CN108167040B - 一种双压膨胀有机朗肯循环回收中低温余热发电*** - Google Patents

一种双压膨胀有机朗肯循环回收中低温余热发电*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双压膨胀有机朗肯循环回收中低温余热发电***，属于能源与环境技术领域。本发明利用温度在200～350℃的中低温余热烟气作为驱动热源，在ORC余热锅炉预热段中对有机工质给液进行预热至饱和液体状态，然后，一部分饱和液体有机工质进入余热锅炉的蒸发段及过热段，产生的饱和（或过热）蒸汽进入向心透平，完成高压级有机朗肯循环膨胀做功过程。另一部分饱和液体有机工质经节流减压后进入闪蒸器。从闪蒸器分离出来的饱和蒸汽进入低压级螺杆膨胀机，完成低压级有机朗肯循环膨胀做功过程。采用喷射压缩器回收闪蒸器分离出的液相工质，减少了液体输送泵，简化了***，且消除了泵发生汽蚀的可能。

Description

一种双压膨胀有机朗肯循环回收中低温余热发电***
技术领域
本发明涉及一种双压膨胀有机朗肯循环回收中低温余热发电***，属于能源与环境技术领域。
背景技术
我国有大量的余热资源，尤其是各种烟气余热资源具有回收可行性较高、经济性较好的特点。在钢铁、水泥、烧碱、合成氨、玻璃、硫酸、电石等多个高能耗产业的生产过程中，很多中低温余热都未加以回收利用，仅中低温烟气余热的可开发利用潜力就超过1亿吨标煤。目前，许多理论研究及工程实践均证明有机朗肯循环（ORC）是高效回收中低温余热的一项重要技术。常规单级ORC用于温度较高的余热回收时，余热流经ORC换热设备后的排温依然较高，导致余热回收率较低。有许多学者提出采用多级ORC技术。例如，有的学者提出喷射式有机朗肯循环（EORC），采用两级蒸发器回收余热；也有学者提出采用两级有机朗肯循环回收发动机排气余热和气缸套冷却水余热；还有学者提出一种新型回热式二级有机朗肯底循环余热回收***，在高温级循环中以排气为驱动热源，而在低温级循环中以排气、冷却水及高温级循环的乏气为驱动热源。虽然这些方法能提高效率，但导致***复杂，设备成本太高，***的技术经济性下降，不利于在实际工程上的推广应用。鉴于此，本发明利用温度在200-350℃的中低温余热烟气作为驱动热源在ORC余热锅炉预热段中对有机工质给液进行预热至饱和液体状态，然后，一部分饱和液体有机工质进入余热锅炉的蒸发段及过热段，产生的饱和（或过热）蒸汽进入向心透平，完成高压级有机朗肯循环膨胀做功过程。另一部分饱和液体有机工质经节流减压后进入闪蒸器。从闪蒸器分离出来的饱和蒸汽进入低压级螺杆膨胀机，完成低压级有机朗肯循环膨胀做功过程，能充分实现余热资源的高效梯级利用。采用喷射压缩器回收闪蒸器分离出的液相工质，减少了液体输送泵，简化了***，且消除了泵发生汽蚀的可能。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种双压膨胀有机朗肯循环回收中低温余热发电***。本发明利用温度在200～350℃的中低温余热烟气作为驱动热源，在ORC余热锅炉预热段中对有机工质给液进行预热至饱和液体状态，然后，一部分饱和液体有机工质进入余热锅炉的蒸发段及过热段，产生的饱和（或过热）蒸汽进入向心透平，完成高压级有机朗肯循环膨胀做功过程。另一部分饱和液体有机工质经节流减压后进入闪蒸器。从闪蒸器分离出来的饱和蒸汽进入低压级螺杆膨胀机，完成低压级有机朗肯循环膨胀做功过程。采用喷射压缩器回收闪蒸器分离出的液相工质，减少了液体输送泵，简化了***，且消除了泵发生汽蚀的可能。本发明通过以下技术方案实现。
