一种波动余热下恒频发电及机械储能调峰系统

本发明属于余热发电及热储能调峰，涉及到一种基于波动余热下恒频发电及机械储能调峰系统。

背景技术：

1、在钢铁、化工、有色冶金、水泥等众多工业领域的生产过程中会产生大量的波动余热，如果这些余热直接排放到空气中不仅会对环境有所影响，还会造成热量浪费。有机工质朗肯循环(orc)余热发电系统就能够实现低温余热回收和发电，最低余热资源温度可低到60℃。但大量波动余热余能具有低质、分散、波动性大等特点，在这种情况下，采用准同期并网方式的orc发电系统因缺乏膨胀机转速动态调整的能力，导致膨胀机转速和负荷不匹配，进而导致系统的变工况性能下降，发电效率降低。因此为实现并网状态下膨胀机转速的动态控制及波动热源下的高效运行，亟需探索或引进新的转速调控模式和余热的热流调控手段。

2、变速恒频技术是指在发电过程中发电机的转速可随膨胀机转速变化，通过其他控制方式来得到恒定的频率，通过调节发电机转子电流的大小、频率和相位等，实现转速的调节。该种技术被广泛的应用于的风力发电。常采用整流器和逆变器的组合进行调频，但当前的几种主流的逆变器发电都针对大功率电路设计，所需成本较高。为此需设计适用于小型orc系统的专用变频储能设备。

技术实现思路

1、针对上述现有技术，本发明提供一种基于波动余热下恒频发电及机械储能调峰系统，该系统能够适应波动的低质热源，高效稳定运行且达到储能调峰的作用。

2、为了解决上述技术问题，本发明提出的一种波动余热下恒频发电及机械储能调峰系统，包括储水箱、同步发电机、恒流电源、整流器、滑差电机、变频发电机、储能装置、和由冷却水塔、冷凝器、膨胀机和蒸发器构成的orc系统，所述整流器连接有控制器，所述冷却水塔与所述冷凝器的低温侧通过管道相连为一环路；所述冷凝器的低温侧出口与所述冷却水塔的进口之间的管路上设有蝶阀，自所述冷却水塔的出口至所述冷凝器的低温侧进口依次连接有第一水泵和第一蝶阀；自所述冷凝器的高温侧出口连接至所述蒸发器的低温侧入口的管路ⅰ上依次设有第二水泵和第二蝶阀；所述储水箱串联在管路ⅱ上，所述管路ⅱ的一端连接至所述蒸发器的高温侧进口，所述管路ⅱ的另一端连接至余热进水管，所述储水箱的两端口均分别设有一个蝶阀(19-23)；自所述蒸发器的高温侧出口连接至通向余热回水管的管路ⅲ上依次设有第三水泵和第三蝶阀；所述蒸发器的低温侧出口通过管路连接至所述膨胀机的入口，该管路上设有蝶阀，所述冷凝器的高温侧产生的冷凝水依次经过管路ⅰ和所述蒸发器的低温侧加热至蒸汽状态进入所述膨胀机，所述膨胀机的出口排出的乏汽被冷凝至液态；所述冷却水塔为所述冷凝器提供冷量；自所述膨胀机的出口连接至所述冷凝器的高温侧进口的管路ⅳ上依次设有第四水泵和第四蝶阀；所述膨胀机的传动轴a与第一自动离合器的一端相连，所述第一自动离合器的另一端与传动轴b的一端相连，所述传动轴b的另一端通过第一万向节与传动轴c相连，所述传动轴c的两端分别与第二自动离合器和第三自动离合器的一端相连；所述第三自动离合器的另一端通过第三万向节与传动轴e相连，所述传动轴e的另一端连接至所述储能装置；所述第二自动离合器的另一端通过第二万向节与传动轴d的一端相连，所述传动轴d的另一端与所述同步发电机相连；所述恒流电源连接所述同步发电机的励磁绕组，使得所述同步发电机的转子转动产生三相交流电源；所述整流器与所述滑差电机相连，所述滑差电机与所述变频发电机同轴连接，所述变频发电机产生50hz频率的三相交流电接入至所述变压器中，所述变压器将三相电流升压到380v并入电网中。

3、进一步讲，本发明所述的波动余热下恒频发电及机械储能调峰系统，其中：

4、所述控制器与所述整流器相连，所述控制器用于控制所述整流器实现特定大小的直流电转换。

5、所述整流器将所述同步发电机产生的交流电转换成特定大小的直流电驱动所述滑差电机使其达到所需转速。

6、由所述膨胀机输出机械能经所述传动轴a、传动轴b、传动轴c和传动轴e被所述储能装置接收，转化为弹性势能被储存起来。

7、所述储能装置所存储的机械能经所述传动轴e、传动轴c和传动轴d被所述同步发电机接收并产生变频变压三相电流。

8、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

9、本发明所提出的一种波动余热下恒频发电及机械储能调峰系统能够在波动余热下输出恒定可用的电能。相较于传统的发电系统，由于不需要控制同步发电机转速稳定，能够实现变温运行，转换效率更高。同时在用电低谷时通过弹性势能可将能量储存起来，在用电高峰时再将其转化为电能，更大程度的实现了能量的回收利用。

技术特征：

1.一种波动余热下恒频发电及机械储能调峰系统，包括储水箱(20)、同步发电机(10)、恒流电源(11)、整流器(12)、滑差电机(14)、变频发电机(15)、储能装置(6)、和由冷却水塔(3)、冷凝器(2)、膨胀机(24)和蒸发器(18)构成的orc系统，所述整流器(12)连接有控制器(13)；其特征在于，

2.根据权利要求1所述的波动余热下恒频发电及机械储能调峰系统，其特征在于，所述控制器(13)与所述整流器(12)相连，所述控制器(13)用于控制所述整流器(12)实现特定大小的直流电转换。

3.根据权利要求2所述的波动余热下恒频发电及机械储能调峰系统，其特征在于，所述整流器(12)将所述同步发电机(10)产生的交流电转换成特定大小的直流电驱动所述滑差电机(14)使其达到所需转速。

4.根据权利要求1所述的波动余热下恒频发电及机械储能调峰系统，其特征在于，由所述膨胀机(24)输出机械能经所述传动轴a、传动轴b、传动轴c和传动轴e被所述储能装置(6)接收，转化为弹性势能被储存起来。

5.根据权利要求1所述的波动余热下恒频发电及机械储能调峰系统，其特征在于，所述储能装置(6)所存储的机械能经所述传动轴e、传动轴c和传动轴d被所述同步发电机(10)接收并产生变频变压三相电流。

技术总结
本发明公开了一种波动余热下恒频发电及机械储能调峰系统，包括储水箱、同步发电机、恒流电源、整流器、滑差电机、变频发电机、储能装置、和由冷却水塔、冷凝器、膨胀机和蒸发器构成的ORC系统，整流器连接有控制器，控制器用于控制整流器实现特定大小的直流电转以驱动滑差电机使其达到所需转速。由膨胀机输出机械能经一路被储能装置接收，转化为弹性势能被储存起来。储能装置所存储的机械能经另一路被同步发电机接收并产生变频变压三相电流。通过控制阀门开合及水泵的启停，整流器和变压器的状态，以实现不同的功能。在用电高峰时进行发电并网，在用电低谷时进行机械储能；在波动余热不足时使用储存的机械能进行发电并网。

技术研发人员：于晓慧,马瑞强
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13