CN103277147A - 双动力orc发电系统及其发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双动力ORC发电系统及其发电方法，热能利用率高，且发电效率高。该系统主要包括与热源相连的换热器，ORC透平，与ORC透平的动力输出端相连的发电机，有机工质循环泵，冷凝器，所述热源包括锅炉和背压式汽轮机，锅炉的水蒸汽出口与背压式汽轮机的介质入口相连，背压式汽轮机的动力输出端与ORC透平的动力输出端串联，背压式汽轮机的介质出口与换热器的热源入口相连，换热器的热源出口通过水循环泵与锅炉的入水口相连，锅炉上还设置有烟气进口和烟气出口，锅炉的入水口和水蒸气出口之间设置有水道，锅炉的烟气进口和烟气出口之间设置有用于使烟气与水道内的水进行热量交换的烟道。

Description

双动力ORC发电系统及其发电方法

技术领域

本发明涉及一种发电系统和发电方法，尤其涉及一种双动力ORC发电系统及其发电方法。背景技术

ORC也就是有机朗肯循环，利用该技术设计成的发电系统为ORC发电系统。目前，现有的ORC发电系统一般包括两个换热器、一个动力输出装置、与动力输出装置相连的发电机和一个循环泵。例如《制冷学报》2012年2月第33卷第1期就公开了一个上述ORC发电系统。以及中国专利公开号CN1950591A也公开了一个类似的ORC发电系统。上述这种发电系统中的各个装置相连形成一个循环回路。有机介质在这个回路中循环。其中一个换热器与热源相连进行热交换，将有机工质加热成蒸汽状态，蒸汽状态的有机介质进入动力输出装置做功，动力输出装置带动发电机发电。有机工质接着进入另一个换热器进行冷凝形成液体，这个换热器也就是冷凝器。被冷却的有机工质在循环泵的压力作用下形成过冷液体状态，然后进入与热源相连的换热器内。通过上述循环进行发电。现有的这种发电系统存在以下不足：1、热源的利用率低，不能有效充分的利用热源来发电；2、系统经过长期使用后，内部有机工质发生损耗，无法及时补充。

目前，还有一种发电系统采用背压式汽轮机带动发电机发电，这种发电系统对负荷变化的适应性差，机组发电量受制于热负荷变化。当低热负荷时，汽轮机效率下降，从而使经济效益降低。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种热源利用率高的双动力ORC发电系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：双动力ORC发电系统，包括与热源相连的换热器，ORC透平，与ORC透平的动力输出端相连的发电机，有机工质循环泵，冷凝器，所述换热器包括热源入口、热源出口、换热器有机工质入口和换热器有机工质出口，ORC透平包括透平有机工质入口和透平有机工质出口，换热器有机工质出口与透平有机工质入口相连，冷凝器包括冷凝器有机工质入口和冷凝器有机工质出口，透平有机工质出口与冷凝器有机工质入口相连，冷凝器有机工质出口通过有机工质循环泵与换热器有机工质入口相连，所述热源包括锅炉和背压式汽轮机，锅炉的水蒸汽出口与背压式汽轮机的介质入口相连，背压式汽轮机的动力输出端与ORC透平的动力输出端串联，背压式汽轮机的介质出口与换热器的热源入口相连，换热器的热源出口通过水循环泵与锅炉的入水口相连，锅炉上还设置有烟气进口和烟气出口，锅炉的入水口和水蒸气出口之间设置有水道，锅炉的烟气进口和烟气出口之间设置有用于使烟气与水道内的水进行热量交换的烟道。

上述发电系统通过换热器将背压式汽轮机的排气进行冷却，减少了整个系统的冷源损失，将背压式汽轮机的排气的热能得到有效利用，提高了热能的利用率。同时由于采用双动力发电，发电效率得到提高。

进一步的是：所述冷凝器与有机工质循环泵之间还连接有储液罐，所述储液罐上设置有有机工质补充装置。

进一步的是：所述换热器的热源入口处设置有均流装置。

进一步的是：所述背压式汽轮机的介质出口与换热器的热源入口之间还设置有分气支管结构，所述换热器的热源出口与水循环泵之间还设置有回水支管结构。

进一步的是：所述换热器的热源出口与锅炉的入水口之间还设置有除氧装置。

本发明还提供了一种采用上述双动力ORC发电系统的发电方法，先通过锅炉利用进入锅炉内的烟气将锅炉内的水加热成水蒸气，利用水蒸气驱动背压式汽轮机工作，由背压式汽轮机排出的水蒸气进入换热器内将系统内有机工质加热成气态，水蒸气降温后形成水流并通过水循环泵进入锅炉；通过气态有机工质促使ORC透平工作，通过背压式汽轮机和ORC透平共同带动发电机发电，ORC透平将有机工质排入冷凝器冷却成液态有机工质，液态有机工质经有机工质循环泵加压形成过冷液态有机工质后进入换热器内。

