專利名稱：多級蒸發(fā)有機朗肯循環(huán)余熱回收發(fā)電系統(tǒng)及其方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種多級蒸發(fā)有機朗肯循環(huán)余熱回收發(fā)電系統(tǒng)及發(fā)電工藝，是一種中低溫余熱利用工藝及發(fā)電系統(tǒng)，屬于資源與環(huán)境技術領域。
背景技術：
在工業(yè)生產過程中往往伴隨大量的中低溫余熱排放，余熱的排放一方面造成能源 利用率降低，同時也對環(huán)境造成了熱污染。目前國際上通常采用水作為動力循環(huán)的工質，造 成中低溫余熱朗肯循環(huán)的效率較低(低溫極低)。發(fā)達國家如日本、以色列近年來投入大量 的精力研究采用有機朗肯循環(huán)(ORC)發(fā)電技術來高效回收中低溫余熱，基于是對余熱的回 收，一般未強調其熱電轉化效率，尤其是用于回收400-500°C中溫余熱時，其效率不盡理想， 其主要原因在于現(xiàn)有0RC)系統(tǒng)都采用單級單壓蒸發(fā)，導致動力循環(huán)效率較低。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種多級蒸發(fā)有機朗肯循環(huán)余熱回收發(fā)電系統(tǒng)及發(fā)電工藝， 是采用丙烷(R290)、五氟丙烷(R245fa)、正戊烷(C5H12)或正己烷(C6H14)純有機工質作為循 環(huán)工質的多級蒸發(fā)有機朗肯循環(huán)余熱回收發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可高效地將500°C以內的中低 溫余熱轉換為高品位的電能，對于中低溫余熱發(fā)電有積極的意義。解決本發(fā)明的技術問題所采用的方案是一種多級蒸發(fā)有機朗肯循環(huán)余熱回收發(fā) 電系統(tǒng)，其特征是該系統(tǒng)包括工質低壓加壓泵(1)、低壓級預熱段(2)、低壓級蒸發(fā)器(3)、中壓級預熱段(4)、中 壓級蒸發(fā)器(5)、高壓級預熱段(6)、高壓級蒸發(fā)器(7)、高壓級過熱器(8)、中壓級工質增壓 泵(9)、高壓級工質增壓泵(10)、帶補汽口有機透平(或膨脹機)(11)、勵磁發(fā)電機(12)，有 機工質的低壓級蒸發(fā)、中壓級蒸發(fā)、高壓級蒸發(fā)動力循環(huán)回路、冷卻水回路，將冷凝的有機工質液體，經過工質低壓加壓泵⑴、中壓級工質增壓泵(9)及高壓 級工質增壓泵(10)增加到不同的蒸發(fā)壓力，送入余熱鍋爐的低、中、高各級加熱段，從低壓 級預熱段(2)和低壓級蒸發(fā)器(3)來的工質蒸汽用管道引入透平11的低壓補汽口，從中壓 級預熱段(4)和中壓級蒸發(fā)器(5)來的工質蒸汽用管道引入透平有機透平(11)的中壓補 汽口，從高壓級預熱段(6)、高壓級蒸發(fā)器(7)和高壓級過熱器(8)來的工質蒸汽用管道引 入透平(11)的高壓進汽缸，工質蒸汽在帶中間補汽的多級有機透平內膨脹做功，排汽經過 排汽管進入到凝結器中冷凝為液體，再進入儲液罐，繼而引入低壓加壓泵(1)，完成工質的 一個動力循環(huán)，從凝結器出來的冷卻水用水管送到涼水塔上部布水管，降溫后流入冷卻水循環(huán) 泵，送入凝結器排除冷凝熱，完成冷卻水的一個循環(huán)，余熱廢氣從余熱鍋爐的上部引入，在將熱量傳給各級工質加熱器后，溫度降低，從 余熱鍋爐的下部經引風機加壓后排入煙囪。該發(fā)電系統(tǒng)動力循環(huán)使用帶中間補汽口多級有機透平。
