用于低压放散蒸汽的有机朗肯循环发电装置及其使用方法

摘要

本发明涉及由流体驱动的发动机领域，具体为一种用于低压放散蒸汽的有机朗肯循环发电装置及其使用方法。一种用于低压放散蒸汽的有机朗肯循环发电装置，包括集热器(1)、蒸发器(2)和冷凝器(6)，其特征是：还包括蓄能工质泵(3)、水泵(4)、有机工质冷凝泵(5)和螺杆膨胀机(7)，蒸发器(2)、有机工质冷凝泵(5)、冷凝器(6)和螺杆膨胀机(7)组成发电机组系统。一种用于低压放散蒸汽的有机朗肯循环发电装置的使用方法，其特征是：按如下步骤依次实施：低压放散蒸汽与蓄能工质热交换，蓄能工质与有机工质热交换，工质蒸汽对螺杆膨胀机(7)做功。本发明热能利用率高，适应性强。

说明书

技术领域

本发明涉及由流体驱动的发动机领域，具体为一种用于低压放散蒸汽的有机朗肯循环发电装置及其使用方法。

背景技术

朗肯循环是指以水蒸气作为工质的一种理想循环过程，主要包括等熵压缩、等压加热、等熵膨胀以及等压冷凝过程。郎肯循环从外界吸收热量，将其闭环的工质，通常使用水加热做功，用于蒸汽装置动力循环。

目前，有机朗肯循环发电系统在中低温余热回收中被大量应用，具有技术成熟、工作稳定、可以频繁启停等优点，其发电系统主要有：工质泵、蒸发器（余热换热装置）、膨胀机、冷凝器等组成，工作时，低压液态有机工质经循环工质泵增压进入蒸发器（余热换热装置），吸收余热后，工质定压蒸发为高温高压工质蒸气，然后进入膨胀机组推动做功，带动发电机运转发电，膨胀机出口的低压蒸气进入冷凝器，向低位资源放热而冷凝为液态，如此往复循环。

但是，目前有机朗肯循环发电系统主要集中应用在稳定烟气、稳定蒸汽系统中，但在波动比较大的中低温烟气余热回收、放散低压蒸汽系统很少加以利用，在不稳定的烟气、蒸汽系统中如钢铁行业全厂低压蒸汽管网放散蒸汽、波动较大的中低温余热资源、其它工艺放散蒸汽等场合应用时，由于受生产节奏的波动影响，其用汽量、产汽量均随之波动，利用难度大，特别是无规律性的放散蒸汽，放散的次数及放散量均难以控制，大部分放散低压蒸汽一般在1.0MPa以下，温度为饱和蒸汽或微过热蒸汽，膨胀螺杆机虽然能快速启停，适应温度、流量的局部波动，但是在大范围波动的情况下，势必会影响机组容量的选型、系统设计，机组的频繁启停，增加运行管理的难度和复杂性，不能做到余热资源利用最大化，也会影响整个系统的使用寿命。因此，由于波动性大、无规律性的难点使得对余热利用的难度较高、可控制性相对较差，很难设计合适的利用方案，这样势必造成余热资源大量浪费。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，提供一种可充分利用低温余热资源、对热源波动适应性强的发动机系统，本发明公开了一种用于低压放散蒸汽的有机朗肯循环发电装置及其使用方法。

本发明通过如下技术方案达到发明目的：

一种用于低压放散蒸汽的有机朗肯循环发电装置，包括集热器、蒸发器和冷凝器，集热器内设有热交换器甲，蒸发器内设有热交换器乙，冷凝器内设有热交换器丙，其特征是：还包括蓄能工质泵、水泵、有机工质冷凝泵和螺杆膨胀机，

蒸发器、有机工质冷凝泵、冷凝器和螺杆膨胀机组成发电机组系统，所述发电机组系统的数量不小于1组；

热交换器甲的蒸汽入口通过蒸汽管道连接低压放散蒸汽源，热交换器甲的冷凝水出口连接串联了水泵的冷凝水管；

热交换器乙的有机工质入口通过串联了有机工质冷凝泵的有机工质管道连接冷凝器内热交换器丙的有机工质出口，热交换器乙的工质蒸汽出口通过工质蒸汽管道连接螺杆膨胀机的进气口；螺杆膨胀机的出气口通过有机工质管道连接冷凝器内热交换器丙的有机工质入口，螺杆膨胀机的输出轴连接发电机的转轴；

