一种梯级换热有机朗肯循环发电系统及其发电方法

摘要

一种梯级换热有机朗肯循环发电系统及其发电方法，包括高压蒸发器，高压预热器，高压乏汽回热器，膨胀机及冷凝器，低压蒸发器，低压预热器及低压乏汽回热器，其中高压蒸发器的壳侧出口通过管道分别连接于高压预热器和低压蒸发器，其管侧出口通过管道与膨胀机相连，膨胀机连接于发电机，膨胀机设有补气口，低压预热器连接于低压蒸发器，低压蒸发器管侧出口与补气口连通，膨胀机的排气口连接于高压乏汽回热器，高压乏汽回热器的出口连接于低压乏汽回热器，低压乏汽回热器的壳侧出口连接于冷凝器，冷凝器的管侧出口与储液罐相连，储液罐出口侧连接多个工质泵，降低了高压预热器中的不可逆损失，提高了低压预热器的热源品位，充分利用能源。

说明书

技术领域

本发明属于低品位能源利用领域，尤其涉及一种利用低品位能源进行有机朗肯循环发电 的系统。

背景技术

我国经济发展迅速随之带来的是能源的短缺及严重的环境污染，一方面在钢铁、建筑、 交通等领域存在大量能源以热量形式被排放，回收利用难度高；另一方面地热能、太阳能等 自然资源的利用等级较低，无法合理利用。因此现如今，如何对能源进行合理利用，成为缓 解我国能源及环境问题的重要途径。

在低品位能源的回收利用中，有机朗肯循环因其工质具有高压低沸特点被广泛利用，但 针对多数热源，在系统出口处，热源温度依旧高达340K左右，使能源回收率及系统性能均较 低。若对系统出口处热源进行再次利用，则因其品位较低，回收成本较高，具有一定的回收 难度。

因此，有必要设计一种更好的热源回收系统。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种自升热源品位，可对热源进行梯级利用的梯 级换热有机朗肯循环发电系统及其发电方法。

为了实现目的，本发明采用如下技术方案：

一种梯级换热有机朗肯循环发电系统，包括高压有机朗肯循环装置和低压有机朗肯循环 装置，所述高压有机朗肯循环装置具有高压蒸发器，高压预热器，高压乏汽回热器，膨胀机 及冷凝器；所述低压有机朗肯循环装置具有低压蒸发器，低压预热器及低压乏汽回热器；其 中高压蒸发器的壳侧出口通过管道分别连接于所述高压预热器和所述低压蒸发器，其管侧出 口通过管道与所述膨胀机相连，所述膨胀机连接于发电机，所述膨胀机设有补气口，所述低 压预热器连接于所述低压蒸发器，所述低压蒸发器管侧出口与所述补气口连通，所述膨胀机 的排气口连接于所述高压乏汽回热器，所述高压乏汽回热器的出口连接于所述低压乏汽回热 器，所述低压乏汽回热器的壳侧出口连接于所述冷凝器，所述冷凝器的管侧出口与储液罐相 连，所述储液罐出口侧连接多个工质泵。

进一步，所述高压蒸发器与所述高压预热器、所述低压蒸发器之间均设有流量计和流量 调节阀。

进一步，所述冷凝器连接有冷却水进口，供冷却水进入以冷却工质。

进一步，所述储液罐与所述高压预热器及所述低压预热器通过管道连通，所述管道上设 有第一控制阀。

进一步，所述储液罐与所述低压乏汽回热器连通，两者之间设有所述工质泵和第二控制 阀。

进一步，所述低压乏汽回热器与所述低压预热器连通，所述高压乏汽回热器与所述高压 预热器连通。

一种基于上述梯级换热有机朗肯循环发电系统的发电方法,包括：热源进入所述高压蒸发 器后分流，分别进入所述高压预热器和所述低压蒸发器，所述低压蒸发器内的热源部分进入 所述低压预热器内，经所述高压乏汽回热器流出的工质进入所述高压预热器内预热后进入所 述高压蒸发器蒸发，蒸汽进入所述膨胀机内，带动所述发电机发电，同时同一工质进入所述 低压预热器预热后进入所述低压蒸发器蒸发，蒸汽通过所述补气口进入所述膨胀机，从所述 膨胀机出来的所述工质进入所述高压乏汽回热器和所述低压乏汽回热器后再进入所述冷凝器 内冷却，冷却后的所述工质流入所述储液罐。

