技术领域
[0001] 本
发明涉及一种复叠式
有机朗肯循环高效热机，具体是涉及利用中低品位
热能通过复叠式有机朗肯循环驱动膨胀机发电的动
力循环，应用于利用丰富的中低品位热能（包括太阳热能、各种工业废热、地热、
生物质能、海洋温差等
可再生能源）来进行发电，实现了充分利用余热和节能减排的目的。
背景技术
[0002] 随着我国经济的快速发展和人口的不断增长，
煤炭、石油等化石能源的消耗量不断攀升，能源相对不足的矛盾日益突出，同时产生了不可忽视的环境负担(如二
氧化
碳排放等)，能源和环境问题已经成为影响我国经济和社会发展的重要制约因素之一。节能减排，提高能源利用率成为当前保持经济可持续发展的一个重要措施。在工业生产中至少50％的热量以各种形式的余热被直接排放到大气中，不仅造成了能源浪费，而且对环境造成热污染。
[0003] 一般按余热载体的
温度水平不同，将余热资源划分为三种：高温余热（500℃以上）、中温余热（200-500℃之间）和低温余热（200℃以下），一般来说，如果热能的温度低于370℃，它将被看作低品位或是中等品位热能。对中低温余热的回收和利用具有重要的现实意义，若以传统的方式，即以水为工质的朗肯循环，用低品位热能
汽轮机发
电机组
回收利用余热，因循环效率低，系统复杂，其经济效益非常有限。利用有机工质朗肯循环(ORC)或称双循环来利用中、低温余热发电或提供动力，既实现
能源回收利用，又在相同输出条件下，减少二氧化碳等污染物的排放，有利于环境保护，当前受到人们极大的关注。同时，有机朗肯循环(ORC)在利用自然界中的品位低的
能量，如太刚能、地热、海洋温差能等方面，也有许多应用实例。
[0004] 近年来，有机朗肯循环的研究工作在国内外大力进行，它是利用上述低品位热能的理想方式。早在1966年就有学者撰文指出可利用有机朗肯循环回收低品位热能，一时之间以氟利昂为工质回收低品位热能的朗肯循环引起了各国学者的广泛注意。我国自20世纪80年代开始对有机朗肯循环进行研究。在1997年京都议定书推出之后，发展环保新工质的呼声越来越高，20世纪90年代末进入本世纪后对有机朗肯循环工质的研究也步入了一个新的阶段。有机朗肯循环与
蒸汽朗肯循环相似，不同的是有机朗肯循环所使用的工质是有机物，由于有机物的沸点较低，在相同
蒸发温度下，气体
密度较大，同样的
质量流量下，有机工质体积流量较小，从而膨胀机的体积也较小，更适用于生产。
[0005] ORC技术在利用中低品位热能资源方面已被证明是经济的、可靠的。因为存在大范围的
流体可以选择，ORC具有可以高效率的工作于大范围的
工作温度的优势，比如从120℃到270℃。因此，所有系统都可以通过添加一个ORC进入过程来显著改善能源利用效率。
发明内容
[0006] 技术问题：本发明要解决的技术问题是针对单级有机朗肯循环的膨胀机部件膨胀比过大的情况，通过两级膨胀的方法实现了降低膨胀比，改善了膨胀机运行的安全性和耐用性，同时也提高了热机的效率。
[0007] 本发明的另一个目的是中低温余热的回收和利用，利用有机工质朗肯循环(ORC)利用中低温余热发电或提供动力，既实现能源回收利用，又在相同输出条件下，减少二氧化碳等污染物的排放，有利于环境保护。
[0008] 同时，本发明通过利用
比热容较大的
导热油介质，作为中低品位热源的热量的传递载体，可以很好的将热量传递给有机朗肯循环
工作流体，热量传递损失较少，且很好的解决了例如
太阳能、工业余热、生物质能等热量无法直接利用的实际问题。
[0009] 技术方案：为了实现上述目的，本发明是一种复叠式有机朗肯循环高效热机包括有三个子循环系统：有机工质子循环系统，
冷却水子循环系统和导热油子循环系统，子循环系统结构分别为：
[0010] 在有机工质子循环系统中，
蒸发器出口与三通
阀的进口相连，三通阀的出口与
冷凝器入口管道相连，三通阀的出口与第一压力
传感器相连，第一
