一种自调节预热温度的有机朗肯循环发电系统及发电方法
【专利摘要】一种自调节预热温度的有机朗肯循环发电系统及发电方法，发电系统包括有机朗肯循环模块、预热器模块以及调节模块，有机朗肯循环模块包括蒸发器、膨胀机、发电机及冷凝器，预热器模块包括第一级预热器和第二级预热器，第一级预热器的一端连接于冷凝器，另一端连接于第二级预热器，第二级预热器连接于蒸发器，调节模块包括第一分流器，第一分流器分别连接于第一自力式温控阀和第二自力式温控阀，第一自力式温控阀连接于蒸发器与第一级预热器之间，第一自力式温控阀与第一分流器之间设有第二分流器，第二分流器连接于第二自力式温控阀。本发明采用两级预热，通过吸收混合后热源热量来实现理想温差匹配，提高了热源热量回收利用率。
【专利说明】
一种自调节预热温度的有机朗肯循环发电系统及发电方法
技术领域
[0001]本发明属于低品位能源利用领域，特别是涉及一种自调节预热温度的有机朗肯循环发电系统及发电方法。
【背景技术】
[0002]我国经济的迅速发展随之带来的是能源短缺及严重的环境污染，一方面在钢铁、建筑、交通等领域存在大量能源以热量形式被排放，回收利用难度高；另一方面地热能、太阳能等自然资源的利用等级较低，无法合理利用。因此现如今，如何对能源进行合理利用，成为缓解我国能源及环境问题的重要途径。
[0003]在低品位能源的回收利用中，有机朗肯循环因其工质具有高压低沸特点被广泛利用，但针对多数热源，在换热过程中存在温差不匹配问题，使能源回收率及系统性能均较低。若对换热器内的两种工质进行常规方法的换热，效果较差。
[0004]因此，有必要设计一种更好的换热系统，以解决上述问题。
【发明内容】
[0005]针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可对有机工质进行梯级预热，实现理想温差匹配的自调节预热温度的有机朗肯循环发电系统及发电方法。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0007]—种自调节预热温度的有机朗肯循环发电系统，包括有机朗肯循环模块、预热器模块以及调节模块，所述有机朗肯循环模块包括蒸发器，连接于所述蒸发器的膨胀机，设于所述膨胀机末端的发电机，以及连接于所述膨胀机的冷凝器，有机工质于所述蒸发器内与热源换热后进入所述膨胀机内并带动所述发电机发电，然后进入所述冷凝器，所述预热器模块包括第一级预热器和第二级预热器，所述第一级预热器的一端连接于所述冷凝器，另一端连接于所述第二级预热器，所述第二级预热器连接于所述蒸发器，所述调节模块包括设于所述蒸发器热源进口端的第一分流器，所述第一分流器分别连接于第一自力式温控阀和第二自力式温控阀，所述第一自力式温控阀连接于所述蒸发器热源出口与所述第一级预热器热源进口之间，所述第一自力式温控阀与所述第一分流器之间设有第二分流器，所述第二分流器连接于所述第二自力式温控阀，所述第二自力式温控阀连接于所述第一级预热器热源出口与所述第二级预热器热源进口之间。
[0008]进一步，所述蒸发器、所述第一级预热器及所述第二级预热器均为外壳内管式换热器。
[0009]进一步，所述有机工质为中低温环保制冷剂R245fa。
[0010]进一步，所述冷凝器连接有冷却水进口，供冷却水进入以冷却所述有机工质。
[0011]进一步，所述冷凝器与所述第一级预热器之间设有第一工质栗，所述第一级预热器与所述第二级预热器之间设有第二工质栗。
[0012]—种基于上述自调节预热温度的有机朗肯循环发电系统的发电方法，包括:有机工质进入所述第一级预热器内与其中的热源进行换热后升温，然后进入所述第二级预热器，与其中的热源进行换热后升温，然后进入所述蒸发器内与初始热源换热，进而被加热蒸发，形成高温蒸汽，高温蒸汽进入所述膨胀机中带动所述发电机发电，然后工质流入所述冷凝器被冷却，进行下一轮循环换热并发电，预热过程中，所述第一自力式温控阀感知所述第一级预热器热源进口侧温度，所述第二自力式温控阀感知所述第二级预热器热源进口侧温度，并将信息反馈给所述第一分流器或/和所述第二分流器，所述第一分流器或/和所述第二分流器调节阀片开度大小，以调节热源分流量，实现理想温差匹配下换热。
