具有在线排气装置的低品位余热ORC发电系统的制作方法

具有在线排气装置的低品位余热orc发电系统
技术领域
1.本发明涉及发电领域，尤其是涉及一种具有在线排气装置的低品位余热有机工质朗肯循环发电系统(简称“orc发电系统”)。


背景技术：

2.近年来，我国工业领域内的余热资源，特别是高温和中温余热资源利用取得显着效果。随着节能工作的不断深入，低温余热资源的利用日益成为节能工作的一个热点和难点，对于工业中大量存在的200℃，甚至300℃以下的低品位余热，难以使用常规的蒸汽/饱和蒸汽/热水作为工质进行发电利用。这时候，可以考虑采用有机工质朗肯循环发电技术方案。
3.有机朗肯循环(orc)不是用水作工质，而是使用低沸点的有机物为工质来吸收废气余热，汽化，进入汽轮机膨胀做功，带动发电机发电，系统简单紧凑。目前采用的工质有机工质有五氟丙烷、正丁烷、氯乙烷等低温沸点有机物，也有的采用有机工质的混合物。
4.在常规的水蒸气汽轮机发电技术中，高压水蒸汽进入汽轮机膨胀做功后，汽轮机的乏气进入冷凝器进行冷却，冷凝成凝结水。在冷凝器的上方有真空连接管，对冷凝器进行抽真空，抽取冷凝器的不凝结气体，保证正常运行的真空度。如若不进行抽真空操作的话，就会破坏机组冷凝器的真空度，降低汽轮机发电效率。
5.参见图1，目前orc发电系统包括膨胀透平机1、联轴器2、发电机3、冷凝器4、工质升压泵5、预热蒸发器6、第一阀门7、有机工质排气装置8、冷却塔9、余热装置10、第一管道11、第二管道12、第三管道13、第四管道14、第五管道15、第六管道16、第七管道17、第八管道18、轴21和冷却水循环泵47。其中，膨胀透平机1通过联轴器2和轴21与发电机3相连，膨胀透平机1通过第五管道15与冷凝器4顶部中间位置相连，冷凝器4顶部通过第十管道20与有机工质排气装置8相连，冷却塔9通过第八管道18、第九管道19与冷凝器4侧面相连，冷凝器4底部通过第四管道14与工质升压泵5进口相连，工质升压泵5出口通过第三管道13与预热蒸发器6工质侧入口相连，预热蒸发器6工质侧出口通过第二管道12与第一阀门7相连，余热装置10通过第六管道16、第七管道17与预热蒸发器6相连，第一阀门7通过第一管道11与膨胀透平机1进口相连。由于orc发电系统中，高压有机工质蒸汽进入膨胀透平机1膨胀做功后，膨胀透平机1的乏气进入冷凝器4进行冷却，冷凝成液态有机工质。膨胀透平机1的乏气排气压力属于正压，不是负压或者真空状态，没有真空系统。若安装真空系统的话，有机工质的气体会被真空装置抽走，损失大量的有机工质。但是依然存在大量的不凝结气体，不及时排出的话，会增加冷却水循环泵47的耗电量和降低orc发电系统的发电效率。
6.冷凝器4中的不凝结气体来源：第一、orc发电系统在机组启动前，需要对整个发电系统抽真空。在行业应用中现有的抽真空设备不能达到极限真空度，整个发电系统中会存在近5％的残余空气。第二、orc发电系统运行的过程中，有机工质不断持续地蒸发，膨胀做功后进行冷凝，会有不凝结气体产生。
7.冷凝器4中的不凝结气体的危害，第一、不凝结气体在冷凝器中越积越多，会附着
在冷凝器4中的换热管表面上，增加换热阻力，降低换热效果。为了满足发电系统的冷却效果，需要增加冷却水量，从而增加了冷却水循环泵47的耗电量。第二、冷凝器4壳程的气体是由膨胀透平机1的排气和不凝结气体组成，不凝结气体不断的增加，占比就会增大，分压力就会变大，膨胀透平机1的排气不变的情况下，也会导致膨胀透平机1的排气压力升高，降低发电效率，减少发电量。orc发电系统中不凝结气体在机组运行时，造成了机组发电量下降，自耗电量增加的影响。
8.冷凝器4壳程中不仅存在不凝结气体，而且存在大量有机工质的气体和液体。壳程的气体压力高于大气压力。在orc发电系统中，通常在0.2mpa左右。常压下的有机工质的沸点很低，一般都低于大气气温20℃。在目前orc发电行业中经常使用的有机工质是r245fa，常压下的沸点是14℃。冷凝器4壳程直接安装排空阀进行排气的话，不凝结气体被排除的同时，有机工质的气体会直接排至大气中，有机工质的液体会气化，也会排放至大气中。
9.另外，现有技术往往需要定时停机进行人工排气操作，这极大地降低了发电系统的工作效率。


技术实现要素：

