專利名稱：雙級膨脹朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱發(fā)電技術(shù)，具體涉及一種針對中低溫?zé)嵩催M(jìn)行熱回收而采用雙級膨脹的有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電裝置。
背景技術(shù)：
中低溫?zé)嵩匆话闶侵笢囟鹊陀?00°C的低品位能源，這些熱能種類繁多，包括太陽能、地?zé)崮艿刃履茉醇案鞣N余(廢)熱等。中低溫余熱的數(shù)量極其龐大，在鋼鐵、水泥、石油化工等行業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量中低溫余熱，包括熱水、低品位煙氣和蒸汽等，這些熱量數(shù)量大、品位低，基本不能被生產(chǎn)過程再利用?；厥蘸屠眠@部分能源，既可減少能源的消耗，又可減少對環(huán)境的污染，達(dá)到節(jié)能減排的效果。中低溫?zé)嵩措m然可采用有機(jī)朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle-ORC)進(jìn)行發(fā)電利用，但是由于中低溫?zé)嵩吹臏囟扰c環(huán)境溫度之間的溫差較小，將這種熱源用于膨脹發(fā)電，則膨脹機(jī)的工作壓差較小，膨脹機(jī)做功能力低，能源轉(zhuǎn)化效率低，因此限制了中低溫?zé)嵩碠RC 發(fā)電的推廣應(yīng)用。目前國內(nèi)外對此領(lǐng)域的研究主要體現(xiàn)在工質(zhì)的選擇與研究；膨脹機(jī)的優(yōu)化設(shè)計與提高性能與效率的研究；跨臨界循環(huán)代替亞臨界循環(huán)，利用跨臨界中的換熱過程減少能量損失。而實質(zhì)上，對于余(廢)熱回收利用，如何提高其ORC系統(tǒng)的輸出功能力則是ORC能否推廣應(yīng)用的本質(zhì)所在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種雙級膨脹朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，使得中低溫?zé)嵩吹臒崮芾寐实玫教岣?，熱電轉(zhuǎn)化效率也得到提高。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案雙級膨脹朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)具有 蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器、工質(zhì)泵。其關(guān)鍵點是膨脹機(jī)增設(shè)第二進(jìn)氣口。在系統(tǒng)連接上第一級蒸發(fā)器工質(zhì)側(cè)出口與膨脹機(jī)的第一進(jìn)氣口連接；第二級蒸發(fā)器工質(zhì)側(cè)出口與膨脹機(jī)的第二進(jìn)氣口連接；膨脹機(jī)出口接于冷凝器工質(zhì)側(cè)進(jìn)口。冷凝器工質(zhì)側(cè)出口分別接于第一工質(zhì)泵和第二工質(zhì)泵，第一工質(zhì)泵接于第一級蒸發(fā)器工質(zhì)側(cè)進(jìn)口 ；第二工質(zhì)泵接于第二級蒸發(fā)器工質(zhì)側(cè)進(jìn)口。第一級蒸發(fā)器水側(cè)出口串接于第二蒸發(fā)器水側(cè)進(jìn)口。即第一級蒸發(fā)器與膨脹機(jī)，冷凝器，第一工質(zhì)泵串接構(gòu)成第一級閉合回路，第二級蒸發(fā)器與膨脹機(jī)，冷凝器、第二工質(zhì)泵串接構(gòu)成第二級閉合回路。第一級蒸發(fā)器的高溫高壓工質(zhì)蒸汽進(jìn)入膨脹機(jī)第一進(jìn)氣口膨脹做功；第二級蒸發(fā)器的中壓工質(zhì)蒸汽進(jìn)入膨脹機(jī)中間位置的第二進(jìn)氣口膨脹做功，循環(huán)工質(zhì)由膨脹機(jī)出口進(jìn)入冷凝器，由此實現(xiàn)熱源的梯級利用。