一种双压膨胀有机朗肯循环回收中低温余热发电***，装置包括低压级有机朗肯循环***、高压级有机朗肯循环***和连接的管路及附件；低压级有机朗肯循环***、高压级有机朗肯循环***均包括ORC余热锅炉，ORC余热锅炉分为预热段、蒸发段和过热段；
所述低压级有机朗肯循环***包括ORC余热锅炉预热段、减压阀、闪蒸器、螺杆膨胀机、发电机、冷凝器、凝结泵、喷射压缩器以及连接管路附件组成；所述高压级有机朗肯循环***包括ORC余热锅炉蒸发段和过热段、向心透平、发电机、冷凝器、凝结泵、喷射压缩器以及连接管路附件组成；
所述低压级有机朗肯循环***中ORC余热锅炉一侧设有中低温余热烟气进口，另一侧设有中低温余热烟气进口出口，ORC余热锅炉1预热段有机工质出口分为两段，一段由管道连接至减压阀，再连接到闪蒸器进口，位于闪蒸器顶部的饱和蒸汽出口由管道连接至螺杆膨胀机进口，螺杆膨胀机膨胀做功为发电机发电，位于闪蒸器底部的饱和液体出口连接至喷射压缩器的引射腔进口，螺杆膨胀机的乏汽出口连接到冷凝器的蒸汽进口，冷凝器中的有机工质冷凝液出口经凝结泵连接至喷射压缩器的引射腔进口，喷射压缩器扩压段有机工质出口连接ORC余热锅炉预热段有机工质进口；
所述ORC余热锅炉预热段有机工质出口分为两段，一段由管道连接至减压阀，另一段通过管道连接到高压级有机朗肯循环***中ORC余热锅炉蒸发段和过热段，ORC余热锅炉过热段过热蒸汽出口由管道连接向心透平，向心透平膨胀做功带动发电机发电，向心透平底部的乏汽出口与低压级有机朗肯循环***中螺杆膨胀机的乏汽出口连接后与冷凝器的蒸汽进口连接，冷凝器中的有机工质冷凝液出口经凝结泵连接至喷射压缩器的引射腔进口。
所述冷凝器为水冷冷凝器时，装置还包括冷却水循环***，冷却水循环***包括冷凝器、循环水泵和冷却塔，冷凝器冷却水出口连接至冷却塔的进水口，冷却塔的冷却水出口由管道连接至循环水泵的进口，循环水泵出口再接入冷凝器的冷却水进口，形成冷却水循环回路。
该双压膨胀有机朗肯循环回收中低温余热发电***的工作原理为：
将多种温度在200～350℃的中低温余热烟气作为驱动热源，从ORC余热锅炉中低温余热烟气进口进入，在ORC余热锅炉预热段对有机工质给液进行预热至饱和液体状态，然后，一部分饱和液体有机工质进入ORC余热锅炉蒸发段和过热段产生的饱和（或过热）蒸汽进入向心透平，完成高压级有机朗肯循环膨胀做功过程；
ORC余热锅炉预热段另一饱和液体有机工质经减压阀进入闪蒸器，从闪蒸器分离出来的饱和蒸汽进入低压级螺杆膨胀机，完成低压级有机朗肯循环膨胀做功过程；闪蒸器底部的饱和液体出口连接至喷射压缩器的引射腔进口；
低压级螺杆膨胀机和向心透平排出的乏汽混合之后进入冷凝器，冷凝成为有机工质冷凝液后经凝结泵加压后进入喷射压缩器，与闪蒸器底部的饱和液体在喷射压缩器中混合，然后进入喷射压缩器的扩压段增压，最后作为ORC余热锅炉的给液进入预热段加热，完成一个循环过程。
本发明的有益效果是：
（1）该有机朗肯循环***采用两级压力膨胀，高压级用ORC余热锅炉产生饱和（或过热）蒸汽，低压级用一部分预热段出口饱和液体工质产生闪发蒸汽，能充分实现余热资源的高效梯级利用。