集热器的蓄能工质入口通过串联了蓄能工质泵的蓄能工质管道连接蒸发器的蓄能工质出口，集热器的蓄能工质出口通过蓄能工质管道连接蒸发器的蓄能工质入口；

冷凝器的循环冷却水入口通过循环冷却水管道连接循环冷却水源，冷凝器的循环冷却水出口连接循环冷却水管道；

当发电机组系统的数量大于1组时，各组发电机组系统内部的蒸发器、有机工质冷凝泵、冷凝器和螺杆膨胀机采用串联连接，各个蒸发器的蓄能工质出口分别通过串联了蓄能工质泵的蓄能工质管道连接集热器的蓄能工质入口，各个蒸发器的蓄能工质入口分别通过蓄能工质管道连接集热器的蓄能工质出口。

所述的用于低压放散蒸汽的有机朗肯循环发电装置，其特征是：还包括蓄能工质管道温度计、低压放散蒸汽流量仪和低压放散蒸汽温度计，

每根连接蒸发器蓄能工质出口和蓄能工质泵的蓄能工质管道上分别设有蓄能工质管道温度计，连接热交换器甲蒸汽入口和低压放散蒸汽源的蒸汽管道上依次设有低压放散蒸汽流量仪和低压放散蒸汽温度计。

所述的用于低压放散蒸汽的有机朗肯循环发电装置的使用方法，其特征是：按如下步骤依次实施：

从低压放散蒸汽源中释放出的低压放散蒸汽通过蒸汽管道经热交换器甲的蒸汽入口输送至集热器的热交换器甲，在集热器内低压放散蒸汽通过热交换器甲与蓄能工质发生热交换，低压放散蒸汽将热能传递给蓄能工质后生成冷凝水，冷凝水再用水泵从热交换器甲的冷凝水出口经冷凝水管泵入相应的余热锅炉系统或冷凝水回收装置；

集热器内蓄能工质吸收了低压放散蒸汽传递的热量后，从集热器的蓄能工质出口经蓄能工质管道进入蒸发器的热交换器乙，在蒸发器内蓄能工质通过热交换器乙与有机工质发生热交换，蓄能工质向有机工质释放热量后用蓄能工质泵从蒸发器的蓄能工质出口经蓄能工质管道泵入集热器，再次与低压放散蒸汽发生热交换，如此循环往复；

蒸发器内有机工质吸收了蓄能工质传递的热量后，有机工质定压蒸发为高温高压的工质蒸气，工质蒸汽从热交换器乙的工质蒸汽出口经工质蒸汽管道进入螺杆膨胀机推动做功，螺杆膨胀机带动发电机将机械能转换成电能输出，

高温高压的工质蒸汽对螺杆膨胀机做功后成为低压蒸汽，低压蒸汽从螺杆膨胀机的出气口经有机工质管道输入冷凝器的热交换器丙，循环冷却水经循环冷却水管道从冷凝器的循环冷却水入口输入冷凝器，在冷凝器内低压蒸汽通过热交换器丙与循环冷却水发生热交换，低压蒸汽将热能传递给循环冷却水后生成液态有机工质，液态有机工质再用有机工质冷凝泵从热交换器丙的有机工质出口经有机工质管道泵入蒸发器的热交换器乙，再次与蓄能工质发生热交换，如此循环往复；循环冷却水吸收了低压蒸汽传递的热量后从冷凝器循环冷却水出口经循环冷却水管道排出。

