以orc制取壓縮空氣的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及中低溫余熱回收利用技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種以O(shè)RC制取壓縮空氣的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在鋼鐵、有色金屬、石油化工、建材、輕工等諸多行業(yè)中，生產(chǎn)企業(yè)有著大量低品位余熱，包括煙氣、蒸汽和熱水等，這些熱量品位低、數(shù)量大、分布散，基本不能為生產(chǎn)再利用。在當(dāng)前節(jié)能減排大政策背景下，余熱利用技術(shù)越來越受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的重視，推廣中低溫余熱發(fā)電或者中低溫余熱回收制取壓縮空氣即為一種低品位余熱利用的重要方式。
[0003]目前可實(shí)現(xiàn)熱功(電)轉(zhuǎn)化技術(shù)的熱力循環(huán)技術(shù)主要有:有機(jī)朗肯循環(huán)(簡稱0RC)、氨水Kalina循環(huán)、半導(dǎo)體熱電材料溫差發(fā)電、熱聲發(fā)電等。其中半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)受到熱電能量轉(zhuǎn)換效率和成本的限制；熱聲技術(shù)存在弛豫時間等問題，循環(huán)效率并不能保證；Kalina循環(huán)理論效率高，但構(gòu)成復(fù)雜，工程應(yīng)用可靠性仍需檢驗(yàn)。
[0004]ORC發(fā)電系統(tǒng)具有良好的機(jī)動性、高度的安全性及對維護(hù)保養(yǎng)的要求比較低等優(yōu)點(diǎn)，將其整合到能源系統(tǒng)，以余熱驅(qū)動可以實(shí)現(xiàn)低品位能源向高品位能源(電、壓縮空氣)的轉(zhuǎn)化，減輕電力負(fù)擔(dān)，提高余熱的綜合回收利用率。
[0005]然而，ORC發(fā)電系統(tǒng)中，由于進(jìn)入膨脹機(jī)工質(zhì)流量和壓力的隨機(jī)波動，工質(zhì)在膨脹機(jī)中不能充分有效的平穩(wěn)膨脹做功(一般螺桿膨脹機(jī)的膨脹比控制在1:4左右)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，影響ORC系統(tǒng)發(fā)電的穩(wěn)定性，降低了發(fā)電效率。如果利用膨脹機(jī)直接驅(qū)動空氣壓縮機(jī)，對普通空氣進(jìn)行壓縮。壓縮空氣通過穩(wěn)壓(減壓)后直接并入氣體管網(wǎng)，系統(tǒng)的能源效率可以大幅提尚。
[0006]目前，國內(nèi)外沒有發(fā)現(xiàn)利用ORC來制取壓縮空氣的應(yīng)用，本發(fā)明帶來全新的壓縮空氣節(jié)能理念，利用免費(fèi)的工業(yè)中低溫余熱來制取壓縮空氣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種以O(shè)RC制取壓縮空氣的裝置及方法。本發(fā)明旨在于改善傳統(tǒng)ORC發(fā)電的能源效率低、系統(tǒng)不穩(wěn)定的現(xiàn)實(shí)，并針對當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)過程中壓縮空氣需求量大的現(xiàn)狀，巧妙利用ORC直接制取壓縮空氣。
[0008]為解決技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0009]提供一種以O(shè)RC制取壓縮空氣的裝置，包括蒸發(fā)器、透平同軸一體機(jī)、冷凝器、工質(zhì)泵和電動閥；所述透平同軸一體機(jī)由透平膨脹機(jī)和透平壓縮機(jī)同軸直聯(lián)，透平膨脹機(jī)用于膨脹做功，透平壓縮機(jī)用于制取壓縮空氣；其中，透平膨脹機(jī)設(shè)有工質(zhì)入口和工質(zhì)出口，透平壓縮機(jī)設(shè)有空氣入口和壓縮空氣出口；