（2）采用喷射压缩器回收闪蒸器分离出的液相工质，减少了液体输送泵，简化了***，且消除了泵发生汽蚀的可能。
附图说明
图1是本发明实施例1冷凝器为水冷冷凝器双压膨胀有机朗肯循环回收中低温余热发电的装置示意图；
图2是本发明实施例2冷凝器为风冷冷凝器双压膨胀有机朗肯循环回收中低温余热发电的装置示意图。
图中：1-ORC余热锅炉，2-向心透平，3-发电机，4-减压阀，5-闪蒸器，6-螺杆膨胀机，7-冷凝器，8-凝结泵，9-喷射压缩器，10-循环水泵，11-冷却塔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，该双压膨胀有机朗肯循环回收中低温余热发电***，装置包括低压级有机朗肯循环***、高压级有机朗肯循环***和连接的管路及附件；低压级有机朗肯循环***、高压级有机朗肯循环***均包括ORC余热锅炉1，ORC余热锅炉1分为预热段、蒸发段和过热段；
所述低压级有机朗肯循环***包括ORC余热锅炉1预热段、减压阀4、闪蒸器5、螺杆膨胀机6、发电机3、冷凝器7、凝结泵8、喷射压缩器9以及连接管路附件组成；所述高压级有机朗肯循环***包括ORC余热锅炉1蒸发段和过热段、向心透平2、发电机3、冷凝器7、凝结泵8、喷射压缩器9以及连接管路附件组成；
所述低压级有机朗肯循环***中ORC余热锅炉1一侧设有中低温余热烟气进口（通入的低温余热烟气温度为200～350℃，质量流量为155400kg/h），另一侧设有中低温余热烟气进口出口，ORC余热锅炉1预热段有机工质出口分为两段（循环工质采用R245fa），一段由管道连接至减压阀4，再连接到闪蒸器5进口，位于闪蒸器5顶部的饱和蒸汽出口由管道连接至螺杆膨胀机6进口，螺杆膨胀机6膨胀做功为发电机3发电，位于闪蒸器5底部的饱和液体出口连接至喷射压缩器9的引射腔进口，螺杆膨胀机6的乏汽出口连接到冷凝器7（水冷冷凝器，采用人字形波纹板式换热器，冷端采用水冷的方式）的蒸汽进口，冷凝器7中的有机工质冷凝液出口经凝结泵8连接至喷射压缩器9的引射腔进口，喷射压缩器9扩压段有机工质出口连接ORC余热锅炉1预热段有机工质进口；
所述ORC余热锅炉1预热段有机工质出口分为两段，一段由管道连接至减压阀4，另一段通过管道连接到高压级有机朗肯循环***中ORC余热锅炉1蒸发段（蒸发温度设为95℃）和过热段，ORC余热锅炉1过热段过热蒸汽出口由管道连接向心透平2，向心透平2膨胀做功为发电机3发电，向心透平2底部的乏汽出口与低压级有机朗肯循环***中螺杆膨胀机6的乏汽出口连接后与冷凝器7的蒸汽进口连接，冷凝器7中的有机工质冷凝液出口经凝结泵8连接至喷射压缩器9的引射腔进口。
所述ORC余热锅炉1预热段结构参数如下：传热管采用高频焊翅片管，光管外径为40mm，内径为32mm，长度为3.8m，翅片厚度为1mm，翅片节距为8mm，翅片高度为15mm，翅化比为6.25，翅片效率为0.69，翅片管根数为392根，等边三角形布置，翅片管横向间距为90mm，横向管排数为28排，纵向管排数为14排；ORC余热锅炉1的蒸发段和过热段结构参数如下：传热管采用高频焊翅片管，光管外径为42mm，内径为34mm，长度为3.8m。翅片厚度为2mm，翅片节距为10mm，翅片高度为12mm，翅化比为4.2，翅片效率为0.86，翅片管根数为392根，等边三角形布置，翅片管横向间距为86mm，横向管排数为30排；其中冷凝器7为水冷冷凝器时，装置还包括冷却水循环***，冷却水循环***包括冷凝器7、循环水泵10和冷却塔11，冷凝器7冷却水出口连接至冷却塔11的进水口，冷却塔11的冷却水出口由管道连接至循环水泵10的进口，循环水泵10出口再接入冷凝器7的冷却水进口，形成冷却水循环回路。
