[发明专利]基于复叠朗肯循环和两级水蓄热的工业余热回收发电系统

说明书

本发明涉及基于复叠朗肯循环和两级水蓄热的工业余热回收发电系统。包括余热回收蓄热回路、一级蒸汽朗肯循环发电回路和二级有机朗肯循环发电回路；工作时，余热介质温度为150～400℃，余热介质为中低温余热烟气、余热蒸汽、废水中的一种。当系统处于正常工作模式时，水工质吸收余热介质中的热量，吸热后的水工质可处于液态，气态或气液两相。余热介质的温度越高，水工质吸热后的干度越高，其中产生蒸汽具有较为的品位，通过复叠朗肯循环将热量转换为功，而液态水品位较低，通过二级有机朗肯循环将热量转换为功。本发明的技术方案可以保证系统发电的稳定性，并对工业余热进行高效利用。

技术领域

本发明属于工业余热回收发电技术领域，具体涉及一种基于复叠朗肯循环和两级水蓄热的工业余热回收发电系统。

背景技术

我国工业余热中的中低温余热约为总余热量的一半，通过对中低温余热加以利用，有望节约大量能源，减少二氧化碳排放和降低热污染，改善生态环境。工业余热的一个显著特点为热负荷不稳定，这是由工艺生产过程决定的。例如：1.对于炼钢行业产生的余热蒸汽，余热产汽量及放散周期随着生产变化而变化，具有一定的波动性，使得放散蒸汽具有很强的间歇性和不连续性 [参考：戴海波. 低压放散蒸汽回收发电技术. 冶金动力，2015,5:63-67.]。2. 对于钢铁厂的烧结余热，在烧结生产中设备运行不稳定，短时间的停机很难避免,，烧结矿物流的中断是经常出现的情况，因此，烧结余热热源的连续性难以保证。此外，由于烧结料透气性的差异以及辅料不均等原因，造成烧结烟气系统的阻力变化较大，最终导致烟气量变化大，幅度可达40%以上 [参考：李宝东, 李鹏元, 杜蒙. 烧结余热发电现状及存在问题的分析. 冶金能源，2012, 31(3):49-52.]。3. 对于水泥生产中的废气余热，出熟料冷却机子的废气温度在250-450℃之间，波动较大 [参考：卢来要. 纯低温水泥余热发电系统调试. 安装, 2013, 2:24-26.]。

有机朗肯循环（organic Rankine cycle, ORC）发电技术是中低温余热利用的有效手段之一。其循环工质是有机流体，具有低沸点和高饱和蒸汽压力的热力特性。相比于以水为工质的蒸汽朗肯循环，有机朗肯循环在烟气等余热温度低于300℃的热源下具有更好的热力性能和稳定性。但是，中低温余热的不稳定性给有机朗肯循环技术带来了巨大挑战。当膨胀机严重偏离设计工况或频繁启停时，效率将急剧降低，并会造成很大的机械损伤。目前，主要有以下几种应对方案，带回热型的有机朗肯循环、带油路型的有机朗肯循环、风机辅助型的有机朗肯循环、双罐蓄热型的有机朗肯循环、单罐蓄热型的有机朗肯循环、相变蓄热型的有机朗肯循环 [参考：Roberto Pili，Alessandro Romagnoli，HartmutSpliethoff，Christoph Wieland. Techno-Economic Analysis of Waste Heat Recoverywith ORC from Fluctuating Industrial Sources. Energy Procedia, 2017, 129:503-510.]。

本发明旨在提出一种基于水蒸汽-有机工质的复叠朗肯循环和两级水蓄热的创新方案，用于应对中低温余热利用的不稳定问题，实现热源的高效低成本利用。

发明内容

为了解决工业余热负荷波动对工业余热回收发电系统造成的不利影响，本发明提供了一种基于复叠朗肯循环和两级水蓄热的工业余热回收发电系统。

基于复叠朗肯循环和两级水蓄热的工业余热回收发电系统包括余热回收蓄热回路、一级蒸汽朗肯循环发电回路和二级有机朗肯循环发电回路；

所述余热回收蓄热回路包括蒸发器1、第一预热器2、第二预热器4、高温蓄热水罐6、低温蓄热水罐7和低温水泵13；

所述一级蒸汽朗肯循环发电回路包括蒸发器1、中间换热器3、高温蓄热水罐6、蒸汽螺杆膨胀机8、第一发电机10、中温水泵12；其中蒸发器1、高温蓄热水罐6、蒸汽螺杆膨胀机8、中间换热器3和中温水泵12串联形成一级水工质回路；