专利名称：利用多个分散余热热源、多种余热载体介质发电的方法及装置的制作方法
利用多个分散余热热源、多种余热载体介质发电的方法及装置 賊鄉
本发明涉及余热发电技术，尤其涉及一种利用分布范围较广、热功率总 量较大但单个热功率较小且余热载体介质呈多样性的余热热源发电的方法及
装置。
背景技术：
我国是一个能源生产和消费大国，能源生产量仅次于美国和俄罗斯，居
世界第三位；基本能源消费占世界总消费量的1/10，仅次于美国，居世界第 二位。但我国能源利用率不高， 一些发达国家能源利用率都在50%以上，美国 的能源利用率已超过60%，而我国只有30%左右。据统计，2003年我国的能源 消耗强度是日本的6.9倍，德国的4.3倍，美国的3.3倍，远远高于世界发达国 家的能源消耗强度。根据调査，各行业的余热总资源约占其燃料消耗总量的 17% 67%,而可回收利用的余热资源约为余热总资源的60%。因此，对余热利 用进行深入的研究，对于节约能源，提高能源利用率，建立合理的能源架 构，保护生态环境具有极为重要的意义。
目前只是对大型工矿企业热功率较大的集中余热加以利用，而对热功率 较小的大量分散余热(各种生活余热，如汽车尾气、发动机冷却水等)尚未 利用，事实上，各种小功率分散余热的总量远远大于大功率集中余热，因 此，研发小功率分散余热回收利用技术，成为当前的重要任务，是建设节约 型社会的关键环节之一。
限于上述余热利用状况，现有的余热发电装置多是大型成套设备，只适 用于某一种具体的余热载体介质，其配备工作介质也是特定的，不能同时利 用几种余热载体介质的热量发电。尤其是，因装置是一个孤立系统，做功后 的汽相工质(即涡轮机排汽)温度仍然较高，蕴含很多热量，余热利用不充 分，将其冷凝还得另外耗能，经济性差。
发明内容
本发明的目的，是提供一种可充分利用多个分散余热热源、多种余热载 体介质发电的方法及装置。
本发明的技术解决方案是
一种利用多个分散余热热源、多种余热载体介质发电的方法，设置一个 余热发电系统，该系统具有多个并列的子系统，子系统的数量与分散余热热 源的数量相同；每一子系统具有一由工质冷凝器、泵、余热换热器、涡轮机 通过管道顺序连接构成的闭路循环装置， 一与涡轮机连接的发电机；由泵驱 动工质循环，由余热载体介质通过余热换热器向工质提供汽化能，通过汽相 工质膨胀做功驱动涡轮机旋转，由涡轮机带动发电机发电，由冷凝器将做功 后的汽相工质冷凝为液相；各子系统配置的换热工质，与该子系统的余热载 体介质相适配，工质的露点低于该子系统余热载体介质温度。
将所述液相工质与做功后的汽相工质换热，预热后再送入余热换热器汽化。
将所有子系统划分成两两一组，每一组具有一高温子系统和一低温子系 统，将低温子系统的液相工质与高温子系统做功后的汽相工质换热，预热后 再送入低温子系统的余热换热器汽化；或将高、低温子系统的液相工质都与 高温子系统做功后的汽相工质分别换热，预热后再送入各自的余热换热器汽 化。
所有子系统发出的电能，分别调频、调压后并网，送给用电设备使用， 或整流后送入蓄电池存储。
所述余热载体介质是各种气相、液相介质，如各种物质的蒸汽、热空 气、热水等，或可流动的粉末状固相介质，如水泥熟料、铸造砂等；所述工
质是各种液相介质，如水、氟利昂、氨、各种垸烃类工质以及其它有机工 质。
用于上述方法的装置，包括多个并列的子装置，子装置的数量与分散余
热热源的数量相同；所述子装置具有余热换热器、工质冷凝器、泵、涡轮 机、发电机；所述余热换热器具有余热载体介质进、出口，工质进、出口； 所述泵的进口连通工质冷凝器的出口 ，泵的出口连通余热换热器的工质进 口；所述余热换热器的工质出口连通涡轮机的进口；所述涡轮机的出口连通 工质冷凝器的进口；涡轮机的输出轴连接发电机的输入轴。每一子装置配置 的换热工质，与该子装置的余热载体介质相适配。
