CN106285804B - 多电机有机朗肯循环发电机组及其发电方法 - Google Patents
多电机有机朗肯循环发电机组及其发电方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种多电机有机朗肯循环发电机组及其发电方法，多电机有机朗肯循环发电机组包括：膨胀发电机(1)、蒸发器(2)、工质泵(3)和冷凝器(4)；其中，所述膨胀发电机(1)包括n个发电机、减速器(7)和膨胀机(8)；n个所述发电机均通过所述减速器(7)与所述膨胀机(8)连接。n个所述发电机可独立控制是否启用。优点为：通过多电机的应用，可以增强发电***对热源负荷波动的适应性，***运行更加稳定。还可以提高发电机的运行效率，从而增加***全年发电量。还可以更合理地选择匹配的发电机，为发电机的选择与匹配提供了优化空间。
Description
技术领域
本发明属于低温发电技术领域，具体涉及一种多电机有机朗肯循环发电机组及其发电方法。
背景技术
有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，简称ORC)是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，由于具有***简单、发电效率相对较高等特点，已成为目前回收低温余热用于发电的热点技术。
基本的ORC发电***，包括四个主要设备：膨胀发电机、工质泵、蒸发器和冷凝器，其工作原理为：从生产工艺排出的余热介质，在蒸发器中将有机工质蒸发为具有一定压力和温度的蒸汽；蒸汽进入膨胀发电机进行膨胀做功，从而带动发电机或拖动其它动力机械。从膨胀发电机排出的蒸汽进入冷凝器中，被冷却介质冷凝为液态，最后借助工质泵重新回到蒸发器，如此不断循环，实现对余热的动力回收利用。其中，对于膨胀发电机，其工作原理为：膨胀机通过减速齿轮或联轴器，驱动发电机运转，从而实现发电。
目前，ORC***的发电机部分，均采用单台发电机。然而，在实现本发明的过程中，发明人发现，现有技术至少存在以下问题：
ORC***的发电机对负荷的适应性较差，当负荷变化较大时，发电机效率会受到影响。
具体的，余热回收是ORC发电***应用的重要领域。余热的形式多种多样，实际排放时，很大一部分余热源存在质和量的波动，势必造成对ORC***的负荷波动。此外，由于ORC***利用的是温差发电，由于季节变化导致的冷凝温度变化，对ORC***的负荷也起着不可忽视的作用。可见，ORC发电***负荷不稳定。而对于发电机，存在特定的高效工况区。当发电机负荷偏离该工况区时，发电机效率会有一定的下降。而发电机长期在低效区运行时，也会对发电机造成一定的伤害，从而降低电机使用寿命。所以，现有技术中，为解决由于负荷波动导致的发电机效率低下、甚至导致发电机损害的问题，ORC***通常会设置一个安全的负荷范围，当负荷太低时，ORC***将自动停机，从而降低ORC***的发电效率和余热利用率。
可见，如何解决ORC***的发电机由负荷不稳定而导致的一系列问题，具有重要意义。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种多电机有机朗肯循环发电机组及其发电方法，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种多电机有机朗肯循环发电机组，包括：膨胀发电机(1)、蒸发器(2)、工质泵(3)和冷凝器(4)；
其中，所述蒸发器(2)的水侧进口与余热供给管道连通，所述蒸发器(2)的水侧出口与余热回水管道连通；所述蒸发器(2)的工质侧排蒸汽口与所述膨胀发电机(1)的进蒸汽口连通；所述膨胀发电机(1)的排蒸汽口与所述冷凝器(4)的工质侧进蒸汽口连通；所述冷凝器(4)的工质侧排液口通过所述工质泵(3)循环连接到所述蒸发器(2)的工质侧进液口；
其中，所述膨胀发电机(1)包括n个发电机、减速器(7)和膨胀机(8)；n个所述发电机均通过所述减速器(7)与所述膨胀机(8)连接；其中，n为自然数，并且，n≥2。
优选的，所述减速器(7)为减速齿轮组或变速箱。
优选的，所述膨胀机(8)为涡轮膨胀机。
