计更加灵活。 通过优化设计，可以进一步增加整体发电量。

4、使用本发明，可以提高系统对工况的适应能力。

附图说明

图1为本发明实施例1的系统工艺图。

101-热源，102-冷源，103-预热器，104-蒸发器，105-膨胀机，106 -回热器，107-冷凝器，108-工质泵，109-发电机，110-供电，103a- 预热器，104a-蒸发器，105a-膨胀机，106a-回热器，107a-冷凝器， 108a-工质泵，109a-发电机，110a-供电。

图2为本发明实施例2的系统工艺图。

201-热源，202-冷源，203-预热器，204-蒸发器，205-膨胀机，206 -回热器，207-冷凝器，208-工质泵，209-发电机，210-供电，203a- 预热器，204a-蒸发器，205a-膨胀机，206a-回热器，207a-冷凝器， 208a-工质泵，209a-发电机，210a-供电，211-冷源分流，211a-冷 源分流，212-冷源合流。

图3为本发明实施例3的系统工艺图。

301-热源，302-冷源，303-预热器，304-蒸发器，305-膨胀机，306 -回热器，307-冷凝器，308-工质泵，309-发电机，310-供电，303a- 预热器，304a-蒸发器，305a-膨胀机，306a-回热器，307a-冷凝器， 308a-工质泵，309a-发电机，310a-供电，311-热源分流，311a-热 源分流，312-热源合流。

图4为本发明实施例4的系统工艺图。

401-热源，402-冷源，402a-冷源，403-预热器，404-蒸发器，405- 膨胀机，406-回热器，407-冷凝器，408-工质泵，409-发电机，410- 供电，403a-预热器，404a-蒸发器，405a-膨胀机，406a-回热器，407a -冷凝器，408a-工质泵，409a-发电机，410a-供电。

图5为本发明实施例5的系统工艺图。

501-热源，501a-热源，502-冷源，503-预热器，504-蒸发器，505- 膨胀机，506-回热器，507-冷凝器，508-工质泵，509-发电机，510- 供电，503a-预热器，504a-蒸发器，505a-膨胀机，506a-回热器，507a -冷凝器，508a-工质泵，509a-发电机，510a-供电。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以 下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述 的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-图5所示的一种优化的有机朗肯循环低温余热发电系统，包括阶梯 压力ORC发电机组、热源和冷源，以及分别与所述热源和所述冷源连通的热源 流道和冷源流道；所述阶梯压力ORC发电机组按其工作压力从大到小依次包括 第一级ORC发电机组、......第N级ORC发电机组，其中N为自然数，并且N大 于等于2；每级所述ORC发电机组均包括热源通道和冷源通道；所述热源流道与 所述冷源流道的流向相反；在所述热源流道的流动方向上，所述第一级ORC发 电机组、......所述第N级ORC发电机组的热源通道依次串联连接在同一个热源 流道中，或者并联连接在同一个热源流道中，或者分别连接不同的热源流道； 在所述冷源流道的流动方向上，所述第一级ORC发电机组、......所述第N级ORC 发电机组的冷源通道反向依次串联连接在同一个冷源流道中，或者并联连接在 同一个冷源流道中，或者分别连接不同的冷源流道。各级所述ORC发电机组内 的工质循环压力不同；沿所述热源流道的流动方向串联布置的所述ORC发电机 组内的工质蒸发温度和蒸发压力依次降低；所述冷源流道的流动方向串联布置 的所述ORC发电机组内的工质冷凝温度和冷凝压力依次升高。

在更加优选的实施例中，所述N等于2，所述阶梯压力ORC发电机组包括高 压ORC发电机组和低压ORC发电机组；在所述热源流道的流动方向上，所述高 压ORC发电机组和所述低压ORC发电机组的热源通道依次串联连接在同一个热 源流道中，或者并联连接在同一个热源流道中，或者分别连接不同的热源流道； 在所述冷源流道的流动方向上，所述高压ORC发电机组和所述低压ORC发电机 组的冷源通道反向依次串联连接在同一个冷源流道中，或者并联连接在同一个 冷源流道中，或者分别连接不同的冷源流道。