本装置的一种改进方案是在涡轮机与工质冷凝器之间，还串联有回热 换热器，该回热换热器的汽相工质进口连通涡轮机的出口，汽相工质出口连 通工质冷凝器的进口；回热换热器的液相工质进口连通泵的出口，液相工质 出口连通余热换热器的工质进口 。
本装置的另一种改进方案是将所有子装置分成两两一组，每组具有一 高温子装置和一低温子装置；在高温子装置的涡轮机与工质冷凝器之间串联 回热换热器，该回热换热器的液相工质进口连通低温子装置泵的出口，液相 工质出口连通低温子装置余热换热器的工质进口 。
上述改进方案的进一步改进是在高温子装置的涡轮机与工质冷凝器之 间串联两个回热换热器，其中一个回热换热器的液相工质进口连通低温子装 置泵的出口，液相工质出口连通低温子装置余热换热器的工质进口；另一个 回热换热器的液相工质进口连通高温子装置泵的出口，液相工质出口连通高 温子装置余热换热器的工质进口 。
在本改进方案中在合适工况下，将高温和低温子装置中的冷凝器均替 换为汽液混合器，并其中预留部分液相工质，两个子装置中的汽相工质直接进入汽液混合器中冷凝。同时将低温子循环中泵的出口连通高温子循环中汽 液混合器(或前述方案中的冷凝器)液相进口，对冷凝温度相对较高的高温 子装置中的工质进行冷却。系统中其余所需的冷凝效果可由空冷、水冷或其 他冷凝方式来实现。
本发明的有益技术效果是
一. 可对一些分布范围较广、热功率总量较大但单个热功率较小的余热热 源进行利用；
二. 可实现设备小型化，以到达分布式能源利用；
三. 可使用不同工质进行组合工作，以获得不同工况下系统的最佳效率；
四. 可利用原先只能作为废热排出的能量，降低余热排放温度，较少热污 染，提高发电装置整体效率；
五. 各子系统具有较好的独立性，整体系统具有较好的稳定性。
图l是本装置的结构框图
图2是子装置分组实例一的结构图
图3是子装置分组实例二的结构图
图4是子装置分组实例三的结构图
图5是子装置分组实例四的结构图
图6是子装置分组实例五的结构图
图7是子装置分组实例六的结构图
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参见图l:本余热发电系统具有多个并列的子系统(1、 2、 3、 4…… n)，子系统的数量与分散余热热源的数量相同；各子系统配置的换热工质， 与该子系统的余热载体介质相适配，工质的露点低于该子系统余热载体介质 温度，工质包括氟利昂、垸烃类等有机工质和水、氨等无机工质等。子系统
发出的电能，分别调频、调压后并网，送给用电设备使用，或整流后送入蓄 电池存储。各子系统可以独立运行，也可划分成两两一组，每一组具有一高 温子系统和一低温子系统，将低温子系统的液相工质与高温子系统做功后的
汽相工质换热，预热后再送入低温子系统的余热换热器汽化；或将高、低温 子系统的液相工质都与高温子系统做功后的汽相工质分别换热，预热后再送 入各自的余热换热器汽化。
下面是子系统分组后的几种配置结构实例及其工作过程，分述如下。
实例一
如图2所示:对于高温子循环系统，工质由汽液混合器9中被增压泵10抽
出，输送至高温余热换热器l，加热气化后进入微型高速涡轮机2中，膨胀做 功，推动涡轮机2转动，从而带动与微型高速涡轮机2相连的微型高速电机3转 动发电。工质做功完毕后由涡轮机2中排出，进入汽液混合器9直接冷凝，然 后进入下一次循环。汽液混合器可根据实际情况确定冷却方式，可以是空 冷、水冷或其他冷凝方式；低温子循环系统，工质由汽液混合器7中被增压泵 8抽出，经过高温子循环中的汽液混合器9，然后输送至低温余热换热器4，加 热气化后进入微型高速涡轮机5中，膨胀做功，推动涡轮机5转动，从而带动 与微型高速涡轮机5相连的微型高速电机6转动发电。工质做功完毕后由涡轮 机5中排出，进入汽液混合器7直接冷凝，然后进入下一次循环。汽液混合器 可根据实际情况确定冷却方式，可以是空冷、水冷或其他冷凝方式。 实例二
