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基于不同蒸發溫度的多級有機朗肯循環發電系統.pdf

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基于 不同 蒸發 溫度 多級 有機 循環 發電 系統
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摘要
申請專利號:

CN201510349067.0

申請日:

2015.06.23

公開號:

CN104895630A

公開日:

2015.09.09

當前法律狀態:

撤回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的視為撤回IPC(主分類):F01K 23/00申請公布日:20150909|||實質審查的生效IPC(主分類):F01K 23/00申請日:20150623|||公開
IPC分類號: F01K23/00; F01K13/00 主分類號: F01K23/00
申請人: 天津大學
發明人: 朱家玲; 胡開永; 張偉; 劉克濤
地址: 300072天津市南開區衛津路92號
優先權:
專利代理機構: 天津盛理知識產權代理有限公司12209 代理人: 董一寧
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510349067.0

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2017.02.08|||2015.10.07|||2015.09.09

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的視為撤回|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種基于不同蒸發溫度的多級有機朗肯循環發電系統,其系統組成為:熱源供水系統通過熱水管道將n個ORC子系統中蒸發器依次串聯連在一起;冷卻水供水系統并聯接至n個ORC子系統中冷凝器;工質在各自的蒸發器內相變為汽態推動各自對應的汽輪機膨脹做功,液態工質經冷凝后通過各自對應的工質泵再返回各自的蒸發器,由此構成多級有機朗肯循環封閉系統。由于每個子系統使用的工質不同,所以可使得不同工質均工作在最佳蒸發溫度的狀態。從而提高了整個系統的熱效率。與常規ORC系統相比降低了蒸發器內的傳熱溫差,減小了不可逆損失,由于熱源排出系統的溫度比較低,可明顯提高低品位能源的利用率,從而提高了整個系統的經濟性。

權利要求書

權利要求書
1.  基于不同蒸發溫度的多級有機朗肯循環發電系統,由蒸發器、汽輪機、冷凝器以及工質泵組成n個獨立運行的ORC子系統,其特征在于:熱源供水系統E通過熱水管道將n個ORC子系統中的第一蒸發器(11)、第二蒸發器(21)……第n蒸發器(n1)依次串聯連在一起,熱源供水從第一蒸發器進入,從最后第n蒸發器排出,冷卻水供水系統O并聯接至n個ORC子系統中的第一冷凝器(13)、冷凝蒸發器(23)……第n冷凝器(n3),每一個ORC子系統中循環的工質在各自的蒸發器內蒸發相變為汽態,進入各自對應的第一汽輪機(14)、第二汽輪機(24)……第n汽輪機(n4)膨脹做功,做功后的工質乏汽進入各自對應的第一冷凝器、第二冷凝器……第n冷凝器冷凝為液態,液態工質通過各自對應的第一工質泵(12)、第二工質泵(22)……第n工質泵(n2),加壓后的工質再次進入各自的蒸發器產生相變,由此構成多級有機朗肯循環封閉系統。

2.  按照權利要求1所述的基于不同蒸發溫度的多級有機朗肯循環發電系統,其特征在于:所述多級有機朗肯循環封閉系統ORC子系統個數n大于或等于3,但n不大于6,每個ORC子系統獨立運行,并且每個ORC子系統使用各自的工質。

3.  按照權利要求1或2所述的基于不同蒸發溫度的多級有機朗肯循環發電系統,其特征在于:所述每個獨立運行的ORC子系統中蒸發器的蒸發溫度由各自系統所使用工質的特性和熱源溫度決定。

4.  按照權利要求1或2所述的基于不同蒸發溫度的多級有機朗肯循環發電系統,其特征在于:所述獨立運行的ORC子系統的數量根據所述熱源供水系統E的供水進口溫度、出口溫度決定。

5.  按照權利要求1或2所述的基于不同蒸發溫度的多級有機朗肯循環發電系統,其特征在于:所述每個獨立運行的ORC子系統中,蒸發器熱源側進、出口溫度的設定區間,是所述ORC子系統所使用工質的最佳蒸發溫度。

6.  按照權利要求1所述的基于不同蒸發溫度的多級有機朗肯循環發電系統,其特征在于:所述每個獨立運行的ORC子系統中冷凝器冷卻水側的進、出口管路均接至總冷卻水系統。