[0010]各設(shè)備之間通過管線實(shí)現(xiàn)連接:工質(zhì)泵的出口端與蒸發(fā)器的工質(zhì)入口相接，蒸發(fā)器的工質(zhì)出口與透平膨脹機(jī)的工質(zhì)入口相接，透平膨脹機(jī)的工質(zhì)出口經(jīng)冷凝器接至工質(zhì)泵的入口端；蒸發(fā)器上設(shè)有熱源入口端和熱源出口端，蒸發(fā)器與透平膨脹機(jī)之間的管線上設(shè)有電動閥。
[0011 ] 本發(fā)明中，所述冷凝器是空冷或水冷的冷凝器。
[0012]本發(fā)明中，在冷凝器與工質(zhì)泵之間的管線上設(shè)有儲液罐。
[0013]本發(fā)明中，在工質(zhì)泵與蒸發(fā)器之間設(shè)有預(yù)熱器；工質(zhì)泵的出口端與預(yù)熱器的低溫側(cè)入口相連，預(yù)熱器的低溫側(cè)出口與蒸發(fā)器的工質(zhì)入口相連；透平膨脹機(jī)的工質(zhì)出口與預(yù)熱器的高溫側(cè)入口相連，預(yù)熱器的高溫側(cè)出口與冷凝器的工質(zhì)入口相連。
[0014]本發(fā)明進(jìn)一步提供了利用前述裝置實(shí)現(xiàn)ORC制取壓縮空氣的方法，包括:
[0015]低壓(I?2.5bar)有機(jī)工質(zhì)由工質(zhì)泵加壓為過冷液態(tài)后送入蒸發(fā)器，吸收來自中低溫余熱(80?300°C )的能量轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏?5?1bar)高溫(60?80°C )蒸汽，再被導(dǎo)入透平膨脹機(jī)；透平膨脹機(jī)膨脹做功的同時，驅(qū)動直聯(lián)的透平壓縮機(jī)對普通空氣進(jìn)行壓縮，實(shí)現(xiàn)輸出壓縮空氣；透平膨脹機(jī)做功后，有機(jī)工質(zhì)以1.5?3bar的蒸氣形式排出并送入冷凝器，在向冷源放熱后冷凝為液態(tài)，返回工質(zhì)泵入口，以此實(shí)現(xiàn)往復(fù)循環(huán)；設(shè)于蒸發(fā)器出口管線上的電動閥用于調(diào)節(jié)進(jìn)入透平膨脹機(jī)的有機(jī)工質(zhì)的流量。
[0016]本發(fā)明中，在工質(zhì)泵與蒸發(fā)器之間設(shè)有一個預(yù)熱器；工質(zhì)泵加壓過的有機(jī)工質(zhì)與透平膨脹機(jī)排出的工質(zhì)在預(yù)熱器中實(shí)現(xiàn)熱交換后，再分別被送入蒸發(fā)器和冷凝器。
[0017]本發(fā)明中，所述中低溫余熱是指:煙氣、蒸汽或熱水。
[0018]本發(fā)明中，所述冷源是水或空氣。
[0019]本發(fā)明中，所述有機(jī)工質(zhì)是氟利昂。在一些特殊工業(yè)場合也可以應(yīng)用非氟利昂工質(zhì)，例如硅油，二氧化碳等。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0021]1、中低溫余熱ORC回收利用，并直接制取壓縮空氣，同時通過余熱器回收透平膨脹機(jī)出口的熱量，從而大幅提高了余熱能源的回收效率。
[0022]2、在高壓管路上設(shè)置電動閥，能夠?qū)崿F(xiàn)對ORC循環(huán)的調(diào)節(jié)與安全保護(hù)；在管路各個點(diǎn)上設(shè)置傳感器，通過控制電動閥的開度、工質(zhì)泵的變頻，實(shí)現(xiàn)ORC最優(yōu)運(yùn)行。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的ORC制取壓縮空氣的裝置示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明的改進(jìn)的ORC制取壓縮空氣的裝置示意圖。
[0025]圖中標(biāo)記為:1透平壓縮機(jī)；2透平膨脹機(jī)；3冷凝器；4儲液罐；5工質(zhì)泵；6預(yù)熱器；7蒸發(fā)器；8電動閥。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0027]本發(fā)明中以O(shè)RC制取壓縮空氣的裝置如圖1所示，包括蒸發(fā)器7、透平同軸一體機(jī)、冷凝器3、儲液罐4、工質(zhì)泵5和電動閥8 ;冷凝器3是空冷或水冷的冷凝器。
[0028]透平同軸一體機(jī)由透平膨脹機(jī)2和透平壓縮機(jī)I同軸直聯(lián)，透平膨脹機(jī)2用于膨脹做功，透平壓縮機(jī)I用于制取壓縮空氣；其中，透平膨脹機(jī)2設(shè)有工質(zhì)入口和工質(zhì)出口，透平壓縮機(jī)I設(shè)有空氣入口和壓縮空氣出口 ；