由于在膨脹機(jī)上增設(shè)一個進(jìn)氣口，這樣來自二級蒸發(fā)器的工質(zhì)進(jìn)入膨脹機(jī)時的工況參數(shù)，主要是壓力，能否與膨脹機(jī)內(nèi)腔的壓力匹配相等，將影響二級蒸發(fā)器的工質(zhì)能否進(jìn)入膨脹機(jī)做功。為此，第二進(jìn)氣口與膨脹機(jī)內(nèi)腔銜接之處設(shè)有氣室以及滑塊裝置。滑塊可以根據(jù)壓力的變化沿膨脹機(jī)軸向產(chǎn)生移動，保持膨脹機(jī)內(nèi)腔與進(jìn)氣壓力的匹配相等。滑塊表面的進(jìn)、出氣槽道可將滑塊的兩側(cè)氣室分別與膨脹機(jī)的內(nèi)外連通，使得右氣室與膨脹機(jī)的內(nèi)腔壓力保持一致，左氣室與膨脹機(jī)的外進(jìn)氣壓力保持一致。當(dāng)滑塊處的膨脹機(jī)內(nèi)腔壓力與外進(jìn)氣壓力不平衡時，兩側(cè)氣室將形成壓力差，此壓力差將推動滑塊移動至內(nèi)外壓力平衡處。通過彈簧設(shè)置一定的預(yù)設(shè)力來調(diào)節(jié)滑塊的平衡位置是偏向于膨脹方向，以保證膨脹機(jī)外的進(jìn)氣壓力稍高于膨脹機(jī)的內(nèi)壓力，以保證第二進(jìn)氣口的正常進(jìn)氣。本發(fā)明的特點以及產(chǎn)生的有益效果是由于解決了兩個進(jìn)氣口的工作參數(shù)匹配問題，所以可將單級的膨脹機(jī)擴(kuò)展為具有兩個進(jìn)氣口的雙級膨脹機(jī)，由一個膨脹-發(fā)電機(jī)組代替兩套膨脹-發(fā)電機(jī)組。與常規(guī)單級膨脹機(jī)相比較，增大了膨脹機(jī)的輸出功的同時，又實現(xiàn)了熱源的梯級利用。因此采用雙級膨脹機(jī)用于朗肯循環(huán)發(fā)電，明顯提高了熱源利用率以及熱電轉(zhuǎn)化效率。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)原理圖。圖2為雙進(jìn)氣膨脹機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面示意圖。圖3為圖2中的膨脹機(jī)第二進(jìn)氣口局部結(jié)構(gòu)的放大示意圖。圖4為本發(fā)明中滑塊結(jié)構(gòu)俯視簡圖。圖5為本發(fā)明系統(tǒng)循環(huán)的T-S圖，圖中曲線11為工質(zhì)的飽和線；曲線12為第一級蒸發(fā)_膨脹_冷凝過程線；曲線13為第二級蒸發(fā)-膨脹-冷凝過程線。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖并通過實施例對本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的說明。需要說明的是本實施例是敘述性的，而不是限定性的。不以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。雙級膨脹朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其系統(tǒng)連接結(jié)構(gòu)是第一級蒸發(fā)器1-1工質(zhì)側(cè)出口與膨脹機(jī)2的第一進(jìn)氣口 3-1連接；第二級蒸發(fā)器1-2工質(zhì)側(cè)出口與膨脹機(jī)2的第二進(jìn)氣口 3-2連接；膨脹機(jī)2出口接于冷凝器4工質(zhì)側(cè)進(jìn)口。冷凝器工質(zhì)側(cè)出口分別接于第一工質(zhì)泵5-1和第二工質(zhì)泵5-2 ；第一工質(zhì)泵接于第一級蒸發(fā)器工質(zhì)側(cè)進(jìn)口 ；第二工質(zhì)泵接于第二級蒸發(fā)器工質(zhì)側(cè)進(jìn)口。第一級蒸發(fā)器水側(cè)出口串接于第二蒸發(fā)器水側(cè)進(jìn)口(如圖1)。