在更加优选的实施例中，每级所述ORC发电机组均包括预热器、蒸发器、 回热器、冷凝器、工质泵、发电机和供电系统，还包括膨胀机或透平机、；其中， 所述预热器和所述蒸发器构成所述热源通道，所述冷凝器构成所述冷源通道； 所述热源101依次流经所述蒸发器和所述预热器，所述冷源102流经冷凝器； 在所述ORC发电机组内，所述冷凝器中通过所述工质泵连通到所述回热器，然 后依次连通通过所述预热器和所述蒸发器，然后连通到所述膨胀机或所述透平 机，然后再次经过所述回热器后返回到所述冷凝器中；所述膨胀机或所述透平 机与所述发电机传动连接，所述发电机与所述供电系统电连接。

在某个优选的实施例中，在所述热源流道的流动方向上，各级所述ORC发 电机组的热源通道依次串联连接在同一个热源流道中；在所述冷源流道的流动 方向上，各级所述ORC发电机组的冷源通道反向依次串联连接在同一个冷源流 道中。

在某个优选的实施例中，在所述热源流道的流动方向上，各级所述ORC发 电机组的热源通道依次串联连接在同一个热源流道中；在所述冷源流道的流动 方向上，各级所述ORC发电机组的冷源通道并联连接在同一个冷源流道中。

在某个优选的实施例中，在所述热源流道的流动方向上，各级所述ORC发 电机组的热源通道并联连接在同一个热源流道中；在所述冷源流道的流动方向 上，各级所述ORC发电机组的冷源通道反向依次串联连接在同一个冷源流道中。

在某个优选的实施例中，在所述热源流道的流动方向上，各级所述ORC发 电机组的热源通道依次串联连接在同一个热源流道中；在所述冷源流道的流动 方向上，各级所述ORC发电机组的冷源通道分别连接不同的冷源流道。

在某个优选的实施例中，在所述热源流道的流动方向上，各级所述ORC发 电机组的热源通道分别连接不同的热源流道；在所述冷源流道的流动方向上， 各级所述ORC发电机组的冷源通道反向依次串联连接在同一个冷源流道中。

以下举例说明：

实例1

如图1所示，包括热源101、冷源102、高压ORC发电机组和低压ORC发电 机组。其中，高压ORC发电机组包括预热器103、蒸发器104、膨胀机105、回 热器106、冷凝器107、工质泵108、发电机109以及供电系统110；低压ORC 发电机组包括预热器103a、蒸发器104a、膨胀机105a、回热器106a、冷凝器 107a、工质泵108a、发电机109a以及供电系统110a。

运行时，高压ORC发电机组内的循环工质具有较高的蒸发压力和较高的冷 凝压力。

热源101首先流经蒸发器104和预热器103，向高压ORC发电机组提供热量。 然后流经蒸发器104a和预热器103a，向低压ORC发电机组提供热量。

冷源102首先流经冷凝器107a，向低压ORC发电机组提供冷量。然后流经 冷凝器107，向高压ORC发电机组提供冷量。

高压发电机组内，液态循环工质在工质泵108的驱动下流经回热器106，依 次送入预热器103和蒸发器104，工质被加热至气态，然后送入膨胀机105。膨 胀机105带动发电机109，向外供电。经膨胀机105膨胀对外做功后，工质流经 回热器106，送入冷凝器107，工质被降温至液态，回到工质泵108，形成循环 回路。其中，在回热器106内，从膨胀机105出来的工质与从工质泵108出来 的工质进行热交换。