10.为解决上述问题，本技术提供了一种具有在线排气装置的低品位余热orc发电系统，包括用于分别完成膨胀、冷凝、压缩、加热的有机朗肯循环四个过程的膨胀透平机、冷凝器、工质升压泵、预热蒸发器，以及用于将膨胀做功产生的机械能转换成电能的发电机，其特征在于还包括有机工质排气装置，有机工质排气装置通过管道连接到冷凝器上。
11.可选地，有机工质排气装置包括分离器，用于将来自冷凝器的不凝结气体和气态有机工质的混合气体进行处理，分离成不凝结气体和液态有机工质，以便将不凝结气体排出和/或将液态有机工质回收至冷凝器中。
12.可选地，有机工质排气装置还包括：集气联箱、冷水装置、压缩气体集箱、第一压力测量装置、第二压力测量装置、第三压力测量装置、温度测量装置、液位测量装置、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门以及冷却换热管组，其中：
13.第二阀门与冷凝器相连，第一压力测量装置与冷凝器相连，用于测量冷凝器的壳程压力；温度测量装置与冷凝器相连，用于测量冷凝器的有机工质的液体温度；第二阀门与分离器相连，液位测量装置设置在分离器中，用于测量分离器中液态有机工质的液位；分离器与第三阀门相连，第二压力测量装置与分离器相连，用于测量分离器的压力；分离器内部连接冷却换热管组，冷却换热管组与冷水装置相连，第三阀门与集气联箱相连，集气联箱与第四阀门相连，第三压力测量装置与集气联箱相连，用于测量集气联箱的压力。
14.可选地，温度测量装置的测量值小于冷凝器的壳程压力对应的有机工质饱和温度时，有机工质排气装置启动排气操作，直至温度测量装置的测量值等于冷凝器的壳程压力对应的有机工质饱和温度，停止排气操作。
15.可选地，启动排气操作包括：确认第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门处于关闭状态；冷水装置处于正常运行状态；保证冷却换热管组正常通流状态；
16.打开第二阀门，当第二压力测量装置的测量值等于第一压力测量装置的测量值时，关闭第二阀门，当第二压力测量装置的测量值小于第一压力测量装置的测量值时，再次打开第二阀门，等待第二压力测量装置的测量值等于第一压力测量装置的测量值时，再次
关闭第二阀门；当液位测量装置的液位测量值达到第一预定值时，关闭第二阀门，打开第三阀门；当第二压力测量装置的测量值等于第三压力测量装置的测量值时，关闭第三阀门；打开第四阀门，反复打开、关闭第二阀门和第三阀门，等待第二压力测量装置的测量值和第三压力测量装置的测量值均为0时，关闭第二阀门和第三阀门，实现orc发电系统不凝结气体的排放。
17.另外，有机工质排气装置进一步包括压缩气体集箱,其通过第五阀门与分离器相连。
18.另外，进一步包括分离器中的液态有机工质回流至冷凝器的操作，包括打开第五阀门，压缩气体集箱对分离器内进行冲压，当第二压力测量装置的测量值为第一压力测量装置的测量值的预定倍数时，关闭第五阀门，缓慢开启第二阀门，当液位测量装置的液位测量值达到第二预定值时，迅速关闭第二阀门，防止分离器中的气体回流进入冷凝器。
19.可选地，液位测量装置的第一预定值为50％。
20.可选地，液位测量装置的第二预定值为10％。
21.可选地，预定倍数为2到2.5。
22.可选地，本系统还包括消音器，与第四阀门相连接。
23.而且本发明的具有在线排气装置的低品位余热orc发电系统通过有机工质在线排气装置将来自冷凝器的不凝结气体和气态有机工质的混合气体进行处理，分离成不凝结气体和液态有机工质，并及时在线自动排出orc发电系统中的不凝结气体，不仅能够降低冷却循环水泵的耗电量，而且提高orc发电系统的发电效率，进一步增大机组的发电量。
24.另外，将液态有机工质回收至冷凝器中，进一步提高了有机工质的利用率，并减少了气体排放，实现了进一步的节能减排。
附图说明
25.图1现有技术所提供的有机工质朗肯循环发电系统的示意图；
26.图2本发明的所提供的具有排气装置的低品位余热有机工质朗肯循环发电系统的示意图；
27.图3示出的是本发明所提供的低沸点有机工质排气装置示意图；
