CN113738468A - 一种高效低温低压蒸汽余热利用联合发电***及其控制方法 - Google Patents

一种高效低温低压蒸汽余热利用联合发电***及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及蒸汽机装置领域，具体涉及一种高效低温低压蒸汽余热利用联合发电***及其控制方法，包括余热蒸气通入汽轮机中驱动双伸轴发电机发电；汽轮机排出的蒸气进入蒸发器中加热工质；工质膨胀驱动双伸轴发电机发电；工质冷却后循环流回蒸发器中；提升双伸轴发电机转速至额定转速；双伸轴发电机并网柜合闸；提升双伸轴发电机的输出功率至额定功率运行。从而可以分级对余热中的能量进行使用，提高工作效率。

Description

一种高效低温低压蒸汽余热利用联合发电***及其控制方法
技术领域
本发明涉及蒸汽机装置领域，尤其涉及一种高效低温低压蒸汽余热利用联合发电***及其控制方法。
背景技术
我国工业能耗占能源消耗总量的70％左右，而工业能耗的60％～65％都转化为载体不同、温度不同的余热。其中，钢铁、玻璃、化工等行业存在大量低温余热蒸汽资源，回收和利用工业生产过程中的各种低温余热蒸汽资源，既有助于解决我国的能源问题，又能有效减少工业生产过程中的环境污染，具有十分重要的现实意义。
凝汽式蒸汽轮机***是低温余热蒸汽能量回收的常用手段，但对于流量较小的低过热度或饱和低温余热蒸汽资源，采用传统凝汽式汽轮机***进行余热回收时，受水蒸汽自身特性(如图1所示，属于湿流体)、汽轮机叶片高度、部分进汽度以及排汽含水率等技术条件的限制，汽轮机无法实现高效运行，低温余热蒸汽能量无法充分回收利用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效低温低压蒸汽余热利用联合发电***及其控制方法，旨在提高余热发电的效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种高效低温低压蒸汽余热利用联合发电***及其控制方法，包括汽轮机、蒸发器、有机工质透平、双伸轴发电机和工质循环机构，所述蒸发器与所述汽轮机连接，所述有机工质透平与所述蒸发器连接，所述双伸轴发电机的两端分别与所述汽轮机和所述有机工质透平连接，所述工质循环机构设置在所述有机工质透平和所述蒸发器之间。
其中，所述双伸轴发电机包括电机本体、蒸气减速器和工质减速器，所述电机本体的两端分别与所述蒸汽减速器和所述工质减速器连接，所述蒸汽减速器与所述汽轮机连接，所述工质减速器与所述有机工质透平连接。
其中，所述双伸轴发电机包括电机本体、蒸气减速器、工质减速器和超越离合器，所述电机本体的两端分别与所述蒸汽减速器和所述工质减速器连接，所述蒸汽减速器与所述汽轮机连接，所述超越离合器与所述工质减速器连接，所述有机工质透平与所述超越离合器连接。
其中，所述工质循环机构包括冷凝器和循环泵，所述冷凝器与所述有机工质透平连接，所述循环泵的一端与所述冷凝器连接，所述循环泵的另一端与所述蒸发器连接。
其中，所述蒸发器包括蒸发器本体、工质进口阀和工质旁通阀，所述工质进口阀和所述工质旁通阀连通，并与所述蒸发器本体连通。
其中，所述蒸发器包括蒸发器本体、工质进口阀和工质旁通阀，所述工质进口阀和所述工质旁通阀连通，并与所述蒸发器本体连通，所述有机工质透平与所述工质进口阀连接，工质循环机构与所述工质旁通阀连接。
第二方面，本发明还提供一种高效低温低压蒸汽余热利用联合发电***的控制方法，包括：余热蒸气通入汽轮机中驱动双伸轴发电机发电；汽轮机排出的蒸气进入蒸发器中加热工质；工质膨胀驱动双伸轴发电机发电；工质冷却后循环流回蒸发器中；提升双伸轴发电机转速至额定转速；双伸轴发电机并网柜合闸；提升双伸轴发电机的输出功率至额定功率运行。
