有机朗肯循环系统及运行方法
1.本发明涉及能源回收技术领域，具体涉及一种有机朗肯循环系统及运行方法。
背景技术：
2.近年来，世界各国频繁出现多雨、干旱等极端天气，给人类的正常生产生活带来极大不良影响。国内外专家一致认为过多的co2排放是气候变化的罪魁祸首之一。为了降低逐年增加的co2排放量，世界各国纷纷制定“碳中和”时间规划表。提高能源利用率被认为是减少碳排放的一项重要有效措施，而加大余热能源利用可以在减少一次能源消耗的同时降低co2排放。在余热资源利用的各种方法中，有机朗肯循环(orc)系统是一种高效成熟的方式。将低品位热能转换为高品位电能的orc设备，成为近年来能源行业关注的重点。
3.orc系统以低沸点有机流体为工质完成整个循环，其主要由蒸发器(热源换热器)、膨胀机、电机、工质泵和冷凝器(冷源换热器)等设备组成，工作介质通过蒸发器吸取余热热量变为高温、高压蒸气，推动膨胀机做功，膨胀机驱动发电机向外输出电能，做功后的工质进入冷凝器冷凝成液体，然后进入工质泵升压，随后再次进入蒸发器完成整个循环。
4.现有的orc系统的控制逻辑通常是监测蒸发器工质侧出口过热度来调控系统运行参数的。发明人研究发现，由于orc系统的蒸发器一般是金属制成，具有一定的热惯性，所以当热源工况变化时，工质侧的温度变化具有滞后性，导致对orc系统的运行参数控制存在滞后性，使得从热源变化到系统作出响应的这个过程中的热源热量无法被充分回收利用而浪费一定量的余热能量。再者，现有的orc系统稳定运行的控制目标是维持蒸发器工质侧出口的过热度稳定，而不是以蒸发器的热回收量或不可逆损失为判定标准，而恒定的过热度限制了orc工质对热源热量的回收能力，所以orc系统在某一工况下稳定运行时，热源资源未能得到最大化利用，同样会浪费一定量的余热资源。由于orc系统的余热来源通常是工厂产生的废热，热源的流量、温度都随工厂运行工况的变化具有较大且频繁的波动，因此在整个系统的变工况运行及稳定运行期间，由于控制逻辑的原因会浪费大量的热源能量。
5.应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本技术的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本技术的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
技术实现要素：
6.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种有机朗肯循环系统及运行方法，用于解决现有的orc系统以维持蒸发器工质侧出口的过热度稳定为控制目标，由于过热度的变化滞后于热源的改变，导致从热源变化到系统作出响应的这个过程中，热源热量无法被充分回收利用，以及系统稳定运行时，恒定的过热度限制了orc工质对热源热量的回收能力，导致热源资源未能得到最大化利用等问题。
7.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种有机朗肯循环系统，包括：蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵、工质侧监测模块、热源侧监测模块及控制模块，所述蒸发器、膨
胀机、冷凝器及工质泵通过管路依次连接，所述工质侧监测模块和热源侧监测模块分别用于监测工质侧和热源侧的温度、流量和压力中的一个以上，所述控制模块与所述工质侧监测模块及热源侧监测模块相连接，以基于热源侧监测模块的监测结果，输出是否调整工质侧流量、压力以及热源侧的分流比的信号。
8.可选地，所述工质侧监测模块连接至蒸发器中工质流道的进、出口管路上，所述热源侧监测模块连接至蒸发器中热源流道的进、出口管路上。
9.可选地，所述工质泵和蒸发器之间的管路上，和/或蒸发器与膨胀机之间的管路上设置有流量调节阀。
10.可选地，所述蒸发器为2个以上，2个以上蒸发器串联和/或并联于工质泵和膨胀机之间，各蒸发器的热源侧和工质侧进、出口均设置有热源侧监测模块和工质侧监测模块。
11.可选地，蒸发器的类型包括管壳式、板式、板翅式和翅片管式中的若干种。
12.可选地，所述工质侧监测模块和热源侧监测模块均包括流量计、压力传感器和温度传感器。
13.本发明还提供一种有机朗肯循环系统的运行方法，所述运行方法包括：控制模块采集热源侧的温度和流量参数，并依据热源及系统运行工况参数的变化情况，最终以系统热回收量大或/且热回收不可逆损失小为目的，输出信号对冷凝器、蒸发器、工质泵和膨胀机的运行参数进行调整。