如图3所示该系统循环工作方式与图2基本相同，区别在于高温、低温
子循环中加入了回热换热结构，液态工质在其中被涡轮机排气预热，具体
为对于高温子循环，微型高速涡轮机2中的排气将先进入回热换热器4后进
入汽液混合器ll,工质冷凝后经增压泵12再进入回热换热器4，被排气预热后 进入高温余热换热器l;对于低温子循环，微型高速涡轮机6中的排气将先进
入回热换热器8后进入汽液混合器9，工质冷凝后经增压泵10再进入汽液混合 器l 1 ，然后进入回热换热器8被排气预热后输送至低温余热换热器5。 实例三
如图4所示该系统工作方式与图3基本相同，区别在于在高温子循环中
加入了中间热交换器，对由低温子循环中回热器出来的工质再次预热，具体
为对于高温循环，微型高速涡轮机2中的排气进入中间热交换器4，然后进
入回热换热器ll,再进入汽液混合器12，冷凝后经增压泵13进入回热换热器 ll被排气预热后再进入高温余热换热器l;对于低温循环，微型高速涡轮机6 中的排气进入回热换热器8，再进入汽液混合器9，冷凝后经增压泵10进入汽 液混合器12，然后进入回热换热器8，被排气预热后进入中间热交换器4，再 进入低温余热换热器5。 实例四
如图5所示该结构与图2结构基本相同，区别在于用冷凝换热器10和储 液罐11代替了图2中的汽液混合器9，用冷凝换热器7和储液罐8代替了图2中的 汽液混合器7。
实例五
如图6所示该结构与图3结构基本相同，区别在于用冷凝换热器12和储 液罐13代替了图3中的汽液混合器11，用冷凝换热器9和储液罐10代替了图3中 的汽液混合器9。
实例六
如图7所示该结构与图4结构基本相同，区别在于用冷凝换热器13和储 液罐14代替了图4中的汽液混合器12，用冷凝换热器9和储液罐10代替了图4中 的汽液混合器9。
通过上述实例可以看出，本发明具有如下优点
子循环系统可以根据实际余热热源以及所选循环工质的特点来决定系统 中的部分结构，即决定汽液混合器、回热换热器、冷凝换热器和储液罐的搭 配或单独使用，以达到最佳的能量利用。汽液混合器与冷凝换热器主要区别
在于使用冷凝换热器对工质没有特殊要求，且不需要在冷凝换热器中预留部 分液态工质。
微型高速涡轮机和微型高速电机的转速非常高，从而其体积、重量相对 较小，并在工质流量较小时采用部分进汽以适应工况，同时保证制造上的可 行性。
两个子循环系统之间采用了中间热交换器或汽液混合器，将两个独立的 系统联接起来，将在高温子循环系统中原先无法利用的的废热甩来加热低温 子循环系统中的工质，提高了系统能量利用率。
部分结构中采用了回热结构，即用微型高速涡轮机的排气对由增压泵中 输出的工质进行预热，减少了工质冷凝时的热量损失，并提高了系统能量利 用率。
部分特定工况时系统中子循环系统中可采用汽液混合器，将经过回热换 热器后的微型高速涡轮机排气直接液化，以减少设备投入。同时，当工况合 适时，高温子循环系统中工质液化冷凝时放出的热量可由通过汽液混合器的 低温子循环中的工质吸收，能量利用更加充分。
可以选用不同的工质进行搭配，以适应具有不同特点的余热热源。系统 中高温和低温两个子循环系统之间通过中间热交换器或汽液混合器或冷凝器 联接在一起，但两个子系统中的工质是隔开的，只有能量交换而没有质量交 换，因此可以针对不同余热热源的特点采用合适的工质，包括氟利昂、垸烃 类等有机工质和水、氨等无机工质等。
权利要求