压力传感器另一端管道与第三温度传感器相连，之后管道与一级膨胀机吸气口相连，一级膨胀机
输出轴与电功率测量装置相连，一级膨胀机排气口与第二压力传感器相连，第二压力传感器另一端管道与第四温度传感器相连，之后管道与二级膨胀机吸气口相连，二级膨胀机输出轴与电功率测量装置相连，二级膨胀机排气口与第五温度传感器，第五温度传感器另一端管道与第三压力传感器相连，之后管道通过第二
球阀，与三通阀的出口并联，通过第二球阀后另一端与冷凝器入口管道相连，冷凝器出口与第三球阀相连，通过第三球阀后另一端与第六温度传感器相连，第六温度传感器另一端管道与第二流量测量仪表相连，第二流量测量仪表另一端与工质
泵入口相连，工质泵出口与第四球阀相连，通过第四球阀后另一端与第七温度传感器相连，第七温度传感器另一端管道与蒸发器入口相连。
[0011] 在冷却水子循环系统中，第三流量测量仪表出口管道与冷凝器入口相连，冷凝器出口与第九温度传感器相连，第九温度传感器另一端管道与第六球阀相连，第六球阀另一端与
冷却塔相连，冷却塔出口与补给水管道汇合，之后管道与冷却水泵进口相连，冷却水泵出口与第五球阀相连，第五球阀另一端管道与第八温度传感器相连，第八温度传感器另一端管道与第三流量测量仪表相连，第三流量测量仪表另一端管道与冷凝器入口相连；
[0012] 在导热油子循环系统中，余温热源管道与导热油泵的进口相连，导热油泵的出口与第一球阀相连，第一球阀的另一端通过管道与第一温度传感器相连，第一温度传感器另一端通过管道与第一流量测量仪表相连，之后管道与蒸发器进口相连，蒸发器出口与第二温度传感器相连，之后管道又回到余温热源。
[0013] 有两个膨胀机完成蒸发器出口的有机工质
过热蒸汽的膨胀做功过程，该复叠式有机朗肯循环系统包括以下设备组成的三个子循环系统：
[0014] 由余温热源、导热油泵、第一球阀、第一温度传感器、第一压力传感器、蒸发器第二温度传感器形成导热油子循环；
[0015] 由蒸发器、三通阀、第一压力传感器、第三温度传感器、一级膨胀机、第一电功率测量装置、第二压力传感器、第四温度传感器、二级膨胀机、第二电功率测量装置、第三压力传感器、第五温度传感器、第二球阀、冷凝器、第三球阀、第六温度传感器、第二流量测量仪表、第四球阀、第七温度传感器形成有机工质子循环；
[0016] 由冷凝器、第九温度传感器、第六球阀、冷却塔、补给水、冷却水泵、第五球阀、第三流量测量仪表、第八温度传感器形成冷却水子循环。
[0017] 该循环含有两级膨胀机，膨胀机的膨胀比可根据热源温度和循环工质的蒸发压力和冷凝压力大小进行选择，一般使一级膨胀机和二级膨胀机的膨胀比大小相等。
[0018] 该系统有三种循环流体：导热油，作为热量传递的载体，从热源获得热量，进入蒸发器后再将部分热量传递给有机朗肯循环的工作流体。有机工质，可以是低沸点纯工质或者非共沸混合工质，可以根据冷热源温度的不同匹配而选择不同的工质，作为有机朗肯循环中的工作流体完成相关的循环过程。冷却水，作为冷凝器中冷却有机工质的介质，来源丰富，同时可通
过冷却塔的冷却处理循环使用，使得冷凝部分的能耗很小。
[0019] 该有机朗肯循环的冷、热源温度可以有不同配合；且有机朗肯循环的冷、热源和有机工质的温度差值可依工作状况各自调整。
[0020] 该循环工质要根据循环工况进行选择，其工作流体采用一般的低温沸点纯工质或者非共沸混合工质；且其有机工质可根据热源温度的不同而各自筛选。
[0021] 三个子循环中包括以下设备：
[0022] 一个蒸发器，该蒸发器考虑采用套
管式换热器，分内管和外管，分别是有机工质管路和导热油管路，导热油主要传递热源热量，有机工质作为循环的工作流体，在
套管式换热器中完成换热。
[0023] 一冷凝器，该冷凝器也考虑采用套管式换热器，分内管和外管，分别是有机工质管路和冷却水管路，有机工质作为循环的工作流体，工作流体将热量传递给冷却水，从而完成循环工质的冷却。