14.可选地，换热过程的不可逆损失使用基于或火积理论的损失、火积耗散率、基于火积耗散率的当量热阻参数中的若干个表示。
15.可选地，所述运行方法包括实时监测热源参数并传输给控制模块，当热源参数发生变化时，控制模块实时调整系统运行参数。
16.如上所述，本发明的有机朗肯循环系统及运行方法，具有以下有益效果：本发明可使得orc系统在变工况和稳定运行过程中，都能保持余热利用率大且/或余热回收不可逆损失小的情况下运行，使得系统对余热的回收具有较高的热回收量及较低的不可逆损失，从而使系统维持高效率的运行。
附图说明
17.图1显示为本发明提供的有机朗肯循环系统的例示性结构示意图。
18.图2显示为热源变化过程中orc系统热回收功率随时间的变化关系示意图。
19.图3显示为设计最优工况换热过程示意图。
20.图4显示为热源温度升高后不同控制方法的换热过程示意图。
具体实施方式
21.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
22.为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
23.在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
24.需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。
25.请参阅图1。
26.如图1所示，本发明提供一种有机朗肯循环系统，包括：蒸发器8(即热源换热器)、膨胀机1、冷凝器2(即冷源换热器)、工质泵3、工质侧监测模块、热源侧监测模块及控制模块9，所述蒸发器8、膨胀机1、冷凝器2及工质泵3通过管路依次连接，蒸发器8和冷凝器2均可以为单个或两个以上，尤其是蒸发器8优选为2个以上；蒸发器8吸收余热热源流体释放的热量，例如吸收工厂的排烟废热，膨胀机1与发电机轴连接，推动发电机产生电能，而工质泵3位于所述冷凝器2和蒸发器8之间的管路上，用于将冷凝器2的工质升压后输送至蒸发器8中，所述工质侧监测模块和热源侧监测模块分别用于监测蒸发器工质侧和热源侧的温度、流量和压力中的一个以上，即工质侧监测模块用于监测工质在蒸发器8的进、出口温度、流量和压力中的至少一个参数，热源侧监测模块用于监测热源流体在蒸发器8的进、出口的温度、流量和压力中的至少一个参数，优选至少监测采集工质在蒸发器进口端的温度、流量、压力及出口端温度这四个参数，以及热源流体在蒸发器进口端的温度、压力和流量这三个参数，这两个监测模块的结构可以是完全相同，只是用于监测不同端口的同类参数，例如所述工质侧监测模块和热源侧监测模块均包括流量计5、压力传感器4和温度传感器6，因而两者均可以用于监测对应区域的流体的流量、压力和温度；所述控制模块9与所述工质侧监测模块及热源侧监测模块相连接，以基于热源侧监测模块的监测结果，输出是否调整工质侧流量、热源侧流量比(分流比)以及工质泵转速(压力)的信号。
27.工质侧监测模块和热源侧监测模块的具体设置位置可以根据需要灵活设置，但以尽量靠近监测端口为宜。为方便设置，在一示例中，所述工质侧监测模块连接至工质泵3和蒸发器8之间的管路上，更确切地说是连接至蒸发器中工质流道的进、出口管路上，所述热源侧监测模块连接至热源流体在蒸发器8的进、出口端管路上。例如在工质侧监测模块和蒸发器8监测模块均包括流量计5、压力传感器4和温度传感器6的情况下，工质侧监测模块的例示性设置方式为，压力传感器4、流量计5和温度传感器6依次设置在工质泵3和蒸发器8之间的管路上，即压力传感器4相对更靠近工质泵3，而温度传感器6和流量计5则相对更靠近蒸发器8。热源侧监测模块的例示性设置方式为，温度传感器6、流量计5和压力传感器4在蒸发器8的热源流体进口端依次设置。
28.请继续参考图1所示，为方便调节工作，所述工质泵3和蒸发器8之间的管路上，和/
或蒸发器8与膨胀机1之间的管路上分别设置有工质侧流量调节阀7和热源侧流量调节阀7。流量调节阀7为电动阀，与控制模块9相连接，以接受控制模块9的信号控制。如果蒸发器8为多个，则每个蒸发器8的工质入口端和热源流体进口端均设置有流量调节阀7。且除设置与控制模块9相连接的电动阀外，还可以于工质泵3和蒸发器8之间的管路上，和/或蒸发器8的热源流体进口端设置手动阀，手动阀在通常情况下保持常开状态，仅在系统出现故障，比如电动阀失灵时可以由工作人员手动操作关闭系统，提高系统的安全性。