本发明的一种高效低温低压蒸汽余热利用联合发电***及其控制方法，有机工质透平为有机工质膨胀机，余热蒸汽中品位较高的能量先通过背压式汽轮机做功，其排出的低品位蒸汽作为ORC***的热源在蒸发器中加热有机工质，有机工质再通过有机工质膨胀机膨胀做功。汽轮机和有机工质膨胀机所做的功通过双伸轴发电机输出，实现余热蒸汽能量的梯级利用，提高能量的利用率。常规汽轮机为追求效率，排气压力较低，导致含水率较高，叶片寿命短。本发明采用背压式设计，故排气含水率低，减小了汽轮机的设计难度，提高也叶片的使用寿命，进而保证了***的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是水蒸汽温熵图；
图2是本发明的汽轮机-ORC***温熵示意图；
图3是本发明的蒸汽透平流量转速曲线图；
图4是本发明的有机工质透平流量转速曲线图；
图5是本发明的实施例1的结构图；
图6是本发明的实施例2的结构图；
图7是本发明的实施例3的结构图；
图8是本发明的实施例4的流程图。
1-汽轮机、2-蒸发器、3-有机工质透平、4-双伸轴发电机、5-工质循环机构、11-汽轮机本体、12-蒸气进口阀、13-蒸气旁通阀、21-蒸发器本体、22-工质进口阀、23-工质旁通阀、41-电机本体、42-蒸气减速器、43-工质减速器、44-超越离合器、51-冷凝器、52-循环泵。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
请参阅图5，本发明提供一种高效低温低压蒸汽余热利用联合发电***，包括：
汽轮机1、蒸发器2、有机工质透平3、双伸轴发电机4和工质循环机构5，所述蒸发器2与所述汽轮机1连接，所述有机工质透平3与所述蒸发器2连接，所述双伸轴发电机4的两端分别与所述汽轮机1和所述有机工质透平3连接，所述工质循环机构5设置在所述有机工质透平3和所述蒸发器2之间。
在本实施方式中，余热蒸汽驱动所述汽轮机1旋转；通过利用来自汽轮机1尾部的余热蒸汽乏汽与液态有机工质换热，使工质成为高温高压过热有机工质；高温高压过热有机工质在有机工质透平3内膨胀做功，驱动双伸轴发电机4旋转；然后所述工质循环机构5对所述有机工质透平3做功后排出的低温低压有机工质乏汽冷凝为低温低压液态饱和有机工质，使通过所述冷凝器51出来的低温低压液态有机工质加压，使之进入蒸发器2中进行下一个循环。
当蒸汽余热的温度和压力为T1、P1，通过***做功之后的乏汽温度和压力为T3、P3时，若只采用传统凝汽式蒸汽***，因蒸汽为低温低压的饱和蒸汽或过热度较低，其蒸汽透平效率低，且透平出口点必进入潜热区，即汽轮机1的末级必会含水。本发明针对这一现象，提出了能量的分级利用，即将供给发电***的热源中的高品位能量供汽轮机1做功，低品位能量供有机工质透平3做功。如图2所示，汽轮机1进口蒸汽的温度和压力为T1、P1，出口蒸汽的温度和压力为T2、P2，此时汽轮机1的出口为气体，含水率极低，汽轮机1效率高。再将汽轮机1的出口蒸汽做为ORC***的热源通入蒸发器2与有机工质进行换热，将有机工质加热到温度和压力为T2’、P2’的过热有机工质，通过有机工质透平3膨胀做功到T3、P3的低温低压有机工质。
通过分析，低温低压蒸汽通过汽轮机1-ORC联合发电***实现余热回收利用的方法，相比与凝汽式蒸汽轮机1***其中间存在蒸汽与有机工质在蒸发器2中换热时产生的能量损失，但综合计算发现，该联系***总效率比凝汽式蒸汽轮机1***提高15％-20％。
实施例2
请参阅图6，本发明提供一种高效低温低压蒸汽余热利用联合发电***，包括：
汽轮机1、蒸发器2、有机工质透平3、双伸轴发电机4和工质循环机构5，所述蒸发器2与所述汽轮机1连接，所述有机工质透平3与所述蒸发器2连接，所述双伸轴发电机4的两端分别与所述汽轮机1和所述有机工质透平3连接，所述工质循环机构5设置在所述有机工质透平3和所述蒸发器2之间。
所述双伸轴发电机4包括电机本体41、蒸气减速器42和工质减速器43，所述电机本体41的两端分别与所述蒸汽减速器和所述工质减速器43连接，所述蒸汽减速器与所述汽轮机1连接，所述工质减速器43与所述有机工质透平3连接。
所述工质循环机构5包括冷凝器51和循环泵52，所述冷凝器51与所述有机工质透平3连接，所述循环泵52的一端与所述冷凝器51连接，所述循环泵52的另一端与所述蒸发器2连接。