該發(fā)電系統(tǒng)各級依次增壓，即中壓級是在低壓級上增壓至所需之中壓，高壓級是在中壓級上增壓至高壓。該發(fā)電系統(tǒng)動力循環(huán)使用丙R290、R245fa、正戊烷或正己烷純有機工質。該發(fā)電系統(tǒng)使用500°C以內中低溫氣態(tài)余熱。該發(fā)電系統(tǒng)的凝汽器采用水冷凝汽器的冷卻排熱方式。一種多級蒸發(fā)有機朗肯循環(huán)余熱回收發(fā)電方法，其特征是(1)按需要的發(fā)電容量配備工質低壓加壓泵(1)、低壓級預熱段(2)、低壓級蒸發(fā) 器(3)、中壓級預熱段(4)、中壓級蒸發(fā)器(5)、高壓級預熱段(6)、高壓級蒸發(fā)器(7)、高壓級 過熱器(8)、中壓級工質增壓泵(9)、高壓級工質增壓泵(10)、帶補汽口有機透平(或膨脹 機)(11)、勵磁發(fā)電機(12)，有機工質的低壓級蒸發(fā)、中壓級蒸發(fā)、高壓級蒸發(fā)動力循環(huán)回 路、冷卻水回路，余熱鍋爐、凝結器、涼水塔、引風機；(2)安裝并用管道連接好余熱鍋爐、帶中間補汽口多級有機透平、凝結器、儲液器、 汽液分離器、各級工質增壓泵、冷卻水循環(huán)泵、涼水塔及閥門等設備、配件；(3)根據管路容積計算工質充注量，將R245fa、正戊烷或正己烷計量充入循環(huán)管 路中。本發(fā)明有機工質的低壓級蒸發(fā)、中壓級蒸發(fā)、高壓級蒸發(fā)動力循環(huán)回路、冷卻水回 路，經冷凝的有機工質液體，經過低壓加壓泵1、中壓增壓泵9及高壓增壓泵10，將液體工質 增加到不同的蒸發(fā)壓力，送入余熱鍋爐的低、中、高各級加熱段，從低壓級加熱段2、3來的 工質蒸汽用管道引入透平11的低壓補汽口，從中壓級加熱段4、5來的工質蒸汽用管道引入 透平11的中壓補汽口，從高壓級加熱段6、7、8來的工質蒸汽用管道引入透平11的高壓進 汽缸，工質蒸汽在帶中間補汽的多級有機透平內膨脹做功，排汽經過排汽管進入到凝結器 中冷凝為液體，再進入儲液罐，繼而引入低壓加壓泵1，完成工質的一個動力循環(huán)。從凝結器 出來的冷卻水用水管送到涼水塔上部布水管，降溫后流入冷卻水循環(huán)泵，送入凝結器排除 冷凝熱，完成冷卻水的一個循環(huán)。余熱廢氣從余熱鍋爐的上部引入，在將熱量傳給各級工質 加熱器后，溫度降低，從余熱鍋爐的下部經引風機加壓后排入煙囪。該發(fā)電系統(tǒng)動力循環(huán)使用R290、R245fa、正戊烷(C5H12)或正己烷(C6H14)純有機工 質；該發(fā)電系統(tǒng)使用500°C以內中低溫氣態(tài)余熱；該發(fā)電系統(tǒng)的凝汽器采用水冷凝汽器的冷卻方式。本發(fā)明的發(fā)電方法為(1)按需要的發(fā)電容量配備有機工質余熱鍋爐、帶補汽多級有機透平、凝結器、涼 水塔、引風機等；(2)安裝并用管道連接好有機工質余熱鍋爐、帶補汽多級有機透平、凝結器、儲液 器、汽液分離器、各級工質增壓泵、冷卻水循環(huán)泵、涼水塔及閥門等設備、配件；(3)根據管路容積計算工質充注量，將R290、R245fa、正戊烷或正己烷計量充入循 環(huán)管路中。