29.蒸发器8可以为单个，但在较佳的示例中，所述蒸发器8为2个以上，2个以上蒸发器8串联和/或并联于工质泵3和膨胀机1之间，多个蒸发器8优选至少形成两条以上工质流通路径，即至少确保部分蒸发器8是平行并联状态，并联的多个蒸发器8优选相同型号，两端距离工质泵3的距离优选相同，各蒸发器8的热源侧和工质侧进、出口均设置有热源侧监测模块和工质侧监测模块，且各蒸发器8的工质进口端，即在工质泵3和蒸发器8之间的管路上均设置有独立的温度传感器6和流量计5。将蒸发器8工质入口端的工质侧监测模块和热源流体进口端的热源侧监测模块设置数量与蒸发器8的数量相匹配，以独立计量输入至各蒸发器8的工质的温度和流量，以及输送至蒸发器8热源流体的温度和流量，由此实现更精准的流体流量调节。
30.所述蒸发器8的类型可以包括但不限于管壳式、板式、板翅式和翅片管式中的若干种，即蒸发器既可以是单一类型，也可以同时采用多种类型，具体可以根据待收集热源的情况选择，对此不做严格限制。
31.在一示例中，于蒸发器8和膨胀机1之间可以设置过滤器，以过滤液态工质，使得仅允许高温高压的气态工质被输送至膨胀机1内进行做功，确保膨胀机1保持在良好的工作状态。
32.冷凝器2同样可以是单个或2个以上，当为两个以上时，多个冷凝器2同样可以是串联或并联，或部分串联后再与其他冷凝器2并联。冷凝器2可以是水冷装置，利用流动的冷却水实现冷凝器2内的工质冷却，完成冷却功能的冷却水具有一定温度，可以满足部分工厂的用热需求，例如可以用于保温，最大程度实现热量的回收利用。
33.控制模块9可以是包括单片机和/或上位机的模块，其可以设置在远离蒸发器8的控制室中，实现整个系统的远程控制。
34.在一示例中，还可以设置与冷凝器2相连通的支路，支路上设置有常闭的控制阀。支路可以用于当系统运行出现故障，例如蒸发器8工作失灵时，可以通过导通支路释放工质和/或热源流体。
35.本发明提供的有机朗肯循环系统的工作原理为，系统选用工质为r245fa、r123等有机工质，当系统开始工作时，冷凝器2中的液态有机工质经工质泵3升压后泵入蒸发器8中(如蒸发器8为多个，则系统工质经过工质泵3升压进入分流管，经过流量计5、流量调节阀7后进入蒸发器8)，蒸发器8与余热热源换热，即通过相变吸收热源热量，液态的有机工质变为高温高压蒸汽，随后进入膨胀机1中(如蒸发器8为多个，则多个蒸发器8的高温高压蒸汽合流后进入膨胀机1)，推动膨胀机1进行做功，膨胀机1驱动发电机进行发电并向外输出电能，做功后的工质变为低温低压气体进入冷凝器2，通过冷凝器2中的冷却介质使得有机工质冷凝成液态，液态的工质再度通过工质泵升压后被输送至蒸发器8，完成基本循环。在这个循环过程中，热源侧监测模块获得热源侧的温度、流量等信号，工质侧监测模块获得工质
侧工质的流量、温度等信号，随后根据热源的温度、流量的变化情况，通过流量调节阀7等装置调节系统中工质的流量、运行压力，以及热源侧流量等参数。
36.在一较佳示例中，整个调节工作过程的流程为：当前有机朗肯循环系统工作在设计的额定工况，当热源来流参数变化时，如热源的流量或温度上升，热源侧的流量计5和温度传感器6监测到信号变化，传输到控制模块9，因有机朗肯循环系统的可回收总能量升高，根据有机朗肯循环系统的温度匹配性和不可逆损失最小的控制理念，控制模块9的输出信号发生改变并发送信号给工质泵3、工质侧调节阀、热源侧调节阀，通过调节工质侧调节阀门的开度，进而改变每一个蒸发器8的工质侧流量，在蒸发器8为多个的情况下，可实现各蒸发器8中的工质流量的适当分配；通过调节工质泵3的转速，进而改变工质侧总流量和蒸发压力；通过调节热源侧调节阀门的开度，进而改变每一个蒸发器8的热源侧流量，在蒸发器8为多个的情况下，可实现各蒸发器8中的热源流体流量的适当分配。
37.传统的有机朗肯循环系统的控制逻辑为，通过监测蒸发器出口的过热度控制系统内的工质流量，其中过热度是指工质在蒸发器出口的温度与当前压力对应的饱和压力的差值，依据运行时刻下过热度与设定过热度之间的偏差调节系统内工质的流量，最终稳定时，过热度维持在一个恒定值上。
38.而本发明则是监测热源温度、流量等变化，在流量变化的瞬间，适当调节工质侧和热源侧的流量，尽可能回收且合理利用余热热源的热量。传统控制逻辑因为换热器具有热容，当热源工况变化时，工质在蒸发器出口的过热度变化具有一定的延迟，此阶段会有一定的热量资源未被及时回收。而本发明可依据热源进口侧温度、流量状态参数，实时按照稳定状态时系统工质状态参数进行调节。同时，由于orc系统使用场景中的工业余热资源波动性较强，所以orc系统通常都是工作在额定工况之外，当偏离设定工况时，以传统控制逻辑达到的稳定参数并不能最大限度发挥orc系统的做功潜力。本发明以orc系统预热回收量最大或/且热回收不可逆损失最小为判定目标，从而调节orc系统工质侧的运行流量、工作压力以及热源侧流量，最大限度的回收热源的热量并具有提高orc系统对余热热源品位的利用效果，提升orc系统的做功潜力。
