一種余熱雙級兩種工質朗肯循環發電系統的制作方法

專利名稱:一種余熱雙級兩種工質朗肯循環發電系統的制作方法
【專利摘要】一種余熱雙級兩種工質朗肯循環發電系統，包括：采用串級式兩級朗肯循環發電系統，每級朗肯循環發電系統中在蒸發器與預熱器間串接有預熱器，二級蒸發器與一級預熱器相連，且雙級朗肯循環發電系統每極采用不同工質，一級采用高溫工質，二級采用低溫工質，兩級循環中，熱源均先經過蒸發器再經過預熱器，蒸發溫度Tk1＞Tk2。本新型的余熱雙級兩種工質朗肯循環發電系統，利用高溫工質和低溫工質分別在高溫和低溫下蒸發吸熱膨脹做功，既提高了熱源的利用效率，又降低了膨脹機的排量和工質泵的揚程，節省了空間，提高了能源利用效率，保證了設備運行的可靠性和穩定性。
【專利說明】
一種余熱雙級兩種工質朗肯循環發電系統
技術領域
[0001] 本新型涉及一種朗肯循環發電系統，特別涉及一種余熱雙級兩種工質朗肯循環發 電系統。
【背景技術】
[0002] 傳統的余熱雙級或多級有機朗肯循環發電系統不同級采用一種工質且無預熱器， 工質直接從過冷狀態加熱到飽和或過熱氣態，設備運行不穩定、難控制，導致發電量波動較 大。采用一種工質又難以適應兩級或多級循環的需要，如果都采用高溫工質在二級或三級 膨脹機膨脹后有較大的過熱度，工質比體積較大致使膨脹機排量急劇上升，膨脹機體積偏 大。若均采用低溫工質在冷源溫度一定的情況下一級循環高低壓壓差較大，導致工質栗揚 程升高，工質栗效率降低能耗上升且容易泄露。 【實用新型內容】
[0003] 本新型的目的在于:設計一種在裝機容量相同的情況下膨脹機的排量明顯降低， 減小設備的尺寸和占地面積，有效的降低了設備的初期投資費用，提高了熱源的利用效率， 增加了發電量，實現了節能減排的目的。
[0004] 本新型采用如下結構實現上述目的：一種余熱雙級兩種工質朗肯循環發電系統， 包括:采用串級式兩級朗肯循環發電系統，其特征在于:每級朗肯循環發電系統中在蒸發器 與預熱器間串接有預熱器，二級蒸發器與一級預熱器相連，且雙級朗肯循環發電系統每極 采用不同工質，一級采用高溫工質，二級采用低溫工質，兩級循環中，熱源均先經過蒸發器 再經過預熱器，蒸發溫度T kl>Tk2，熱水栗、蒸發器1、預熱器1、蒸發器2、預熱器2依序相串 接，蒸發器1中熱源溫度由T1降低T2,預熱器1中熱源溫度由T2降低到T3,在蒸發器2中熱源 溫度由T3降低到T4,在10預熱器2中熱源溫度由T4降低到T5,預熱器采用殼式換熱器。經工 質栗提升壓力的工質在預熱器內預熱至飽和液態，工質經過冷凝器后有1~8°C的過冷度。
[0005] -級工質采用R245fa;二級工質采用pl34a。
[0006] 本新型提出一種帶預熱器，雙級采用不同工質，一級采用高溫有機工質如R245fa， 該工質壓力較低，在冷源溫度一定時高低壓壓差較小，熱源先通過一級蒸發器和預熱器降 溫后進入二級循環系統，有效降低了二級的蒸發溫度，使二級循環的高低壓壓差減小，有效 降低了工質栗的揚程，二級采用低溫工質膨脹，由于低溫工質膨脹后過熱度較小，工質比體 積小，在裝機容量相同的情況下膨脹機的排量明顯降低，減小了設備的尺寸和占地面積。采 用雙級兩種工質朗肯循環發電系統有效的降低了設備的初期投資費用，提高了熱源的利用 效率，增加了發電量，實現了節能減排。本新型中雙級膨脹發電，一級采用高溫工質，二級采 用低溫工質，根據工質特性的不同，一級高溫工質選用汽化潛熱大，沸點和臨界溫度較高的 工質。二級工質選用汽化潛熱大，沸點和臨界溫度較低的工質。工質經過冷凝器后必須有1 ~8 °C的過冷度;冷凝溫度設計時依據冷源溫度設計冷凝器的換熱面積，使工質冷凝為過冷 液態的溫度低于冷凝溫度1~8°C左右。經工質栗提升壓力的工質在預熱器內預熱至飽和液 態;根據設計的工質流量，過冷液態的比焓，飽和液態的比焓設計預熱器的換熱面積，保證 工質余熱至飽和液態。工質在蒸發器內由飽和液態變為飽和(或過熱）氣態;根據設計的工 質溫度、壓力下工質的汽化潛熱和質量流量設計蒸發器的換熱面積，保證工質由飽和液態 變為飽和(或過熱)氣態。兩級循環中，熱源均先經過蒸發器再經過預熱器；由于設計工況條 件下工質的蒸發溫度最高，預熱器溫度較低，為減小傳熱溫差，提高換熱效率設計時將熱源 先流經蒸發器再流經預熱器。蒸發溫度Tkl > Tk2;熱源先流經一級蒸發器和預熱器，一級蒸 發溫度Tkl較高，熱源后流經二級蒸發器和預熱器，二級蒸發溫度Tk2較低。
