以orc制取压缩空气的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及中低温余热回收利用技术领域，尤其是涉及一种以ORC制取压缩空气的装置及方法。
【背景技术】
[0002]在钢铁、有色金属、石油化工、建材、轻工等诸多行业中，生产企业有着大量低品位余热，包括烟气、蒸汽和热水等，这些热量品位低、数量大、分布散，基本不能为生产再利用。在当前节能减排大政策背景下，余热利用技术越来越受到工业界和学术界的重视，推广中低温余热发电或者中低温余热回收制取压缩空气即为一种低品位余热利用的重要方式。
[0003]目前可实现热功(电)转化技术的热力循环技术主要有:有机朗肯循环(简称0RC)、氨水Kalina循环、半导体热电材料温差发电、热声发电等。其中半导体温差发电技术受到热电能量转换效率和成本的限制；热声技术存在弛豫时间等问题，循环效率并不能保证；Kalina循环理论效率高，但构成复杂，工程应用可靠性仍需检验。
[0004]ORC发电系统具有良好的机动性、高度的安全性及对维护保养的要求比较低等优点，将其整合到能源系统，以余热驱动可以实现低品位能源向高品位能源(电、压缩空气)的转化，减轻电力负担，提高余热的综合回收利用率。
[0005]然而，ORC发电系统中，由于进入膨胀机工质流量和压力的随机波动，工质在膨胀机中不能充分有效的平稳膨胀做功(一般螺杆膨胀机的膨胀比控制在1:4左右)，导致转速不稳定，影响ORC系统发电的稳定性，降低了发电效率。如果利用膨胀机直接驱动空气压缩机，对普通空气进行压缩。压缩空气通过稳压(减压)后直接并入气体管网，系统的能源效率可以大幅提尚。
[0006]目前，国内外没有发现利用ORC来制取压缩空气的应用，本发明带来全新的压缩空气节能理念，利用免费的工业中低温余热来制取压缩空气。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种以ORC制取压缩空气的装置及方法。本发明旨在于改善传统ORC发电的能源效率低、系统不稳定的现实，并针对当前工业生产过程中压缩空气需求量大的现状，巧妙利用ORC直接制取压缩空气。
[0008]为解决技术问题，本发明所采用的技术方案是:
[0009]提供一种以ORC制取压缩空气的装置，包括蒸发器、透平同轴一体机、冷凝器、工质泵和电动阀；所述透平同轴一体机由透平膨胀机和透平压缩机同轴直联，透平膨胀机用于膨胀做功，透平压缩机用于制取压缩空气；其中，透平膨胀机设有工质入口和工质出口，透平压缩机设有空气入口和压缩空气出口；
[0010]各设备之间通过管线实现连接:工质泵的出口端与蒸发器的工质入口相接，蒸发器的工质出口与透平膨胀机的工质入口相接，透平膨胀机的工质出口经冷凝器接至工质泵的入口端；蒸发器上设有热源入口端和热源出口端，蒸发器与透平膨胀机之间的管线上设有电动阀。
[0011 ] 本发明中，所述冷凝器是空冷或水冷的冷凝器。
[0012]本发明中，在冷凝器与工质泵之间的管线上设有储液罐。
[0013]本发明中，在工质泵与蒸发器之间设有预热器；工质泵的出口端与预热器的低温侧入口相连，预热器的低温侧出口与蒸发器的工质入口相连；透平膨胀机的工质出口与预热器的高温侧入口相连，预热器的高温侧出口与冷凝器的工质入口相连。
[0014]本发明进一步提供了利用前述装置实现ORC制取压缩空气的方法，包括:
[0015]低压(I?2.5bar)有机工质由工质泵加压为过冷液态后送入蒸发器，吸收来自中低温余热(80?300°C )的能量转变为高压(5?1bar)高温(60?80°C )蒸汽，再被导入透平膨胀机；透平膨胀机膨胀做功的同时，驱动直联的透平压缩机对普通空气进行压缩，实现输出压缩空气；透平膨胀机做功后，有机工质以1.5?3bar的蒸气形式排出并送入冷凝器，在向冷源放热后冷凝为液态，返回工质泵入口，以此实现往复循环；设于蒸发器出口管线上的电动阀用于调节进入透平膨胀机的有机工质的流量。
