CN103195526A - 基于超临界有机朗肯循环的冷电联产复合*** - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于超临界有机朗肯循环的冷电联产复合***，属于工业节能领域。该***通过将有机朗肯循环的膨胀机、发电机和蒸汽压缩制冷循环的压缩机同轴连接，采用同种有机工质并在冷凝器内同步冷却，在基本有机朗肯循环的基础上有效耦合蒸汽压缩制冷循环。除此之外，通过采用超临界压力使得吸热器内的有机工质的升温过程与热源温变曲线良好匹配，进一步降低***不可逆损失，提高余热回收率。以工业烟气余热或其他余热热源作为驱动，将制冷作为首要用户进行冷电联产，而非采用烟气余热发电再通过耗电制冷的方式实现制冷，因此减少了能量转换造成的损失。同时该***可以根据冷量需求灵活调节冷量与电能输出份额。

Description

基于超临界有机朗肯循环的冷电联产复合***
技术领域
本发明的名称是基于超临界有机朗肯循环的冷电联产复合***，属工业节能技术领域。
背景技术
随着能源形势的日益紧张，如何深度利用工业生产中蕴含的大量低品位余热能成为“十二五”节能减排的关键措施之一。工业锅炉广泛存在于化工、水泥、玻璃、钢铁等行业，具有数量多、耗能大、效率低等特点。能源利用率较低的主要原因是排烟温度过高，实际生产中的工业锅炉排烟温度通常比设计排烟温度高出50℃以上，大量余热被白白浪费。排烟热损失的大小直接受排烟温度的影响，通常来说排烟温度每升高15~20℃，排烟热损失就增加1％，即锅炉热效率降低1％。因此，工业锅炉排烟过高造成了能源浪费和环境热污染。同时，其他工业过程也普遍存在大量的烟气余热。以沸点较高的水作为循环工质的传统朗肯循环在利用该温度区间的余热时存在设备复杂、热效率低、操作维护复杂等缺点。以低沸点有机物作为循环工质的有机朗肯循环（ORC）可以较好地利用这些余热，且具有循环***结构简单、运行方便和热效率高等优点。同时，由于很多生产工艺和厂区生活中均有冷量的需求，目前通常采用消耗用化石燃料发电、经过变压传输等环节将电力输送给用户进而驱动蒸汽压缩制冷循环，经过多次能量转化降低了能源利用率。随着转换环节的增加，能源转换链条的拉长，其能源损失将呈几何级增加，并大大增加整个***的运作成本和不稳定性。因此采用低品位余热制冷成为关注的重点。而采用工业锅炉排烟余热驱动冷电联产则是一种理想的低品位余热利用手段。
基于以上现状和思想，提出把超临界有机朗肯循环和蒸汽压缩制冷循环进行有效耦合的复合***，即基于超临界有机朗肯循环的冷电联产复合***。
发明内容
本发明旨在提出一种基于超临界有机朗肯循环的新型冷电联产复合***。本复合***包括回收低品位余热驱动膨胀机对外输出机械能或电能的超临界有机朗肯循环子***和用膨胀机输出功生产冷量的蒸汽压缩制冷循环子***。该复合***一方面可以回收低温工业烟气余热，另一方面可以根据冷量需求对外实现冷电联产，减少了余热发电及耗电制冷之间能量转换造成的能量损失。
本发明通过以下技术方案实现：
主要由吸热器（B）、膨胀机（C）、发电机（D）、冷凝器（E）、储液罐（F）、工质泵（G）、节流阀（H）、蒸发器（I）、压缩机（J）、回热器（K）、电磁阀、连接管道以及监测设备等组成基于超临界有机朗肯循环冷电联产复合***。其特征在于：所述复合***以低沸点有机物作为循环工质，低温工业烟气（170~230℃）在有机朗肯循环子***吸热器（B）内加热经工质泵（G）升压的有机工质。超临界状态有机工质推动膨胀机（C）作功，乏汽由冷凝器（E）冷却至饱和液态并回流至储液罐（F）进入下一个循环过程。压缩制冷循环子***的压缩机（J）由膨胀机（C）驱动工作。节流后的低压循环工质在蒸发器（I）内吸收冷媒水热量，实现对外冷量输出。
在回热器（K）内，将膨胀后的有机工质乏汽余热用于加热过冷液态工质。压缩机（J）与膨胀机（C）和发电机（D）同轴连接，根据不同冷量需求可以灵活调节压缩机和发电机功耗，实现冷电联产。超临界有机朗肯循环子***和蒸汽压缩制冷循环子***共用一种有机工质和一个冷凝器（E），实现循环工质的同步冷却。储液罐（F）和分液电磁阀（f, g）用于缓冲工质流速和灵活分配工质流量。
超临界有机朗肯循环子***内工质泵（G）加压饱和液态有机工质，使其在吸热器（B）内处于超临界压力，吸热升温过程与烟气放热降温曲线良好匹配。