本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)與單級單壓蒸發(fā)有機朗肯循環(huán)最大的區(qū)別在于，該系統(tǒng)在有機 工質余熱鍋爐里采用多級蒸發(fā)的措施，利用余熱流(如煙氣)的低溫段加熱產生低壓蒸汽， 進入有機透平的低壓補汽口膨脹做功；利用余熱的中溫段產生中壓蒸汽，進入透平的中壓補汽口膨脹做功；再利用余熱的高溫段產生高壓蒸汽，進入透平的高壓缸膨脹做功，實現(xiàn)余熱流對有機工質的梯級分壓加熱，這樣就在各級受熱面中減少了余熱流與工質間的傳熱溫 差的不均衡性，降低了由于溫差傳熱不可逆損失帶來的熵增，可在單壓蒸發(fā)有機朗循環(huán)熱 效率的基礎上提高2-5%。本發(fā)明的工作原理為經過冷凝的有機工質液體，經過低壓加壓泵、中壓增加泵及 高壓增壓泵將液體工質增加到不同的蒸發(fā)壓力，送入有機工質余熱鍋爐中各級加熱段，從 余熱鍋爐低壓級加熱段來的工質蒸汽用管道引入有機透平的低壓補汽口，從余熱鍋爐中壓 級加熱段來的工質蒸汽用管道引入透平的中壓補汽口，從余熱鍋爐高壓級加熱段來的工質 蒸汽用管道引入透平的高壓缸，工質蒸汽在多級有機透平內膨脹做功，通過發(fā)電機轉換為 電能輸出，排汽經過排汽管進入到凝結器中，冷凝為液體，進入儲液罐，再引入低壓加壓泵， 完成一個工質的循環(huán)。從凝結器出來的冷卻水用水管送到涼水塔上部的布水管，降溫后流 入冷卻水循環(huán)泵，送入凝結器去帶走動力循環(huán)的冷凝熱，完成冷卻水的循環(huán)。余熱流廢氣從 余熱鍋爐的上部引入，在將熱量傳給各級工質加熱段后，溫度降低，從余熱鍋爐的下部經引 風機加壓排入煙 排外。本發(fā)明可以直接將中低溫廢氣余熱高效地轉換為高品位的電能，其效率比常規(guī)單 級蒸發(fā)有機朗肯循環(huán)提高2-5個百分比點，顯著提高了余熱回收的效益。本發(fā)明的有益效 果是(1)直接將工業(yè)(如冶金、水泥建材料工業(yè)大量)生產過程中排放的500°C以內的 中低溫余熱具有的熱量高效地轉換為高品位的電能。(2)將單級單壓有機朗肯循環(huán)的熱效率提高2-5%，還可降低了余熱最終的排放溫度。


下面以實例進一步說明本發(fā)明的實質內容，但本發(fā)明的內容并不限于此。圖1為本發(fā)明的流程圖。圖1中1工質低壓加壓泵，2低壓級預熱段，3低壓級蒸發(fā)器，4中壓級預熱段，5中 壓級蒸發(fā)器，6高壓級預熱段，7高壓級蒸發(fā)器，8高壓級過熱器，9中壓級工質增壓泵，10高 壓級工質增壓泵，11帶補汽口有機透平(或膨脹機)，12勵磁發(fā)電機，13低壓蒸汽，14中壓 蒸汽，15高壓蒸汽，16凝汽器，17儲液罐，18冷卻泵，19涼水塔，20排放廢氣，21引風機，22 煙囪，23工業(yè)熱廢氣。