[0016]本发明中，在工质泵与蒸发器之间设有一个预热器；工质泵加压过的有机工质与透平膨胀机排出的工质在预热器中实现热交换后，再分别被送入蒸发器和冷凝器。
[0017]本发明中，所述中低温余热是指:烟气、蒸汽或热水。
[0018]本发明中，所述冷源是水或空气。
[0019]本发明中，所述有机工质是氟利昂。在一些特殊工业场合也可以应用非氟利昂工质，例如硅油，二氧化碳等。
[0020]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0021]1、中低温余热ORC回收利用，并直接制取压缩空气，同时通过余热器回收透平膨胀机出口的热量，从而大幅提高了余热能源的回收效率。
[0022]2、在高压管路上设置电动阀，能够实现对ORC循环的调节与安全保护；在管路各个点上设置传感器，通过控制电动阀的开度、工质泵的变频，实现ORC最优运行。
【附图说明】
[0023]图1为本发明的ORC制取压缩空气的装置示意图；
[0024]图2为本发明的改进的ORC制取压缩空气的装置示意图。
[0025]图中标记为:1透平压缩机；2透平膨胀机；3冷凝器；4储液罐；5工质泵；6预热器；7蒸发器；8电动阀。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0027]本发明中以ORC制取压缩空气的装置如图1所示，包括蒸发器7、透平同轴一体机、冷凝器3、储液罐4、工质泵5和电动阀8 ;冷凝器3是空冷或水冷的冷凝器。
[0028]透平同轴一体机由透平膨胀机2和透平压缩机I同轴直联，透平膨胀机2用于膨胀做功，透平压缩机I用于制取压缩空气；其中，透平膨胀机2设有工质入口和工质出口，透平压缩机I设有空气入口和压缩空气出口 ；
[0029]透平同轴一体机工作时，透平膨胀机2和透平压缩机I同轴等速相连，避免了不同轴传动的机械效率损失，提高了制取压缩空气的整体效率。
[0030]各设备之间通过管线实现连接:工质泵5的出口端与蒸发器7的工质入口相接，蒸发器7的工质出口经电动阀8与透平膨胀机2的工质入口相接，透平膨胀机2的工质出口经冷凝器3、储液罐4接至工质泵5的入口端；蒸发器7上设有热源入口端和热源出口端。
[0031]另一种实施例如图2所示，与图1中相比，该装置是在工质泵与蒸发器之间增设了一个预热器6 ;工质泵5的出口端与预热器6的低温侧入口相连，预热器6的低温侧出口与蒸发器7的工质入口相连；透平膨胀机2的工质出口与预热器6的高温侧入口相连，预热器6的高温侧出口与冷凝器3的工质入口相连。
[0032]利用图2所示装置实现ORC制取压缩空气的方法，包括:
[0033]低压(I?2.5bar)有机工质由工质泵5加压为过冷液态，在预热器6中与透平膨胀机2排出的工质实现热交换后，再被送入蒸发器7，吸收来自中低温余热(80?300°C )的能量转变为高压(5?1bar)高温(60?80°C )蒸汽，然后被导入透平膨胀机2。透平膨胀机2膨胀做功的同时，驱动直联的透平压缩机I对普通空气进行压缩，实现输出压缩空气；透平膨胀机2做功后，有机工质以1.5?3bar的蒸气形式排出，在预热器6中与工质泵5排出的有机工质实现热交换后，被送入冷凝器3 ;在向冷源(如果水冷模式，冷却水30°C左右；如果风冷模式，空气常温20°C )放热后冷凝为液态，返回工质泵5入口，以此实现往复循环；设于蒸发器7出口管线上的电动阀8用于调节有机工质的流量。
[0034]本发明中还可以设置控制系统，用于实现与装置相关的电气和仪表的基本控制。在高压管路上设置电动阀8，用于对ORC循环的调节与安全保护；通过在管路各个点上设置传感器，以及控制电动阀8的开度、工质泵5的变频，实现ORC最优运行。透平同轴一体机设润滑油系统，用于对透平同轴一体机的润滑。