1.一种利用多个分散余热热源、多种余热载体介质发电的方法，设置一个余热发电系统，该系统具有多个并列的子系统，子系统的数量与分散余热热源的数量相同；每一子系统具有一由工质冷凝器、泵、余热换热器和涡轮机通过管道顺序连接构成的闭路循环装置，一与涡轮机连接的发电机；由泵驱动工质循环，由余热载体介质通过余热换热器向工质提供汽化能，通过汽相工质膨胀做功驱动涡轮机旋转，由涡轮机带动发电机发电，由冷凝器将做功后的汽相工质冷凝为液相；各子系统配置的换热工质，与该子系统的余热载体介质相适配。
2. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于将所述液相工质与做功后的 汽相工质换热，预热后再送入余热换热器汽化。
3. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于将所有子系统划分成两两一 组，每一组具有一高温子系统和一低温子系统；将低温子系统的液相工质与 高温子系统做功后的汽相工质换热，预热后再送入低温子系统的余热换热器 汽化；或将高、低温子系统的液相工质都与高温子系统做功后的汽相工质分 别换热，预热后再送入各自的余热换热器汽化。
4. 一种利用多个分散余热热源、多种余热载体介质发电的装置，包括多 个并列的子装置，子装置的数量与分散余热热源的数量相同；所述子装置具 有余热换热器、工质冷凝器、泵、涡轮机和发电机；所述余热换热器具有余 热载体介质进、出口，工质进、出口；所述泵的进口连通工质冷凝器的出 口，泵的出口连通余热换热器的工质进口；所述余热换热器的工质出口连通 涡轮机的进口，所述涡轮机的出口连通工质冷凝器的进口；所述涡轮机的输 出轴连接发电机的输入轴；每一子装置配置的换热工质，与该子装置的余热 载体介质相适配。
5. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于在涡轮机与工质冷凝器之 间，还串联有回热换热器，该回热换热器的汽相工质进口连通涡轮机的出 口，汽相工质出口连通工质冷凝器的进口；回热换热器的液相工质进口连通 泵的出口，液相工质出口连通余热换热器的工质进口。
6. 根据权利要求4所述的装置，其特征在于将所有子装置分成两两一组，每组具有一高温子装置和一低温子装置；在高温子装置的涡轮机与工质 冷凝器之间串联回热换热器，该回热换热器的液相工质进口连通低温子装置 泵的出口，液相工质出口连通低温子装置余热换热器的工质进口。
7. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于在高温子装置的涡轮机与工 质冷凝器之间串联两个回热换热器，其中一个回热换热器的液相工质进口连 通低温子装置泵的出口 ，液相工质出口连通低温子装置余热换热器的工质进 口；另一个回热换热器的液相工质进口连通高温子装置泵的出口，液相工质 出口连通高温子装置余热换热器的工质进口 。
全文摘要
本发明公开一种利用多个分散余热热源、多种余热载体介质发电的方法，设置一个余热发电系统，该系统具有多个并列的子系统，子系统的数量与分散余热热源的数量相同；每一子系统具有一由工质冷凝器、泵、余热换热器、涡轮机通过管道顺序连接构成的闭路循环装置，一与涡轮机连接的发电机；各子系统配置的换热工质，与该子系统的余热载体介质相适配；将所有子系统划分成两两一组，每一组具有一高温子系统和一低温子系统；将低温子系统的液相工质与高温子系统做功后的汽相工质换热，预热后再送入低温子系统的余热换热器汽化；或将高、低温子系统的液相工质都与高温子系统做功后的汽相工质分别换热，预热后再送入各自的余热换热器汽化。
文档编号F01K23/06GK101178018SQ20071005062
公开日2008年5月14日 申请日期2007年11月22日 优先权日2007年11月22日
发明者宇 商, 孔祥林, 奇 孙, 荻 张, 潘家成, 王建录, 谈芦益, 谢永慧 申请人:东方电气集团东方汽轮机有限公司;西安交通大学