利用多個分散餘熱熱源、多種餘熱載體介質發電的方法及裝置的製作方法

2023-06-16 06:22:11 1

專利名稱：利用多個分散餘熱熱源、多種餘熱載體介質發電的方法及裝置的製作方法
利用多個分散餘熱熱源、多種餘熱載體介質發電的方法及裝置 賊鄉
本發明涉及餘熱發電技術，尤其涉及一種利用分布範圍較廣、熱功率總 量較大但單個熱功率較小且餘熱載體介質呈多樣性的餘熱熱源發電的方法及
裝置。
背景技術：
我國是一個能源生產和消費大國，能源生產量僅次於美國和俄羅斯，居
世界第三位；基本能源消費佔世界總消費量的1/10，僅次於美國，居世界第 二位。但我國能源利用率不高， 一些發達國家能源利用率都在50%以上，美國 的能源利用率已超過60%，而我國只有30%左右。據統計，2003年我國的能源 消耗強度是日本的6.9倍，德國的4.3倍，美國的3.3倍，遠遠高於世界發達國 家的能源消耗強度。根據調査，各行業的餘熱總資源約佔其燃料消耗總量的 17% 67%,而可回收利用的餘熱資源約為餘熱總資源的60%。因此，對餘熱利 用進行深入的研究，對於節約能源，提高能源利用率，建立合理的能源架 構，保護生態環境具有極為重要的意義。
目前只是對大型工礦企業熱功率較大的集中餘熱加以利用，而對熱功率 較小的大量分散餘熱(各種生活餘熱，如汽車尾氣、發動機冷卻水等)尚未 利用，事實上，各種小功率分散餘熱的總量遠遠大於大功率集中餘熱，因 此，研發小功率分散餘熱回收利用技術，成為當前的重要任務，是建設節約 型社會的關鍵環節之一。
限於上述餘熱利用狀況，現有的餘熱發電裝置多是大型成套設備，只適 用於某一種具體的餘熱載體介質，其配備工作介質也是特定的，不能同時利 用幾種餘熱載體介質的熱量發電。尤其是，因裝置是一個孤立系統，做功後 的汽相工質(即渦輪機排汽)溫度仍然較高，蘊含很多熱量，餘熱利用不充 分，將其冷凝還得另外耗能，經濟性差。

發明內容
本發明的目的，是提供一種可充分利用多個分散餘熱熱源、多種餘熱載 體介質發電的方法及裝置。
本發明的技術解決方案是
一種利用多個分散餘熱熱源、多種餘熱載體介質發電的方法，設置一個 餘熱發電系統，該系統具有多個並列的子系統，子系統的數量與分散餘熱熱 源的數量相同；每一子系統具有一由工質冷凝器、泵、餘熱換熱器、渦輪機 通過管道順序連接構成的閉路循環裝置， 一與渦輪機連接的發電機；由泵驅 動工質循環，由余熱載體介質通過餘熱換熱器向工質提供汽化能，通過汽相 工質膨脹做功驅動渦輪機旋轉，由渦輪機帶動發電機發電，由冷凝器將做功 後的汽相工質冷凝為液相；各子系統配置的換熱工質，與該子系統的餘熱載 體介質相適配，工質的露點低於該子系統餘熱載體介質溫度。
將所述液相工質與做功後的汽相工質換熱，預熱後再送入餘熱換熱器汽化。
將所有子系統劃分成兩兩一組，每一組具有一高溫子系統和一低溫子系 統，將低溫子系統的液相工質與高溫子系統做功後的汽相工質換熱，預熱後 再送入低溫子系統的餘熱換熱器汽化；或將高、低溫子系統的液相工質都與 高溫子系統做功後的汽相工質分別換熱，預熱後再送入各自的餘熱換熱器汽 化。
所有子系統發出的電能，分別調頻、調壓後併網，送給用電設備使用， 或整流後送入蓄電池存儲。
所述餘熱載體介質是各種氣相、液相介質，如各種物質的蒸汽、熱空 氣、熱水等，或可流動的粉末狀固相介質，如水泥熟料、鑄造砂等；所述工
質是各種液相介質，如水、氟利昂、氨、各種垸烴類工質以及其它有機工 質。
用於上述方法的裝置，包括多個並列的子裝置，子裝置的數量與分散餘
熱熱源的數量相同；所述子裝置具有餘熱換熱器、工質冷凝器、泵、渦輪 機、發電機；所述餘熱換熱器具有餘熱載體介質進、出口，工質進、出口； 所述泵的進口連通工質冷凝器的出口 ，泵的出口連通餘熱換熱器的工質進 口；所述餘熱換熱器的工質出口連通渦輪機的進口；所述渦輪機的出口連通 工質冷凝器的進口；渦輪機的輸出軸連接發電機的輸入軸。每一子裝置配置 的換熱工質，與該子裝置的餘熱載體介質相適配。
