一种热水余压余热回收系统

摘要

本发明公开了一种热水余压余热回收系统，包括水轮机发电装置和ORC（有机朗肯循环）发电装置；所述的水轮机发电装置包括水轮机和发电机，所述的ORC发电装置包括蒸发器、ORC透平、冷凝器和工质泵；本发明提供的热水余压余热回收系统，能够热水中可利用的能量（余压余热）进行有效地回收转化：首先热水通过水轮机做功，其压能转换为机械能；然后热水再进入ORC发电系统，与系统中的有机工质进行热量交换，有机工质在透平中膨胀做功，其热能转换为机械能；再利用发电机将机械能转换为电能。

权利要求

1.一种热水余压余热回收系统，其特征在于，包括水轮机发电装置和ORC(有机朗肯循环)发电装置；所述的水轮机发电装置包括水轮机(2)和发电机(3)，所述的ORC发电装置包括蒸发器(4)、ORC透平(5)、冷凝器(6)和工质泵(7)；热水通过管路先进入水轮机(2)，水压推动水轮机(2)转动，水轮机(2)通过联轴器驱动发电机(3)运行；减压后的热水经管道进入蒸发器(4)与有机工质换热，放热后的低温热水被排出，吸热的有机工质气化并输送至ORC透平(5)膨胀做功，通过齿轮减速箱(8)驱动发电机(3)运行；在ORC透平中做功后的有机工质乏气，通过冷凝器(6)冷凝成液态，液态工质通过工质泵(7)输送回到蒸发器(4)；

其中，所述的水轮机为反转的离心水泵，所述的发电机为永磁高速交流发电机；所述的ORC透平为轴流式或者向心式，其转速在1500～50000r/min，采用静叶可调或不可调；

所述的热水参数压力范围：0.5～3.5MPa，温度范围：60～240℃。

2.如权利要求1所述的热水余压余热回收系统，其特征在于，所述的水轮机(2)和ORC透平(5)分别驱动一台发电机，或者同时驱动同一台发电机(3)。

3.如权利要求2所述的热水余压余热回收系统，其特征在于，当所述水轮机(2)和ORC透平(5)共轴，同时驱动同一台发电机(3)，在初始启动时，水轮机(2)先运转做功，驱动发电机(3)运行，共轴的ORC透平(5)允许在短时间内空转运行。

4.如权利要求1所述的热水余压余热回收系统，其特征在于，所述的发电机(3)替换为泵或风机运行。

5.如权利要求1所述的热水余压余热回收系统，其特征在于，所述的热水进入水轮机(2)的管路上还设有直接进入蒸发器(4)的旁路，当热水中的压能没有回收价值时，通过旁路直接进入蒸发器(4)。

6.如权利要求1所述的热水余压余热回收系统，其特征在于，所述的ORC透平采用静叶可调实现流量和压力调节，适应工况的变化；所述的静叶可调用透平前调节阀进行调节。

说明书

一种热水余压余热回收系统

技术领域

[0001] 本发明属于余热回收技术领域，涉及一种热水余压余热回收系统。

背景技术

[0002] 当前，面对世界能源形势的紧张情况，国内外一直在研究可替代的新型能源，同时也在节能减排过程中,对能量进行回收利用。2012年，国务院正式印发了《节能减排“十二五”规划》，特别明确了“十二五”节能减排的重点工程，余压余热利用在节能改造工程中被重点提及。

发明内容

[0003] 本发明解决的问题在于提供一种热水余压余热回收系统，将热水中的压能和热能分别通过水轮机和ORC透平进行回收，从而实现对热水余压余热的充分利用。

[0004] 本发明是通过以下技术方案来实现：

[0005] 一种热水余压余热回收系统，包括水轮机发电装置和ORC（有机朗肯循环）发电装置；所述的水轮机发电装置包括水轮机和发电机，所述的ORC发电装置包括蒸发器、ORC透平、冷凝器和工质泵；热水通过管路先进入水轮机，水压推动水轮机转动，水轮机通过联轴器驱动发电机运行；减压后的热水经管道进入蒸发器与有机工质换热，放热后的低温热水被排出，吸热的有机工质气化并输送至ORC透平膨胀做功，通过齿轮减速箱驱动发电机运行；在ORC透平中做功后的有机工质乏气，通过冷凝器冷凝成液态，液态工质通过工质泵输送回到蒸发器。

[0006] 所述的水轮机和ORC透平分别驱动一台发电机，或者同时驱动同一台发电机。

[0007] 所述当水轮机和ORC透平共轴，同时驱动同一台发电机，在初始启动时，水轮机先运转做功，驱动发电机运行，共轴的ORC透平允许在短时间内空转运行。

[0008] 所述的发电机替换为泵或风机运行。

[0009] 所述的热水进入水轮机的管路上还设有直接进入蒸发器的旁路，当热水中的压能没有回收价值时，通过旁路直接进入蒸发器。

[0010] 所述的水轮机为反转的离心水泵，所述的发电机为永磁高速交流发电机；所述的ORC透平为轴流式或者向心式，其转速在1500～50000r/min，采用静叶可调或不可调。

[0011] 所述的ORC透平采用静叶可调实现流量和压力调节，适应工况的变化；所述的静叶可调用透平前调节阀进行调节。

[0012] 所述的热水参数压力范围：0.5～3.5MPa，温度范围：60～240℃。

[0013] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

[0014] 本发明提供的热水余压余热回收系统，能够热水中可利用的能量（余压余热）进行有效地回收转化：热水中的压能和热能分别通过水轮机和ORC透平进行回收。首先热水通过水轮机做功，其压能转换为机械能；然后热水再进入ORC发电系统，与系统中的有机工质进行热量交换，有机工质在透平中膨胀做功，其热能转换为机械能；再利用发电机将机械能转换为电能。

