通過(guò)有機(jī)朗肯循環(huán)(orc)從多個(gè)熱源回收能量的系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】通過(guò)有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)從多個(gè)熱源回收能量的系統(tǒng)
[0001]本發(fā)明涉及一種通過(guò)有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)從多個(gè)熱源回收能量的系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及在該系統(tǒng)中使用的一組蒸發(fā)器。
[0002]在內(nèi)燃機(jī)的發(fā)電設(shè)備，如氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電設(shè)備中，電力生產(chǎn)可利用具有蒸汽朗肯循環(huán)或有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)的發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱蒸汽來(lái)增加。ORC過(guò)程是一種朗肯過(guò)程，其使用有機(jī)工作流體來(lái)替代水/蒸汽循環(huán)。在一個(gè)設(shè)計(jì)好的熱回收系統(tǒng)中，電力生產(chǎn)可高至15%，但這種系統(tǒng)的實(shí)際實(shí)施卻非常困難，因?yàn)槠渖婕案邷貜U熱蒸汽的使用，例如來(lái)自廢氣的廢熱，以及低溫廢熱蒸汽的利用，例如來(lái)自增壓氣體以及發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水的廢熱?；谟袡C(jī)朗肯循環(huán)而轉(zhuǎn)換的能量提供了有效的方式來(lái)在小規(guī)模范圍內(nèi)利用低溫廢熱，而蒸汽朗肯循環(huán)一般用于較大規(guī)模的從高溫廢熱蒸汽中進(jìn)行熱回收。利用不同溫度水平的廢熱蒸汽一般導(dǎo)致具有不同工作流體的復(fù)雜廢熱回收系統(tǒng)。
[0003]本發(fā)明的目的在于對(duì)上述問(wèn)題提供改善。根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)目的，可通過(guò)用于通過(guò)有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)從多個(gè)熱源回收能量的系統(tǒng)來(lái)獲得，所述系統(tǒng)包括有機(jī)工作流體在其中循環(huán)的回路，該回路包括至少一個(gè)渦輪機(jī)，至少一個(gè)冷凝器，至少一個(gè)泵以及至少兩個(gè)平行設(shè)置的蒸發(fā)器，每個(gè)所述蒸發(fā)器與其中一個(gè)所述熱源為熱傳遞接觸。
[0004]根據(jù)本發(fā)明的ORC能量回收系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該回路還包括至少兩個(gè)預(yù)熱器，該兩個(gè)預(yù)熱器平行設(shè)置并處于各個(gè)蒸發(fā)器的上游，每個(gè)所述預(yù)熱器與其中一個(gè)所述熱源為熱傳遞接觸。
[0005]為了減少單獨(dú)部件以及連接的數(shù)量，并提供一種結(jié)構(gòu)和功能有效的系統(tǒng)，每個(gè)所述預(yù)熱器優(yōu)選地與各自的蒸發(fā)器集成為一體。
[0006]為了說(shuō)明本發(fā)明的效果，現(xiàn)在將所要求保護(hù)的具有平行蒸發(fā)器的ORC能量回收系統(tǒng)與用于在每個(gè)ORC系統(tǒng)中使用單個(gè)蒸發(fā)器的每個(gè)熱源的單獨(dú)傳統(tǒng)ORC熱回收系統(tǒng)進(jìn)行比較。當(dāng)考慮利用具有多個(gè)ORC過(guò)程的內(nèi)燃機(jī)的廢熱蒸氣時(shí)，廢熱回收系統(tǒng)將非常復(fù)雜，并相對(duì)昂貴。如果廢熱蒸氣與裝有平行預(yù)熱器和蒸發(fā)器的ORC過(guò)程一起使用，該廢熱回收系統(tǒng)將更加簡(jiǎn)單，且所需的系統(tǒng)部件更少。例如可使用一個(gè)冷凝器和一個(gè)預(yù)進(jìn)料系統(tǒng)來(lái)替代多個(gè)冷凝器和預(yù)進(jìn)料系統(tǒng)。相對(duì)于裝備單一蒸發(fā)器的傳統(tǒng)ORC系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，估計(jì)利用本發(fā)明的系統(tǒng)來(lái)從往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的不同廢熱蒸氣中回收能量變得更加便宜。
[0007]在小規(guī)模的ORC能量轉(zhuǎn)換器中，與更大的ORC能量轉(zhuǎn)換單元相比，次級(jí)損失更大。使用具有平行預(yù)熱器以及蒸發(fā)器的ORC系統(tǒng)將減少這些損失，因?yàn)椴恍枰糜诿總€(gè)廢熱蒸汽的獨(dú)立渦輪機(jī)以及其它部件，但僅需要一個(gè)包括單獨(dú)渦輪機(jī)的過(guò)程來(lái)用于多個(gè)廢熱蒸汽。