膨脹機(jī)增設(shè)第二進(jìn)氣口，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是膨脹機(jī)第二進(jìn)氣口與膨脹機(jī)內(nèi)腔銜接之處設(shè)有左氣室6-2和右氣室6-1，左右氣室內(nèi)設(shè)有滑塊7，滑塊下表面右側(cè)開有出氣槽道 8-1，滑塊上表面左側(cè)開有進(jìn)氣槽道8-2，滑塊中間開有主進(jìn)氣口，滑塊可在左右氣室內(nèi)移動?；瑝K的右端與彈簧9固定；彈簧的另一端與調(diào)節(jié)螺桿10固定，調(diào)節(jié)螺桿的操作空間與膨脹機(jī)的外殼設(shè)有密封蓋，需要調(diào)節(jié)螺桿時可將密封蓋打開(如圖2-圖4)?；瑝K裝置的結(jié)構(gòu)與工作過程是設(shè)在膨脹機(jī)第二進(jìn)氣口與膨脹機(jī)內(nèi)腔銜接之處的兩個氣室內(nèi)設(shè)有滑塊(如圖3)。以滑塊中心為界，在滑塊的上表面左側(cè)與下表面右側(cè)分別設(shè)置進(jìn)氣槽道和出氣槽道，滑塊中間開有主進(jìn)氣口(如圖4)。第二級蒸發(fā)器高壓工質(zhì)大部分通過滑塊主進(jìn)氣口進(jìn)入膨脹機(jī)，尚有一小部分通過滑塊進(jìn)氣槽道進(jìn)入左側(cè)氣室。一般情況下，膨脹機(jī)的進(jìn)氣壓力應(yīng)等于或高于膨脹機(jī)腔內(nèi)壓力，膨脹機(jī)才能膨脹做功。如果第二進(jìn)氣口處的進(jìn)氣壓力減小而導(dǎo)致膨脹機(jī)腔內(nèi)壓力高于(第二進(jìn)氣口與膨脹機(jī)內(nèi)腔銜接處)進(jìn)氣壓力時，膨脹機(jī)腔內(nèi)的壓力將通過滑塊右側(cè)出氣槽道傳入右氣室，即兩個氣室形成壓力差。該壓差將推動滑塊向左移動至內(nèi)外壓力平衡處。同理，如果第二進(jìn)氣口處的進(jìn)氣壓力增大而導(dǎo)致膨脹機(jī)腔內(nèi)壓力小于(仍然是第二進(jìn)氣口與膨脹機(jī)內(nèi)腔銜接處)進(jìn)氣壓力時， 第二進(jìn)氣口處的進(jìn)氣壓力則通過滑塊左側(cè)進(jìn)氣槽道傳入左氣室，此時兩個氣室形成的壓力差將推動滑塊向右移動至內(nèi)外壓力平衡處。所設(shè)置彈簧的目的是，預(yù)設(shè)調(diào)節(jié)力來控制滑塊的平衡位置是偏向于膨脹方向，以保證膨脹機(jī)外的進(jìn)氣壓力稍高于膨脹機(jī)的腔內(nèi)壓力，以保證第二進(jìn)氣口的正常進(jìn)氣。滑塊的密封問題，除了保證加工精度外，主要是通過系統(tǒng)的潤滑油來密封。由于滑塊處于上述壓力平衡處，出現(xiàn)漏氣也屬于正常進(jìn)氣。實施例的循環(huán)工質(zhì)為正丁烷(R600)；熱源為95°C的熱水。分別對常規(guī)單級ORC循環(huán)與本發(fā)明的雙級ORC循環(huán)，均以達(dá)到最大輸出功時的運行工況與參數(shù)進(jìn)行熱力學(xué)循環(huán)的
理論計算。本發(fā)明的雙級ORC循環(huán)流程與工作參數(shù)說明(系統(tǒng)循環(huán)的T-S圖，如圖5)(1)冷凝器出口的35°C的R600飽和液態(tài)工質(zhì)中的56. 6% (質(zhì)量百分比)由第一工質(zhì)泵加壓到8. 39bar,送至第一級蒸汽發(fā)生器中吸熱，變?yōu)轱柡驼羝M(jìn)入膨脹機(jī)第一進(jìn)氣口，膨脹做功發(fā)電。膨脹機(jī)排氣為過熱蒸汽，排氣溫度41. 48°C，排氣壓力3.28bar，過熱度 6. 48 0C ο(2)冷凝器出口的35°C的R600飽和液態(tài)工質(zhì)中的其余43. 4% (質(zhì)量百分比)由第二工質(zhì)泵加壓到5. 03bar，送至第二級蒸發(fā)器加熱變?yōu)?0. 53°C的飽和蒸汽，進(jìn)入膨脹機(jī)的第二進(jìn)氣口，膨脹做功發(fā)電。排氣溫度為37. 490C，排氣壓力3. 28bar,過熱度2. 49°C。(3)膨脹機(jī)出口處兩級工質(zhì)等壓混合，進(jìn)入冷凝器進(jìn)行冷凝，冷卻為飽和液，工作溫度為35°C，工作壓力3. 28bar。冷凝器出口的飽和液體分別由第一和第二工質(zhì)泵送入兩級蒸汽發(fā)生器。如此完成一個循環(huán)。以下是常規(guī)單級ORC循環(huán)與本發(fā)明的雙級ORC循環(huán)均在最大輸出功時，兩循環(huán)的運行工況與參數(shù)的對比雙級ORC循環(huán)與常規(guī)單級ORC循環(huán)發(fā)電性能對比