优选的，所述涡轮膨胀机的涡轮轴一端固定涡轮叶轮，另一端与所述减速器(7)的输入端连接，所述减速器(7)的输出端安装有独立的n个联轴器；每个联轴器的另一端均直连独立的1个所述发电机。
优选的，n个所述发电机的装机容量相同或不相同。
优选的，n个所述发电机可独立控制是否启用。
本发明还提供一种双电机有机朗肯循环发电方法，包括以下步骤：
步骤1，安装膨胀发电机(1)、蒸发器(2)、工质泵(3)和冷凝器(4)；其中，所述蒸发器(2)的水侧进口与余热供给管道连通，所述蒸发器(2)的水侧出口与余热回水管道连通；所述蒸发器(2)的工质侧排蒸汽口与所述膨胀发电机(1)的进蒸汽口连通；所述膨胀发电机(1)的排蒸汽口与所述冷凝器(4)的工质侧进蒸汽口连通；所述冷凝器(4)的工质侧排液口通过所述工质泵(3)循环连接到所述蒸发器(2)的工质侧进液口；
其中，对于所述膨胀发电机(1)，包括n个发电机、减速器(7)和膨胀机(8)；n个所述发电机均通过所述减速器(7)与所述膨胀机(8)连接；其中，n为自然数，并且，n≥2；
步骤2，控制器与n个发电机相连，并存储每个发电机的装机容量；
步骤3，在进行有机朗肯循环发电的过程中，从生产工艺排出的余热介质，在蒸发器(2)中将有机工质蒸发为具有一定压力和温度的蒸汽；蒸汽进入膨胀发电机(1)进行膨胀做功，从而带动发电机发电；从膨胀发电机(1)排出的蒸汽进入冷凝器(4)中，被冷却介质冷凝为液态，最后借助工质泵(3)重新回到蒸发器(2)，如此不断循环，实现对余热的动力回收利用；
其中，蒸汽进入膨胀发电机(1)进行膨胀做功，从而带动发电机发电，具体为：
控制器实时检测当前余热介质负荷值，同时以n个发电机的装机容量作为输入，基于预存储的控制算法进行运算，得到与当前余热介质负荷相匹配的最佳发电机组合；其中，该最佳发电机组合为所述n个发电机中的一个或两个以上的任意组合；该最佳发电机组合在当前余热介质负荷下，工作在高效工况区；
然后，控制器对n个发电机的启停状态进行控制，仅启动所述最佳发电机组合所对应的发电机，停用其他发电机；蒸汽进入膨胀机(8)，驱动膨胀机(8)的涡轮高速转动，涡轮通过减速器(7)同时驱动最佳发电机组合所对应的发电机运行，向外输出电力。
优选的，当n为2个时，将2个发电机分别记为第1发电机(5)和第2发电机(6)，并且，设第1发电机(5)的装机容量大于第2发电机(6)的装机容量；
所述控制算法为：
当***负荷较大时，使有机朗肯循环发电***的发电量大于第1发电机(5)的装机容量时，此时同时启动第1发电机(5)和第2发电机(6)，使第1发电机(5)和第2发电机(6)同时运行；
当***负荷减小，使有机朗肯循环发电***的发电量小于第1发电机(5)的装机容量，但大于第2发电机(6)的装机容量时，仅启动第1发电机(5)，使第1发电机(5)正常运行，同时关闭第2发电机(6)；
当***负荷进一步减小，使有机朗肯循环发电***的发电量小于第2发电机(6)的装机容量时，关闭第1发电机(5)，仅启动第2发电机(6)，使第2发电机(6)正常运行。
本发明提供的多电机有机朗肯循环发电机组及其发电方法具有以下优点：
(1)通过多电机的应用，可以增强发电***对热源负荷波动的适应性，***运行更加稳定。
(2)通过本发明，可以提高发电机的运行效率，从而增加***全年发电量。
(3)通过本发明，可以更合理地选择匹配的发电机，为发电机的选择与匹配提供了优化空间。
附图说明
图1为本发明提供的多电机有机朗肯循环发电机组的平视图；
图2为本发明提供的多电机有机朗肯循环发电机组的侧视图；
图3为本发明提供的多电机有机朗肯循环发电机组的俯视图；
图4为本发明提供的膨胀发电机的内部构造图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明：
针对现有技术存在的问题，为了提高ORC***对负荷的适应性及可靠性，本发明提供了一种多电机有机朗肯循环发电***。通过多电机的应用，保证了ORC***在较宽负荷范围内保持高效和安全运行，也为发电机的合理选择与匹配提供了优化空间。通过本发明，可以增强发电***对热源负荷波动的适应性，从而增强***运行的稳定性，以及提高发电***的全年发电量。
