一種自調節預熱溫度的有機朗肯循環發電系統及發電方法
【專利摘要】一種自調節預熱溫度的有機朗肯循環發電系統及發電方法，發電系統包括有機朗肯循環模塊、預熱器模塊以及調節模塊，有機朗肯循環模塊包括蒸發器、膨脹機、發電機及冷凝器，預熱器模塊包括第一級預熱器和第二級預熱器，第一級預熱器的一端連接于冷凝器，另一端連接于第二級預熱器，第二級預熱器連接于蒸發器，調節模塊包括第一分流器，第一分流器分別連接于第一自力式溫控閥和第二自力式溫控閥，第一自力式溫控閥連接于蒸發器與第一級預熱器之間，第一自力式溫控閥與第一分流器之間設有第二分流器，第二分流器連接于第二自力式溫控閥。本發明采用兩級預熱，通過吸收混合后熱源熱量來實現理想溫差匹配，提高了熱源熱量回收利用率。
【專利說明】
一種自調節預熱溫度的有機朗肯循環發電系統及發電方法
技術領域
[0001]本發明屬于低品位能源利用領域，特別是涉及一種自調節預熱溫度的有機朗肯循環發電系統及發電方法。
【背景技術】
[0002]我國經濟的迅速發展隨之帶來的是能源短缺及嚴重的環境污染，一方面在鋼鐵、建筑、交通等領域存在大量能源以熱量形式被排放，回收利用難度高；另一方面地熱能、太陽能等自然資源的利用等級較低，無法合理利用。因此現如今，如何對能源進行合理利用，成為緩解我國能源及環境問題的重要途徑。
[0003]在低品位能源的回收利用中，有機朗肯循環因其工質具有高壓低沸特點被廣泛利用，但針對多數熱源，在換熱過程中存在溫差不匹配問題，使能源回收率及系統性能均較低。若對換熱器內的兩種工質進行常規方法的換熱，效果較差。
[0004]因此，有必要設計一種更好的換熱系統，以解決上述問題。
【發明內容】
[0005]針對現有技術存在的問題，本發明提供一種可對有機工質進行梯級預熱，實現理想溫差匹配的自調節預熱溫度的有機朗肯循環發電系統及發電方法。
[0006]為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0007]—種自調節預熱溫度的有機朗肯循環發電系統，包括有機朗肯循環模塊、預熱器模塊以及調節模塊，所述有機朗肯循環模塊包括蒸發器，連接于所述蒸發器的膨脹機，設于所述膨脹機末端的發電機，以及連接于所述膨脹機的冷凝器，有機工質于所述蒸發器內與熱源換熱后進入所述膨脹機內并帶動所述發電機發電，然后進入所述冷凝器，所述預熱器模塊包括第一級預熱器和第二級預熱器，所述第一級預熱器的一端連接于所述冷凝器，另一端連接于所述第二級預熱器，所述第二級預熱器連接于所述蒸發器，所述調節模塊包括設于所述蒸發器熱源進口端的第一分流器，所述第一分流器分別連接于第一自力式溫控閥和第二自力式溫控閥，所述第一自力式溫控閥連接于所述蒸發器熱源出口與所述第一級預熱器熱源進口之間，所述第一自力式溫控閥與所述第一分流器之間設有第二分流器，所述第二分流器連接于所述第二自力式溫控閥，所述第二自力式溫控閥連接于所述第一級預熱器熱源出口與所述第二級預熱器熱源進口之間。
[0008]進一步，所述蒸發器、所述第一級預熱器及所述第二級預熱器均為外殼內管式換熱器。
[0009]進一步，所述有機工質為中低溫環保制冷劑R245fa。
[0010]進一步，所述冷凝器連接有冷卻水進口，供冷卻水進入以冷卻所述有機工質。
[0011]進一步，所述冷凝器與所述第一級預熱器之間設有第一工質栗，所述第一級預熱器與所述第二級預熱器之間設有第二工質栗。