[0013]进一步，所述蒸发器换热后的热源经过所述第一自力式温控器进入所述第一级预热器内，与其中的有机工质换热，所述第一级预热器换热后的热源经过所述第二自力式温控阀进入所述第二级预热器内，与其中的有机工质换热。
[0014]进一步，当所述第一预热器热源进口侧温度未达到所述第一自力式温控阀所设定的温度，而所述第二级预热器热源进口侧温度达到所述第二自力式温控阀所设定的温度时，开启所述第一分流阀的第一管路，并关闭所述第二分流阀，将部分初始热源通过所述第一管路引入所述第一自力式温控阀内混合升温，然后进入所述第一级预热器内与所述有机工质换热。
[0015]进一步，当所述第二预热器热源进口侧温度未达到所述第二自力式温控阀所设定的温度，而所述第一预热器热源进口侧温度达到所述第一自力式温控阀所设定的温度时，开启所述第一分流阀的第二管路，并关闭所述第二分流阀，将部分初始热源通过所述第二管路引入所述第二自力式温控阀，然后进入所述第二级预热器内与所述有机工质换热。
[0016]进一步，当所述第一预热器热源进口侧温度未达到所述第一自力式温控阀所设定的温度，同时所述第二预热器热源进口侧温度未达到所述第二自力式温控阀所设定的温度时，开启所述第一分流阀的第一管路，并开启所述第二分流阀，初始热源通过所述第一管路到达所述第二分流阀并由所述第二分流阀分流，分流后部分热源进入所述第一自力式温控阀，部分热源进入所述第二自力式温控阀，再分别进入所述第一级预热器和所述第二级预热器内换热。
[0017]本发明的有益效果:
[0018]本发明自调节预热温度的有机朗肯循环发电系统，采用第一级预热器和第二级预热器对来自冷凝器的有机循环工质进行两级预热，通过吸收混合后热源热量来实现理想温差匹配，不仅提高了热源热量回收利用率，而且系统设计方案简介实用；且采用调节模块，使得进入第一级预热器和第二级预热器的热源温度和初始热源流量作为控制量，可保持有机工质流量不变，系统的控制量从有机朗肯循环内部转移到了外部，从而避免了过热度的动态优化计算、膨胀机流量调节和冷凝温度控制等问题，不仅简化了控制技术，而且提高了有机朗肯循环系统工作的稳定性和可靠性;进一步说，该系统简化了面向控制的热力学动态建模的过程，且自力式温控阀调试简单，实现了在热源温度的不确定扰动作用下，理想温差的匹配。
【附图说明】
[0019]图1为本发明自调节预热温度的有机朗肯循环发电系统的结构示意图；
[0020]图中，丨一蒸发器、2一膨胀机、3 一发电机、4 一冷凝器、5 一第一级预热器、6 一第二级预热器、7—第一工质栗、8—第二工质栗、9一第一自力式温控器、10—第二自力式温控器、11一第一分流器、12—第一管路、13—第二管路、14一第二分流器，图中实线代表有机工质回路，虚线代表热源回路。
【具体实施方式】
[0021]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0022]需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0023]另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
[0024]如图1，本发明提供一种自调节预热温度的有机朗肯循环发电系统，包括有机朗肯循环模块，预热模块以及调节模块，通过预热模块预热有机工质，然后有机工质进入有机朗肯循环模块与热源进行热交换，使有机工质被加热蒸发，形成高压蒸汽，进行发电，其中调节模块则是用于调节预热温度及热源流量。
[0025]有机朗肯循环模块包括蒸发器I，连接于蒸发器I的膨胀机2，设于膨胀机2末端的发电机3，以及连接于膨胀机2的冷凝器4，有机工质于蒸发器I内与热源换热后进入膨胀机2内并带动发电机3发电，然后进入冷凝器4冷却，冷凝器4连接有冷却水进口，供冷却水进入以冷却有机工质。