进一步，所述工质于所述膨胀机内释放热能后，由所述排气口流出，若所述排气口的乏 汽温度较高，所述工质进入所述高压乏汽回热器，若所述排气口的乏汽温度较低，则所述工 质直接进入所述冷凝器。

进一步，所述乏汽温度较高时，所述冷凝器流出的所述工质通过所述工质泵提升进入所 述低压乏汽回热器内加热，然后分流，所述工质部分直接进入所述低压预热器，另一部分经 过所述工质泵升压至高压状态再进入所述高压乏汽回热器内加热，进入所述高压预热器。

进一步，所述乏汽温度较低时，所述工质泵将所述储液罐内的所述工质直接输送至所述 高压预热器和所述低压预热器内。

本发明的有益效果：

(1)通过在高压蒸发器出口控制热源分流后进入高压预热器和低压蒸发器中，降低了高 压预热器中的不可逆损失，使高压蒸发器中的蒸发温度及低压预热器中的热源温度升高，在 原热源不变的基础上，提高了低压预热器的热源品位，使低压级循环可以与高压级循环采用 同一种工质；

(2)膨胀机设有补气口，低压蒸发器内的蒸汽进入补气口内，对膨胀机提供能量做功， 可以对不同温度的热源都进行利用，充分实现能源梯级利用，同时降低设备投资；

(3)高压乏汽回热器和低压乏汽回热器的使用既充分回收了工质携带的热量，又提高了 工质进入高压预热器和低压预热器时的温度，降低冷凝器中不可逆损失，使整个系统中存在 多级换热，充分利用能源。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图中，1—高压蒸发器、2—高压预热器、3—膨胀机、31—补气口、4—高压乏汽回热器、 5—冷凝器、6—储液罐、7—低压蒸发器、8—低压预热器、9—低压乏汽回热器、10—流量计、 11—流量调节阀、12—第一控制阀、13—第二控制阀、14—发电机、15—工质泵。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明一种梯级换热有机朗肯循环发电系统包括高压有机朗肯循环装置和 低压有机朗肯循环装置。

高压有机朗肯循环装置包括高压蒸发器1，高压预热器2，高压乏汽回热器4，膨胀机3、 冷凝器5及储液罐6，低压有机朗肯循环装置包括低压蒸发器7，低压预热器8及低压乏汽回 热器9。高压蒸发器1的壳侧入口与热源输送管相连，高压蒸发器1壳侧出口通过管道分别 连接于所述高压预热器2和所述低压蒸发器7，高压蒸发器1与所述高压预热器2、低压蒸发 器7之间均设有流量计10和流量调节阀11，通过流量调节阀11和流量计10调整热源分别 进入高压预热器2和低压蒸发器7的量。高压预热器2的管侧出口连接与高压蒸发器1的管 侧入口，高压预热器2的管侧入口与储液罐6连通，两者之间设有第一控制阀12。高压蒸发 器1的管侧出口通过管道连接于膨胀机3，膨胀机3的后端连接有发电机14，膨胀机3的下 端设有补气口31，膨胀机3的排气口连接于高压乏汽回热器4，两者之间设有阀门，同时膨 胀机3的排气口与冷凝器5连接，两者之间也设有阀门，高压乏汽回热器4的出口与高压预 热器2的管侧入口通过管道连通。