[0012]—種基于上述自調節預熱溫度的有機朗肯循環發電系統的發電方法，包括:有機工質進入所述第一級預熱器內與其中的熱源進行換熱后升溫，然后進入所述第二級預熱器，與其中的熱源進行換熱后升溫，然后進入所述蒸發器內與初始熱源換熱，進而被加熱蒸發，形成高溫蒸汽，高溫蒸汽進入所述膨脹機中帶動所述發電機發電，然后工質流入所述冷凝器被冷卻，進行下一輪循環換熱并發電，預熱過程中，所述第一自力式溫控閥感知所述第一級預熱器熱源進口側溫度，所述第二自力式溫控閥感知所述第二級預熱器熱源進口側溫度，并將信息反饋給所述第一分流器或/和所述第二分流器，所述第一分流器或/和所述第二分流器調節閥片開度大小，以調節熱源分流量，實現理想溫差匹配下換熱。
[0013]進一步，所述蒸發器換熱后的熱源經過所述第一自力式溫控器進入所述第一級預熱器內，與其中的有機工質換熱，所述第一級預熱器換熱后的熱源經過所述第二自力式溫控閥進入所述第二級預熱器內，與其中的有機工質換熱。
[0014]進一步，當所述第一預熱器熱源進口側溫度未達到所述第一自力式溫控閥所設定的溫度，而所述第二級預熱器熱源進口側溫度達到所述第二自力式溫控閥所設定的溫度時，開啟所述第一分流閥的第一管路，并關閉所述第二分流閥，將部分初始熱源通過所述第一管路引入所述第一自力式溫控閥內混合升溫，然后進入所述第一級預熱器內與所述有機工質換熱。
[0015]進一步，當所述第二預熱器熱源進口側溫度未達到所述第二自力式溫控閥所設定的溫度，而所述第一預熱器熱源進口側溫度達到所述第一自力式溫控閥所設定的溫度時，開啟所述第一分流閥的第二管路，并關閉所述第二分流閥，將部分初始熱源通過所述第二管路引入所述第二自力式溫控閥，然后進入所述第二級預熱器內與所述有機工質換熱。
[0016]進一步，當所述第一預熱器熱源進口側溫度未達到所述第一自力式溫控閥所設定的溫度，同時所述第二預熱器熱源進口側溫度未達到所述第二自力式溫控閥所設定的溫度時，開啟所述第一分流閥的第一管路，并開啟所述第二分流閥，初始熱源通過所述第一管路到達所述第二分流閥并由所述第二分流閥分流，分流后部分熱源進入所述第一自力式溫控閥，部分熱源進入所述第二自力式溫控閥，再分別進入所述第一級預熱器和所述第二級預熱器內換熱。
[0017]本發明的有益效果:
[0018]本發明自調節預熱溫度的有機朗肯循環發電系統，采用第一級預熱器和第二級預熱器對來自冷凝器的有機循環工質進行兩級預熱，通過吸收混合后熱源熱量來實現理想溫差匹配，不僅提高了熱源熱量回收利用率，而且系統設計方案簡介實用；且采用調節模塊，使得進入第一級預熱器和第二級預熱器的熱源溫度和初始熱源流量作為控制量，可保持有機工質流量不變，系統的控制量從有機朗肯循環內部轉移到了外部，從而避免了過熱度的動態優化計算、膨脹機流量調節和冷凝溫度控制等問題，不僅簡化了控制技術，而且提高了有機朗肯循環系統工作的穩定性和可靠性;進一步說，該系統簡化了面向控制的熱力學動態建模的過程，且自力式溫控閥調試簡單，實現了在熱源溫度的不確定擾動作用下，理想溫差的匹配。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明自調節預熱溫度的有機朗肯循環發電系統的結構示意圖；
[0020]圖中，丨一蒸發器、2一膨脹機、3 一發電機、4 一冷凝器、5 一第一級預熱器、6 一第二級預熱器、7—第一工質栗、8—第二工質栗、9一第一自力式溫控器、10—第二自力式溫控器、11一第一分流器、12—第一管路、13—第二管路、14一第二分流器，圖中實線代表有機工質回路，虛線代表熱源回路。
【具體實施方式】