28.图中：膨胀透平机1；联轴器2；发电机3；冷凝器4；工质升压泵5；预热蒸发器6；第一阀门7；有机工质排气装置8；冷却塔9；余热装置10；第一管道11；第二管道12；第三管道13；第四管道14；第五管道15；第六管道16；第七管道17；第八管道18；第九管道19；第十管道20；轴21；分离器22；集气联箱23；冷水装置24；压缩气体集箱25；第一压力测量装置26；第二压力测量装置27；第三压力测量装置28；温度测量装置29；液位测量装置30；第二阀门31；第三阀门32；第四阀门33；第五阀门34；消音器35；冷却换热管组36；第十一管道37；第十二管道38；第十三管道39；第十四管道40；第十五管道41；第十六管道42；第十七管道43；第十八管道44；第十九管道45；第二十管道46；冷却水循环泵47。
具体实施方式
29.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的
实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或者类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
31.下面参考图2和图3描述根据本发明实施例的一种具有排气装置的低品位余热有机朗肯循环发电系统(下文简称orc发电系统)。
32.如图2所示，本发明实施例的具有在线排气装置的orc发电系统包括膨胀透平机1、联轴器2、发电机3、冷凝器4、工质升压泵5、预热蒸发器6、第一阀门7、有机工质排气装置8、冷却塔9、余热装置10、第一管道11、第二管道12、第三管道13、第四管道14、第五管道15、第六管道16、第七管道17、第八管道18、第九管道19、第十管道20、轴21和冷却水循环泵47。
33.膨胀透平机1通过联轴器2和轴21与发电机3相连，膨胀透平机1通过第五管道15与冷凝器4顶部中间位置相连，冷凝器4顶部通过第十管道20与有机工质排气装置8相连，冷却塔9通过第八管道18、第九管道19与冷凝器4侧面相连，冷凝器4底部通过第四管道14与工质升压泵5进口相连，工质升压泵5出口通过第三管道13与预热蒸发器6工质侧入口相连，预热蒸发器6工质侧出口通过第二管道12与第一阀门7相连，余热装置10通过第六管道16、第七管道17与预热蒸发器6相连，第一阀门7通过第一管道11与膨胀透平机1进口相连。
34.需要解释膨胀透平机1除了图中标识的进出口外，还包括润滑油系统的各个接口；工质升压泵5还包括冷却装置的相关的端口；发电机3还包括冷却装置的相关端口。冷却装置9可以为水冷方式，也可以为空冷方式，包含冷却水强制循环的水泵。
35.有机工质排气装置8包括：分离器22、集气联箱23、冷水装置24、第一压力测量装置26、第二压力测量装置27、第三压力测量装置28、温度测量装置29、液位测量装置30、第二阀门31、第三阀门32、第四阀门33、第五阀门34、消音器35、冷却换热管组36、第十一管道37、第十二管道38、第十三管道39、第十四管道40、第十五管道41、第十六管道42、第十七管道43和第十八管道44。
36.分离器22是整个有机工质排气装置8的关键核心设备，具有有机工质气体和不凝结气体分离作用和储存作用。
37.从冷凝器4有机工质气体和不凝结气体的混合气同时进入分离器22中，可通过普通冷却、长时间静态放置或者压缩等方式在分离器22中实现有机工质气体和不凝结气体分离的效果。
38.以下通过在分离器22中采用普通冷却方式实现有机工质气体和不凝结气体分离作为实施例来描述本发明。分离器22属于压力容器，其结构包含外壳、冷却换热管组36、液位测量装置30和第二压力测量装置27，并包含充压接口、排气接口、有机工质回收接口以及冷却换热管组36的冷水进、出接口。当冷凝器4的有机工质气体和不凝结气体的混合气共同进入分离器22时，冷水通过接口进入冷却换热管组36与混合气进行热交换，有机工质气体冷却凝结成液体，致使混合气中只有不凝结气体，达到有机工质气体和不凝结气体的分离。液态的有机工质暂时存储在分离器22中。
39.冷凝器4通过第十管道20与有机工质排气装置8的第二阀门31相连，冷凝器4顶部与第一压力测量装置26相连，冷凝器4底部设置有温度测量装置29相连，用于冷凝器4中的
有机工质的液体温度；第二阀门31通过第十一管道37与分离器22底部相连，液位测量装置30与分离器22底部相连，分离器22顶部通过第十四管道40与第三阀门32相连，分离器22顶部与第二压力测量装置27相连，分离器22内部连接冷却换热管组36，冷却换热管组36通过第十二管道38、第十三管道39与冷水装置24相连，第三阀门32通过第十五管道41与集气联箱23相连，集气联箱23通过第十六管道42与第四阀门33相连，集气联箱23顶部与第三压力测量装置28相连。