本发明与现有低温余热利用***相比具有以下特点：（1）相对于基本有机朗肯循环***，通过将压缩机与膨胀机同轴连接进而耦合压缩制冷循环的复合***可以实现冷量和电能联合输出。摒弃了传统工业烟气余热发电，再通过获得电能变压输送用户实现压缩制冷，而是采用膨胀机带动压缩机和发电机工作，减少了发电与制冷之间能量转换过程中造成的能量损失；（2）储液罐通过第一电磁阀连接工质泵，通过第二电磁阀连接蒸发器。通过第一电磁阀可以调节输送至有机朗肯循环子***的液态有机工质流量，通过第二电磁阀可以调节输送至蒸汽压缩子***的液态有机工质流量，从而辅助调节发电量和制冷量的份额，通过合理匹配电能和制冷量的输出份额可以保证整个复合***稳定有效地运行；（3）增加回热器，在将膨胀机排出的有机工质的乏汽输送至冷凝器之前，先通过回热器释放部分热量，不仅降低了冷凝器的换热负荷，而且对进入吸热器的液体有机工质进行预热，可以减小***不可逆损失、提高***效率；（4）由于超临界有机朗肯循环子***和蒸汽压缩制冷循环子***采用相同循环工质，膨胀机和压缩机排出的气态有机工质的压力应相等，从而保证***安全有效运行；（5）通过工质泵控制液态有机工质进入吸热器压力，处于超临界压力状态的有机工质由液态转换成气态为渐变过程，不断地吸收工业烟气热量，其升温过程与烟气的变温特性相匹配，可以最大限度地回收烟气余热，提高能源利用率并减少工业烟气余热对环境造成的热污染，有利于环境保护。
附图说明
图1是本发明的***原理图。
其中：A－排烟引风机；B－吸热器；C－膨胀机；D－发电机；E－冷凝器；F－储液罐；G－工质泵；H－节流阀；I－蒸发器；J－压缩机；K－回热器；L－冷媒水泵。
具体实施方式
以下结合说明书附图中的图1对本发明具体实施进行详细说明。
本发明主要由排烟引风机A、吸热器B、膨胀机C、发电机D、冷凝器E、储液罐F、工质泵G、节流阀H、蒸发器I、压缩机J、回热器K、冷媒水泵L和电磁阀、连接管道以及监测设备等组成。
本发明的工作过程如下：
来自储液罐F的饱和液态有机工质一部分通过第一电磁阀f进入工质泵G，一部分通过第二电磁阀g流向节流阀H。通过调节电磁阀控制工质流量从而辅助调节发电量和制冷量的份额，可以保证整个循环***稳定有效地运行。此外，在储液罐F的内部安装有液位传感器d和温度传感器e，保证储液罐F的安全运行。
在有机朗肯循环子***中，工质泵G将储液罐F中的饱和液态有机工质进行加压并输送至回热器K进行预热。工质泵G可以控制液态有机工质的升压使其处于超临界压力状态，在工质泵G的出口安装有第一压力传感器a，直观地对其出口液态有机工质的压力进行监测。经过预热的有机工质进入吸热器B吸收烟气余热，由液态转换成气态为渐变升温过程，这与烟气降温特性可以良好匹配，最大限度地吸收烟气的余热。放热后的烟气由排烟引风机A排除，而处于超临界状态的有机工质则进入膨胀机C进行作功。膨胀机C排出的有机工质乏汽输送给冷凝器E之前，先经过回热器K释放部分热量，这样不仅降低了冷凝器E的冷却负荷，而且对进入吸热器B的液态有机工质进行预热。放热后的乏汽进入冷凝器E。冷凝器E利用空气对有机工质的乏汽进行冷凝，冷却空气吸热后由冷凝器E排出，有机工质乏汽放热后转换成饱和液态并输送至储液罐F，进入下一个循环过程。
在蒸汽压缩制冷循环子***中，储液罐F中的有机工质经节流阀H进入蒸发器I。控制节流阀H降低有机工质的压力，排出的有机工质处于亚临界状态。在节流阀H的出口安装有第二压力传感器h，直观地对其出口处的有机工质压力进行监测。冷媒水泵L将冷媒水输送至蒸发器I，第二流量传感调节器k对输入的冷媒水进行监测并调节冷媒水泵。来自于节流阀H的有机工质吸收该冷媒水热量后转换成气态有机工质并被输送给压缩机J。压缩机J 压缩气态有机工质并将经压缩制冷后的气态有机工质输送给冷凝器E。此外，该压缩机J与膨胀机C通过联轴器b同轴连接，膨胀机C带动压缩机J工作，充分利用了膨胀机产生的机械能，提高了能量转换率。
相对于基本有机朗肯循环，该冷电联产复合***不是先采用烟气余热发电、再通过电能实现压缩制冷，而是直接利用余热驱动冷电联产***，减少了发电与制冷之间能量转换造成的损失。本发明主要是以余热制冷为主，在制冷量需求较小时，可将部分机械能通过发电机对外输出电能。由于有机朗肯循环和蒸汽压缩制冷循环采用相同的有机工质，为了保证***的有效运行，该膨胀机C和压缩机J排出的气态有机工质的压力应相等。
本发明采用170~230℃工业烟气作为热源，在夏季用35℃空气作为环境冷源，对所选三种潜在的有机工质（R22、R134a和R290）进行对比筛选。以制冷量为目标函数，分别对有机工质R22、R134a和R290进行优化对比，结果如下表所示，R134a是最适合该冷电联产复合***的有机工质。
 