[0021]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0022]需要說明，本發明實施例中所有方向性指示(諸如上、下、左、右、前、后……)僅用于解釋在某一特定姿態(如附圖所示)下各部件之間的相對位置關系、運動情況等，如果該特定姿態發生改變時，則該方向性指示也相應地隨之改變。
[0023]另外，在本發明中涉及“第一”、“第二”等的描述僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示其相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。另外，各個實施例之間的技術方案可以相互結合，但是必須是以本領域普通技術人員能夠實現為基礎，當技術方案的結合出現相互矛盾或無法實現時應當認為這種技術方案的結合不存在，也不在本發明要求的保護范圍之內。
[0024]如圖1，本發明提供一種自調節預熱溫度的有機朗肯循環發電系統，包括有機朗肯循環模塊，預熱模塊以及調節模塊，通過預熱模塊預熱有機工質，然后有機工質進入有機朗肯循環模塊與熱源進行熱交換，使有機工質被加熱蒸發，形成高壓蒸汽，進行發電，其中調節模塊則是用于調節預熱溫度及熱源流量。
[0025]有機朗肯循環模塊包括蒸發器I，連接于蒸發器I的膨脹機2，設于膨脹機2末端的發電機3，以及連接于膨脹機2的冷凝器4，有機工質于蒸發器I內與熱源換熱后進入膨脹機2內并帶動發電機3發電，然后進入冷凝器4冷卻，冷凝器4連接有冷卻水進口，供冷卻水進入以冷卻有機工質。
[0026]預熱器模塊包括第一級預熱器5和第二級預熱器6，第一級預熱器5的一端連接于冷凝器4，冷凝器4的工質出口側設有第一工質栗7，第一級預熱器5的工質進口連接于第一工質栗7，在工質由冷凝器4進入第一級預熱器5前，先由第一工質栗7升壓。第一級預熱器5的另一端連接于第二級預熱器6，第二級預熱器6的工質進口端與第一級預熱器5的工質出口端之間設有第二工質栗8，在工質由第一級預熱器5進入第二級預熱器6前，先由第二工質栗8升壓。第二級預熱器6工質出口連接于蒸發器I的工質進口，從而使工質由冷凝器4被兩級預熱后進入蒸發器I內與初始熱源換熱后被加熱蒸發，形成高壓蒸汽，進入膨脹機2并帶動發電機3發電，然后進入冷凝器4內，再進行下一次循環加熱發電的過程。
[0027]在本實施例中，蒸發器1、第一級預熱器5及第二級預熱器6均為外殼內管式換熱器，即工質位于內部管道內，熱源位于外殼內，兩者進行熱交換。有機工質為中低溫環保制冷劑R245fa，在蒸發器I內換熱后被加熱成為高壓蒸汽。
[0028]調節模塊包括設于蒸發器I熱源進口端的第一分流器11，第一分流器11分別連接于第一自力式溫控閥9和第二自力式溫控閥10，第一分流器11分流有第一管路12和第二管路13，第一管路12連接于第一自力式溫控閥9，第二管路13連接于第二自力式溫控閥10，第一自力式溫控閥9連接于蒸發器I熱源出口與第一級預熱器5熱源進口之間，第一自力式溫控閥9與第一分流器11之間的第一管路12上設有第二分流器14，第二分流器14連接于第二自力式溫控閥10，第二自力式溫控閥10連接于第一級預熱器5熱源出口與第二級預熱器6熱源進口之間。第一自力式溫控閥9用于感知第一級預熱器5熱源進口側溫度，第二自力式溫控閥10用于感知第二級預熱器6熱源進口側溫度，并將信息反饋給第一分流器11或/和第二分流器14，第一分流器11或/和第二分流器14調節閥片開度大小，以調節熱源分流量，從而實現理想溫差匹配下換熱。