[0015] 本发明提供的热水余压余热回收系统，可以回收压力在0.5MPa～3.5MPa，温度在60℃～240℃之间的热水；系统主要应用于冶金、石化等行业，像钢铁厂产生的冷却循环水，石化行业炼油过程中的催化、裂化、焦化冷却循环水等都存在大量余热。因此这项技术有很广阔的应用市场及良好的社会效益。

[0016] 本发明提供的热水余压余热回收系统，其所采用的ORC工质是一种低沸点有机物，将热水的低温余热进行利用，吸热后气化，有机工质常为干流体，无需装设过热器，从高压到低压始终保持干燥状态，消除了高速情况下湿气水滴冲击透平产生的腐蚀损坏。采用的有机工质比水蒸气密度大、比容小，可以减小透平设计尺寸（特别是末叶片高度及排气管道尺寸），节约成本。低沸点工质蒸气中的声速约为水蒸汽声速的一半，因此设计的透平转子直径也为汽轮机转子直径的一半。因此，本发明提供的本系统具有简单、可靠、经济的特点。

附图说明

[0017] 图1为热水余压余热回收系统示意图之一；

[0018] 图2为热水余压余热回收系统示意图之二；

[0019] 图1是，水轮机和ORC透平分别驱动发电机或驱动泵/风机。

[0020] 其中：1为截止/调节阀；2为水轮机；3为发电机；4为蒸发器；5为ORC透平；6为冷凝器；7为工质泵；8为齿轮减速箱。

具体实施方式

[0021] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

[0022] 参见图1、图2，本发明提供一种热水余压余热回收系统，包括水轮机发电装置和ORC（有机朗肯循环）发电装置；所述的水轮机发电装置包括水轮机2和发电机3，所述的ORC发电装置包括蒸发器4、ORC透平5、冷凝器6和工质泵7；热水通过管路先进入水轮机2，水压推动水轮机2转动，水轮机2通过联轴器驱动发电机3运行；减压后的热水经管道进入蒸发器4与有机工质换热，放热后的低温热水被排出，吸热的有机工质气化并输送至ORC透平5膨胀做功，通过齿轮减速箱8驱动发电机3运行；在ORC透平中做功后的有机工质乏气，通过冷凝器6冷凝成液态，液态工质通过工质泵7输送回到蒸发器4。

[0023] 利用上述系统，热水中的压能和热能分别通过水轮机和ORC透平进行回收。首先热水通过水轮机做功，其压能转换为机械能；然后热水再进入ORC发电系统，与系统中的有机工质进行热量交换，有机工质在透平中膨胀做功，其热能转换为机械能；再利用发电机将机械能转换为电能，也可以直接驱动泵或风机。水轮机和ORC透平可共同或单独驱动发电机（泵/风机）。

[0024] 具体的，所述的ORC发电系统为：由蒸发器、ORC透平、冷凝器和工质泵等组成。从水轮机出来的热水在蒸发器中放热给有机工质,有机工质由于吸热而成蒸气，蒸气通过ORC透平膨胀作功,从而带动发电机发电或驱动。从透平排出的蒸气在冷凝器中向冷却水放出热量而凝结成液体，再通过工质泵重新回到蒸发器，如此形成一个循环。

[0025] 所述的ORC工质是一种适合从低温热源吸热的低沸点有机物，例如R245fa、R123、R123a等。有机工质常为干流体，无需装设过热器，从高压到低压始终保持干燥状态，消除了高速情况下湿气水滴冲击透平产生的腐蚀损坏。采用的有机工质比水蒸气密度大、比容小，可以减小透平设计尺寸（特别是末叶片高度及排气管道尺寸），节约成本。低沸点工质蒸气中的声速约为水蒸汽声速的一半，因此设计的透平转子直径也为汽轮机转子直径的一半。

[0026] 本发明中的透平可以采用向心式或轴流式。根据结构的特点，向心式ORC透平相对轴流式的设计转速要高，汽道损失小，级焓降比较大，效率高。流量大、功率大适合采用轴流式透平；流量小、功率较小适合采用向心式透平。本发明的ORC透平的设计转速为1500～50000r/min，采用静叶可调实现流量和压力调节，适应工况的变化；不用静叶可调用透平前调节阀进行调节，适应工况的变化。

[0027] 上述系统的工作过程为：首先保持阀门1打开状态，热水通过管道进入水轮机2，水压推动叶轮转动，并通过联轴器驱动发电机3运行；减压后的热水经管道进入蒸发器4，放热后的低温热水被排出，吸热的有机工质在ORC透平5中膨胀做功，通过减速箱8驱动发电机3运行；在ORC透平5中做功后的乏气，通过冷凝器6冷凝成液态，液态工质通过工质泵7回到蒸发器中，再次进行热量交换，如此循环做功。如果热中的压能没有回收价值，此时系统没有水轮机装置。

[0028] 图1和图2均符合本发明的系统工作原理和工艺流程。图1中表明水轮机2和ORC透平5分别驱动发电机3发电；在图2中水轮机2和ORC透平5共同驱动一台发电机3。图2中的系统初始启动时，水轮机先运转做功，驱动发电机，共轴的ORC透平允许在短时间内空转运行。图1和图2中的发电机可以替换为泵或风机运行。

[0029] 下面给出一个具体的实施例：

[0030] 所用的热源为压力为1.7MPa，温度为150℃的热水。热水进入水轮机，水轮机驱动发电机发电；热水再经管道进入ORC系统中的蒸发器，放热后经管道引出。有机工质在蒸发器中蒸发，蒸气进入ORC透平，透平驱动发电机发电。排气进入冷凝器，液态工质通过工质泵回到蒸发器。