上述向心透平2采用额定功率为2500kW，高压级有机朗肯循环***中发电机3采用额定功率为3000kW、频率为50Hz的励磁交流发电机；螺杆膨胀机6采用额定功率为1500kW，低压级有机朗肯循环***中发电机3采用额定功率为2000kW、频率为50Hz励磁交流发电机；凝结泵8采用屏蔽泵两台，型号为BA32H-222H2BM-50-40-160-FV，流量为600m3/h,提供的扬程为100m，一用一备；管道均采用不锈钢管，装完成后，进行管道的氮气吹扫，对有机朗肯循环管路抽真空合格后，按要求充入R245fa。
实施例2
如图1所示，该双压膨胀有机朗肯循环回收中低温余热发电***，装置包括低压级有机朗肯循环***、高压级有机朗肯循环***和连接的管路及附件；低压级有机朗肯循环***、高压级有机朗肯循环***均包括ORC余热锅炉1，ORC余热锅炉1分为预热段、蒸发段和过热段；
所述低压级有机朗肯循环***包括ORC余热锅炉1预热段、减压阀4、闪蒸器5、螺杆膨胀机6、发电机3、冷凝器7、凝结泵8、喷射压缩器9以及连接管路附件组成；所述高压级有机朗肯循环***包括ORC余热锅炉1蒸发段和过热段、向心透平2、发电机3、冷凝器7、凝结泵8、喷射压缩器9以及连接管路附件组成；
所述低压级有机朗肯循环***中ORC余热锅炉1一侧设有中低温余热烟气进口（通入的低温余热烟气温度为200～350℃，质量流量为155400kg/h），另一侧设有中低温余热烟气进口出口，ORC余热锅炉1预热段有机工质出口分为两段（循环工质采用R245fa），一段由管道连接至减压阀4，再连接到闪蒸器5进口，位于闪蒸器5顶部的饱和蒸汽出口由管道连接至螺杆膨胀机6进口，螺杆膨胀机6膨胀做功为发电机3发电，位于闪蒸器5底部的饱和液体出口连接至喷射压缩器9的引射腔进口，螺杆膨胀机6的乏汽出口连接到冷凝器7（风冷冷凝器，采用整体翅片管冷凝器，冷凝温度为30℃）的蒸汽进口，冷凝器7中的有机工质冷凝液出口经凝结泵8连接至喷射压缩器9的引射腔进口，喷射压缩器9扩压段有机工质出口连接ORC余热锅炉1预热段有机工质进口；
所述ORC余热锅炉1预热段有机工质出口分为两段，一段由管道连接至减压阀4，另一段通过管道连接到高压级有机朗肯循环***中ORC余热锅炉1蒸发段（蒸发温度设为95℃）和过热段，ORC余热锅炉1过热段过热蒸汽出口由管道连接向心透平2，向心透平2膨胀做功为发电机3发电，向心透平2底部的乏汽出口与低压级有机朗肯循环***中螺杆膨胀机6的乏汽出口连接后与冷凝器7的蒸汽进口连接，冷凝器7中的有机工质冷凝液出口经凝结泵8连接至喷射压缩器9的引射腔进口。
所述ORC余热锅炉1的预热段结构参数如下：传热管采用高频焊翅片管，光管外径为40mm，内径为32mm，长度为3.8m，翅片厚度为1mm，翅片节距为8mm，翅片高度为15mm，翅化比为6.25，翅片效率为0.69，翅片管根数为392根，等边三角形布置，翅片管横向间距为90mm，横向管排数为28排，纵向管排数为14排；ORC余热锅炉1的蒸发段和过热段结构参数如下：传热管采用高频焊翅片管，光管外径为42mm，内径为34mm，长度为3.8m。翅片厚度为2mm，翅片节距为10mm，翅片高度为12mm，翅化比为4.2，翅片效率为0.86，翅片管根数为392根，等边三角形布置，翅片管横向间距为86mm，横向管排数为30排；其中冷凝器7为风冷冷凝器。