[0035]本发明中，中低温余热是指烟气、蒸汽或热水；冷源是水或空气；有机工质是氟利昂O
【主权项】
1.一种以ORC制取压缩空气的装置，包括蒸发器；其特征在于，该装置还包括:透平同轴一体机、冷凝器、工质泵和电动阀； 所述透平同轴一体机由透平膨胀机和透平压缩机同轴直联，透平膨胀机用于膨胀做功，透平压缩机用于制取压缩空气；其中，透平膨胀机设有工质入口和工质出口，透平压缩机设有空气入口和压缩空气出口 ； 各设备之间通过管线实现连接:工质泵的出口端与蒸发器的工质入口相接，蒸发器的工质出口与透平膨胀机的工质入口相接，透平膨胀机的工质出口经冷凝器接至工质泵的入口端；蒸发器上设有热源入口端和热源出口端，蒸发器与透平膨胀机之间的管线上设有电动阀。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冷凝器是空冷冷凝器或水冷冷凝器。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在冷凝器与工质泵之间的管线上设有储液罐。
4.根据权利要求1至3任意一项中所述的装置，其特征在于，在工质泵与蒸发器之间设有预热器；工质泵的出口端与预热器的低温侧入口相连，预热器的低温侧出口与蒸发器的工质入口相连；透平膨胀机的工质出口与预热器的高温侧入口相连，预热器的高温侧出口与冷凝器的工质入口相连。
5.利用权利要求1所述装置实现ORC制取压缩空气的方法，其特征在于，包括: I?2.5bar的液态有机工质由工质泵加压为过冷液态后送入蒸发器，吸收来自80?300°C的中低温余热的能量，转变为5?10bar、60?80°C的蒸汽，再被导入透平膨胀机；透平膨胀机膨胀做功的同时，驱动直联的透平压缩机对普通空气进行压缩，实现输出压缩空气；透平膨胀机做功后，有机工质以1.5?3bar的蒸气形式排出并送入冷凝器，在向冷源放热后冷凝为液态，返回工质泵入口，以此实现往复循环；设于蒸发器出口管线上的电动阀用于调节有机工质的流量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在工质泵与蒸发器之间设有一个预热器；工质泵加压过的有机工质与透平膨胀机排出的工质在预热器中实现热交换后，再分别被送入蒸发器和冷凝器。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述中低温余热是指:烟气、蒸汽或热水。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述有机工质是氟利昂。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述冷源是空气或水:如果采用空冷冷凝器，冷源为空气；如果采用水冷冷凝器，冷源为水。
【专利摘要】本发明涉及中低温余热回收利用技术，旨在提供一种以ORC制取压缩空气的装置及方法。该装置包括透平同轴一体机，是由透平膨胀机和透平压缩机同轴直联；各设备之间通过管线实现连接：工质泵的出口端与蒸发器的工质入口相接，蒸发器的工质出口与透平膨胀机的工质入口相接，透平膨胀机的工质出口经冷凝器接至工质泵的入口端，蒸发器与透平膨胀机之间的管线上设有电动阀。本发明利用中低温余热实现ORC回收，并直接制取压缩空气，同时通过余热器回收透平膨胀机出口的热量，从而大幅提高了余热能源的回收效率。在高压管路上设置电动阀，能够实现对ORC循环的调节与安全保护；通过控制电动阀的开度、工质泵的变频，实现ORC最优运行。
【IPC分类】F01K19-00, F01D15-08, F01K25-08
【公开号】CN104675461
【申请号】CN201510041380
【发明人】沈天昱
【申请人】沈天昱
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年1月28日