說明書

說明書基于不同蒸發溫度的多級有機朗肯循環發電系統
技術領域
本發明屬于熱能工程,具體涉及一種依據地下熱水溫度選擇不同蒸發溫度的多級有機朗肯循環熱電轉換系統。
背景技術
能源短缺、環境污染已經成為限制人類可持續發展的主要難題之一。目前世界各國都在努力減少對于傳統化石能源的依賴。其中對于作為低品位能源的地熱能利用,國際上最常用的方法是有機朗肯循環(Organic Rankine Cycle--簡稱ORC)發電技術。這是一種利用低沸點有機物作為工質的熱力循環,其工作原理是:有機工質通過蒸發器從熱源吸熱產生相變,汽態工質推動汽輪機膨脹做功,通過發電機發電,從汽輪機排出的乏汽進入冷凝器冷凝相變為液態,然后進入工質泵加壓再次進入蒸發器,從而形成一個封閉的循環。
傳統有機朗肯循環存在的問題是:凡是有機工質都存在一個使系統效率達到最高的最佳蒸發溫度,但是當熱源為150℃時,會引起以下兩個現象:(1)為了從熱源吸收更多的熱量,對熱源排出蒸發器的溫度設置比較低,增大了蒸發器內的換熱溫差,加大了不可逆損失,同時降低了蒸發溫度,使系統沒有工作在最佳蒸發溫度狀態;(2)將熱源從蒸發器排出溫度設置的比較高,可降低傳熱溫差,減小不可逆損失(可以維持一個最佳的蒸發溫度),但是熱源排出溫度較高,造成熱源沒有充分被利用的能源損失。
基于以上問題,本發明提出的一種改進的多級ORC系統,可充分提高熱源的利用率和系統的整體熱效率。
發明內容
本發明的目的是:提供了一種基于不同蒸發溫度的多級有機朗肯循環發電系統,能夠充分利用不同有機工質的最佳蒸發溫度,可有效減少蒸發器的不可逆損失,降低熱源流體的排出溫度,從而提高系統的整體熱效率。
本發明所采用的技術方案是:由蒸發器、汽輪機、冷凝器以及工質泵組成n個獨立運行的ORC子系統。熱源供水系統通過熱水管道將n個ORC子系統中的第一蒸發器、第二蒸發器……第n蒸發器依次串聯連在一起,熱源供水從第一蒸發器進入,從最后第n蒸發器排出。冷卻水供水系統并聯接至n個ORC子系統中的第一冷凝器、第二冷凝蒸發器……第n冷凝器。每一個ORC子系統中循環的工質在各自的蒸發器內蒸發相變為汽態,進入各自對應的第一汽輪機、第二汽輪機……第n汽輪機膨脹做功,做功后的工質乏汽進入各自對應的第一冷凝器第二冷凝器……第n冷凝器冷凝為液態。液態工質通過各自對應的第一工質泵、第二工質 泵……第n工質泵,加壓后的工質再次進入各自的蒸發器產生相變,由此構成多級有機朗肯循環封閉系統。
因為n個ORC子循環系統所用的工質各不相同,即每個子循環系統工作的蒸發溫度均為該系統所使用工質的最佳蒸發溫度。該系統分設幾個子系統,共用一個(地)熱源的熱水將多個子系統的蒸發器串接成為一個ORC循環發電系統。這樣設計的目的,就是為了改善熱源溫度過高時所造成的(熱源沒有充分被利用)能源損失。傳統ORC循環系統使用單一的有機工質或者混合工質,當熱源溫度過高時,為了能夠充分利用熱源的熱量,必須舍棄一部分能量,使系統無法達到最大熱效率。
本發明與傳統ORC系統相比所具有的特點和有益效果是:
(1)幾個獨立運行的ORC子系統使用不同的有機工質,并且根據使用工質的特性分別工作在不同的蒸發溫度,每一個蒸發溫度下均可以實現該工質的最佳發電性能,從而提高了整個系統的效率;
(2)幾個獨立運行的ORC子系統蒸發器的換熱溫差較小,降低了蒸發器產生的不可逆損失,提高了整個系統的經濟性;
(3)熱源排出系統的溫度比較低,提高了所利用的地熱能,太陽能,生物質能和工業廢熱、廢氣等低品位能源的利用率。
附圖說明
所示附圖為本發明的技術原理和系統組成結構圖。
具體實施方式
以下結合附圖并通過實施例對本發明的原理與系統做進一步的說明。需要說明的是本實施例是敘述性的,而非是限定性的,不以此限定本發明的保護范圍。