结合图1、图2、图3和图4，本发明提供一种多电机有机朗肯循环发电机组，包括：膨胀发电机1、蒸发器2、工质泵3和冷凝器4；
其中，蒸发器2的水侧进口与余热供给管道连通，蒸发器2的水侧出口与余热回水管道连通；蒸发器2的工质侧排蒸汽口与膨胀发电机1的进蒸汽口连通；膨胀发电机1的排蒸汽口与冷凝器4的工质侧进蒸汽口连通；冷凝器4的工质侧排液口通过工质泵3循环连接到蒸发器2的工质侧进液口；
其中，膨胀发电机1包括n个发电机、减速器7和膨胀机8；n个发电机均通过减速器7与膨胀机8连接；减速器7可采用减速齿轮组或变速箱；膨胀机8可采用涡轮膨胀机其中，n为自然数，并且，n≥2。
具体的，对于膨胀发电机，参考图4，其结构详细构造为：涡轮膨胀机的涡轮轴一端固定涡轮叶轮，另一端与减速器7的输入端连接，减速器7的输出端安装有独立的n个联轴器；每个联轴器的另一端均直连独立的1个发电机。
本发明中，n个发电机的装机容量相同或不相同。n个发电机可独立控制是否启用。
本发明还提供一种双电机有机朗肯循环发电方法，包括以下步骤：
步骤1，安装膨胀发电机1、蒸发器2、工质泵3和冷凝器4；其中，蒸发器2的水侧进口与余热供给管道连通，蒸发器2的水侧出口与余热回水管道连通；蒸发器2的工质侧排蒸汽口与膨胀发电机1的进蒸汽口连通；膨胀发电机1的排蒸汽口与冷凝器4的工质侧进蒸汽口连通；冷凝器4的工质侧排液口通过工质泵3循环连接到蒸发器2的工质侧进液口；
其中，对于膨胀发电机1，包括n个发电机、减速器7和膨胀机8；n个发电机均通过减速器7与膨胀机8连接；其中，n为自然数，并且，n≥2；
步骤2，控制器与n个发电机相连，并存储每个发电机的装机容量；
步骤3，在进行有机朗肯循环发电的过程中，从生产工艺排出的余热介质，在蒸发器2中将有机工质蒸发为具有一定压力和温度的蒸汽；蒸汽进入膨胀发电机1进行膨胀做功，从而带动发电机发电；从膨胀发电机1排出的蒸汽进入冷凝器4中，被冷却介质冷凝为液态，最后借助工质泵3重新回到蒸发器2，如此不断循环，实现对余热的动力回收利用；
其中，蒸汽进入膨胀发电机1进行膨胀做功，从而带动发电机发电，具体为：
控制器实时检测当前余热介质负荷值，同时以n个发电机的装机容量作为输入，基于预存储的控制算法进行运算，得到与当前余热介质负荷相匹配的最佳发电机组合；其中，该最佳发电机组合为n个发电机中的一个或两个以上的任意组合；该最佳发电机组合在当前余热介质负荷下，工作在高效工况区；
然后，控制器对n个发电机的启停状态进行控制，仅启动最佳发电机组合所对应的发电机，停用其他发电机；蒸汽进入膨胀机8，驱动膨胀机8的涡轮高速转动，涡轮通过减速器7同时驱动最佳发电机组合所对应的发电机运行，向外输出电力。
以n为2个为例，将2个发电机分别记为第1发电机5和第2发电机6，并且，设第1发电机5的装机容量大于第2发电机6的装机容量；
控制算法为：
当***负荷较大时，使有机朗肯循环发电***的发电量大于第1发电机5的装机容量时，此时同时启动第1发电机5和第2发电机6，使第1发电机5和第2发电机6同时运行；
当***负荷减小，使有机朗肯循环发电***的发电量小于第1发电机5的装机容量，但大于第2发电机6的装机容量时，仅启动第1发电机5，使第1发电机5正常运行，同时关闭第2发电机6；
当***负荷进一步减小，使有机朗肯循环发电***的发电量小于第2发电机6的装机容量时，关闭第1发电机5，仅启动第2发电机6，使第2发电机6正常运行。
由此可见，本发明提供的多电机有机朗肯循环发电机组及其发电方法具有以下优点：
(1)通过多电机的应用，可以增强发电***对热源负荷波动的适应性，***运行更加稳定。
(2)通过本发明，可以提高发电机的运行效率，从而增加***全年发电量。
(3)通过本发明，可以更合理地选择匹配的发电机，为发电机的选择与匹配提供了优化空间。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于多电机有机朗肯循环发电机组的双电机有机朗肯循环发电方法，其特征在于，
多电机有机朗肯循环发电机组包括：膨胀发电机(1)、蒸发器(2)、工质泵(3)和冷凝器(4)；