低压发电机组内，液态循环工质在工质泵108a的驱动下流经回热器106a， 依次送入预热器103a和蒸发器104a，工质被加热至气态，然后送入膨胀机105a。 膨胀机105a带动发电机109a，向外供电。经膨胀机105a膨胀对外做功后，工 质流经回热器106a，送入冷凝器107a，工质被降温至液态，回到工质泵108a， 形成循环回路。其中，在回热器106a内，从膨胀机105a出来的工质与从工质 泵108a出来的工质进行热交换。

通过串联设置，高压ORC发电机组可以获得较高的蒸发温度和蒸发压力， 从而获得较高的发电效率。

通过串联设置，低压ORC发电机组可以获得较低的冷凝温度和冷凝压力， 从而获得较高的发电效率。

该系统在充分回收热源热量和冷源冷量的同时，提高了整体循环效率，从 而增加总发电量。

此外，若热源温度波动时，对低压ORC机组的影响较小。同理，冷源温度 的波动对高压ORC机组的影响较小。因此该系统可以提高对工况的适应能力。

实例2

如图2所示，包括热源201、冷源202、高压ORC发电机组和低压ORC发电 机组。其中，高压ORC发电机组包括预热器203、蒸发器204、膨胀机205、回 热器206、冷凝器207、工质泵208、发电机209以及供电系统210；低压ORC 发电机组包括预热器203a、蒸发器204a、膨胀机205a、回热器206a、冷凝器 207a、工质泵208a、发电机209a以及供电系统210a。

运行时，高压ORC发电机组内的循环工质具有较高的蒸发压力。

热源201首先流经蒸发器204和预热器203，向高压ORC发电机组提供热量。 然后流经蒸发器204a和预热器203a，向低压ORC发电机组提供热量。

冷源202分流成两股，分别为冷源分流211和冷源分流211a。冷源分流211a 流经冷凝器207a，向低压ORC发电机组提供冷量。冷源分流211流经冷凝器107， 向高压ORC发电机组提供冷量。对两个ORC发电机组冷却之后，冷源分流211 和冷源分流211a汇成冷源合流212。

高压发电机组内，液态循环工质在工质泵208的驱动下流经回热器206，依 次送入预热器203和蒸发器204，工质被加热至气态，然后送入膨胀机205。膨 胀机205带动发电机209，向外供电。经膨胀机205膨胀对外做功后，工质流经 回热器206，送入冷凝器207，工质被降温至液态，回到工质泵208，形成循环 回路。其中，在回热器206内，从膨胀机205出来的工质与从工质泵208出来 的工质进行热交换。

低压发电机组内，液态循环工质在工质泵208a的驱动下流经回热器206a， 依次送入预热器203a和蒸发器204a，工质被加热至气态，然后送入膨胀机205a。 膨胀机205a带动发电机209a，向外供电。经膨胀机205a膨胀对外做功后，工 质流经回热器206a，送入冷凝器207a，工质被降温至液态，回到工质泵208a， 形成循环回路。其中，在回热器206a内，从膨胀机205a出来的工质与从工质 泵208a出来的工质进行热交换。

通过串联设置，高压ORC发电机组可以获得较高的蒸发温度和蒸发压力， 从而获得较高的发电效率。

该系统在充分回收热源热量的同时，提高了整体循环效率，从而增加总发 电量。

此外，若热源温度波动时，对低压ORC机组的影响较小，可以提高系统对 工况的适应能力。

实例3

如图3所示，包括热源301、冷源302、高压ORC发电机组和低压ORC发电 机组。其中，高压ORC发电机组包括预热器303、蒸发器304、膨胀机305、回 热器306、冷凝器307、工质泵308、发电机309以及供电系统310；低压ORC 发电机组包括预热器303a、蒸发器304a、膨胀机305a、回热器306a、冷凝器 307a、工质泵308a、发电机309a以及供电系统310a。

运行时，低压ORC发电机组内的循环工质具有较低的冷凝压力。

热源301分流成两股，分别为热源分流311和热源分流311a。热源分流311 流经蒸发器304和预热器303，向高压ORC发电机组提供热量。热源分流311a 流经蒸发器304a和预热器303a，向低压ORC发电机组提供热量。将热量传递给 两个ORC发电机组之后，热源分流311和热源分流311a汇成热源合流312。

