一种回收空分压缩机级间冷却余热发电的装置的制作方法

本发明属于能量回收领域，具体涉及一种能够回收空分压缩机级间余热并用来发电处理装置。

背景技术：

随着我国冶金、煤化工等行业的迅猛发展，对空分设备的需求量也迅速增加，空分装置的规模也不断扩大，配套用的原料气空压机组和增压机组的气量需求不断增加，压缩机的功率从5000kw到70000kw不等，能耗非常高。空压机通常是多级离心压缩机，为了降低空压机的能耗，往往采用级间冷却，使用冷却水将每级出口空气的热量带走，使得进入下一级的空气温度降低，实现等温压缩，以减小压缩机压缩功。但是级间冷却的这部分热量被直接废弃，而且还消耗了大量的水资源，造成能源的浪费。以1.5万空分为例，多轴式4级压缩空气压缩机的功率为8500kw，每级出口均设置冷却器，每级出口空气温度大约在100℃，冷却至45℃后进入下一级，冷却后空气焓值降低，这部分被冷却水带走的热量高达6570kw，能量的浪费是非常巨大的，本发明目标就是能够回收利用这部分废弃的能量。

技术实现要素：

本发明目的在于利用有机朗肯循环回收热量发电的原理解决上述现有技术中的问题，提供一种结合空分压缩机和有机朗肯循环进行发电装置，该装置使用有机工质替代水的朗肯循环热发电系统。具有效率相对高、系统简单、运行维护成本低等特点。

空分原料气空气压缩机通常采用多轴布置和单轴布置，为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

压缩机一级叶轮出口的高温高压气体进入有机朗肯循环的一级蒸发器，冷却后的气体进入二级叶轮进行压缩；二级叶轮出口的高温高压气体进入有机朗肯循环的二级蒸发器，冷却后的气体进入三级叶轮进行压缩，以此类推使得每一级叶轮进口的气体温度相等。有机工质蒸发器的数目与压缩机级数相等，其关系为并联连接，通过不同的换热面积设计使得各蒸发器出口工质的温度压力相等。高温高压的有机工质蒸汽进入透平膨胀减压，出口工质进入冷凝器进行冷凝变为液态，再通过有机工质泵输送至各蒸发器中，完成朗肯循环。

所述空分压缩机为四级单轴或多轴压缩机，一级叶轮的高温高压气体出口与一级有机工质蒸发器的高温侧入口相连通，蒸发器的高温侧出口与二级叶轮的入口相连通。二级叶轮的高温高压气体出口与二级有机工质蒸发器的高温侧入口相连通，蒸发器的高温侧出口与三级叶轮的入口相连通。三级叶轮的高温高压气体出口与三级有机工质蒸发器的高温侧入口相连通，蒸发器的高温侧出口与四级叶轮的入口相连通。四级叶轮的高温高压气体出口与四级有机工质蒸发器的高温侧入口相连通。其中多轴压缩机轴间连接设置有齿轮。一级有机工质蒸发器、二级有机工质蒸发器、三级有机工质蒸发器和四级有机工质蒸发器的低温侧出口与透平的入口相连通，其中透平轴上设置有发电机。透平的出口与有机工质冷凝器的入口相连通。冷凝器的出口与有机工质泵的入口相连通。有机工质泵的出口与一级有机工质蒸发器、二级有机工质蒸发器、三级有机工质蒸发器和四级有机工质蒸发器的低温侧入口相连通。

所述的冷凝器使用水作为冷凝工质。

所述的透平与发电机连接作为发电机的能量输入。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明在单轴布置和多轴布置的空分原料气空气压缩机级间冷却过程中，分别设计了热回收系统，利用有机工质实现有机朗肯循环，并组成发电系统。该方法不仅回收了冷却废弃的热量，同时减少了冷却水的消耗，实现了节能减排，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1和图2为本发明多轴与单轴空分原料气离心压缩机与有机朗肯循环结合的过程及原理示意图；

其中，1为一级叶轮；2为二级叶轮；3为三级叶轮；4为四级叶轮；5为一级有机工质蒸发器；6为二级有机工质蒸发器；7为三级有机工质蒸发器；8为四级有机工质蒸发器；9为透平；10为有机工质冷却器；11为有机工质泵；12为发电机；13为齿轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明：