40.可选地，还可以设置分离器22上部通过第十九管道45与第五阀门34相连，第五阀门34通过第二十管道46与压缩气体集箱25相连，以实现回收液态有机工质的目的。
41.以上的第一压力测量装置26、第二压力测量装置27和第三压力测量装置28可以为例如罗斯蒙特仪表有限公司的压力变送器3051gp2a2b21am5hr5；温度测量装置29可以是例如江苏横河仪表的热电阻wzf-231；液位测量装置30可以是例如uhz-3型浮子液位计。
42.可选地，提供一个消音器35，其一端通过第十七管道43和第四阀门33与集气联箱23相连，另一端与第十八管道44相连。
43.需要解释的是，冷水装置24可以为溴化锂制冷机组，也可以为冷水母管，温度一般应低于7℃。可根据有机介质的物性来选择具体的水温。
44.这里，压缩气体集箱25也可以实施为压力气体管道。压缩气体可以为空气，也可以为氮气或其他无污染气体。
45.需要说明的是，具有在线排气装置的orc发电系统是利用低品位余热利用发电技术。低品位余热包含压力低于0.3mpa的饱和蒸汽、温度低于150℃的热水、温度低于200℃的烟气，以及除了水以外的其他介质。有机工质在预热蒸发器6的装置里与低品位余热进行换热，低品位余热释放热量，有机工质吸收热量。液态的有机工质加热至高压气态，工质压力通常在1.0mpa以上、高压气态的工质通过第一阀门7进入膨胀透平机1，膨胀做功，把热能转化成旋转的机械能，机械能通过联轴器2和轴21传递给发电机3，发电机3把机械能转化成高品质的电能。膨胀透平机1做功后的乏气进入冷凝器4进行降温冷却，冷却成液态的有机工质进入工质升压泵5，工质升压泵5对液态的有机工质压缩升压至预热蒸发器6中，再次被加热成高压气态。完成闭式的循环，也称有机朗肯循环。包含膨胀、冷凝、压缩、加热四个过程。分别对应的设备为膨胀透平机1、冷凝器4、工质升压泵5、预热蒸发器6。
46.在冷凝器4顶部通过第十管道20连接的有机工质排气装置8，保证冷凝器在orc发电系统运行时产生的不凝结气体及时排到大气中，而且在orc发电系统正常运转时，不凝结气体可在线自动地排到大气中，从而保证orc发电机组的发电效率，提高发电量输出。
47.本发明是为了解决orc发电系统中冷凝器4去除不凝结气体的难题。具体的实施方案或者方法如下：
48.在orc发电系统中，冷凝器4的壳程压力为第一压力测量装置26测量的数值；冷凝器4中的有机工质的液体温度为温度测量装置29测量的数值。冷凝器4没有不凝结气体时，冷凝器4的壳程压力对应的有机工质饱和温度，等于冷凝器4中的有机工质的液体温度；冷凝器4的壳程压力对应的有机工质饱和温度，大于冷凝器4中的有机工质的液体温度时，说明冷凝器4存在不凝结气体，需要及时的排出至大气中。可在不停机的情况下，在线自动排出不凝结气体。
49.饱和蒸汽的温度与压力之间是一一对应的。理想的饱和蒸汽状态，指的是温度、压
力及蒸汽密度三者存在一一对应的关系，知道其中一个，其他二个值就是定数。比如，在标准大气压力下，温度为100℃的蒸汽为饱和蒸汽。高于100℃为过热蒸汽，低于100℃会凝结成液态。有机工质同样存在这样的关系。
50.当冷凝器4存在不凝结气体时，需通过有机工质排气装置8进行排出至大气中。具体操作步骤如下：首先检查确认第二阀门31、第三阀门32、第四阀门33、第五阀门34处于关闭状态；冷水装置24处于正常运行状态；保证冷却换热管组36正常通流状态。然后，打开第二阀门31，让冷凝器4中的不凝结气体和部分有机工质气体同时进入分离器22，分离器22的压力为第二压力测量装置27测量数值，根据压力值的变化，当数值等于第一压力测量装置26测量的数值时，或者说分离器22的压力等于冷凝器4壳体的压力，关闭第二阀门31。这时，在分离器22中同时存在不凝结气体和有机工质气体，有机工质气体和冷却换热管组36中的冷水进行换热，冷凝成液态。此时，由于有机工质气体变成液体，分离器22的压力会变小。再次打开第二阀门31，等待分离器22压力等于冷凝器4壳程压力时，再次关闭；等待有机工质气体再次冷凝成液态。通过液位测量装置30显示的数据，反映分离器22中的液态有机工质的体积量。