[0007] 本新型的余熱雙級兩種工質朗肯循環發電系統，利用高溫工質和低溫工質分別在 高溫和低溫下蒸發吸熱膨脹做功，既提高了熱源的利用效率，又降低了膨脹機的排量和工 質栗的揚程，節省了空間，提高了能源利用效率，保證了設備運行的可靠性和穩定性。
【附圖說明】

[0008] 圖1為該余熱雙級兩種工質膨脹朗肯循環發電系統原理圖。
[0009] 標號說明：1、熱水栗；2、蒸發器1;3、膨脹機1;4、發電機1;5、冷凝器1;6、膨脹機 2;7、發電機2;8、冷凝器2;9、工質栗2;10、預熱器2 ;11、蒸發器2;12、工質栗1;13、預熱器1。
【具體實施方式】
[0010] 普通的每極朗肯循環發電單元均包括:冷凝器、液體栗、膨脹機、發電機、冷凝器、 液體栗、蒸發器、膨脹機并以此連接形成一個循環，膨脹機帶動發電機發電；本新型中每級 朗肯循環發電系統中在蒸發器與預熱器間還串接有預熱器，二級蒸發器與一級預熱器相 連，且雙級朗肯循環發電系統每極采用不同工質，一級采用高溫工質，二級采用低溫工質； 熱水栗、蒸發器1、預熱器1、蒸發器2、預熱器2依序相串接，蒸發器1中熱源溫度由T1降低T2， 預熱器1中熱源溫度由T2降低到T3,在蒸發器2中熱源溫度由T3降低到T4,在10預熱器2中熱 源溫度由T4降低到T5。
[0011]經工質栗提升壓力的工質在預熱器內預熱至飽和液態，兩級循環中，熱源均先經 過蒸發器再經過預熱器。預熱器采用殼式換熱器，蒸發溫度Tkl > Tk2。
[0012] 利用1(熱水栗)將熱源升壓后依次通過2(蒸發器1)、13(預熱器1)、11(蒸發器2)、 1〇(預熱器2)，在2(蒸發器1)中熱源溫度由T1降低T2,在13(預熱器1)中熱源溫度由T2降低 到T3,在11(蒸發器2)中熱源溫度由T3降低到T4,在10(預熱器2)中熱源溫度由T4降低到T5，
[0013] -級循環:溫度為Tkl氣態高溫工質經3(膨脹機1)膨脹后變為溫度為Tgl的低溫氣 態進入5(冷凝器1)在冷源溫度To的工況下冷凝為過冷狀態?^，812(工質栗1)提升壓力后 進入13(預熱器1)，在13(預熱器1)內吸熱后達到T kl的飽和液態，之后進入2(蒸發器1)中繼 續吸熱從飽和液態變為飽和(或過熱)氣態后進入3(膨脹機1)完成一個循環過程，3(膨脹機 1)和4(發電機1)同軸，3(膨脹機1)帶動4(發電機1)發電。
[0014] 二級循環:溫度較高的Tk2氣態低溫工質經6(膨脹機2)膨脹后變為溫度較低的T g2的氣態低溫工質，工質進入8(冷凝器2)在冷源溫度To的工況下冷凝為過冷狀態Tc2，經9(工 質栗2)提升壓力后進入10(預熱器2)，在10(預熱器2)內吸熱后達到溫度為T k2飽和液態，之 后進入11(蒸發器2)中繼續吸熱從飽和液態變為飽和(或過熱)氣態后進入6(膨脹機2)完成 一個循環過程，6(膨脹機2)和7(發電機2)同軸，6(膨脹機2)帶動7(發電機2)發電。
[0015] 實例
[0016] 某化工廠有95°C流量為65噸/小時熱水，要求將溫度降低后循環利用。
[0017] 采用一種余熱雙級兩種工質朗肯循環發電系統進行發電降溫，既給客戶降低了水 溫又發了電，產生巨大經濟效益。提高了能源利用效率。
[0018] 熱源循環:從化工廠取熱源溫度為95°C流量65噸/小時熱水用1(熱水栗)升壓后依 次通過2(蒸發器1)、13(預熱器1)、11(蒸發器2)、10(預熱器2)。在2(蒸發器1)中熱水與飽和 液態高溫工質R245fa換熱后溫度由95°C降至87.9°C，在13(預熱器1)中熱水與過冷高溫工 質R245fa工質換熱后溫度由87.9°C降至83.76°C，熱水繼續流經11 (蒸發器2)中熱水與飽和 液態低溫工質R134a換熱后溫度由83.76降至72.1°C，在10(預熱器2)中熱水與過冷低溫工 質R134a換熱后溫度由72.1Γ降至65°C，65°C的熱水返回給化工廠進行重復利用。