压缩机一级叶轮出口的高温高压气体进入有机朗肯循环的一级蒸发器，冷却后的气体进入二级叶轮进行压缩；二级叶轮出口的高温高压气体进入有机朗肯循环的二级蒸发器，冷却后的气体进入三级叶轮进行压缩，以此类推使得每一级叶轮进口的气体温度相等，有机工质蒸发器的数目与压缩机级数相等，其关系为并联连接，通过不同的换热面积设计使得各蒸发器出口工质的温度压力相等。高温高压的有机工质蒸汽进入透平膨胀减压，出口工质进入冷凝器进行冷凝变为液态，再通过有机工质泵输送至各蒸发器中，完成朗肯循环。

参见图1和图2，本发明利用有机朗肯循环蒸发器回收四级空分压缩机级间热量。一级叶轮1的高温高压气体出口与一级有机工质蒸发器5的高温侧入口相连通，蒸发器5的高温侧出口与二级叶轮2的入口相连通。二级叶轮2的高温高压气体出口与二级有机工质蒸发器6的高温侧入口相连通，蒸发器6的高温侧出口与三级叶轮3的入口相连通。三级叶轮3的高温高压气体出口与三级有机工质蒸发器7的高温侧入口相连通，蒸发器7的高温侧出口与四级叶轮4的入口相连通。四级叶轮4的高温高压气体出口与四级有机工质蒸发器8的高温侧入口相连通。其中多轴压缩机轴间连接设置有齿轮13。一级有机工质蒸发器5、二级有机工质蒸发器6、三级有机工质蒸发器7和四级有机工质蒸发器8的低温侧出口与透平9的入口相连通，其中透平轴上设置有发电机12。透平9的出口与有机工质冷凝器10的入口相连通。冷凝器10的出口与有机工质泵11的入口相连通。有机工质泵11的出口与一级有机工质蒸发器5、二级有机工质蒸发器6、三级有机工质蒸发器7和四级有机工质蒸发器8的低温侧入口相连通，构成有机朗肯循环。

本发明的原理：

空分压缩机通常是多级离心压缩机，为了降低空压机的能耗，往往采用级间冷却，使用冷却水将每级出口空气的热量带走，使得进入下一级的空气温度降低，实现等温压缩，以减小压缩机压缩功。但是级间冷却的这部分热量被直接废弃，而且还消耗了大量的水资源，造成能源的浪费。

本发明利用有机朗肯循环中有机工质的蒸发过程吸收空压机级间冷却的热量，并利用该热量驱动有机朗肯循环进行发电。该方法不仅回收了冷却废弃的热量，同时减少了冷却水的消耗，实现了节能减排，具有广阔的应用前景。

本发明的工作过程：

参见图1和图2，中将压缩机各级出口约100℃的高温高压蒸汽通入有机朗肯循环的各蒸发器中，将温度冷却至45℃左右进入下一级，实现了等温压缩。有机工质吸收了热量产生相变且温度压力升高，高温高压的有机工质蒸汽进入透平中膨胀减压，输出的功转化为机械能带动发电机发电。低温低压制冷剂蒸汽进入冷凝器中冷凝为液态，再通过有机工质泵增压输送至各蒸发器中，完成能量回收的过程。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种能够回收空分压缩机级间余热并用来发电处理装置。各级有机工质蒸发器的热工质入口与对应各级的叶轮出口相连通；各级有机工质蒸发器的热工质出口与对应下一级的叶轮入口相连通，各级蒸发器出口并联后与透平入口相连通，透平的出口与冷凝器入口相连通，冷凝器出口与有机工质泵入口相连通，有机工质泵出口与各蒸发器的入口相连通。本发明使用有机工质替代水的朗肯循环热发电系统，具有效率相对高、系统简单、运行维护成本低等特点。有机朗肯循环中有机工质的蒸发过程吸收空压机级间冷却的热量，并利用该热量驱动有机朗肯循环进行发电，以达到能量回收利用的效果。

技术研发人员：秦国良;林静祥
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2017.03.02
技术公布日：2017.07.28