[0029]透平同軸一體機(jī)工作時，透平膨脹機(jī)2和透平壓縮機(jī)I同軸等速相連，避免了不同軸傳動的機(jī)械效率損失，提高了制取壓縮空氣的整體效率。
[0030]各設(shè)備之間通過管線實(shí)現(xiàn)連接:工質(zhì)泵5的出口端與蒸發(fā)器7的工質(zhì)入口相接，蒸發(fā)器7的工質(zhì)出口經(jīng)電動閥8與透平膨脹機(jī)2的工質(zhì)入口相接，透平膨脹機(jī)2的工質(zhì)出口經(jīng)冷凝器3、儲液罐4接至工質(zhì)泵5的入口端；蒸發(fā)器7上設(shè)有熱源入口端和熱源出口端。
[0031]另一種實(shí)施例如圖2所示，與圖1中相比，該裝置是在工質(zhì)泵與蒸發(fā)器之間增設(shè)了一個預(yù)熱器6 ;工質(zhì)泵5的出口端與預(yù)熱器6的低溫側(cè)入口相連，預(yù)熱器6的低溫側(cè)出口與蒸發(fā)器7的工質(zhì)入口相連；透平膨脹機(jī)2的工質(zhì)出口與預(yù)熱器6的高溫側(cè)入口相連，預(yù)熱器6的高溫側(cè)出口與冷凝器3的工質(zhì)入口相連。
[0032]利用圖2所示裝置實(shí)現(xiàn)ORC制取壓縮空氣的方法，包括:
[0033]低壓(I?2.5bar)有機(jī)工質(zhì)由工質(zhì)泵5加壓為過冷液態(tài)，在預(yù)熱器6中與透平膨脹機(jī)2排出的工質(zhì)實(shí)現(xiàn)熱交換后，再被送入蒸發(fā)器7，吸收來自中低溫余熱(80?300°C )的能量轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏?5?1bar)高溫(60?80°C )蒸汽，然后被導(dǎo)入透平膨脹機(jī)2。透平膨脹機(jī)2膨脹做功的同時，驅(qū)動直聯(lián)的透平壓縮機(jī)I對普通空氣進(jìn)行壓縮，實(shí)現(xiàn)輸出壓縮空氣；透平膨脹機(jī)2做功后，有機(jī)工質(zhì)以1.5?3bar的蒸氣形式排出，在預(yù)熱器6中與工質(zhì)泵5排出的有機(jī)工質(zhì)實(shí)現(xiàn)熱交換后，被送入冷凝器3 ;在向冷源(如果水冷模式，冷卻水30°C左右；如果風(fēng)冷模式，空氣常溫20°C )放熱后冷凝為液態(tài)，返回工質(zhì)泵5入口，以此實(shí)現(xiàn)往復(fù)循環(huán)；設(shè)于蒸發(fā)器7出口管線上的電動閥8用于調(diào)節(jié)有機(jī)工質(zhì)的流量。
[0034]本發(fā)明中還可以設(shè)置控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)與裝置相關(guān)的電氣和儀表的基本控制。在高壓管路上設(shè)置電動閥8，用于對ORC循環(huán)的調(diào)節(jié)與安全保護(hù)；通過在管路各個點(diǎn)上設(shè)置傳感器，以及控制電動閥8的開度、工質(zhì)泵5的變頻，實(shí)現(xiàn)ORC最優(yōu)運(yùn)行。透平同軸一體機(jī)設(shè)潤滑油系統(tǒng)，用于對透平同軸一體機(jī)的潤滑。
[0035]本發(fā)明中，中低溫余熱是指煙氣、蒸汽或熱水；冷源是水或空氣；有機(jī)工質(zhì)是氟利昂O
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種以O(shè)RC制取壓縮空氣的裝置，包括蒸發(fā)器；其特征在于，該裝置還包括:透平同軸一體機(jī)、冷凝器、工質(zhì)泵和電動閥； 所述透平同軸一體機(jī)由透平膨脹機(jī)和透平壓縮機(jī)同軸直聯(lián)，透平膨脹機(jī)用于膨脹做功，透平壓縮機(jī)用于制取壓縮空氣；其中，透平膨脹機(jī)設(shè)有工質(zhì)入口和工質(zhì)出口，透平壓縮機(jī)設(shè)有空氣入口和壓縮空氣出口 ； 各設(shè)備之間通過管線實(shí)現(xiàn)連接:工質(zhì)泵的出口端與蒸發(fā)器的工質(zhì)入口相接，蒸發(fā)器的工質(zhì)出口與透平膨脹機(jī)的工質(zhì)入口相接，透平膨脹機(jī)的工質(zhì)出口經(jīng)冷凝器接至工質(zhì)泵的入口端；蒸發(fā)器上設(shè)有熱源入口端和熱源出口端，蒸發(fā)器與透平膨脹機(jī)之間的管線上設(shè)有電動閥。