[0024] 二个膨胀机，分别为一级膨胀机和二级膨胀机，考虑采用螺杆式膨胀机。一级膨胀机入口的工质为从蒸发器中获得热量产生的
过热蒸汽，进入膨胀机中膨胀做功，进一步推动发电机发电。针对单级膨胀过程中出现的膨胀比过大，膨胀机等熵效率较低的问题，采用两级膨胀做功，一级膨胀机膨胀做功后，将温度降低后的过热蒸汽再次进入二级膨胀机膨胀做功。
[0025] 一个工质泵，连接于蒸发器与冷凝器的有机工质管路之间，用以使有机工质产生流动以及提升从冷凝器出来的饱和液体状态工作流体的压力。
[0026] 一个冷却水泵：连接于冷凝器冷却水管路进口之前，用以使冷却水产生一定流速的流动。
[0027] 一个导热油泵：连接于蒸发器导热油管路进口之前，用以使导热油产生一定流速的流动。
[0028] 冷却塔，连接于冷却水泵和冷却水管路的冷凝器出口之间，通过冷却水将从冷凝器的循环工质中获得的热量传给周围空气，从而使冷却水再次进入冷凝器进行循环。
[0029] 有益效果：
[0030] （1）本发明提供了一种中低温余热的回收和利用的有效方法，利用有机工质朗肯循环(ORC)利用中低温余热发电或提供动力，既实现能源回收利用，又在相同输出条件下，减少二氧化碳等污染物的排放，有利于环境保护。
[0031] （2）本发明通过对球阀等节流机构的开度的设定，适应于不同的蒸发温度/冷凝温度；通过不一样的蒸发温度/冷凝温度，可配合使用不同的有机工质，以达到更高的循环效率。
[0032] （3）针对单级有机朗肯循环的膨胀机部件膨胀比过大的情况，通过两级膨胀的方法实现了降低膨胀比，改善了膨胀机运行的安全性和耐用性，同时也提高了热机的效率。
[0033] （4）本发明通过利用比
热容较大的导热油介质，作为中低品位热源的热量的传递载体，可以很好的将热量传递给有机朗肯循环工作流体，热量传递损失较少，且很好的解决了例如太阳能、工业余热、生物质能等热量无法直接利用的实际问题。
[0034] （5）本发明的冷却过程利用周围的空气，没有过多的电耗和空气污染，很好的起到了节能减排的作用。
附图说明
[0035] 图1所示为复叠式有机朗肯循环的系统
流程图。
[0036] 其中主要部件包括：1—余温热源；2—导热油泵；3—第一球阀；4—蒸发器；5—三通阀（进口为a，出口分别为b和c）；6—一级膨胀机；7—二级膨胀机；8—第二球阀；9—冷凝器；10—第三球阀；11—工质泵；12—第四球阀；13—第五球阀；14—第六球阀；15—冷却塔；16—补给水；17—冷却水泵；T1,T2,T3,T4,T5,T6,T7,T8,T9—第一温度传感器～第九温度传感器；Q1,Q2,Q3—第一体积流量测量仪表～第三体积流量测量仪表；P1,P2,P3—第一压力传感器～第三压力传感器；第一电功率测量装置E1,第二电功率测量装置E2。
具体实施方式
[0037] 图1所示为复叠式有机朗肯循环的系统流程图，展示了系统中各个组成设备，运行方式和有机工质的循环流动方向。该装置中，包括有三个子循环系统：有机工质子循环系统，冷却水子循环系统和导热油子循环系统，子循环系统结构分别为：
[0038] 在有机工质子循环系统中，蒸发器4出口与三通阀5的进口a相连，三通阀5的出口c与冷凝器9入口管道相连，三通阀5的出口b与第一压力传感器P1相连，第一压力传感器P1另一端管道与第三温度传感器T3相连，之后管道与一级膨胀机6吸气口相连，一级膨胀机6输出轴与电功率测量装置E1相连，一级膨胀机6排气口与第二压力传感器P2相连，第二压力传感器P2另一端管道与第四温度传感器T4相连，之后管道与二级膨胀机7吸气口相连，二级膨胀机7输出轴与电功率测量装置E2相连，二级膨胀机7排气口与第五温度传感器T5，第五温度传感器T5另一端管道与第三压力传感器P3相连，之后管道通过第二球阀8，与三通阀5的出口c并联，通过第二球阀8后另一端与冷凝器9入口管道相连，冷凝器9出口与第三球阀10相连，通过第三球阀10后另一端与第六温度传感器T6相连，第六温度传感器T6另一端管道与第二流量测量仪表Q2相连，第二流量测量仪表Q2另一端与工质泵11入口相连，工质泵11出口与第四球阀12相连，通过第四球阀12后另一端与第七温度传感器T7相连，第七温度传感器T7另一端管道与蒸发器4入口相连。