[0019] 一級循環:溫度為86°C，壓力為0.8894MPa氣態高溫工質R245fa經3(膨脹機1)膨脹 后變為溫度為47.1°C，壓力為0.17684Pa的低溫氣態進入5(冷凝器1)與溫度為20°C的冷水 的進行換熱冷凝至25°C的過冷液態，經12(工質栗1)提升壓力，壓力由0.17684MPa升至 0.8894MPa后進入13(預熱器1)，在13(預熱器1)內吸熱后溫度從25的過冷液態升至86°C的 飽和液態，之后進入2 (蒸發器1)中繼續吸熱從86 °C飽和液態變為86 °C的飽和氣態進入3 (膨 脹機1)完成一個循環過程，3(膨脹機1)和4(發電機1)同軸，3(膨脹機1)帶動4(發電機1)發 電。
[0020] 二級循環:溫度為69°C，壓力為2.0629MPa氣態低溫工質R134a經6(膨脹機2)膨脹 后變為溫度為30°C，壓力為0.76688MPa氣態，之后進入8(冷凝器2)與溫度為20°C的冷水的 進行換熱冷凝至25°C的過冷液態，經9(工質栗2)提升壓力，壓力由0.76688MPa升至 2.0629MPa后進入10(預熱器2)，在10(預熱器2)內吸熱后溫度從25°C的過冷液態升至69°C 的飽和液態，之后進入11 (蒸發器2)中繼續吸熱從69 °C飽和液態變為69 °C的飽和氣態后進 入6(膨脹機2)完成一個循環過程，6(膨脹機2)和7(發電機2)同軸，6(膨脹機2)帶動7(發電 機2)發電。
[0021] 該項目實現一級軸功率81kW，二級軸功率105kW，冷源采用冷卻塔提供循環冷凝 水?？鄢陨頁p耗后實現凈發電量68kW，而且成功的將客戶的熱水進行了降溫，使客戶能夠 直接循環使用，不再需要將熱水直接冷凝。
[0022]二、高低問工質選用的依據
[0024] R245fa沸點和臨界溫度較高，有較高的臨界溫度和較低的臨界壓力，汽化潛熱較 大，適宜做高溫工質。一級采用。
[0025] R134a沸點和臨界溫度較低，有較低的臨界溫度和較高的臨界壓力，汽化潛熱較 大，只能做低溫工質。二級采用。
[0026] R134a如果做高溫工質將會導致在相同的溫度下壓力過高，對設備強度要求高，且 在相同的冷源溫度下，壓差較大，造成工質栗揚程過高。
[0027] R245fa如果做低溫工質，因 R245fa膨脹后氣態過熱度大，密度小，在壓力和溫度較 低時膨脹機需要較大的排量。
【主權項】
1. 一種余熱雙級兩種工質朗肯循環發電系統，包括:采用串級式兩級朗肯循環發電系 統，其特征在于:每級朗肯循環發電系統中在蒸發器與預熱器間串接有預熱器，二級蒸發器 與一級預熱器相連，且雙級朗肯循環發電系統每極采用不同工質，一級采用高溫工質，二級 采用低溫工質，兩級循環中，熱源均先經過蒸發器再經過預熱器，蒸發溫度T kl>Tk2，熱水 栗、蒸發器1、預熱器1、蒸發器2、預熱器2依序相串接，蒸發器1中熱源溫度由T1降低T2,預熱 器1中熱源溫度由T2降低到T3,在蒸發器2中熱源溫度由T3降低到T4,在預熱器2(10)中熱源 溫度由T4降低到T5。2. 根據權利要求1所述的一種余熱雙級兩種工質朗肯循環發電系統，其特征在于:預熱 器采用殼式換熱器。3. 根據權利要求1所述的一種余熱雙級兩種工質朗肯循環發電系統，其特征在于:經工 質栗提升壓力的工質在預熱器內預熱至飽和液態，工質經過冷凝器后有1~8°C的過冷度。4. 根據權利要求1所述的一種余熱雙級兩種工質朗肯循環發電系統，其特征在于:一級 工質采用R245fa;二級工質采用pl34a。
【文檔編號】F01K25/08GK205714312SQ201620310126
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月14日
【發明人】劉和平, 孫好雷
【申請人】許昌中機動力設備有限公司