所述的用于低压放散蒸汽的有机朗肯循环发电装置的使用方法，其特征是：实施时还包括如下步骤：

切换发电机组系统运行时主要根据蓄能工质温度计的检测数据进行判断，低压放散蒸汽流量仪和低压放散蒸汽温度计的检测数据供辅助判断，在设计时，根据整个装置中蓄能工质的能力并配置螺杆膨胀机的相应台数，根据装置设置蓄能工质运行温度（T₁、T₂、...T_n）的相应数值及调整变量T_M，设蓄能工质管道温度计实测的蓄能工质温度为T₀，共设有n组发电机组系统，根据各组发电机组系统设置各蓄能工质的运行温度，1组发电机组系统运行时的蓄能工质的运行温度设置为T₁，2组发电机组系统共同运行时的蓄能工质的运行温度设置为T₂，……n组发电机组系统共同运行时的蓄能工质的运行温度设置为T_n，并设调整变量为T_M，当有m组发电机组系统共同运行时，有T₀≤T_m+T_M，其中m≤n；若T₀＞T_m+T_M，则逐次地增加1组发电机组系统投入运行，使m逐次地在[1,n]范围内从小至大地取正整数，直至满足T₀≤T_m+T_M止；

具体地说，即：当只有1台螺杆膨胀机运行时，此时如果蓄能工质泵前的蓄能工质管道的实测温度T₀≤T₁+T_M，则维持1套发电机组系统运行；若T₀＞T₁+T_M，则增加1台螺杆膨胀机投入运行切换至2套发电机组系统运行，并判断是否满足T₀≤T₂+T_M，以此类推，直至满足T₀≤T_m+T_M，从而实现n套机组的切换，以最大效率的利用发电机组，实现余热利用最大化。

本发明可适用于波动较大的低压放散不稳定蒸汽的余热回收，可减少能源浪费，减少噪声污染及大气的热污染，对推动波动较大的中低温余热资源的回收具有重大意义。

本发明具有如下有益效果：

1.可以使用波动较大烟气系统、波动较大的放散蒸汽系统进行余热发电，并避免机组的频繁启停，保持发电系统的相对稳定性，实现能源利用的最大化；

2.结构简单，维护方便；

3.控制逻辑清晰明了；

4.能够确保设备工作状况稳定，延长设备使用寿命，减少设备投资；

5.能够实现中低温烟气余热资源利用的多样性，满足工厂的生产生活需要。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例进一步说明本发明。

实施例1

一种用于低压放散蒸汽的有机朗肯循环发电装置，包括集热器1、蒸发器2、蓄能工质泵3、水泵4、有机工质冷凝泵5、冷凝器6和螺杆膨胀机7，如图1所示，具体结构是：

集热器1内设有热交换器甲11，蒸发器2内设有热交换器乙21，冷凝器6内设有热交换器丙61；

蒸发器2、有机工质冷凝泵5、冷凝器6和螺杆膨胀机7组成发电机组系统，所述发电机组系统的数量不小于1组；

热交换器甲11的蒸汽入口通过蒸汽管道连接低压放散蒸汽源，热交换器甲11的冷凝水出口连接串联了水泵4的冷凝水管；

热交换器乙21的有机工质入口通过串联了有机工质冷凝泵5的有机工质管道连接冷凝器6内热交换器丙61的有机工质出口，热交换器乙21的工质蒸汽出口通过工质蒸汽管道连接螺杆膨胀机7的进气口；螺杆膨胀机7的出气口通过有机工质管道连接冷凝器6内热交换器丙61的有机工质入口，螺杆膨胀机7的输出轴连接发电机20的转轴；

集热器1的蓄能工质入口通过串联了蓄能工质泵3的蓄能工质管道连接蒸发器2的蓄能工质出口，集热器1的蓄能工质出口通过蓄能工质管道连接蒸发器2的蓄能工质入口；

冷凝器6的循环冷却水入口通过循环冷却水管道连接循环冷却水源，冷凝器6的循环冷却水出口连接循环冷却水管道；

当发电机组系统的数量大于1组时，各组发电机组系统内部的蒸发器2、有机工质冷凝泵5、冷凝器6和螺杆膨胀机7采用串联连接，各个蒸发器2的蓄能工质出口分别通过串联了蓄能工质泵3的蓄能工质管道连接集热器1的蓄能工质入口，各个蒸发器2的蓄能工质入口分别通过蓄能工质管道连接集热器1的蓄能工质出口。