进一步的是：所述冷凝器与有机工质循环泵之间还连接有储液罐，所述储液罐上设置有有机工质补充装置，通过有机工质补充装置向系统内补充有机工质。

进一步的是：所述换热器的热源入口处设置有均流装置。

进一步的是：系统内的有机工质的压力大于等于系统外部压力。

本发明的有益效果是：

1、通过换热器将背压式汽轮机的排气进行冷却，减少了整个系统的冷源损失，整个发电系统的热能利用率很高。

2、通过储液罐一方面可起到缓冲的作用，保证有机工质在系统内持续顺畅的循环，另一方面还可对系统内及时补充有机工质。

3、由于水蒸气流动的均匀性会对有机工质的温度造成影响，有机工质的温度波动又会对有机工质的物理性能产生影响，因此通过设置均流装置有利于保证有机工质长期正常工作。

4、分气支管结构和回水支管结构可实现向用户供热的目的，实现热电联产，进一步提高能源利用率。

5、除氧装置可用于减少系统内的水对系统的腐蚀。除氧装置的主要作用是除去锅炉给水中的氧气和其它不凝结气体，以保证给水的品质。若水中溶解氧气，就会使与水接触的金属被腐蚀，同时在热交换器中若有气体聚积，将使传热的热阻增加，降低设备的传热效果。因此水中溶解有任何气体都是不利的，尤其是氧气，它将直接威胁设备的安全运行。

6、系统内的有机工质的压力大于等于系统外部压力，也就是大于等于外部环境的压力，这样可防止外部气体进入系统内破坏有机工质的物性。

附图说明

图1为本发明的双动力ORC发电系统的示意图；

图中标记为：换热器1，热源入口11、热源出口13、换热器有机工质入口14，换热器有机工质出口12，ORC透平2，透平有机工质入口21，透平有机工质出口23，ORC透平的动力输出端22，发电机3，背压式汽轮机4,介质入口41，背压式汽轮机的动力输出端42，介质出口43，冷凝器5，冷凝器有机工质入口51，冷凝器有机工质出口52，储液罐6，有机工质循环泵7，锅炉8，水蒸汽出口81，入水口82，烟气进口83，烟气出口84，水循环泵9，除氧装置100，回水支管结构200，分气支管结构300。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明的双动力ORC发电系统，包括与热源相连的换热器1，ORC透平2，与ORC透平的动力输出端22相连的发电机3，有机工质循环泵7，冷凝器5，所述换热器1包括热源入口11、热源出口13、换热器有机工质入口14和换热器有机工质出口12，ORC透平2包括透平有机工质入口21和透平有机工质出口23，换热器有机工质出口12与透平有机工质入口21相连，冷凝器5包括冷凝器有机工质入口51和冷凝器有机工质出口52，透平有机工质出口23与冷凝器有机工质入口51相连，冷凝器有机工质出口52通过有机工质循环泵7与换热器有机工质入口14相连，所述热源包括锅炉8和背压式汽轮机4，锅炉8的水蒸汽出口81与背压式汽轮机4的介质入口41相连，背压式汽轮机的动力输出端42与ORC透平的动力输出端22串联，背压式汽轮机4的介质出口43与换热器1的热源入口11相连，换热器1的热源出口13通过水循环泵9与锅炉8的入水口82相连，锅炉上还设置有烟气进口83和烟气出口84，锅炉的入水口82和水蒸气出口81之间设置有水道，锅炉8的烟气进口83和烟气出口84之间设置有用于使烟气与水道内的水进行热量交换的烟道。上述冷凝器可采用空冷等多种冷却方式。水蒸气的流动方向与有机工质的流动方向是相反的，这种形式称作逆流传热，反之称为顺流传热。逆流传热比顺流传热效率高，可有效减少换热器换热面积，减少设备制造成本。因此优选为逆流传热。

使用时，先通过锅炉8利用进入锅炉内的烟气将锅炉内的水加热成水蒸气，利用水蒸气驱动背压式汽轮机4工作，由背压式汽轮机4排出的水蒸气进入换热器1内将系统内有机工质加热成气态，水蒸气降温后形成水流并通过水循环泵9加压后进入锅炉8；通过气态有机工质促使ORC透平2工作，通过背压式汽轮机4和ORC透平2共同带动发电机3发电，ORC透平2将有机工质排入冷凝器5冷却成液态有机工质，液态有机工质经有机工质循环泵7加压形成过冷液态有机工质后进入换热器1内。通过背压式汽轮机4和ORC透平2共同带动发电机3发电，可充分有效的利用热能。热能利用率显著提高。发电效率也得到提高。

由于有机工质在系统内会有损耗，为了维持系统内有机工质的正常循环，需要及时向系统内补充有机工质。如图1所示，在上述基础上，所述冷凝器5与循环泵7之间还连接有储液罐6，所述储液罐上设置有有机工质补充装置。上述有机工质补充装置可为一个阀门，或为一个带有阀门的直管等等。当需要向储液罐6内补充有机工质时，可开启阀门，向储液罐6内补充有机工质，补充完毕后关闭阀门即可。当然上述有机工质补充装置还可以包括一个液位检测器，当储液罐6内的液位低于标准液位后，液位检测器将信号传输给控制系统，控制系统通过开启阀门，并通过传输管向储液罐6内输送有机工质。