基于不同蒸發溫度的多級有機朗肯循環發電系統,由蒸發器、汽輪機、冷凝器以及工質泵組成n個獨立運行的ORC子系統。其系統組成為:熱源供水系統E通過熱水管道將n個ORC子系統中的第一蒸發器11、第二蒸發器21、……第n蒸發器n1依次串聯連在一起,熱源供水從第一蒸發器進入,從最后第n蒸發器排出。冷卻水供水系統O并聯接至n個ORC子系統中的第一冷凝器13、冷凝蒸發器23、……第n冷凝器n3。每一個ORC子系統中循環的工質在各自的蒸發器內蒸發相變為汽態,進入各自對應的第一汽輪機14、第二汽輪機24、……第n汽輪機n4膨脹做功,做功后的工質乏汽進入各自對應的第一冷凝器、第二冷凝器……第n冷凝器冷凝為液態。液態工質通過各自對應的第一工質泵12、第二工質泵22、……第n工質泵n2,加壓后的工質再次進入各自的蒸發器產生相變,由此構成多級有機朗肯循環 封閉系統。
多級有機朗肯循環封閉系統ORC子系統個數n大于或等于3,但n不大于6,每個ORC子系統獨立運行,并且每個ORC子系統使用各自的工質。
每個獨立運行的ORC子系統中蒸發器的蒸發溫度由各自系統所使用工質的特性和熱源溫度決定。
獨立運行的ORC子系統的數量根據熱源供水系統E的供水進口溫度、出口溫度決定。
每個獨立運行的ORC子系統中,蒸發器熱源側進、出口溫度的設定區間,是該ORC子系統所使用工質的最佳蒸發溫度。
每個獨立運行的ORC子系統中冷凝器冷卻水側的進、出口管路均接至總冷卻水系統。
作為實施例,本發明采用四個ORC子循環(n=4)。熱源溫度為150℃熱水,流量為1kg/s,因為是并聯連接,所以總冷卻水進入各級冷凝器的溫度相同,均為25℃,流量為2kg/s。
第一個ORC子循環中使用的工質為R123;第二個ORC子循環中使用的工質為R245fa,第三個ORC子循環中使用的工質為R600a,第四個ORC子循環中使用的工質為R134a。上述有機工質根據熱源溫度而選擇,所以各自具有不同的最佳蒸發溫度。
其系統循環過程為:150℃的地熱水經過第一個ORC子循環的蒸發器,換熱后的溫度降為130℃。工質R123在1.3Mpa下由液相變為汽態,汽態工質進入第一汽輪機膨脹做功(汽輪機帶動發動機發電),做功后的乏汽進入第一冷凝器冷凝為液態,液態工質進入第一工質泵進行加壓,再次進入第一蒸發器從而形成第一個封閉的子循環。該子循環過程凈發電量為11.95kW,熱效率為14.1%,熱源輸入熱量為84kW。
第二級ORC子循環系統中,第二蒸發器中熱源的進口溫度為130℃,換熱后溫度為110℃。工質R245fa在1.34Mpa下由液態變為汽態,汽態工質進入第二汽輪機膨脹做功發電,做功后的乏汽進入第二冷凝器冷凝為液態,液態工質進入第二工質泵進行加壓,再次進入第二蒸發器從而形成第二個封閉的子循環。該子循環過程凈發電量為9.95kW,熱效率為11.4%,熱源輸入熱量為84kW。
第三級ORC子循環系統中,第三蒸發器中熱源進口溫度為110℃,換熱后溫度為90℃。工質R600a在1.37Mpa下發生相變由液態變為汽態,汽態工質進入第三汽輪機膨脹做功發電,做功后的乏汽進入第三冷凝器冷凝為液態,液態工質進入第三工質泵進行加壓,再次進入第三蒸發器從而形成第三個封閉的子循環。該子循環過程凈發電量為7.41kW,熱效率為8.6%,熱源輸入熱量為84kW。
第四級ORC子循環系統中,第四蒸發器中熱源的進口溫度為90℃,換熱后溫度為60℃。 工質R134a在1.31Mpa下由液態變為汽態,汽態工質進入第四汽輪機膨脹做功發電,做功后的乏汽進入冷凝器冷凝為液態,液態工質進入第四工質泵進行加壓,再次進入第四蒸發器從而形成另一個封閉的子循環。該子循環過程凈發電量為4.06kW,熱效率為3.4%,熱源輸入熱量為126kW。
作為對比,在相同熱源和冷源條件下,使用R245fa作為工質的常規單級ORC循環系統,其凈發電量為20.7kW,熱效率為5.4%,熱源輸入熱量為378kW。以上實施例中的四級ORC循環,總發電量為33.37kW,比常規單級ORC循環提高了61.2%,熱效率為8.8%,比常規單級ORC循環提高了63.0%。
本發明根據熱源溫度將熱源分成不同的溫度區間進行利用,并且在不同的區間選擇最佳有機工質,使其工作在發電性能最優的蒸發溫度狀態,從而提高了整個系統的熱效率,得到更多的凈發電量;由于蒸發器的蒸發溫度和熱源溫度溫差均比較小,所以減小了整個系統的不可逆損失,從而提高了所用熱源的利用率。

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