[0026]预热器模块包括第一级预热器5和第二级预热器6，第一级预热器5的一端连接于冷凝器4，冷凝器4的工质出口侧设有第一工质栗7，第一级预热器5的工质进口连接于第一工质栗7，在工质由冷凝器4进入第一级预热器5前，先由第一工质栗7升压。第一级预热器5的另一端连接于第二级预热器6，第二级预热器6的工质进口端与第一级预热器5的工质出口端之间设有第二工质栗8，在工质由第一级预热器5进入第二级预热器6前，先由第二工质栗8升压。第二级预热器6工质出口连接于蒸发器I的工质进口，从而使工质由冷凝器4被两级预热后进入蒸发器I内与初始热源换热后被加热蒸发，形成高压蒸汽，进入膨胀机2并带动发电机3发电，然后进入冷凝器4内，再进行下一次循环加热发电的过程。
[0027]在本实施例中，蒸发器1、第一级预热器5及第二级预热器6均为外壳内管式换热器，即工质位于内部管道内，热源位于外壳内，两者进行热交换。有机工质为中低温环保制冷剂R245fa，在蒸发器I内换热后被加热成为高压蒸汽。
[0028]调节模块包括设于蒸发器I热源进口端的第一分流器11，第一分流器11分别连接于第一自力式温控阀9和第二自力式温控阀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连接于第一自力式温控阀9，第二管路13连接于第二自力式温控阀10，第一自力式温控阀9连接于蒸发器I热源出口与第一级预热器5热源进口之间，第一自力式温控阀9与第一分流器11之间的第一管路12上设有第二分流器14，第二分流器14连接于第二自力式温控阀10，第二自力式温控阀10连接于第一级预热器5热源出口与第二级预热器6热源进口之间。第一自力式温控阀9用于感知第一级预热器5热源进口侧温度，第二自力式温控阀10用于感知第二级预热器6热源进口侧温度，并将信息反馈给第一分流器11或/和第二分流器14，第一分流器11或/和第二分流器14调节阀片开度大小，以调节热源分流量，从而实现理想温差匹配下换热。
[0029]如图1，图1中实线代表有机工质回路，虚线代表热源回路。有机工质于蒸发器I内换热后变为高压蒸汽进入膨胀机2做功，带动发电机3发电，随后进入冷凝器4，冷凝后的有机工质经第一工质栗7升压后进入第一级预热器5内预热，然后经第二工质栗8升压后进入第二级预热器6内预热，再进入蒸发器I内与初始热源换热，进行循环发电的过程。
[0030]预热过程中所使用的热源是该发电系统内部热源或初始热源，在蒸发器I内释放过热量的热源经过第一自力式温控阀9进入第一级预热器8内预热有机工质，当蒸发器I热源出口温度低于第一自力式温控阀9设定的温度时，向第一分流器11发出反馈信息，第一分流器11开启第一管路12，引出部分初始热源至第一自力式温控阀9，混合后的热源温度达到与第一级预热器5内有机工质温差理想匹配值，进行良好的换热。
[0031]第一级预热器5换热后的热源经过第二自力式温控阀10进入第二级预热器6内，与其中的有机工质换热，其中第二自力式温控阀10和第二分流器14串联于第一分流器11与第二级预热器6热源进口之间，当第一级预热器5换热后的热源温度未达到第二自力式温控阀10所设定的温度时，将反馈信息发送给第一分流器11，第一分流器11开启第二管路13，将部分初始热源直接引入第二自力式温控阀10处，实现理想温差换热，此时并不影响第一级预热器5的正常工作。
[0032]第一分流器11和第二分流器14同时开启时，可同时将初始热源引入第一自力式温控阀9和第二自力式温控阀10，为第一级预热器5和第二级预热器6的换热提供热源。此时，进入第一自力式温控阀9的初始热源流量值要小于仅开启第一分流器11时的流量，但并不影响理想匹配温差。
[0033]上述发电系统原理简单、易于实现，能够有效提高热源热量利用率。当设定第二级预热器6工质出口的有机工质温度对应蒸发压力下的饱和液态，且第一级预热器5和第二级预热器6各预热有机朗肯循环系统中有机工质所需升温值的一半，第一分流器11和第二分流器14的分流比例均为0.5时，本发明的发电系统较基本有机朗肯发电系统的(火用)损失由5098kW降低至2200kW，且通过第一自力式温控阀9和第二自力式温控阀10对第一分流器11和第二分流器14的反馈作用，使得第一级预热器5或/和第二级预热器6可单独引入部分初始热源，以进一步提尚系统性能。