51.按上述操作，反复打开、关闭第二阀门31。分离器22中的液态有机工质会越积越多，当液位测量装置30显示在例如50％左右时，关闭第二阀门31，打开第三阀门32，分离器22中的不凝结气体会流进到集气联箱23中，当分离器22中的压力值，是由第二压力测量装置27测量显示的数值，等于集气联箱23的压力值时，分离器22中的不凝结气体不再流动至集气联箱23，关闭第三阀门32。集气联箱23的压力值是由第三压力测量装置28测量显示的数值。此时，打开第四阀门33，集气联箱23中的不凝结气体就会直接排至大气或者通过消音器35和第十八管道44的排气管排至大气中。反复打开、关闭第二阀门32和第三阀门32，等待分离器22和集气联箱23的压力值为0时，关闭第二阀门31和第三阀门32。实现orc发电系统不凝结气体的排放功能。
52.另外，还可以对分离器22中的液态有机工质进行回收。分离器22中的液态有机工质回流至冷凝器4的操作步骤如下：由于通过上文描述的操作步骤，此时的分离器22中的压力值为0，第二压力测量装置27测量显示的数值为0。冷凝器4中的压力是大于0的，一般在例如0.2mpa左右，直接打开第二阀门31的话，液态有机工质是不能回流至冷凝器4的。首先，需要打开第五阀门34，压缩气体集箱25的压缩气体对分离器内进行冲压，当分离器22的压力值大于冷凝器4压力值预定倍数时，例如2倍，一般取值为2.5倍，关闭第五阀门34，缓慢开启第二阀门31，由于分离器22压力大于冷凝器4的压力，液态有机工质会通过第二阀门31，回流至冷凝器4中。当液态有机工质的液位下降至液位测量装置的例如10％处，迅速关系第二阀门31。防止分离器22中的气体回流进入冷凝器4，液态有机工质相当于液封装置。
53.需要解释：冷水的温度根据有机工质常压下的沸点温度决定的，冷水的温度小于等于有机工质常压下的沸点温度5℃即可。
54.通过上述操作，使得冷凝器4的壳程压力对应的有机工质饱和温度，等于冷凝器4中的有机工质的液体温度时，说明冷凝器4的不凝结气体，全部的排出至大气中。
55.而且本发明通过有机工质排气装置及时的排出orc发电系统中的不凝结气体，不仅能够降低冷却循环水泵的耗电量，而且提高orc发电系统的发电效率，进一步增大机组的发电量。
56.另外，本发明的实施例可将液态有机工质回收至冷凝器4中，进一步提高了有机工质的利用率，并减少了有机气体的排放，实现了进一步的节能减排。
57.尽管没有示出，本领域技术人员可以理解，本发明的实施例还可包括电子控制系统，用于根据各压力测量装置、温度测量装置的测量值以及其他物理量，自动控制各个阀门或部件的动作，以便完成系统的自动排气及有机工质回收控制。
58.以上通过实施例披露了具有在线排气装置的低品位余热orc发电系统，同时也披露了利用有机工质排气装置8进行排气和回收有机工质的方法。包括：
59.确认第二阀门31、第三阀门32、第四阀门33、第五阀门34处于关闭状态；冷水装置24处于正常运行状态；保证冷却换热管组36正常通流状态；
60.打开第二阀门31，当第二压力测量装置27的测量值等于第一压力测量装置26的测量值时，关闭第二阀门31，当第二压力测量装置27的测量值小于第一压力测量装置26的测量值时，再次打开第二阀门31，等待第二压力测量装置27的测量值等于第一压力测量装置26的测量值时，再次关闭第二阀门31；当液位测量装置30的液位测量值达到第一预定值时，关闭第二阀门31，打开第三阀门32；当第二压力测量装置27的测量值等于第三压力测量装置28的测量值时，关闭第三阀门32；打开第四阀门33，反复打开、关闭第二阀门32和第三阀门32，等待第二压力测量装置27的测量值和第三压力测量装置28的测量值均为0时，关闭第二阀门31和第三阀门32，实现orc发电系统不凝结气体的排放。
61.进一步，还提供了回收有机工质的方法，包括打开第五阀门34，压缩气体集箱25对分离器内进行冲压，当第二压力测量装置27的测量值为第一压力测量装置26的测量值的预定倍数时，关闭第五阀门34，缓慢开启第二阀门31，当液位测量装置30的液位测量值达到比第一预定值小的第二预定值时，迅速关闭第二阀门31，防止分离器22中的气体回流进入冷凝器4。
62.以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。