进一步的是，由于换热器1内的热源的温度变化会影响有机工质的温度变化，有机工质的温度波动又会对有机工质的物理性能产生影响，因此为了使有机工质长期稳定的工作，所述换热器1的热源入口处设置有均流装置。上述均流装置可用现有技术中的烟气均流装置。为了简化结构，上述均流装置可为由上而下依次设置的多个钢板，钢板上开有多个通气孔，使水蒸气依次经过多个钢板，达到均流的目的。

为了在上述基础上，进一步利用热能，所述背压式汽轮机4的介质出口43与换热器1的热源入口11之间还设置有分气支管结构300，所述换热器1的热源出口13与水循环泵9之间还设置有回水支管结构200。上述分气支管结构300可包括一个分气支管和多个控制阀。通过该结构可向用户供热。上述回水支管结构200可包括一个回水支管和多个控制阀。通过该结构可回收用户使用后的水，并可将这部分水用于补充系统内的水量。

此外，在上述基础上，所述换热器1的热源出口13与锅炉8的入水口82之间还设置有除氧装置100。

在上述基础上，为了防止系统内的有机工质的泄漏，系统在运转过程中，系统内的有机工质的压力大于等于系统外部压力。也就是使有机工质的压力大于等于外部环境的压力，防止系统外的气体进入系统内破坏有机工质的物理性能。具体的，可根据系统来选用合适沸点的有机工质，这样可实现系统内有机工质的压力大于等于系统外部压力。这样的措施对于冷凝器最为有利，可以保证冷凝器在常压或微正压条件下运行，降低冷凝器投资成本。

Claims (9)

1.双动力ORC发电系统，包括与热源相连的换热器（1），ORC透平（2），与ORC透平的动力输出端（22）相连的发电机（3），有机工质循环泵（7），冷凝器（5），所述换热器（1）包括热源入口（11）、热源出口（13）、换热器有机工质入口（14）和换热器有机工质出口（12），ORC透平（2）包括透平有机工质入口（21）和透平有机工质出口（23），换热器有机工质出口（12）与透平有机工质入口（21）相连，冷凝器（5）包括冷凝器有机工质入口（51）和冷凝器有机工质出口（52），透平有机工质出口（23）与冷凝器有机工质入口（51）相连，冷凝器有机工质出口（52）通过有机工质循环泵（7）与换热器有机工质入口（14）相连，其特征是：所述热源包括锅炉（8）和背压式汽轮机（4），锅炉（8）的水蒸汽出口（81）与背压式汽轮机（4）的介质入口（41）相连，背压式汽轮机的动力输出端（42）与ORC透平的动力输出端（22）串联，背压式汽轮机（4）的介质出口（43）与换热器（1）的热源入口（11）相连，换热器（1）的热源出口（13）通过水循环泵（9）与锅炉（8）的入水口（82）相连，锅炉上还设置有烟气进口（83）和烟气出口（84），锅炉的入水口（82）和水蒸气出口（81）之间设置有水道，锅炉（8）的烟气进口（83）和烟气出口（84）之间设置有用于使烟气与水道内的水进行热量交换的烟道。

2.如权利要求1所述的双动力ORC发电系统，其特征是：所述冷凝器（5）与有机工质循环泵（7）之间还连接有储液罐（6），所述储液罐上设置有有机工质补充装置。

3.如权利要求1所述的双动力ORC发电系统，其特征是：所述换热器（1）的热源入口处设置有均流装置。

4.如权利要求1所述的双动力ORC发电系统，其特征是：所述背压式汽轮机（4）的介质出口（43）与换热器（1）的热源入口（11）之间还设置有分气支管结构（300），所述换热器（1）的热源出口（13）与水循环泵（9）之间还设置有回水支管结构（200）。

5.如权利要求1所述的双动力ORC发电系统，其特征是：所述换热器（1）的热源出口（13）与锅炉（8）的入水口（82）之间还设置有除氧装置（100）。

6.采用权利要求1所述的双动力ORC发电系统的发电方法，其特征是：先通过锅炉（8）利用进入锅炉内的烟气将锅炉内的水加热成水蒸气，利用水蒸气驱动背压式汽轮机（4）工作，由背压式汽轮机（4）排出的水蒸气进入换热器（1）内将系统内有机工质加热成气态，水蒸气降温后形成水流并通过水循环泵（9）进入锅炉（8）；通过气态有机工质促使ORC透平（2）工作，通过背压式汽轮机（4）和ORC透平（2）共同带动发电机（3）发电，ORC透平（2）将有机工质排入冷凝器（5）冷却成液态有机工质，液态有机工质经有机工质循环泵（7）加压形成过冷液态有机工质后进入换热器（1）内。

7.如权利要求6所述的发电方法，其特征是：所述冷凝器（5）与有机工质循环泵（7）之间还连接有储液罐（6），所述储液罐上设置有有机工质补充装置，通过有机工质补充装置向系统内补充有机工质。

8.如权利要求6所述的发电方法，其特征是：所述换热器（1）的热源入口处设置有均流装置。

9.如权利要求6所述的发电方法，其特征是：系统内的有机工质的压力大于等于系统外部压力。

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