本裝置的一種改進方案是在渦輪機與工質冷凝器之間，還串聯有回熱 換熱器，該回熱換熱器的汽相工質進口連通渦輪機的出口，汽相工質出口連 通工質冷凝器的進口；回熱換熱器的液相工質進口連通泵的出口，液相工質 出口連通餘熱換熱器的工質進口 。
本裝置的另一種改進方案是將所有子裝置分成兩兩一組，每組具有一 高溫子裝置和一低溫子裝置；在高溫子裝置的渦輪機與工質冷凝器之間串聯 回熱換熱器，該回熱換熱器的液相工質進口連通低溫子裝置泵的出口，液相 工質出口連通低溫子裝置餘熱換熱器的工質進口 。
上述改進方案的進一步改進是在高溫子裝置的渦輪機與工質冷凝器之 間串聯兩個回熱換熱器，其中一個回熱換熱器的液相工質進口連通低溫子裝 置泵的出口，液相工質出口連通低溫子裝置餘熱換熱器的工質進口；另一個 回熱換熱器的液相工質進口連通高溫子裝置泵的出口，液相工質出口連通高 溫子裝置餘熱換熱器的工質進口 。
在本改進方案中在合適工況下，將高溫和低溫子裝置中的冷凝器均替 換為汽液混合器，並其中預留部分液相工質，兩個子裝置中的汽相工質直接進入汽液混合器中冷凝。同時將低溫子循環中泵的出口連通高溫子循環中汽 液混合器(或前述方案中的冷凝器)液相進口，對冷凝溫度相對較高的高溫 子裝置中的工質進行冷卻。系統中其餘所需的冷凝效果可由空冷、水冷或其 他冷凝方式來實現。
本發明的有益技術效果是
一. 可對一些分布範圍較廣、熱功率總量較大但單個熱功率較小的餘熱熱 源進行利用；
二. 可實現設備小型化，以到達分布式能源利用；
三. 可使用不同工質進行組合工作，以獲得不同工況下系統的最佳效率；
四. 可利用原先只能作為廢熱排出的能量，降低餘熱排放溫度，較少熱汙 染，提高發電裝置整體效率；
五. 各子系統具有較好的獨立性，整體系統具有較好的穩定性。
圖l是本裝置的結構框圖
圖2是子裝置分組實例一的結構圖
圖3是子裝置分組實例二的結構圖
圖4是子裝置分組實例三的結構圖
圖5是子裝置分組實例四的結構圖
圖6是子裝置分組實例五的結構圖
圖7是子裝置分組實例六的結構圖
靴鄉討
參見圖l:本餘熱發電系統具有多個並列的子系統(1、 2、 3、 4…… n)，子系統的數量與分散餘熱熱源的數量相同；各子系統配置的換熱工質， 與該子系統的餘熱載體介質相適配，工質的露點低於該子系統餘熱載體介質 溫度，工質包括氟利昂、垸烴類等有機工質和水、氨等無機工質等。子系統
發出的電能，分別調頻、調壓後併網，送給用電設備使用，或整流後送入蓄 電池存儲。各子系統可以獨立運行，也可劃分成兩兩一組，每一組具有一高 溫子系統和一低溫子系統，將低溫子系統的液相工質與高溫子系統做功後的
汽相工質換熱，預熱後再送入低溫子系統的餘熱換熱器汽化；或將高、低溫 子系統的液相工質都與高溫子系統做功後的汽相工質分別換熱，預熱後再送 入各自的餘熱換熱器汽化。
下面是子系統分組後的幾種配置結構實例及其工作過程，分述如下。
實例一
如圖2所示:對於高溫子循環系統，工質由汽液混合器9中被增壓泵10抽
出，輸送至高溫餘熱換熱器l，加熱氣化後進入微型高速渦輪機2中，膨脹做 功，推動渦輪機2轉動，從而帶動與微型高速渦輪機2相連的微型高速電機3轉 動發電。工質做功完畢後由渦輪機2中排出，進入汽液混合器9直接冷凝，然 後進入下一次循環。汽液混合器可根據實際情況確定冷卻方式，可以是空 冷、水冷或其他冷凝方式；低溫子循環系統，工質由汽液混合器7中被增壓泵 8抽出，經過高溫子循環中的汽液混合器9，然後輸送至低溫餘熱換熱器4，加 熱氣化後進入微型高速渦輪機5中，膨脹做功，推動渦輪機5轉動，從而帶動 與微型高速渦輪機5相連的微型高速電機6轉動發電。工質做功完畢後由渦輪 機5中排出，進入汽液混合器7直接冷凝，然後進入下一次循環。汽液混合器 可根據實際情況確定冷卻方式，可以是空冷、水冷或其他冷凝方式。 實例二