[0029]如圖1，圖1中實線代表有機工質回路，虛線代表熱源回路。有機工質于蒸發器I內換熱后變為高壓蒸汽進入膨脹機2做功，帶動發電機3發電，隨后進入冷凝器4，冷凝后的有機工質經第一工質栗7升壓后進入第一級預熱器5內預熱，然后經第二工質栗8升壓后進入第二級預熱器6內預熱，再進入蒸發器I內與初始熱源換熱，進行循環發電的過程。
[0030]預熱過程中所使用的熱源是該發電系統內部熱源或初始熱源，在蒸發器I內釋放過熱量的熱源經過第一自力式溫控閥9進入第一級預熱器8內預熱有機工質，當蒸發器I熱源出口溫度低于第一自力式溫控閥9設定的溫度時，向第一分流器11發出反饋信息，第一分流器11開啟第一管路12，引出部分初始熱源至第一自力式溫控閥9，混合后的熱源溫度達到與第一級預熱器5內有機工質溫差理想匹配值，進行良好的換熱。
[0031]第一級預熱器5換熱后的熱源經過第二自力式溫控閥10進入第二級預熱器6內，與其中的有機工質換熱，其中第二自力式溫控閥10和第二分流器14串聯于第一分流器11與第二級預熱器6熱源進口之間，當第一級預熱器5換熱后的熱源溫度未達到第二自力式溫控閥10所設定的溫度時，將反饋信息發送給第一分流器11，第一分流器11開啟第二管路13，將部分初始熱源直接引入第二自力式溫控閥10處，實現理想溫差換熱，此時并不影響第一級預熱器5的正常工作。
[0032]第一分流器11和第二分流器14同時開啟時，可同時將初始熱源引入第一自力式溫控閥9和第二自力式溫控閥10，為第一級預熱器5和第二級預熱器6的換熱提供熱源。此時，進入第一自力式溫控閥9的初始熱源流量值要小于僅開啟第一分流器11時的流量，但并不影響理想匹配溫差。
[0033]上述發電系統原理簡單、易于實現，能夠有效提高熱源熱量利用率。當設定第二級預熱器6工質出口的有機工質溫度對應蒸發壓力下的飽和液態，且第一級預熱器5和第二級預熱器6各預熱有機朗肯循環系統中有機工質所需升溫值的一半，第一分流器11和第二分流器14的分流比例均為0.5時，本發明的發電系統較基本有機朗肯發電系統的(火用)損失由5098kW降低至2200kW，且通過第一自力式溫控閥9和第二自力式溫控閥10對第一分流器11和第二分流器14的反饋作用，使得第一級預熱器5或/和第二級預熱器6可單獨引入部分初始熱源，以進一步提尚系統性能。
[0034]本發明還提出一種基于上述自調節預熱溫度的有機朗肯循環發電系統的發電方法:有機工質進入第一級預熱器5內與其中的熱源進行換熱后升溫，然后進入第二級預熱器6，與其中的熱源進行換熱后升溫，然后進入蒸發器I內與初始熱源換熱，進而被加熱蒸發，形成高溫蒸汽，高溫蒸汽進入膨脹機2中帶動發電機3發電，然后工質流入冷凝器4被冷卻，進行下一輪循環換熱并發電，預熱過程中，第一自力式溫控閥9感知第一級預熱器5熱源進口側溫度，第二自力式溫控閥10感知第二級預熱器6熱源進口側溫度，并將信息反饋給第一分流器11或/和第二分流器14，第一分流器11或/和第二分流器14調節閥片開度大小，以調節熱源分流量，實現理想溫差匹配下換熱。
[0035]本發明中熱源為一切以顯熱形式存在的低溫熱源，如地熱水等。熱源進入蒸發器I與有機工質換熱后，熱源通過蒸發器I熱源出口流出并經過第一自力式溫控閥9進入第一級預熱器5內，第一級預熱器5換熱后的熱源經過第二自力式溫控閥10進入第二級預熱器6內，可充分利用系統內的熱源對有機工質進行預熱，有效回收利用低品位能源。