[0008]用于利用不同廢熱蒸汽的普通ORC系統(tǒng)中的平行預(yù)熱器和蒸發(fā)器的使用允許ORC能量轉(zhuǎn)換器設(shè)置在單個(gè)的相對(duì)較小尺寸的套管中，其允許了 ORC能量轉(zhuǎn)換器的使用還可在相對(duì)于多個(gè)獨(dú)立的ORC能量轉(zhuǎn)換器的較小空間內(nèi)。
[0009]在根據(jù)本發(fā)明的ORC能量回收系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，平行的蒸發(fā)器和/或平行的預(yù)熱器可集成到與回路連接的結(jié)構(gòu)中，并與所述多個(gè)熱源為熱傳遞接觸。還通過(guò)將蒸發(fā)器和/或預(yù)熱器的工作流體側(cè)進(jìn)行結(jié)合，使得只有這些部件的熱源側(cè)為獨(dú)立的，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)省。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的ORC能量回收系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)選實(shí)施例在以下的從屬權(quán)利要求中進(jìn)行限定:
本發(fā)明在以下說(shuō)明以及附圖中進(jìn)行闡述，其中相應(yīng)的元件通過(guò)以100來(lái)增加的附圖標(biāo)記來(lái)表示，其中:
圖1展示了傳統(tǒng)高速ORC能量轉(zhuǎn)換器的操作原理；
圖2展示了根據(jù)本發(fā)明的ORC能量回收系統(tǒng)的第一實(shí)施例，該ORC回收系統(tǒng)具有用于結(jié)合不同熱源，以對(duì)一個(gè)ORC能量轉(zhuǎn)換器進(jìn)行進(jìn)料的平行蒸發(fā)器；
圖3展示了根據(jù)本發(fā)明的ORC能量回收系統(tǒng)的第二實(shí)施例，該系統(tǒng)與具有大致不同溫度的熱源一起使用；以及
圖4展示了平行蒸發(fā)器的變形例，其中當(dāng)工作流體側(cè)結(jié)合時(shí)，熱源側(cè)為獨(dú)立的。
[0011]圖1所示的高速ORC能量轉(zhuǎn)換器10為結(jié)合的預(yù)熱器和蒸發(fā)器1，渦輪機(jī)2，冷凝器6以及進(jìn)料泵5，它們都通過(guò)用于有機(jī)工作流體的循環(huán)回路C來(lái)連接。同樣，可在ORC能量轉(zhuǎn)換器中使用換熱器4以及預(yù)進(jìn)料泵7。該液態(tài)有機(jī)工作流體通過(guò)進(jìn)料泵5來(lái)進(jìn)行加壓至高壓，并隨后進(jìn)入結(jié)合的預(yù)熱器和蒸發(fā)器I ο該工作流體在預(yù)熱器部分PH進(jìn)行預(yù)加熱，并隨后通過(guò)熱源HS在蒸發(fā)器部分EV進(jìn)行蒸發(fā)，工作流體通過(guò)該熱源HS為熱傳接觸。隨后蒸發(fā)的工作流體進(jìn)入渦輪機(jī)2并隨后膨脹，引起渦輪機(jī)2旋轉(zhuǎn)。渦輪機(jī)2的旋轉(zhuǎn)通過(guò)發(fā)電機(jī)3轉(zhuǎn)化成電力。離開(kāi)渦輪機(jī)2的工作流體一般為處于高溫的干的蒸汽，且該工作流體可在進(jìn)入結(jié)合的預(yù)熱器和蒸發(fā)器I之前在該換熱器4中用于在該液態(tài)工作流體的最初預(yù)熱。低溫蒸汽隨后在冷凝器6中進(jìn)行冷凝，并在一個(gè)或兩個(gè)步驟中再次加壓。在兩個(gè)步驟的情況下，如實(shí)施例中所示，其可通過(guò)預(yù)進(jìn)料泵7和進(jìn)料泵5來(lái)實(shí)現(xiàn)-它們通過(guò)渦輪機(jī)2來(lái)驅(qū)動(dòng)?？尚枰厥褂妙A(yù)進(jìn)料泵來(lái)提供該進(jìn)料泵充足的初始?jí)毫?，?或提供軸承潤(rùn)滑的壓力。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的ORC能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)100的原理，以及其如圖2所示的平行蒸發(fā)器?；镜脑槠胀∣RC能量轉(zhuǎn)換器中的平行蒸發(fā)器EV-A，EV-B，該平行蒸發(fā)器利用獨(dú)立的廢熱流HS1，HS2 (例如:在最初的熱回收以及增壓氣體中冷熱之后的廢氣熱，它們都是來(lái)自?xún)?nèi)燃機(jī))。在示例實(shí)施例中，每個(gè)蒸發(fā)器EV-A，EV-B與各自的預(yù)熱器PH-A，PH-B結(jié)合成為集成的預(yù)熱器/蒸發(fā)器101A，1lBo該ORC能量轉(zhuǎn)換器110使用了每個(gè)預(yù)熱器/蒸發(fā)器101A，101B的普通工作流體，且用于工作流體的回路C在普通的預(yù)進(jìn)料或進(jìn)料回路之后在處于平行預(yù)熱器/蒸發(fā)器的上游處位置108處分流成分支BI，B2。同樣，可使用普通的冷凝器106用于整個(gè)工作流體流。如果在每個(gè)預(yù)熱器/蒸發(fā)器101A，1lB中的工作流體壓力水平和溫度水平是一樣的，可在循環(huán)中使用普通的進(jìn)料泵105和普通的渦輪機(jī)102。在這種情況下，分支BI和B2在該渦輪機(jī)102的上游的位置109處匯聚在一起。最后，該實(shí)施例還包括在渦輪機(jī)1