如圖3所示該系統循環工作方式與圖2基本相同，區別在於高溫、低溫
子循環中加入了回熱換熱結構，液態工質在其中被渦輪機排氣預熱，具體
為對於高溫子循環，微型高速渦輪機2中的排氣將先進入回熱換熱器4後進
入汽液混合器ll,工質冷凝後經增壓泵12再進入回熱換熱器4，被排氣預熱後 進入高溫餘熱換熱器l;對於低溫子循環，微型高速渦輪機6中的排氣將先進
入回熱換熱器8後進入汽液混合器9，工質冷凝後經增壓泵10再進入汽液混合 器l 1 ，然後進入回熱換熱器8被排氣預熱後輸送至低溫餘熱換熱器5。 實例三
如圖4所示該系統工作方式與圖3基本相同，區別在於在高溫子循環中
加入了中間熱交換器，對由低溫子循環中回熱器出來的工質再次預熱，具體
為對於高溫循環，微型高速渦輪機2中的排氣進入中間熱交換器4，然後進
入回熱換熱器ll,再進入汽液混合器12，冷凝後經增壓泵13進入回熱換熱器 ll被排氣預熱後再進入高溫餘熱換熱器l;對於低溫循環，微型高速渦輪機6 中的排氣進入回熱換熱器8，再進入汽液混合器9，冷凝後經增壓泵10進入汽 液混合器12，然後進入回熱換熱器8，被排氣預熱後進入中間熱交換器4，再 進入低溫餘熱換熱器5。 實例四
如圖5所示該結構與圖2結構基本相同，區別在於用冷凝換熱器10和儲 液罐11代替了圖2中的汽液混合器9，用冷凝換熱器7和儲液罐8代替了圖2中的 汽液混合器7。
實例五
如圖6所示該結構與圖3結構基本相同，區別在於用冷凝換熱器12和儲 液罐13代替了圖3中的汽液混合器11，用冷凝換熱器9和儲液罐10代替了圖3中 的汽液混合器9。
實例六
如圖7所示該結構與圖4結構基本相同，區別在於用冷凝換熱器13和儲 液罐14代替了圖4中的汽液混合器12，用冷凝換熱器9和儲液罐10代替了圖4中 的汽液混合器9。
通過上述實例可以看出，本發明具有如下優點
子循環系統可以根據實際餘熱熱源以及所選循環工質的特點來決定系統 中的部分結構，即決定汽液混合器、回熱換熱器、冷凝換熱器和儲液罐的搭 配或單獨使用，以達到最佳的能量利用。汽液混合器與冷凝換熱器主要區別
在於使用冷凝換熱器對工質沒有特殊要求，且不需要在冷凝換熱器中預留部 分液態工質。
微型高速渦輪機和微型高速電機的轉速非常高，從而其體積、重量相對 較小，並在工質流量較小時採用部分進汽以適應工況，同時保證製造上的可 行性。
兩個子循環系統之間採用了中間熱交換器或汽液混合器，將兩個獨立的 系統聯接起來，將在高溫子循環系統中原先無法利用的的廢熱甩來加熱低溫 子循環系統中的工質，提高了系統能量利用率。
部分結構中採用了回熱結構，即用微型高速渦輪機的排氣對由增壓泵中 輸出的工質進行預熱，減少了工質冷凝時的熱量損失，並提高了系統能量利 用率。
部分特定工況時系統中子循環系統中可採用汽液混合器，將經過回熱換 熱器後的微型高速渦輪機排氣直接液化，以減少設備投入。同時，當工況合 適時，高溫子循環系統中工質液化冷凝時放出的熱量可由通過汽液混合器的 低溫子循環中的工質吸收，能量利用更加充分。
可以選用不同的工質進行搭配，以適應具有不同特點的餘熱熱源。系統 中高溫和低溫兩個子循環系統之間通過中間熱交換器或汽液混合器或冷凝器 聯接在一起，但兩個子系統中的工質是隔開的，只有能量交換而沒有質量交 換，因此可以針對不同餘熱熱源的特點採用合適的工質，包括氟利昂、垸烴 類等有機工質和水、氨等無機工質等。
權利要求