[0036]在預熱過程中，第一自力式溫控閥9和第二自力式溫控閥10分別監測第一級預熱器5熱源進口和第二級預熱器6熱源進口的溫度，并將反饋信息發送給第一分流器11和第二分流器14，控制調節第一分流器11和第二分流器14的開啟和關閉，從而將初始熱源引入第一級預熱器11或/和第二級預熱器14內，以實現溫差匹配。
[0037]具體為，當由蒸發器I流出的熱源到達第一預熱器5熱源進口側的溫度未達到第一自力式溫控閥9所設定的溫度，而第二級預熱器6熱源進口側溫度達到第二自力式溫控閥10所設定的溫度時，開啟第一分流閥11的第一管路12，并關閉第二分流閥14，將部分初始熱源通過第一管路12引入第一自力式溫控閥9內混合升溫，然后進入第一級預熱器5內與有機工質換熱，使得第一級預熱器5在換熱過程中內溫差匹配，此時不影響第二級預熱器6內的正常工作。
[0038]當第二預熱器6熱源進口側溫度未達到第二自力式溫控閥10所設定的溫度，而第一預熱器5熱源進口側溫度達到第一自力式溫控閥9所設定的溫度時，開啟第一分流閥11的第二管路13，并關閉第二分流閥14，將部分初始熱源通過第二管路13引入第二自力式溫控閥10，然后進入第二級預熱器6內與有機工質換熱，使得第二級預熱器6在換熱過程中內溫差匹配，此時不影響第一級預熱器5內的正常工作。
[0039]當第一預熱器5熱源進口側溫度未達到第一自力式溫控閥9所設定的溫度，同時第二預熱器6熱源進口側溫度未達到第二自力式溫控閥10所設定的溫度時，開啟第一分流閥11的第一管路12，并開啟第二分流閥14，初始熱源通過第一管路12到達第二分流閥14并由第二分流閥14分流，分流后部分熱源進入第一自力式溫控閥9，部分熱源進入第二自力式溫控閥10，再分別進入第一級預熱器5和第二級預熱器6內換熱。
[0040]本發明的自調節預熱溫度的有機朗肯循環發電系統及發電方法，采用熱源部分引入的方式對蒸發器I內釋放熱量后熱源溫度不足的情況進行補充，采用分流器以及自力式溫控閥進一步縮小熱源溫度與有機朗肯循環工質溫差，不僅提高了熱源熱量回收利用率，而且設計方案簡捷實用;且熱源部分引入設計方案以初始熱源流量和預熱器入口溫度作為控制量，使得有機工質流量可以保持不變，系統的控制量從有機朗肯循環內部轉移到了外部，從而避免了過熱度的動態優化計算、膨脹機流量調節和冷凝溫度控制等問題，不僅簡化了控制技術，而且提高了有機朗肯循環系統工作的穩定性和可靠性;進一步說，該系統簡化了面向控制的熱力學動態建模的過程，且自力式溫控閥調試簡單，實現了在熱源溫度的不確定擾動作用下，理想溫差的匹配。
[0041]以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍內。
【主權項】
1.一種自調節預熱溫度的有機朗肯循環發電系統，其特征在于，包括:有機朗肯循環模塊、預熱器模塊以及調節模塊，所述有機朗肯循環模塊包括蒸發器，連接于所述蒸發器的膨脹機，設于所述膨脹機末端的發電機，以及連接于所述膨脹機的冷凝器，有機工質于所述蒸發器內與熱源換熱后進入所述膨脹機內并帶動所述發電機發電，然后進入所述冷凝器，所述預熱器模塊包括第一級預熱器和第二級預熱器，所述第一級預熱器的一端連接于所述冷凝器，另一端連接于所述第二級預熱器，所述第二級預熱器連接于所述蒸發器，所述調節模塊包括設于所述蒸發器熱源進口端的第一分流器，所述第一分流器分別連接于第一自力式溫控閥和第二自力式溫控閥，所述第一自力式溫控閥連接于所述蒸發器熱源出口與所述第一級預熱器熱源進口之間，所述第一自力式溫控閥與所述第一分流器之間設有第二分流器，所述第二分流器連接于所述第二自力式溫控閥，所述第二自力式溫控閥連接于所述第一級預熱器熱源出口與所述第二級預熱器熱源進口之間。