權(quán)利要求
1.雙級膨脹朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，具有蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器、工質(zhì)泵，其特征是膨脹機(jī)(2)增設(shè)第二進(jìn)氣口(3-2)，第一級蒸發(fā)器(1-1)工質(zhì)側(cè)出口與膨脹機(jī)(2)的第一進(jìn)氣口 (3-1)連接；第二級蒸發(fā)器(1-2)工質(zhì)側(cè)出口與膨脹機(jī)(2)的第二進(jìn)氣口(3-2)連接；膨脹機(jī)(2)出口接于冷凝器(4)工質(zhì)側(cè)進(jìn)口，冷凝器工質(zhì)側(cè)出口分別接于第一工質(zhì)泵(5-1)和第二工質(zhì)泵(5-2)；第一工質(zhì)泵接于第一級蒸發(fā)器工質(zhì)側(cè)進(jìn)口，第二工質(zhì)泵接于第二級蒸發(fā)器工質(zhì)側(cè)進(jìn)口 ；第一級蒸發(fā)器水側(cè)出口串接于第二蒸發(fā)器水側(cè)進(jìn)口。
2.按照權(quán)利要求1所述的雙級膨脹朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，其特征是在所述膨脹機(jī)第二進(jìn)氣口(3-2)與膨脹機(jī)內(nèi)腔銜接之處設(shè)有左氣室(6-2)和右氣室(6-1)，左、右氣室內(nèi)設(shè)有滑塊(7)，滑塊下表面右側(cè)開有出氣槽道(8-1)，滑塊上表面左側(cè)開有進(jìn)氣槽道(8-2)，滑塊中間開有主進(jìn)氣口，滑塊可在左、右氣室內(nèi)移動，滑塊的右端與彈簧(9)固定；彈簧的另一端與調(diào)節(jié)螺桿(10)固定，調(diào)節(jié)螺桿的操作空間與膨脹機(jī)的外殼設(shè)有密封蓋。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙級膨脹朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是膨脹機(jī)增設(shè)第二進(jìn)氣口，第一級蒸發(fā)器工質(zhì)側(cè)出口與膨脹機(jī)的第一進(jìn)氣口連接；第二級蒸發(fā)器工質(zhì)側(cè)出口與膨脹機(jī)的第二進(jìn)氣口連接；膨脹機(jī)出口接于冷凝器工質(zhì)側(cè)進(jìn)口。冷凝器工質(zhì)側(cè)出口分別接于第一和第二工質(zhì)泵，第一、二工質(zhì)泵分別接于第一、二級蒸發(fā)器工質(zhì)側(cè)進(jìn)口。兩級蒸發(fā)器串接。第二進(jìn)氣口與膨脹機(jī)內(nèi)腔銜接之處設(shè)有左、右氣室，氣室內(nèi)設(shè)有滑塊，滑塊開有進(jìn)、出氣槽道?；瑝K可根據(jù)壓力的變化產(chǎn)生移動，保持膨脹機(jī)內(nèi)腔與進(jìn)氣壓力的穩(wěn)定。采用雙級膨脹機(jī)用于朗肯循環(huán)發(fā)電與常規(guī)單級膨脹機(jī)相比較，增大了膨脹機(jī)的輸出功，實現(xiàn)了熱源的梯級利用，明顯提高了熱源利用率以及熱電轉(zhuǎn)化效率。
文檔編號F01C1/16GK102505973SQ20111033399
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日
發(fā)明者李新國, 胡曉辰, 趙翠翠 申請人:天津大學(xué)