其中，所述蒸发器(2)的水侧进口与余热供给管道连通，所述蒸发器(2)的水侧出口与余热回水管道连通；所述蒸发器(2)的工质侧排蒸汽口与所述膨胀发电机(1)的进蒸汽口连通；所述膨胀发电机(1)的排蒸汽口与所述冷凝器(4)的工质侧进蒸汽口连通；所述冷凝器(4)的工质侧排液口通过所述工质泵(3)循环连接到所述蒸发器(2)的工质侧进液口；
其中，所述膨胀发电机(1)包括n个发电机、减速器(7)和膨胀机(8)；n个所述发电机均通过所述减速器(7)与所述膨胀机(8)连接；其中，n为自然数，并且，n≥2；
双电机有机朗肯循环发电方法包括以下步骤：
步骤1，安装膨胀发电机(1)、蒸发器(2)、工质泵(3)和冷凝器(4)；其中，所述蒸发器(2)的水侧进口与余热供给管道连通，所述蒸发器(2)的水侧出口与余热回水管道连通；所述蒸发器(2)的工质侧排蒸汽口与所述膨胀发电机(1)的进蒸汽口连通；所述膨胀发电机(1)的排蒸汽口与所述冷凝器(4)的工质侧进蒸汽口连通；所述冷凝器(4)的工质侧排液口通过所述工质泵(3)循环连接到所述蒸发器(2)的工质侧进液口；
其中，对于所述膨胀发电机(1)，包括n个发电机、减速器(7)和膨胀机(8)；n个所述发电机均通过所述减速器(7)与所述膨胀机(8)连接；其中，n为自然数，并且，n≥2；
步骤2，控制器与n个发电机相连，并存储每个发电机的装机容量；
步骤3，在进行有机朗肯循环发电的过程中，从生产工艺排出的余热介质，在蒸发器(2)中将有机工质蒸发为具有一定压力和温度的蒸汽；蒸汽进入膨胀发电机(1)进行膨胀做功，从而带动发电机发电；从膨胀发电机(1)排出的蒸汽进入冷凝器(4)中，被冷却介质冷凝为液态，最后借助工质泵(3)重新回到蒸发器(2)，如此不断循环，实现对余热的动力回收利用；
其中，蒸汽进入膨胀发电机(1)进行膨胀做功，从而带动发电机发电，具体为：
控制器实时检测当前余热介质负荷值，同时以n个发电机的装机容量作为输入，基于预存储的控制算法进行运算，得到与当前余热介质负荷相匹配的最佳发电机组合；其中，该最佳发电机组合为所述n个发电机中的一个或两个以上的任意组合；该最佳发电机组合在当前余热介质负荷下，工作在高效工况区；
然后，控制器对n个发电机的启停状态进行控制，仅启动所述最佳发电机组合所对应的发电机，停用其他发电机；蒸汽进入膨胀机(8)，驱动膨胀机(8)的涡轮高速转动，涡轮通过减速器(7)同时驱动最佳发电机组合所对应的发电机运行，向外输出电力；
其中，当n为2个时，将2个发电机分别记为第1发电机(5)和第2发电机(6)，并且，设第1发电机(5)的装机容量大于第2发电机(6)的装机容量；
所述控制算法为：
当***负荷较大时，使有机朗肯循环发电***的发电量大于第1发电机(5)的装机容量时，此时同时启动第1发电机(5)和第2发电机(6)，使第1发电机(5)和第2发电机(6)同时运行；
当***负荷减小，使有机朗肯循环发电***的发电量小于第1发电机(5)的装机容量，但大于第2发电机(6)的装机容量时，仅启动第1发电机(5)，使第1发电机(5)正常运行，同时关闭第2发电机(6)；
当***负荷进一步减小，使有机朗肯循环发电***的发电量小于第2发电机(6)的装机容量时，关闭第1发电机(5)，仅启动第2发电机(6)，使第2发电机(6)正常运行。
2.根据权利要求1所述的基于多电机有机朗肯循环发电机组的双电机有机朗肯循环发电方法，其特征在于，所述减速器(7)为减速齿轮组或变速箱。
3.根据权利要求1所述的基于多电机有机朗肯循环发电机组的双电机有机朗肯循环发电方法，其特征在于，所述膨胀机(8)为涡轮膨胀机。
4.根据权利要求3所述的基于多电机有机朗肯循环发电机组的双电机有机朗肯循环发电方法，其特征在于，所述涡轮膨胀机的涡轮轴一端固定涡轮叶轮，另一端与所述减速器(7)的输入端连接，所述减速器(7)的输出端安装有独立的n个联轴器；每个联轴器的另一端均直连独立的1个所述发电机。
5.根据权利要求1所述的基于多电机有机朗肯循环发电机组的双电机有机朗肯循环发电方法，其特征在于，n个所述发电机的装机容量相同或不相同。
6.根据权利要求1所述的基于多电机有机朗肯循环发电机组的双电机有机朗肯循环发电方法，其特征在于，n个所述发电机可独立控制是否启用。
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