具體實施例方式經過冷凝的有機工質液體，經過低壓加壓泵1、中壓增加泵9及高壓增壓泵10將液 體工質增壓到不同的蒸發(fā)壓力，送入余熱鍋爐中各級加熱段，從低壓級加熱段2、3來的工 質蒸汽用管道引入有機透平11的低壓補汽口，從中壓級加熱段4、5來的工質蒸汽用管道引 入透平11的中壓補汽口，從高壓級加熱段6、7、8來的工質蒸汽用管道引入透平11的高壓 缸，工質蒸汽在多級有機透平內膨脹做功，排汽經過排汽管進入到凝結器中冷凝為液體，進 入儲液罐，再引入低壓加壓泵1，完成一個動力循環(huán)。從凝結器出來的冷卻水用水管送到涼 水塔上部布水管，降溫后的冷卻水經冷卻水循環(huán)泵送入凝結器去帶走動力循環(huán)的冷凝熱，完成冷卻水回路的一個循環(huán)。余熱廢氣從余熱鍋爐的上部引入，在將熱量傳給各級工質加 熱段后，溫度降低，從余熱鍋爐的下部引入引風機加壓排入煙囪。
實施例1 如昆明鋼鐵公司某燒結礦冷卻工序，采用的是空氣冷卻燒結礦，導致 3500C -400°C左右的廢氣排放(流量約6xl05Nm7h)，現(xiàn)在設置的是以水為工質的常規(guī)余熱 回收發(fā)電系統(tǒng)，可以取得5000Kw的凈發(fā)電容量，每年約可回收電量為2. 3x107Kw. h，折合電 價920萬元，采用多級蒸發(fā)有機朗肯循環(huán)新技術后，循環(huán)工質采用正己烷，三級蒸發(fā)，低壓 級蒸發(fā)壓力為1. 41bar，對應蒸發(fā)溫度為80°C，中壓級蒸發(fā)壓力為7. 44bar，對應蒸發(fā)溫度 為150°C，高壓級蒸發(fā)壓力為24. 2bar，對應蒸發(fā)溫度為220°C，余熱鍋爐高壓級設置蒸汽過 熱段，有機透平進口蒸汽溫度為240°C，選用6000Kw帶兩級中間補汽有機透平，所有設備均 按圖1安裝連接。每年可增發(fā)9. 2x105Kw. h，增加回收電價36. 8萬元，同時由于節(jié)省了化學 水處理及除氧設備的投資，總的初投資還略有下降，五年即可收回全部投資。
權利要求
一種多級蒸發(fā)有機朗肯循環(huán)余熱回收發(fā)電系統(tǒng)，其特征是該系統(tǒng)包括工質低壓加壓泵(1)、低壓級預熱段(2)、低壓級蒸發(fā)器(3)、中壓級預熱段(4)、中壓級蒸發(fā)器(5)、高壓級預熱段(6)、高壓級蒸發(fā)器(7)、高壓級過熱器(8)、中壓級工質增壓泵(9)、高壓級工質增壓泵(10)、帶補汽口有機透平(或膨脹機)(11)、勵磁發(fā)電機(12)，有機工質的低壓級蒸發(fā)、中壓級蒸發(fā)、高壓級蒸發(fā)動力循環(huán)回路、冷卻水回路，將冷凝的有機工質液體，經過工質低壓加壓泵(1)、中壓級工質增壓泵(9)及高壓級工質增壓泵(10)增加到不同的蒸發(fā)壓力，送入余熱鍋爐的低、中、高各級加熱段，從低壓級預熱段(2)和低壓級蒸發(fā)器(3)來的工質蒸汽用管道引入透平11的低壓補汽口，從中壓級預熱段(4)和中壓級蒸發(fā)器(5)來的工質蒸汽用管道引入透平有機透平(11)的中壓補汽口，從高壓級預熱段(6)、高壓級蒸發(fā)器(7)和高壓級過熱器(8)來的工質蒸汽用管道引入透平(11)的高壓進汽缸，工質蒸汽在帶中間補汽的多級有機透平內膨脹做功，排汽經過排汽管進入到凝結器中冷凝為液體，再進入儲液罐，繼而引入低壓加壓泵(1)，完成工質的一個動力循環(huán)，從凝結器出來的冷卻水用水管送到涼水塔上部布水管，降溫后流入冷卻水循環(huán)泵，送入凝結器排除冷凝熱，完成冷卻水的一個循環(huán)，余熱廢氣從余熱鍋爐的上部引入，在將熱量傳給各級工質加熱器后，溫度降低，從余熱鍋爐的下部經引風機加壓后排入煙囪。