冷源302首先流经冷凝器307a，向低压ORC发电机组提供冷量。然后流经 冷凝器307，向高压ORC发电机组提供冷量。

高压发电机组内，液态循环工质在工质泵308的驱动下流经回热器306，依 次送入预热器303和蒸发器304，工质被加热至气态，然后送入膨胀机305。膨 胀机305带动发电机309，向外供电。经膨胀机305膨胀对外做功后，工质流经 回热器306，送入冷凝器307，工质被降温至液态，回到工质泵308，形成循环 回路。其中，在回热器306内，从膨胀机305出来的工质与从工质泵308出来 的工质进行热交换。

低压发电机组内，液态循环工质在工质泵308a的驱动下流经回热器306a， 依次送入预热器303a和蒸发器304a，工质被加热至气态，然后送入膨胀机305a。 膨胀机305a带动发电机309a，向外供电。经膨胀机305a膨胀对外做功后，工 质流经回热器306a，送入冷凝器307a，工质被降温至液态，回到工质泵308a， 形成循环回路。其中，在回热器306a内，从膨胀机305a出来的工质与从工质 泵308a出来的工质进行热交换。

通过串联设置，低压ORC发电机组可以获得较低的冷凝温度和冷凝压力， 从而获得较高的发电效率。

该系统在充分回收冷源冷量的同时，提高了整体循环效率，从而增加总发 电量。

此外，若冷源温度波动时，对高压ORC机组的影响较小，可以提高系统对 工况的适应能力。

实例4

如图4所示，包括热源401、冷源402、冷源402a、高压ORC发电机组和低 压ORC发电机组。其中，高压ORC发电机组包括预热器403、蒸发器404、膨胀 机405、回热器406、冷凝器407、工质泵408、发电机409以及供电系统410； 低压ORC发电机组包括预热器403a、蒸发器404a、膨胀机405a、回热器406a、 冷凝器407a、工质泵408a、发电机409a以及供电系统410a。

运行时，高压ORC发电机组内的循环工质具有较高的蒸发压力。

热源401首先流经蒸发器404和预热器403，向高压ORC发电机组提供热量。 然后流经蒸发器404a和预热器403a，向低压ORC发电机组提供热量。

冷源402流经冷凝器407，向高压ORC发电机组提供冷量。冷源402a流经 冷凝器407a，向低压ORC发电机组提供冷量。

ORC发电机组的运行与实例1相同。

通过串联设置，高压ORC发电机组可以获得较高的蒸发温度和蒸发压力， 从而获得较高的发电效率。

该系统在充分回收热源热量同时，提高了整体循环效率，从而增加总发电 量。

实例5

如图5所示，包括热源501、热源501a、冷源502、高压ORC发电机组和低 压ORC发电机组。其中，高压ORC发电机组包括预热器503、蒸发器504、膨胀 机505、回热器506、冷凝器507、工质泵508、发电机509以及供电系统510； 低压ORC发电机组包括预热器503a、蒸发器504a、膨胀机505a、回热器506a、 冷凝器507a、工质泵508a、发电机509a以及供电系统510a。

运行时，低压ORC发电机组内的循环工质具有较低的冷凝压力。

热源501依次流经蒸发器504和预热器503，向高压ORC发电机组提供热量。 热源501a依次流经蒸发器504a和预热器503a，向低压ORC发电机组提供热量。

冷源502首先流经冷凝器507a，向低压ORC发电机组提供冷量。然后流经 冷凝器507，向高压ORC发电机组提供冷量。

ORC发电机组的运行与实例1相同。

通过串联设置，低压ORC发电机组可以获得较低的冷凝温度和冷凝压力， 从而获得较高的发电效率。

该系统在充分回收冷源冷量同时，提高了整体循环效率，从而增加总发电 量。

以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员 应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内， 所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。