[0039] 在冷却水子循环系统中，第三流量测量仪表Q3出口管道与冷凝器9入口相连，冷凝器9出口与第九温度传感器T9相连，第九温度传感器T9另一端管道与第六球阀14相连，第六球阀14另一端与冷却塔15相连，冷却塔15出口与补给水16管道汇合，之后管道与冷却水泵17进口相连，冷却水泵17出口与第五球阀13相连，第五球阀13另一端管道与第八温度传感器T8相连，第八温度传感器T8另一端管道与第三流量测量仪表Q3相连，第三流量测量仪表Q3另一端管道与冷凝器9入口相连；
[0040] 在导热油子循环系统中，余温热源1管道与导热油泵2的进口相连，导热油泵2的出口与第一球阀3相连，第一球阀4的另一端通过管道与第一温度传感器T1相连，第一温度传感器T1另一端通过管道与第一流量测量仪表Q1相连，之后管道与蒸发器4进口相连，蒸发器4出口与第二温度传感器T2相连，之后管道又回到余温热源1。
[0041] 导热油循环子系统：
[0042] 将余温热源的热量传递给导热油，导热油通过一个导热油泵，使导热油产生一定流速的流动。导热油进入蒸发器前，通过第一球阀用以控制流动的启停和流速，然后通过第一温度传感器和第一流量测量仪表，用以测量热源将热量传递给导热油之后的导热油温度和体积流量。之后导热油进入蒸发器，即套管式换热器的外管，将热量传递给套管式换热器内管中的有机工质，进而将有机工质从液体状态加热至过热蒸汽状态。导热油离开蒸发器后，通过第二温度传感器，测量与有机工质完成热量传递过程之后的导热油温度，此时导热油完成一个循环，包含两次换热过程，即从热源处获得热量和向工作流体传递热量。
[0043] 有机工质循环子系统：
[0044] 有机工质的流动环路，从蒸发器4中获得导热油传递的热量产生过热蒸汽，离开蒸发器4出口的管路中安装了一个三通阀，三通阀进口a，有两种出口b和c使得工作流体产生两种流向，a—c或者a—b，其中当流向是a—c是用于循环刚刚启动或者膨胀机的检修维护时工作流体的流向，循环刚刚启动时，工作流体与热源之间的换热效果还没达到设定状态，使得工作流体离开蒸发器时还未达到过热蒸汽状态，若进入膨胀机膨胀做功的话，很容易产生液击，对膨胀机
叶片产生损伤，因此此时应将三通阀切换至a—c状态，使工作流体不进入膨胀机而直接进入冷凝器，等到工作流体达到设定状态时再将三通阀5切换。流向a—b是工作流体在循环正常工作状态下工质的流动方向，在一级膨胀机吸气管路管路中，安装了一个第三温度传感器T3和第一压力传感器P1，用以测量进入膨胀机之前的过热蒸汽的温度和压力，从而确定过热蒸汽的状态。之后有机工质的过热蒸汽进入一级膨胀机（6）膨胀做功，进而推动发电机发电。进入一级膨胀机的过热蒸汽温度和压力都比较高，离开一级膨胀机时，温度和压力都有所降低，但是还具有一定的做功能力，在一级膨胀机出口和二级膨胀机7入口的管路中，安装了一个第四温度传感器T4和第二压力传感器P2，用以测量离开一级膨胀机之后蒸汽的温度和压力。离开一级膨胀机6的蒸汽进入二级膨胀机7膨胀做功，进而推动发电机发电。两级膨胀机膨胀做功和利用发电机产生的发电量通过电功率测量装置（分别为E1，E2）进行测量。在二级膨胀机7出口和进入冷凝器9的管路中，分别安装了一个第五温度传感器T5和第三压力传感器P3，用以测量离开二级膨胀机时工作流体的温度和压力，一个第二球阀8用以控制循环工质的流动。之后有机工质进入冷凝器9，也就是套管式换热器的内管，将热量传递给套管式换热器外管中的冷却水，从而完成换热过程，离开冷凝器9时，此时的工作流体为低压饱和液体状态，需要进入工质泵11提供工质压力，在进入工质泵11之前的管路中，分别了一个第三球阀10用以控制循环工质的流动，第六温度传感器T6和第二流量测量仪表Q2，分别用以测量离开冷凝器时工作流体的温度和循环过程中的工作流体流量。工质进入工质泵11将压力升高到到蒸发压力大小，在此管路中安装了第四球阀12和第七温度传感器T7，用以控制循环工质的流动和升压后的工作流体温度。经过升压后的工作流体然后进入蒸发器继续循环过程。