1.一種利用多個分散餘熱熱源、多種餘熱載體介質發電的方法，設置一個餘熱發電系統，該系統具有多個並列的子系統，子系統的數量與分散餘熱熱源的數量相同；每一子系統具有一由工質冷凝器、泵、餘熱換熱器和渦輪機通過管道順序連接構成的閉路循環裝置，一與渦輪機連接的發電機；由泵驅動工質循環，由余熱載體介質通過餘熱換熱器向工質提供汽化能，通過汽相工質膨脹做功驅動渦輪機旋轉，由渦輪機帶動發電機發電，由冷凝器將做功後的汽相工質冷凝為液相；各子系統配置的換熱工質，與該子系統的餘熱載體介質相適配。
2. 根據權利要求l所述的方法，其特徵在於將所述液相工質與做功後的 汽相工質換熱，預熱後再送入餘熱換熱器汽化。
3. 根據權利要求l所述的方法，其特徵在於將所有子系統劃分成兩兩一 組，每一組具有一高溫子系統和一低溫子系統；將低溫子系統的液相工質與 高溫子系統做功後的汽相工質換熱，預熱後再送入低溫子系統的餘熱換熱器 汽化；或將高、低溫子系統的液相工質都與高溫子系統做功後的汽相工質分 別換熱，預熱後再送入各自的餘熱換熱器汽化。
4. 一種利用多個分散餘熱熱源、多種餘熱載體介質發電的裝置，包括多 個並列的子裝置，子裝置的數量與分散餘熱熱源的數量相同；所述子裝置具 有餘熱換熱器、工質冷凝器、泵、渦輪機和發電機；所述餘熱換熱器具有餘 熱載體介質進、出口，工質進、出口；所述泵的進口連通工質冷凝器的出 口，泵的出口連通餘熱換熱器的工質進口；所述餘熱換熱器的工質出口連通 渦輪機的進口，所述渦輪機的出口連通工質冷凝器的進口；所述渦輪機的輸 出軸連接發電機的輸入軸；每一子裝置配置的換熱工質，與該子裝置的餘熱 載體介質相適配。
5. 根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於在渦輪機與工質冷凝器之 間，還串聯有回熱換熱器，該回熱換熱器的汽相工質進口連通渦輪機的出 口，汽相工質出口連通工質冷凝器的進口；回熱換熱器的液相工質進口連通 泵的出口，液相工質出口連通餘熱換熱器的工質進口。
6. 根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於將所有子裝置分成兩兩一組，每組具有一高溫子裝置和一低溫子裝置；在高溫子裝置的渦輪機與工質 冷凝器之間串聯回熱換熱器，該回熱換熱器的液相工質進口連通低溫子裝置 泵的出口，液相工質出口連通低溫子裝置餘熱換熱器的工質進口。
7. 根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於在高溫子裝置的渦輪機與工 質冷凝器之間串聯兩個回熱換熱器，其中一個回熱換熱器的液相工質進口連 通低溫子裝置泵的出口 ，液相工質出口連通低溫子裝置餘熱換熱器的工質進 口；另一個回熱換熱器的液相工質進口連通高溫子裝置泵的出口，液相工質 出口連通高溫子裝置餘熱換熱器的工質進口 。
全文摘要
本發明公開一種利用多個分散餘熱熱源、多種餘熱載體介質發電的方法，設置一個餘熱發電系統，該系統具有多個並列的子系統，子系統的數量與分散餘熱熱源的數量相同；每一子系統具有一由工質冷凝器、泵、餘熱換熱器、渦輪機通過管道順序連接構成的閉路循環裝置，一與渦輪機連接的發電機；各子系統配置的換熱工質，與該子系統的餘熱載體介質相適配；將所有子系統劃分成兩兩一組，每一組具有一高溫子系統和一低溫子系統；將低溫子系統的液相工質與高溫子系統做功後的汽相工質換熱，預熱後再送入低溫子系統的餘熱換熱器汽化；或將高、低溫子系統的液相工質都與高溫子系統做功後的汽相工質分別換熱，預熱後再送入各自的餘熱換熱器汽化。
文檔編號F01K23/06GK101178018SQ20071005062
公開日2008年5月14日 申請日期2007年11月22日 優先權日2007年11月22日
發明者宇 商, 孔祥林, 奇 孫, 荻 張, 潘家成, 王建錄, 談蘆益, 謝永慧 申請人:東方電氣集團東方汽輪機有限公司;西安交通大學