所述蒸发器2包括蒸发器本体21、工质进口阀22和工质旁通阀23，所述工质进口阀22和所述工质旁通阀23连通，并与所述蒸发器本体21连通，所述有机工质透平3与所述工质进口阀22连接，工质循环机构5与所述工质旁通阀23连接。
所述汽轮机1包括汽轮机本体11、蒸气进口阀12和蒸气旁通阀13，所述蒸气进口阀12和所述蒸气旁通阀13连通，并与所述汽轮机本体11连通。
在本实施方式中，蒸气从所述蒸气进口阀12和所述蒸气旁通阀13进入驱动所述汽轮机本体11旋转，通过所述蒸汽减速器可以进行减速以提高安全性；蒸发器2通过利用来自汽轮机1尾部的余热蒸汽乏汽与液态有机工质换热，使工质成为高温高压过热有机工质；高温高压过热有机工质通过工质进口阀22和工质旁通阀23在有机工质透平3内膨胀做功，驱动发电机旋转，通过所述工质减速器43以提高安全性；然后所述冷凝器51对所述有机工质透平3做功后排出的低温低压有机工质乏汽冷凝为低温低压液态饱和有机工质，所述循环泵52使通过所述冷凝器51出来的低温低压液态有机工质加压，使之进入蒸发器2中进行下一个循环。
蒸汽进口阀具有调节与快关功能，通过调节蒸汽进口阀，实现对汽轮机1的转速控制
工质进口阀22具有调节与快关功能，实现对有机工质透平3转速的控制。
当余热联合发电机组出现紧急情况时，蒸汽旁通阀和工质旁通阀23同时开启，蒸汽进口阀和工质进口阀22同时关闭，实现对机组的紧急停机。
当***变工况运行时，该***无超越离合器44，若只调节蒸汽进口阀很难使***维持稳定，故当***变工况运行时，通过汽轮机1和有机工质透平3的流量功率特性曲线，模拟计算得出汽轮机1和有机工质透平3的流量和转速曲线(如图3，图4所示)，进而得出蒸汽进口阀和工质进口阀22的阀门开度比。再根据此比例同时调节蒸汽进口阀和工质进口阀22，使***快速达到稳定运行。
发电机并网，该发电机为异步发电机，将发电机转速拖至额定转速后，合并网柜断路器，合闸后发电机的端电压和频率与电网保持一致，增加发电机转速，使发电机转子转速超过同步转速，发电机向电网输出电能。通过增加透平的进气量，提升发电机输出功率。
汽轮机采用悬挂式式结构，即蒸汽透平直接悬挂于减速机构的高速轴端，可减小机组的机械损失，提高机组效率。同时，余热蒸汽流量较小时，不像传统汽轮机受转速的限制，可提高汽轮机转速提高汽轮机效率。
有机工质透平可根据蒸汽透平排除的乏汽状态选择有机工质的品类、有机工质膨胀机的涡轮型式等，以及是否使用有机工质透平减速齿轮机构，兼容性极高。
蒸汽透平经蒸汽透平减速机构减速后，与双伸轴式发电机的一端连接，有机工质透平经有机工质透平减速机构减速后，与双伸轴式发电机的另一端连接，蒸汽透平、有机工质透平、蒸汽透平减速机构、有机工质透平减速机构、双伸轴式发电机共同组成余热利用联合发电机组。减小了***将热能转化为电能过程中的机械损失，提高了***效率。同时发电机组采用集成式撬装结构，体积小，安装运输方便。
实施例3
请参阅图7，本发明提供一种高效低温低压蒸汽余热利用联合发电***，包括：
汽轮机1、蒸发器2、有机工质透平3、双伸轴发电机4和工质循环机构5，所述蒸发器2与所述汽轮机1连接，所述有机工质透平3与所述蒸发器2连接，所述双伸轴发电机4的两端分别与所述汽轮机1和所述有机工质透平3连接，所述工质循环机构5设置在所述有机工质透平3和所述蒸发器2之间。
所述双伸轴发电机4包括电机本体41、蒸气减速器42、工质减速器43和超越离合器44，所述电机本体41的两端分别与所述蒸汽减速器和所述工质减速器43连接，所述蒸汽减速器与所述汽轮机1连接，所述超越离合器44与所述工质减速器43连接，所述有机工质透平3与所述超越离合器44连接。
所述工质循环机构5包括冷凝器51和循环泵52，所述冷凝器51与所述有机工质透平3连接，所述循环泵52的一端与所述冷凝器51连接，所述循环泵52的另一端与所述蒸发器2连接。
所述蒸发器2包括蒸发器本体21、工质进口阀22和工质旁通阀23，所述工质进口阀22和所述工质旁通阀23连通，并与所述蒸发器本体21连通。