2.根據權利要求1所述的自調節預熱溫度的有機朗肯循環發電系統，其特征在于:所述蒸發器、所述第一級預熱器及所述第二級預熱器均為外殼內管式換熱器。3.根據權利要求2所述的自調節預熱溫度的有機朗肯循環發電系統，其特征在于:所述有機工質為中低溫環保制冷劑R245fa。4.根據權利要求1所述的自調節預熱溫度的有機朗肯循環發電系統，其特征在于:所述冷凝器連接有冷卻水進口，供冷卻水進入以冷卻所述有機工質。5.根據權利要求1所述的自調節預熱溫度的有機朗肯循環發電系統，其特征在于:所述冷凝器與所述第一級預熱器之間設有第一工質栗，所述第一級預熱器與所述第二級預熱器之間設有第二工質栗。6.—種基于權利要求1所述的自調節預熱溫度的有機朗肯循環發電系統的發電方法，其特征在于，包括:有機工質進入所述第一級預熱器內與其中的熱源進行換熱后升溫，然后進入所述第二級預熱器，與其中的熱源進行換熱后升溫，然后進入所述蒸發器內與初始熱源換熱，進而被加熱蒸發，形成高溫蒸汽，高溫蒸汽進入所述膨脹機中帶動所述發電機發電，然后工質流入所述冷凝器被冷卻，進行下一輪循環換熱并發電，預熱過程中，所述第一自力式溫控閥感知所述第一級預熱器熱源進口側溫度，所述第二自力式溫控閥感知所述第二級預熱器熱源進口側溫度，并將信息反饋給所述第一分流器或/和所述第二分流器，所述第一分流器或/和所述第二分流器調節閥片開度大小，以調節熱源分流量，實現理想溫差匹配下換熱。7.根據權利要求6所述的發電方法，其特征在于:所述蒸發器換熱后的熱源經過所述第一自力式溫控器進入所述第一級預熱器內，與其中的有機工質換熱，所述第一級預熱器換熱后的熱源經過所述第二自力式溫控閥進入所述第二級預熱器內，與其中的有機工質換熱。8.根據權利要求7所述的發電方法，其特征在于:當所述第一預熱器熱源進口側溫度未達到所述第一自力式溫控閥所設定的溫度，而所述第二級預熱器熱源進口側溫度達到所述第二自力式溫控閥所設定的溫度時，開啟所述第一分流閥的第一管路，并關閉所述第二分流閥，將部分初始熱源通過所述第一管路引入所述第一自力式溫控閥內混合升溫，然后進入所述第一級預熱器內與所述有機工質換熱。9.根據權利要求7所述的發電方法，其特征在于:當所述第二預熱器熱源進口側溫度未達到所述第二自力式溫控閥所設定的溫度，而所述第一預熱器熱源進口側溫度達到所述第一自力式溫控閥所設定的溫度時，開啟所述第一分流閥的第二管路，并關閉所述第二分流閥，將部分初始熱源通過所述第二管路引入所述第二自力式溫控閥，然后進入所述第二級預熱器內與所述有機工質換熱。10.根據權利要求7所述的發電方法，其特征在于:當所述第一預熱器熱源進口側溫度未達到所述第一自力式溫控閥所設定的溫度，同時所述第二預熱器熱源進口側溫度未達到所述第二自力式溫控閥所設定的溫度時，開啟所述第一分流閥的第一管路，并開啟所述第二分流閥，初始熱源通過所述第一管路到達所述第二分流閥并由所述第二分流閥分流，分流后部分熱源進入所述第一自力式溫控閥，部分熱源進入所述第二自力式溫控閥，再分別進入所述第一級預熱器和所述第二級預熱器內換熱。
【文檔編號】F01K25/10GK105927300SQ201610300382
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月9日
【發明人】楊新樂, 任姝, 李惟慷, 秘旭晴
【申請人】遼寧工程技術大學