优化结果
循环工质 R22 R134a R290
最佳超临界压力(MPa) 8.5 7.5 8.5
最大制冷量(kW) 381.3 393.4 376.4
最大电能输出(kW) 134.9 141.6 140.4
***最大火用损(kW) 216.8 216.9 217.6
总制冷系数(%) 35.1 36.2 32.5

Claims (3)

1.一种基于超临界有机朗肯循环的冷电联产复合***，包括超临界有机朗肯循环子***和蒸汽压缩制冷循环子***；该复合***主要由吸热器（B）、膨胀机（C）、发电机（D）、冷凝器（E）、储液罐（F）、工质泵（G）、节流阀（H）、蒸发器（I）、压缩机（J）和回热器（K）和电磁阀、连接管道以及监测设备等组成；其特征在于：所述复合***以低沸点有机物作为循环工质，低温烟气（170~230℃）在有机朗肯循环子***的吸热器（B）内加热经工质泵（G）升压的有机工质；超临界状态有机工质推动膨胀机（C）作功，乏汽由冷凝器（E）冷凝至饱和液态并回流至储液罐（F）进入下一个循环过程；压缩制冷循环子***的压缩机（J）由膨胀机（C）驱动工作；节流后的低压循环工质在蒸发器（I）内吸收冷媒水热量，实现对外冷量输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于超临界有机朗肯循环的冷电联产复合***，其特征在于：所述回热器（K）可以将膨胀后的有机工质乏汽的部分余热用于加热升压后的过冷液态工质；压缩机（J）与膨胀机（C）和发电机（D）同轴连接，根据不同冷量需求可以灵活调节压缩机和发电机功耗，实现冷电联产；超临界有机朗肯循环子***与压缩制冷循环子***共用一种有机工质和一个冷凝器（E），实现循环工质的同步冷却；储液罐（F）和分液电磁阀（f, g）用于缓冲工质流速和灵活分配工质流量。
3.根据权利要求1所述的一种基于超临界有机朗肯循环的冷电联产复合***，其特征在于：所述超临界有机朗肯循环子***内工质泵（G）加压饱和液态有机工质，使其在吸热器（B）内处于超临界压力，吸热升温过程与烟气放热降温曲线良好匹配。
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