一种提高有机朗肯循环发电能力的系统及方法与流程

本发明属于中低温热源发电技术领域，具体涉及一种在常规有机朗肯循环系统的基础上增设喷射泵调节传热窄点以提高有机朗肯循环发电能力的系统。

背景技术：

随着社会的发展，现代社会对传统能源的依赖日益加重，但是传统能源的储备有限，可持续能源太阳能，地热能进入人们的视野。同时，人们对自然资源的利用以及传统能源对环境造成的污染上的认知逐渐提高，将太阳能、风能、水能以及低温余热等这类低品位能源用于发电的系统逐渐兴起。低品位能源既能保证输出电能的总量，又可以通过将余热进行回收从而减少对环境污染，同时提高能源利用率。但是由于低品位能源与环境温度之间的温差较小，如将这种系统用于膨胀机做功发电，则循环工质的压差不能满足系统运行的需要，从而蒸汽推动膨胀机做功能力低。并且常规有机朗肯循环采用工质的工质曲线和传热窄点限制了输出功的极限，不能将低品位热源的能量完全利用。于是，本发明公开了一种可调节传热窄点以提高有机朗肯循环发电能力的系统。

技术实现要素：

本发明是在常规有机朗肯循环基础上，提出一种从预热器出口将工质分为主、辅两循环回路，调节传热窄点以提高有机朗肯循环发电能力的系统。

为实现上述目的，本发明提出的第一个技术方案是一种提高有机朗肯循环发电能力的系统，在常规有机朗肯循环基础上，调节传热窄点，在膨胀机与冷凝器之间串接一个喷射泵，预热器出口工质分为主、辅两循环回路；

预热器、蒸发器、膨胀机、喷射泵、冷凝器、工质泵串接构成主循环回路；

预热器、喷射泵、冷凝器、工质泵串接构成辅循环回路；

本发明的第二技术方案是一种提高有机朗肯循环发电能力的方法，采用权利要求1所述的系统，采用如下步骤：

1)通过调节主、辅两回路工质流量的比例，调节吸热部分工质传热窄点的位置，使传热窄点下移:

辅回路质量流量ml占总质量流量ml+mv的比例，可调节范围在0＜ml/(ml+mv)＜1之间；

2)降低热源的出口温度，增大热源的放热量：

热源出口温度比传统orc热源出口温度基础上更低，降低幅度最小可与传统orc相同、最大可降至比工质在预热器进口温度仅高一个窄点温差；

3)射泵出口工质的干度可调，增强工质与冷源之间的传热匹配性。

本发明方法具体流程步骤如下：

1)冷凝器出口的饱和液态工质经由工质泵加压到蒸发压力、流经预热器后将工质加热到饱和液体状态或非饱和液体状态；

2)该状态下工质分流成两部分质量流量不同的工质流：

一部分流经主回路通过蒸发器加热；

另一部分流经辅回路，作为喷射泵的工作流体进入喷射泵；

3)通过蒸发器的流体被加热到饱和气体状态再通过膨胀机等熵膨胀做功带动发电机发电；经膨胀后的排气作为被引射蒸汽进入喷射泵吸入口；

上述步骤3)中喷射泵的工作流体与膨胀后的排气在喷射泵内混合、扩压后排出；

4)进入冷凝器进行冷却，再经工质泵加压流经预热器形成一个循环过程。

本发明的有益效果是：本发明使膨胀机背压降低，工作压差增大，做功能力增强。另外，将预热器出口工质分为主、辅两循环回路。通过调节主、辅两回路工质流量的比例，调节吸热部分工质传热窄点的位置，使传热窄点下移，降低热源的出口温度，增大热源的放热量和工质与热源的传热匹配性，以提高循环的做功能力。同时喷射泵出口工质的干度可调，增强工质与冷源之间的传热匹配性。该系统增强了有机朗肯循环发电能力和传热过程匹配性，减少了有效能的损失。

附图说明

图1为本发明系统示意图；

图2为本发明系统的工质温熵图。

附图标记：1-蒸发器，2-膨胀机，3-喷射泵，4-冷凝器，5-工质泵，6-预热器，7-发电机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

由于，常规有机朗肯循环采用工质的工质曲线和传热窄点限制了有机朗肯循环的输出功，不能将低品位热源的能量完全利用。针对此问题，本发明公开了一种可调节传热窄点以提高有机朗肯循环发电能力的系统。

为实现上述目的，调节传热窄点以提高有机朗肯循环发电能力的系统，如图1所示具有预热器6、蒸发器1、膨胀机2、发电机7、喷射泵3、冷凝器4、工质泵5主要部件。为增大膨胀机工作前后的压差和调节传热过程的窄点，在常规有机朗肯循环基础上，在膨胀机2与冷凝器4之间串接一个喷射泵3。系统具体连接与工作流程为：预热器6、蒸发器1、膨胀机2、喷射泵3、冷凝器4、工质泵5串接构成主循环回路。预热器6、喷射泵3、冷凝器4、工质泵5串接构成辅循环回路。预热器6出口工质分为主、辅两循环回路。

该发明系统的工作过程为：冷凝器出口的饱和液态工质经由工质泵加压到蒸发压力、进入预热器后将工质加热到饱和液体状态。饱和液工质分流成两部分：一部分工质进入蒸发器加热后进入膨胀机做功发电；另一部分工质作为工作流体进入喷射泵引射膨胀机的出口排气，以降低膨胀机的出口压力，增大膨胀机做功能力。喷射泵的工作流体与膨胀机排气在喷射泵内混合、扩压后排出，然后进入冷凝器进行冷却，再经工质泵加压流经预热器形成一个循环过程。

以下是两种发电系统的对比。

方案一：本发明系统，选取纯工质r245fa(1,1,1,3,3-五氟丙烷)；

方案二：常规有机朗肯循环，采用纯工质r245fa(1,1,1,3,3-五氟丙烷)。

计算条件：热源以120℃的热水为代表，质量流量为1kg/s；冷却水进口温度25℃，冷却水出口温度30℃。方案一和方案二均采用r245fa为循环工质，两方案的热源/冷源条件相同。

表1

方案一：

1.冷凝器出口的工质为30℃的饱和液(4)，由工质泵加压到蒸发压力1.228mp(5)，再进入预热器加热，工质被加热到98.68℃，为在蒸发压力下饱和液体(6)。

2.预热器出口的饱和液工质(6)被分流成两部分，一部分通过主循环回路，该部分质量流量为mv＝0.484kg/s；另一部分通过辅循环回路，质量流量为ml＝2.40kg/s，二者的质量比为ml/mv＝5。

3.主循环回路中饱和液工质(6)经蒸发器加热至饱和气态(1)，温度为98.68℃，压力1.288mp。然后进入膨胀机做功。等熵膨胀后排气(2)与饱和液工质(6)在喷射泵内混合、扩压后排出(3)，该状态温度为35℃，压力为0.212mp。

4.喷射泵出口混合工质，进入冷凝器冷却到饱和液(4)，压力0.212mp，温度35℃。冷凝器出口的饱和液由工质泵加压送入预热器。如此完成一个循环。图2为本发明系统的工质温熵图。

如表1数据比较，在设定热源和冷源条件下，方案二为最大输出功的数据：得到：本发明系统比常规有机朗肯循环的做功能力提高了55％。