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述冷凝器是空冷冷凝器或水冷冷凝器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，在冷凝器與工質(zhì)泵之間的管線上設(shè)有儲液罐。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項(xiàng)中所述的裝置，其特征在于，在工質(zhì)泵與蒸發(fā)器之間設(shè)有預(yù)熱器；工質(zhì)泵的出口端與預(yù)熱器的低溫側(cè)入口相連，預(yù)熱器的低溫側(cè)出口與蒸發(fā)器的工質(zhì)入口相連；透平膨脹機(jī)的工質(zhì)出口與預(yù)熱器的高溫側(cè)入口相連，預(yù)熱器的高溫側(cè)出口與冷凝器的工質(zhì)入口相連。
5.利用權(quán)利要求1所述裝置實(shí)現(xiàn)ORC制取壓縮空氣的方法，其特征在于，包括: I?2.5bar的液態(tài)有機(jī)工質(zhì)由工質(zhì)泵加壓為過冷液態(tài)后送入蒸發(fā)器，吸收來自80?300°C的中低溫余熱的能量，轉(zhuǎn)變?yōu)??10bar、60?80°C的蒸汽，再被導(dǎo)入透平膨脹機(jī)；透平膨脹機(jī)膨脹做功的同時，驅(qū)動直聯(lián)的透平壓縮機(jī)對普通空氣進(jìn)行壓縮，實(shí)現(xiàn)輸出壓縮空氣；透平膨脹機(jī)做功后，有機(jī)工質(zhì)以1.5?3bar的蒸氣形式排出并送入冷凝器，在向冷源放熱后冷凝為液態(tài)，返回工質(zhì)泵入口，以此實(shí)現(xiàn)往復(fù)循環(huán)；設(shè)于蒸發(fā)器出口管線上的電動閥用于調(diào)節(jié)有機(jī)工質(zhì)的流量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在工質(zhì)泵與蒸發(fā)器之間設(shè)有一個預(yù)熱器；工質(zhì)泵加壓過的有機(jī)工質(zhì)與透平膨脹機(jī)排出的工質(zhì)在預(yù)熱器中實(shí)現(xiàn)熱交換后，再分別被送入蒸發(fā)器和冷凝器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述中低溫余熱是指:煙氣、蒸汽或熱水。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述有機(jī)工質(zhì)是氟利昂。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述冷源是空氣或水:如果采用空冷冷凝器，冷源為空氣；如果采用水冷冷凝器，冷源為水。
【專利摘要】本發(fā)明涉及中低溫余熱回收利用技術(shù)，旨在提供一種以O(shè)RC制取壓縮空氣的裝置及方法。該裝置包括透平同軸一體機(jī)，是由透平膨脹機(jī)和透平壓縮機(jī)同軸直聯(lián)；各設(shè)備之間通過管線實(shí)現(xiàn)連接：工質(zhì)泵的出口端與蒸發(fā)器的工質(zhì)入口相接，蒸發(fā)器的工質(zhì)出口與透平膨脹機(jī)的工質(zhì)入口相接，透平膨脹機(jī)的工質(zhì)出口經(jīng)冷凝器接至工質(zhì)泵的入口端，蒸發(fā)器與透平膨脹機(jī)之間的管線上設(shè)有電動閥。本發(fā)明利用中低溫余熱實(shí)現(xiàn)ORC回收，并直接制取壓縮空氣，同時通過余熱器回收透平膨脹機(jī)出口的熱量，從而大幅提高了余熱能源的回收效率。在高壓管路上設(shè)置電動閥，能夠?qū)崿F(xiàn)對ORC循環(huán)的調(diào)節(jié)與安全保護(hù)；通過控制電動閥的開度、工質(zhì)泵的變頻，實(shí)現(xiàn)ORC最優(yōu)運(yùn)行。
【IPC分類】F01K19-00, F01D15-08, F01K25-08
【公開號】CN104675461
【申請?zhí)枴緾N201510041380
【發(fā)明人】沈天昱
【申請人】沈天昱
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年1月28日