[0046] 该环路主要用于接收冷凝器中的有机工质传递的热量，进一步将热量通过冷却塔传递给周围空气。冷却水通过冷凝器9，也就是套管式换热器的外管，接收工作流体传递的热量，从而达到冷却工作流体的目的。载有热量的冷却水离开冷凝器9后，在管路中安装一个第九温度传感器T9，测量冷凝器出口处冷却水的温度，安装有第六球阀14用以控制冷却水的流动。冷却水之后进入冷却塔15，通过空气冷却降低冷却水的温度，同时将热量传递给周围空气。离开冷却塔15时，由于冷却水在冷却塔中有所损耗，因此需要一定量的冷水补充，通过补给水16管路补充冷水，在冷却塔15出口到冷凝器9入口之前，分别安装有一台冷却水泵17，用以提供一定的压力使冷却水产生一定的流速以维持流动，第五球阀13用以控制冷却水的流动，第八温度传感器T8和第三流量测量仪表Q3分别测量冷却水进入冷凝器9之前的温度和冷却水管路中的
循环水量。之后冷却水进入冷凝器9完成循环。冷却水完成一个循环，包含两次换热过程，即从工作流体处获得热量和向周围空气传递热量。
[0047] 本发明是一种复叠式有机朗肯循环高效热机，其关键在于，有两个膨胀机完成蒸发器出口的有机工质过热蒸汽的膨胀做功过程。在循环正常运行时，三个管路的运行状态分别如下：
[0048] 在有机工质循环管路中：从工质泵11升压之后的饱和液体经过蒸发器4吸收热量达到过热蒸汽，如果是循环刚开始运行或者膨胀机检修维护时，三通阀切换至a—c，即过热蒸汽不通过膨胀机做功而直接进入冷凝器9换热，以保证膨胀机的安全性。如果循环处于正常运行状态，三通阀切换至a—b，过热蒸汽通过两级膨胀机膨胀做功，进而推动发电机发电。过热蒸汽通过吸气管进入一级膨胀机6膨胀做功，一级膨胀机6排气管中的蒸汽进入二级膨胀机7膨胀做功。完成做功的蒸汽进入冷凝器（9）与冷却水完成热量传递，冷却水将工作流体传递的热量带走，工质达到饱和液体状态。饱和液体通过工质泵提升压力至蒸发压力，之后进入蒸发器循环。
[0049] 在冷却水循环管路中：冷却水进入冷凝器9与工作流体完成热量传递，冷却水带走热量，此时冷却水温度升高。之后冷却水通过冷却塔15装置，将热量传递给周围的空气，同时温度降低。通过补给水16补充冷却水来冷却塔15中的质量损失。之后冷却水通过一个冷却水泵17使得冷却水产生一定的流速能够在管内流动，通过补充一定量的冷水以弥补冷却水在冷却塔15中的质量损失，之后冷却水进入冷凝器9循环。
[0050] 在导热油循环管路中：导热油作为一个热量载体，从余温热源1处获得热量，并通过一个导热油泵2使得导热油产生一定的流速能够在管内流动，导热油进入蒸发器4与有机工质完成换热过程，将热量传递有机工质后离开蒸发器4，之后导热油从热源获得热量继续循环。
[0051] 本发明的控制方法主要是通过各测量点通过温度传感器、压力
测量传感器和流量测量装置测得的运行状态参数与设定参数作比较，通过球阀等执行机构管路中各个管段阀
门的
开关和开启大小控制来实现循环状态如设定状态运行。
[0052] 本发明的特点在于中低温余热的回收和利用，利用有机工质朗肯循环(ORC)利用中低温余热发电或提供动力，既实现能源回收利用，又在相同输出条件下，减少二氧化碳等污染物的排放，有利于环境保护。
[0053] 本发明的另一个有点在于针对单级有机朗肯循环的膨胀机部件膨胀比过大的情况,通过两级膨胀的方法实现了降低膨胀比，改善了膨胀机运行的安全性和耐用性，同时也提高了热机的效率。
