[发明专利]基于多级蒸发器与工质泵串联的有机朗肯循环发电系统

说明书

技术领域

本发明属于热能工程领域，主要涉及一种采用有机朗肯循环方式的热电转换系统装置。

背景技术

有机朗肯循环是利用有机物工质作为热力循环的一种方式，以地热能、太阳能或其它低品位热源，对有机工质进行加热产生蒸气从而推动汽轮发电机组发电。有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，简称ORC）热源流体入口的温度通常在80℃以上，蒸发器是ORC中产生不可逆损失最大的部件，尤其是在热源流体进出口焓降较高的情况下，蒸发器的不可逆损失将会进一步增大。因此合理的设置多级蒸发器，使热源流体与各级蒸发器进行连接，使液态工质在各级蒸发器中被加热为不同压力的饱和或过热蒸气，由此实现热源与工质之间良好的温度匹配。本发明是针对ORC效率低的问题而提出，由此可以明显提高系统的发电效率和技术经济性。

发明内容

本发明的目的是，提供一种基于多级蒸发器与工质泵串联的有机朗肯循环发电系统，对于大焓降的热源流体，将多级蒸发器进行串联，以弥补ORC方式蒸发器不可逆损失较大的问题，达到提高发电效率的目的。

为了实现上述目标，本发明采取了以下技术解决方案：基于多级蒸发器与工质泵串联的有机朗肯循环发电系统，包括：蒸发器、汽轮机、发电机、预热器、冷凝器以及工质泵等。其系统组成为：n个蒸发器热源侧依次串联相接，热源流体自第一个蒸发器进入，然后从最末端的蒸发器热源侧排出回灌。除第一个蒸发器工质侧设有上出口外，其它蒸发器的工质侧均设有上下两个出口。每个蒸发器上出口均并联接于汽轮机的n个入口，汽轮机驱动发电机发电。汽轮机出口依次串接预热器和冷凝器，做功后的工质进入预热器和冷凝器后再次进入预热器的另一侧，与做功后汽轮机排出的乏汽进行换热。每个蒸发器均接有各自的工质泵，从预热器流出的工质经最末端工质泵进入最末端蒸发器工质侧进口；最末端蒸发器工质侧下出口经工质泵接至蒸发器工质侧进口；蒸发器工质侧下出口经相应的工质泵接至相应蒸发器工质侧进口……；最后第二个蒸发器工质侧下出口经第一个工质泵接至第一个蒸发器工质侧进口。即每个蒸发器均配有工质泵，但是工质是以串联方式供给每个蒸发器，由此构成多级蒸发器与工质泵串接的工质闭路循环。

因为对于采用纯质（单组元工质）有机工质的ORC发电系统而言，热源流体入口温度越高，系统中蒸发器所产生的不可逆损失越大，所以采用多级蒸发器热源侧串联的结构，可以相对降低每个蒸发器热源流体的入口温度，蒸发器所产生的不可逆损失可进行弥补。

本发明的特点及产生的有益效果是：（1）热流体与n个蒸发器热源侧串联，然后每个蒸发器的工质侧直接与汽轮机并联连接，降低了传统ORC系统中单一蒸发器不可逆损失较大的缺陷，提高了系统的利用效率和技术经济性；（2）每个蒸发器均串接一个工质泵，以克服各蒸发器中蒸发压力与冷凝压力之间的压差，使得热源流体与工质的温度匹配性更好；（3）以地热能、太阳能或其它低品位能源作为系统的热源，在有利于环保的基础上，可达到符合节能减排的目的。

附图说明

所示附图为本发明的技术原理与系统部件连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图并通过实施例对本发明的技术原理与系统组成结构作进一步的说明。需要说明的是本实施例是叙述性的而非限定性的，不以此限定本发明的保护范围。

基于多级蒸发器与工质泵串联的有机朗肯循环发电系统，其系统组成结构为：n个蒸发器1-1、1-2、……1-n，热源侧依次串联相接，热源流体自第一个蒸发器1-1进入，然后从最末端的蒸发器1-n热源侧排出回灌。除第一个蒸发器1-1工质侧设有上出口外，其它蒸发器的工质侧均设有上下两个出口。每个蒸发器上出口均并联接于汽轮机2的n个入口，汽轮机驱动发电机3发电。汽轮机出口依次串接预热器4和冷凝器5，做功后的工质进入预热器和冷凝器后再次进入预热器的另一侧，与做功后汽轮机排出的乏汽进行换热。每个蒸发器均接有各自的工质泵，从预热器流出的工质经最末端工质泵6-n进入最末端蒸发器1-n工质侧进口；最末端蒸发器1-n工质侧下出口经第6-n-1工质泵接至蒸发器1-n-1工质侧进口；蒸发器1-n-1工质侧下出口经相应的工质泵接至相应蒸发器工质侧进口……；最后蒸发器1-2工质侧下出口经工质泵6-1接至蒸发器1-1工质侧进口。

该系统适用于热源流体在第一个蒸发器的进口与第n蒸发器的出口焓差较大的设计工况，而且热源流体在第一个蒸发器的进口温度与冷凝器冷却水进口温度之差大于50℃以上。考虑到系统实际运行的可行性，n不大于4。

本实施例采用两个蒸发器和两个工质泵（即n=2）进行串联，热源流体为地下热水。其工作过程是：温度为110℃的地热水首先进入第一个蒸发器1-1与工质进行换热，换热后地热水温度降为85℃，然后进入第二蒸发器1-2，换热后地热水温度降为50℃，该地热水由第二个蒸发器流体侧排出回灌至地下。工质在第一个蒸发器中发生相变，压力由0.18MPa的液态相变为0.65MPa的饱和蒸气。工质在第二个蒸发器中由压力为0.18MPa的液态相变为0.32MPa的饱和蒸气，两个蒸发器中的相变工质并联进入汽轮机驱动发电机发电。做功后两个蒸发器的（饱和气）工质先进入预热器，然后进入冷凝器进行冷凝。从冷凝器出来的工质再次进入预热器，设置预热器的目的是利用汽轮机排出的乏汽热量对进入蒸发器的工质进行预热，由此可提高蒸发器的效能。经过预热后的工质先经工质泵6-2输入到第二蒸发器，然后再由工质泵6-1将一部分液态工质输入到第一蒸发器。通过两个蒸发器产生的过热或饱和蒸气推动汽轮机做功，明显减小了ORC发电系统单一蒸发器产生的不可逆损失。