为提高控制的精度，本实施例还包括蓄能工质管道温度计8、低压放散蒸汽流量仪9和低压放散蒸汽温度计10，

每根连接蒸发器2蓄能工质出口和蓄能工质泵3的蓄能工质管道上分别设有蓄能工质管道温度计8，连接热交换器甲11蒸汽入口和低压放散蒸汽源的蒸汽管道上依次设有低压放散蒸汽流量仪9和低压放散蒸汽温度计10。

本实施例使用时，按如下步骤依次实施：

从低压放散蒸汽源中释放出的低压放散蒸汽通过蒸汽管道经热交换器甲11的蒸汽入口输送至集热器1的热交换器甲11，在集热器1内低压放散蒸汽通过热交换器甲11与蓄能工质发生热交换，低压放散蒸汽将热能传递给蓄能工质后生成冷凝水，冷凝水再用水泵4从热交换器甲11的冷凝水出口经冷凝水管泵入相应的余热锅炉系统或冷凝水回收装置；

集热器1内蓄能工质吸收了低压放散蒸汽传递的热量后，从集热器1的蓄能工质出口经蓄能工质管道进入蒸发器2的热交换器乙21，在蒸发器2内蓄能工质通过热交换器乙21与有机工质发生热交换，蓄能工质向有机工质释放热量后用蓄能工质泵3从蒸发器2的蓄能工质出口经蓄能工质管道泵入集热器1，再次与低压放散蒸汽发生热交换，如此循环往复；

蒸发器2内有机工质吸收了蓄能工质传递的热量后，有机工质定压蒸发为高温高压的工质蒸气，工质蒸汽从热交换器乙21的工质蒸汽出口经工质蒸汽管道进入螺杆膨胀机7推动做功，螺杆膨胀机7带动发电机20将机械能转换成电能输出，

高温高压的工质蒸汽对螺杆膨胀机7做功后成为低压蒸汽，低压蒸汽从螺杆膨胀机7的出气口经有机工质管道输入冷凝器6的热交换器丙61，循环冷却水经循环冷却水管道从冷凝器6的循环冷却水入口输入冷凝器6，在冷凝器6内低压蒸汽通过热交换器丙61与循环冷却水发生热交换，低压蒸汽将热能传递给循环冷却水后生成液态有机工质，液态有机工质再用有机工质冷凝泵5从热交换器丙61的有机工质出口经有机工质管道泵入蒸发器2的热交换器乙21，再次与蓄能工质发生热交换，如此循环往复；循环冷却水吸收了低压蒸汽传递的热量后从冷凝器6循环冷却水出口经循环冷却水管道排出。

切换发电机组系统运行时主要根据蓄能工质温度计8的检测数据进行判断，低压放散蒸汽流量仪9和低压放散蒸汽温度计10的检测数据供辅助判断，在设计时，根据整个装置中蓄能工质的能力并配置螺杆膨胀机7的相应台数，根据装置设置蓄能工质运行温度（T₁、T₂、...T_n）的相应数值及调整变量T_M，设蓄能工质管道温度计8实测的蓄能工质温度为T₀，共设有n组发电机组系统，根据各组发电机组系统设置各蓄能工质的运行温度，1组发电机组系统运行时的蓄能工质的运行温度设置为T₁，2组发电机组系统共同运行时的蓄能工质的运行温度设置为T₂，……n组发电机组系统共同运行时的蓄能工质的运行温度设置为T_n，并设调整变量为T_M，当有m组发电机组系统共同运行时，有T₀≤T_m+T_M，其中m≤n；若T₀＞T_m+T_M，则逐次地增加1组发电机组系统投入运行，使m逐次地在[1,n]范围内从小至大地取正整数，直至满足T₀≤T_m+T_M止；

具体地说，即：当只有1台螺杆膨胀机7运行时，此时如果蓄能工质泵3前的蓄能工质管道的实测温度T₀≤T₁+T_M，则维持1套发电机组系统运行；若T₀＞T₁+T_M，则增加1台螺杆膨胀机7投入运行切换至2套发电机组系统运行，并判断是否满足T₀≤T₂+T_M，以此类推，直至满足T₀≤T_m+T_M，从而实现n套机组的切换，以最大效率的利用发电机组，实现余热利用最大化。