[0034]本发明还提出一种基于上述自调节预热温度的有机朗肯循环发电系统的发电方法:有机工质进入第一级预热器5内与其中的热源进行换热后升温，然后进入第二级预热器6，与其中的热源进行换热后升温，然后进入蒸发器I内与初始热源换热，进而被加热蒸发，形成高温蒸汽，高温蒸汽进入膨胀机2中带动发电机3发电，然后工质流入冷凝器4被冷却，进行下一轮循环换热并发电，预热过程中，第一自力式温控阀9感知第一级预热器5热源进口侧温度，第二自力式温控阀10感知第二级预热器6热源进口侧温度，并将信息反馈给第一分流器11或/和第二分流器14，第一分流器11或/和第二分流器14调节阀片开度大小，以调节热源分流量，实现理想温差匹配下换热。
[0035]本发明中热源为一切以显热形式存在的低温热源，如地热水等。热源进入蒸发器I与有机工质换热后，热源通过蒸发器I热源出口流出并经过第一自力式温控阀9进入第一级预热器5内，第一级预热器5换热后的热源经过第二自力式温控阀10进入第二级预热器6内，可充分利用系统内的热源对有机工质进行预热，有效回收利用低品位能源。
[0036]在预热过程中，第一自力式温控阀9和第二自力式温控阀10分别监测第一级预热器5热源进口和第二级预热器6热源进口的温度，并将反馈信息发送给第一分流器11和第二分流器14，控制调节第一分流器11和第二分流器14的开启和关闭，从而将初始热源引入第一级预热器11或/和第二级预热器14内，以实现温差匹配。
[0037]具体为，当由蒸发器I流出的热源到达第一预热器5热源进口侧的温度未达到第一自力式温控阀9所设定的温度，而第二级预热器6热源进口侧温度达到第二自力式温控阀10所设定的温度时，开启第一分流阀11的第一管路12，并关闭第二分流阀14，将部分初始热源通过第一管路12引入第一自力式温控阀9内混合升温，然后进入第一级预热器5内与有机工质换热，使得第一级预热器5在换热过程中内温差匹配，此时不影响第二级预热器6内的正常工作。
[0038]当第二预热器6热源进口侧温度未达到第二自力式温控阀10所设定的温度，而第一预热器5热源进口侧温度达到第一自力式温控阀9所设定的温度时，开启第一分流阀11的第二管路13，并关闭第二分流阀14，将部分初始热源通过第二管路13引入第二自力式温控阀10，然后进入第二级预热器6内与有机工质换热，使得第二级预热器6在换热过程中内温差匹配，此时不影响第一级预热器5内的正常工作。
[0039]当第一预热器5热源进口侧温度未达到第一自力式温控阀9所设定的温度，同时第二预热器6热源进口侧温度未达到第二自力式温控阀10所设定的温度时，开启第一分流阀11的第一管路12，并开启第二分流阀14，初始热源通过第一管路12到达第二分流阀14并由第二分流阀14分流，分流后部分热源进入第一自力式温控阀9，部分热源进入第二自力式温控阀10，再分别进入第一级预热器5和第二级预热器6内换热。
[0040]本发明的自调节预热温度的有机朗肯循环发电系统及发电方法，采用热源部分引入的方式对蒸发器I内释放热量后热源温度不足的情况进行补充，采用分流器以及自力式温控阀进一步缩小热源温度与有机朗肯循环工质温差，不仅提高了热源热量回收利用率，而且设计方案简捷实用;且热源部分引入设计方案以初始热源流量和预热器入口温度作为控制量，使得有机工质流量可以保持不变，系统的控制量从有机朗肯循环内部转移到了外部，从而避免了过热度的动态优化计算、膨胀机流量调节和冷凝温度控制等问题，不仅简化了控制技术，而且提高了有机朗肯循环系统工作的稳定性和可靠性;进一步说，该系统简化了面向控制的热力学动态建模的过程，且自力式温控阀调试简单，实现了在热源温度的不确定扰动作用下，理想温差的匹配。
[0041]以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
【主权项】