2.如權利要求1所述的多級蒸發(fā)有機朗肯循環(huán)余熱回收發(fā)電系統(tǒng)，其特征是該發(fā)電 系統(tǒng)動力循環(huán)使用帶中間補汽口多級有機透平。
3.如權利要求1所述的多級蒸發(fā)有機朗肯循環(huán)余熱回收發(fā)電系統(tǒng)，其特征是該發(fā)電 系統(tǒng)各級依次增壓，即中壓級是在低壓級上增壓至所需之中壓，高壓級是在中壓級上增壓 至高壓。
4.如權利要求1所述的多級蒸發(fā)有機朗肯循環(huán)余熱回收發(fā)電系統(tǒng)，其特征是該發(fā)電 系統(tǒng)動力循環(huán)使用丙R290、R245fa、正戊烷或正己烷純有機工質。
5.如權利要求1所述的多級蒸發(fā)有機朗肯循環(huán)余熱回收發(fā)電系統(tǒng)，其特征是該發(fā)電 系統(tǒng)使用500°C以內中低溫氣態(tài)余熱。
6.如權利要求1所述的多級蒸發(fā)有機朗肯循環(huán)余熱回收發(fā)電系統(tǒng)，其特征是該發(fā)電 系統(tǒng)的凝汽器采用水冷凝汽器的冷卻排熱方式。
7.一種多級蒸發(fā)有機朗肯循環(huán)余熱回收發(fā)電方法，其特征是(1)按需要的發(fā)電容量配備工質低壓加壓泵(1)、低壓級預熱段(2)、低壓級蒸發(fā)器 (3)、中壓級預熱段(4)、中壓級蒸發(fā)器(5)、高壓級預熱段(6)、高壓級蒸發(fā)器(7)、高壓級過 熱器(8)、中壓級工質增壓泵(9)、高壓級工質增壓泵(10)、帶補汽口有機透平(或膨脹機) (11)、勵磁發(fā)電機(12)，有機工質的低壓級蒸發(fā)、中壓級蒸發(fā)、高壓級蒸發(fā)動力循環(huán)回路、冷 卻水回路，余熱鍋爐、凝結器、涼水塔、引風機；(2)安裝并用管道連接好余熱鍋爐、帶中間補汽口多級有機透平、凝結器、儲液器、汽液 分離器、各級工質增壓泵、冷卻水循環(huán)泵、涼水塔及閥門等設備、配件；(3)根據管路容積計算工質充注量，將R245fa、正戊烷或正己烷計量充入循環(huán)管路中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多級蒸發(fā)有機朗肯循環(huán)余熱回收發(fā)電系統(tǒng)和工藝，按所需的發(fā)電容量配備有機工質余熱鍋爐、帶中間補汽口的多級有機透平、凝結器、涼水塔、引風機等；安裝并用管道連接好有機工質余熱鍋爐、多級有機透平、凝結器、儲液器、汽液分離器、各級工質加壓泵、冷卻水循環(huán)泵、涼水塔及閥門等設備、配件；根據管路容積計算工質充注量，將R290、R245fa、正戊烷或正己烷計量充入循環(huán)管路中。本發(fā)明可以直接將中低溫廢氣余熱高效地轉換為高品位的電能，其效率比常規(guī)單級蒸發(fā)有機朗肯循環(huán)提高2-5個百分比點，顯著提高了余熱回收的效益。
文檔編號F01K27/02GK101806232SQ20101012585
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月17日 優(yōu)先權日2010年3月17日
發(fā)明者冷婷婷, 張竹明, 李幼靈, 王 華, 王輝濤 申請人:昆明理工大學;武鋼集團昆明鋼鐵股份有限公司