所述汽轮机1包括汽轮机本体11、蒸气进口阀12和蒸气旁通阀13，所述蒸气进口阀12和所述蒸气旁通阀13连通，并与所述汽轮机本体11连通。
该实施例和实施例2的区别在于超越离合器44，因此主要对超越离合器44进行详细描述。来自汽轮机1的蒸汽乏汽进入蒸发器2后，加热并产生有机工质蒸汽，通过调节工质进口阀22，实现对有机工质透平2转速的控制，有机工质透平3经过工质减速器43减速，当其转速达到额定转速时，超越离合器44与双伸轴发电机4自动啮合。从而可以更好地使***快速达到稳定运行的状态。
实施例4
请参阅图8，本发明提供一种高效低温低压蒸汽余热利用联合发电***的控制方法，其特征在于，包括：
S101余热蒸气通入汽轮机1中驱动双伸轴发电机4发电；
余热蒸汽驱动汽轮机1旋转驱动双伸轴发电机4发电。
S102汽轮机1排出的蒸气进入蒸发器2中加热工质；
通过利用来自汽轮机1尾部的余热蒸汽乏汽与液态有机工质换热，使工质成为高温高压过热有机工质。
S103工质膨胀驱动双伸轴发电机4发电；
高温高压过热有机工质在有机工质透平3内膨胀做功，驱动双伸轴发电机4旋转
S104工质冷却后循环流回蒸发器2中；
然后所述工质循环机构5对所述有机工质透平3做功后排出的低温低压有机工质乏汽冷凝为低温低压液态饱和有机工质，使通过所述冷凝器51出来的低温低压液态有机工质加压，使之进入蒸发器2中进行下一个循环。
S105提升双伸轴发电机转速至额定转速；
S106双伸轴发电机并网柜合闸；
S107提升双伸轴发电机的输出功率至额定功率运行。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种高效低温低压蒸汽余热利用联合发电***，其特征在于，
包括汽轮机、蒸发器、有机工质透平、双伸轴发电机和工质循环机构，所述蒸发器与所述汽轮机连接，所述有机工质透平与所述蒸发器连接，所述双伸轴发电机的两端分别与所述汽轮机和所述有机工质透平连接，所述工质循环机构设置在所述有机工质透平和所述蒸发器之间。
2.如权利要求1所述的一种高效低温低压蒸汽余热利用联合发电***，其特征在于，
所述双伸轴发电机包括电机本体、蒸气减速器和工质减速器，所述电机本体的两端分别与所述蒸汽减速器和所述工质减速器连接，所述蒸汽减速器与所述汽轮机连接，所述工质减速器与所述有机工质透平连接。
3.如权利要求1所述的一种高效低温低压蒸汽余热利用联合发电***，其特征在于，
所述双伸轴发电机包括电机本体、蒸气减速器、工质减速器和超越离合器，所述电机本体的两端分别与所述蒸汽减速器和所述工质减速器连接，所述蒸汽减速器与所述汽轮机连接，所述超越离合器与所述工质减速器连接，所述有机工质透平与所述超越离合器连接。
4.如权利要求1所述的一种高效低温低压蒸汽余热利用联合发电***，其特征在于，
所述工质循环机构包括冷凝器和循环泵，所述冷凝器与所述有机工质透平连接，所述循环泵的一端与所述冷凝器连接，所述循环泵的另一端与所述蒸发器连接。
5.如权利要求1所述的一种高效低温低压蒸汽余热利用联合发电***，其特征在于，
所述蒸发器包括蒸发器本体、工质进口阀和工质旁通阀，所述工质进口阀和所述工质旁通阀连通，并与所述蒸发器本体连通，所述有机工质透平与所述工质进口阀连接，工质循环机构与所述工质旁通阀连接。
6.如权利要求1所述的一种高效低温低压蒸汽余热利用联合发电***，其特征在于，
所述汽轮机包括汽轮机本体、蒸气进口阀和蒸气旁通阀，所述蒸气进口阀和所述蒸气旁通阀连通，并与所述汽轮机本体连通。
7.一种高效低温低压蒸汽余热利用联合发电***的控制方法，应用于如权利要求1所述的高效低温低压蒸汽余热利用联合发电***，其特征在于，
包括：
余热蒸气通入汽轮机中驱动双伸轴发电机发电；
汽轮机排出的蒸气进入蒸发器中加热工质；
工质膨胀驱动双伸轴发电机发电；
工质冷却后循环流回蒸发器中；
提升双伸轴发电机转速至额定转速；
双伸轴发电机并网柜合闸；
提升双伸轴发电机的输出功率至额定功率运行。
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