低压蒸发器7的壳侧入口与高压蒸发器1的壳侧出口相连通，两者之间设有流量计10和 流量调节阀11，低压蒸发器7的壳侧出口与低压预热器8壳侧入口连通，低压预热器8的管 侧入口与与储液罐6相连，两者之间设有第一控制阀12，同时低压预热器8的管侧入口与低 压乏汽回热器9的出口相连，两者之间也设有阀门，低压预热器8的管侧出口与低压蒸发器 7的管侧入口连通，低压蒸发器7的管侧出口通过管道与补气口31连通。低压乏汽回热器9 的入口与与高压乏汽回热器4的出口连通，其出口与冷凝器5连通，同时，低压乏汽回热器 9的入口与储液罐6连通，两者之间设有工质泵15及第二控制阀13，低压乏汽回热器9的出 口与高压乏汽回热器4的入口连通。

冷凝器5设有冷却水进口和冷却水出口，冷却水入口与冷却水管道相连通，冷凝器同时 连接于低压乏汽回热器9的出口及膨胀机3的出口，当膨胀机3出气口乏汽温度较低时，工 质不经过高压乏汽回热器4，而直接进入冷凝器5内。

基于上述发电系统的发电方法如下：

热源通过高压蒸发器1的壳侧入口进入高压蒸发器1内，在本实施例中，热源为一切以 显热形式存在的低温热源，如地热水、烟气等。进入高压蒸发器1后热源与高压蒸发器1管 内的工质换热后，热源通过壳侧出口流出并分流进入高压预热器2和低压蒸发器7中，其中 热源在高压预热器2中与其中的工质进行换热，热源放热后排出，同时低压蒸发器7内的热 源在低压蒸发器7内加热其中的工质，然后热源流入低压预热器8中与其中的工质进行换热， 热源换热后排出。通过流量计10及流量调节阀11来调节经过高压蒸发器1后分流进入高压 预热器2和低压蒸发器7中的热源含量，降低了高压预热器2中的不可逆损失，使高压蒸发 器1中的蒸发温度及低压预热器8中的热源温度升高，在原热源不变的基础上，提高了低压 级预热器8热源品位。

该发电系统中存在工质，优选的，是有机工质，在循环系统中，工质由储液罐6被工质 泵15抽出，分别进入高压预热器2和低压预热器8中，与其中的热源进行换热，从而使工质 被加热，然后工质再进入高压蒸发器1和低压蒸发器7的管中，在高压蒸发器1中与热源换 热进而被加热蒸发，形成高压蒸汽，该高压蒸汽进入膨胀机3中带动发电机14发电，同时低 压蒸发器7中的工质也与热源换热后形成低压蒸汽，低压蒸汽通过补气口31进入膨胀机3中， 对膨胀机3提供能量做功，因此本发明的发电系统可以对不同温度的热源都进行利用，充分 实现能源梯级利用，同时能够降低设备投资。高压蒸汽与低压蒸汽在膨胀机3内释放能量后 由膨胀机3的排气口排出，此时若排气口乏汽温度较高，例如排气口排出的工质为气态，则 工质进入高压乏汽回热器4中换热，再进入低压乏汽回热器9中换热，然后进入冷凝器5中 冷却，最后流入储液罐6；若排气口乏汽温度较低，例如排气口排出的工质为液态，则工质 直接进入冷凝器5内冷却后流入储液罐6。

乏汽温度也控制了储液罐6内工质流出时的路径。若乏汽温度较高时，第一控制阀12关 闭，第二控制阀13打开，工质泵15将储液罐6内的工质提升进入低压乏汽回热器9中加热， 然后通过阀门调节，工质部分进入低压预热器8中，另一部分进入高压乏汽回热器4中进一 步加热后进入高压预热器2中。高压乏汽回热器4和低压乏汽回热器9的使用既充分回收了 工质携带的热量，又提高了工质进入高压预热器2和低压预热器8时的温度，降低冷凝器5 中不可逆损失，使整个系统中存在多级换热，充分利用能源。若乏汽温度较低时，第一控制 阀12打开，第二控制阀13关闭，工质泵15将储液罐6内的工质抽出后直接进入高压预热器 2和低压预热器8中。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行 了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换， 而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。