上述向心透平2采用额定功率为2500kW，高压级有机朗肯循环***中发电机3采用额定功率为3000kW、频率为50Hz的励磁交流发电机；螺杆膨胀机6采用额定功率为1500kW，低压级有机朗肯循环***中发电机3采用额定功率为2000kW、频率为50Hz励磁交流发电机；凝结泵8采用屏蔽泵两台，型号为BA32H-222H2BM-50-40-160-FV，流量为600m3/h,提供的扬程为100m，一用一备；管道均采用不锈钢管，装完成后，进行管道的氮气吹扫，对有机朗肯循环管路抽真空合格后，按要求充入R245fa。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种双压膨胀有机朗肯循环回收中低温余热发电***，其特征在于：装置包括低压级有机朗肯循环***、高压级有机朗肯循环***和连接的管路及附件；低压级有机朗肯循环***、高压级有机朗肯循环***均包括ORC余热锅炉（1），ORC余热锅炉（1）分为预热段、蒸发段和过热段；
所述低压级有机朗肯循环***包括ORC余热锅炉（1）预热段、减压阀（4）、闪蒸器（5）、螺杆膨胀机（6）、发电机（3）、冷凝器（7）、凝结泵（8）、喷射压缩器（9）以及连接管路附件组成；所述高压级有机朗肯循环***包括ORC余热锅炉（1）蒸发段和过热段、向心透平（2）、发电机（3）、冷凝器（7）、凝结泵（8）、喷射压缩器（9）以及连接管路附件组成；
所述低压级有机朗肯循环***中ORC余热锅炉（1）一侧设有中低温余热烟气进口，另一侧设有中低温余热烟气进口出口，ORC余热锅炉（1）预热段有机工质出口分为两段，一段由管道连接至减压阀（4），再连接到闪蒸器（5）进口，位于闪蒸器（5）顶部的饱和蒸汽出口由管道连接至螺杆膨胀机（6）进口，螺杆膨胀机（6）膨胀做功为发电机（3）发电，位于闪蒸器（5）底部的饱和液体出口连接至喷射压缩器（9）的引射腔进口，螺杆膨胀机（6）的乏汽出口连接到冷凝器（7）的蒸汽进口，冷凝器（7）中的有机工质冷凝液出口经凝结泵（8）连接至喷射压缩器（9）的引射腔进口，喷射压缩器（9）扩压段有机工质出口连接ORC余热锅炉（1）预热段有机工质进口；
所述ORC余热锅炉（1）预热段有机工质出口另一段通过管道连接到高压级有机朗肯循环***中ORC余热锅炉（1））蒸发段和过热段，ORC余热锅炉（1）过热段过热蒸汽出口由管道连接向心透平（2），向心透平（2）膨胀做功为发电机（3）发电，向心透平（2）底部的乏汽出口与低压级有机朗肯循环***中螺杆膨胀机（6）的乏汽出口连接后与冷凝器（7）的蒸汽进口连接。
2.根据权利要求1所述的双压膨胀有机朗肯循环回收中低温余热发电***，其特征在于：所述冷凝器（7）为水冷冷凝器时，装置还包括冷却水循环***，冷却水循环***包括冷凝器（7）、循环水泵（10）和冷却塔（11），冷凝器（7）冷却水出口连接至冷却塔（11）的进水口，冷却塔（11）的冷却水出口由管道连接至循环水泵（10）的进口，循环水泵（10）出口再接入冷凝器（7）的冷却水进口，形成冷却水循环回路。
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