1.一种自调节预热温度的有机朗肯循环发电系统，其特征在于，包括:有机朗肯循环模块、预热器模块以及调节模块，所述有机朗肯循环模块包括蒸发器，连接于所述蒸发器的膨胀机，设于所述膨胀机末端的发电机，以及连接于所述膨胀机的冷凝器，有机工质于所述蒸发器内与热源换热后进入所述膨胀机内并带动所述发电机发电，然后进入所述冷凝器，所述预热器模块包括第一级预热器和第二级预热器，所述第一级预热器的一端连接于所述冷凝器，另一端连接于所述第二级预热器，所述第二级预热器连接于所述蒸发器，所述调节模块包括设于所述蒸发器热源进口端的第一分流器，所述第一分流器分别连接于第一自力式温控阀和第二自力式温控阀，所述第一自力式温控阀连接于所述蒸发器热源出口与所述第一级预热器热源进口之间，所述第一自力式温控阀与所述第一分流器之间设有第二分流器，所述第二分流器连接于所述第二自力式温控阀，所述第二自力式温控阀连接于所述第一级预热器热源出口与所述第二级预热器热源进口之间。2.根据权利要求1所述的自调节预热温度的有机朗肯循环发电系统，其特征在于:所述蒸发器、所述第一级预热器及所述第二级预热器均为外壳内管式换热器。3.根据权利要求2所述的自调节预热温度的有机朗肯循环发电系统，其特征在于:所述有机工质为中低温环保制冷剂R245fa。4.根据权利要求1所述的自调节预热温度的有机朗肯循环发电系统，其特征在于:所述冷凝器连接有冷却水进口，供冷却水进入以冷却所述有机工质。5.根据权利要求1所述的自调节预热温度的有机朗肯循环发电系统，其特征在于:所述冷凝器与所述第一级预热器之间设有第一工质栗，所述第一级预热器与所述第二级预热器之间设有第二工质栗。6.—种基于权利要求1所述的自调节预热温度的有机朗肯循环发电系统的发电方法，其特征在于，包括:有机工质进入所述第一级预热器内与其中的热源进行换热后升温，然后进入所述第二级预热器，与其中的热源进行换热后升温，然后进入所述蒸发器内与初始热源换热，进而被加热蒸发，形成高温蒸汽，高温蒸汽进入所述膨胀机中带动所述发电机发电，然后工质流入所述冷凝器被冷却，进行下一轮循环换热并发电，预热过程中，所述第一自力式温控阀感知所述第一级预热器热源进口侧温度，所述第二自力式温控阀感知所述第二级预热器热源进口侧温度，并将信息反馈给所述第一分流器或/和所述第二分流器，所述第一分流器或/和所述第二分流器调节阀片开度大小，以调节热源分流量，实现理想温差匹配下换热。7.根据权利要求6所述的发电方法，其特征在于:所述蒸发器换热后的热源经过所述第一自力式温控器进入所述第一级预热器内，与其中的有机工质换热，所述第一级预热器换热后的热源经过所述第二自力式温控阀进入所述第二级预热器内，与其中的有机工质换热。8.根据权利要求7所述的发电方法，其特征在于:当所述第一预热器热源进口侧温度未达到所述第一自力式温控阀所设定的温度，而所述第二级预热器热源进口侧温度达到所述第二自力式温控阀所设定的温度时，开启所述第一分流阀的第一管路，并关闭所述第二分流阀，将部分初始热源通过所述第一管路引入所述第一自力式温控阀内混合升温，然后进入所述第一级预热器内与所述有机工质换热。9.根据权利要求7所述的发电方法，其特征在于:当所述第二预热器热源进口侧温度未达到所述第二自力式温控阀所设定的温度，而所述第一预热器热源进口侧温度达到所述第一自力式温控阀所设定的温度时，开启所述第一分流阀的第二管路，并关闭所述第二分流阀，将部分初始热源通过所述第二管路引入所述第二自力式温控阀，然后进入所述第二级预热器内与所述有机工质换热。10.根据权利要求7所述的发电方法，其特征在于:当所述第一预热器热源进口侧温度未达到所述第一自力式温控阀所设定的温度，同时所述第二预热器热源进口侧温度未达到所述第二自力式温控阀所设定的温度时，开启所述第一分流阀的第一管路，并开启所述第二分流阀，初始热源通过所述第一管路到达所述第二分流阀并由所述第二分流阀分流，分流后部分热源进入所述第一自力式温控阀，部分热源进入所述第二自力式温控阀，再分别进入所述第一级预热器和所述第二级预热器内换热。
【文档编号】F01K25/10GK105927300SQ201610300382
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月9日
【发明人】杨新乐, 任姝, 李惟慷, 秘旭晴
【申请人】辽宁工程技术大学