39.因而相较之下，本发明在orc系统动态变化过程中，能够提高蒸发器的余热回收量，降低余热回收的不可逆损失。而当orc系统稳定运行时，蒸发器最大化利用余热资源，蒸发器维持较高的余热回收量、较小的热回收不可逆损失。即本发明可在系统变工况和稳定运行过程中，orc系统都能保持最大化余热利用率运行，使得系统对余热的回收具有较高的热回收量及较低的不可逆损失，从而使系统维持高效率的运行。
40.本发明还提供一种有机朗肯循环系统的运行方法，所述的有机朗肯循环系统可以是如上述任一方案中所述的系统，故前述内容可以全文引用至此，出于简洁的目的不重复赘述。当然，本发明提供的运行方法也可以基于其他类似的有机朗肯循环系统实现，对此不一一赘述。本发明提供的运行方法包括：控制模块采集热源侧的温度和流量参数，并依据热源及系统运行工况参数的变化情况，最终以系统热回收量大(最大)或/且热回收不可逆损失小(最小)为目的，输出信号对冷凝器、蒸发器、工质泵和膨胀机的运行参数进行调整。在设置有流量调节阀等装置的情况下，控制模块还发送信号给工质泵和流量调节阀，以实时调节orc系统运行的流量、蒸发温度，同时科学分配进入各蒸发器的流量，实现温度的匹配性，增加蒸发器换热量，实现实时以热源最小的不可逆损失运行。换热过程的不可逆损失较
佳地使用基于或火积理论的损失、火积耗散率、基于火积耗散率的当量热阻等中的若干个表示，便于计量量化。该运行方法中，通常实时监测热源参数并传输给控制模块，当热源参数发生变化时，控制模块实时调整系统运行参数。
41.针对以上两个增大系统做功能力的方法进一步说明，当热源温度升高时，动态变化过程中，本发明的控制方法与传统的控制模式在换热功率随时间的变化关系见图2。阴影部分的差异是本发明控制方法较传统控制方法在动态变化过程中多增加的热回收量，表明采用本发明可以降低因温度延迟而引起的热量浪费。
42.图3为最优工况时，工质在蒸发器中对热源热量的回收过程。当热源来流温度升高时，系统稳定运行后，蒸发器中热源与工质的换热过程见图4，阴影部分为本发明控制方法比传统控制方法减少的热回收不可逆损失，这说明本发明可以提高系统潜在的做功能力。
43.综上所述，本发明提供一种有机朗肯循环系统及运行方法。系统包括：蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵、工质侧监测模块、热源侧监测模块及控制模块，所述蒸发器、膨胀机、冷凝器及工质泵通过管路依次连接，所述工质侧监测模块和热源侧监测模块分别用于监测工质侧和热源侧的温度、流量和压力中的两个以上，所述控制模块与所述工质侧监测模块及热源侧监测模块相连接，以基于热源侧监测模块的监测结果，输出是否调整工质侧流量、压力以及热源侧的分流比的信号。本发明可在系统变工况和稳定运行过程中，都保持orc系统在最大化余热利用率的情况下运行，使得系统对余热的回收具有较高的热回收量及较低的不可逆损失，从而维持系统高效率的运行。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
44.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
技术特征：
1.一种有机朗肯循环系统，其特征在于，包括：蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵、工质侧监测模块、热源侧监测模块及控制模块，所述蒸发器、膨胀机、冷凝器及工质泵通过管路依次连接；所述工质侧监测模块和热源侧监测模块分别用于监测工质侧和热源侧的温度、流量和压力中的一个以上，所述控制模块与所述工质侧监测模块及热源侧监测模块相连接，以基于热源侧监测模块的监测结果，输出是否调整工质侧流量、压力以及热源侧的分流比的信号。2.根据权利要求1所述的有机朗肯循环系统，其特征在于，所述工质侧监测模块连接至蒸发器中工质流道的进、出口管路上，所述热源侧监测模块连接至蒸发器中热源流道的进、出口管路上。3.根据权利要求1所述的有机朗肯循环系统，其特征在于，所述工质泵和蒸发器之间的管路上，和/或蒸发器与膨胀机之间的管路上设置有流量调节阀。4.根据权利要求1所述的有机朗肯循环系统，其特征在于，所述蒸发器为2个以上，2个以上蒸发器串联和/或并联于工质泵和膨胀机之间，各蒸发器的热源侧和工质侧进、出口均设置有热源侧监测模块和工质侧监测模块。5.根据权利要求1所述的有机朗肯循环系统，其特征在于，蒸发器的类型包括管壳式、板式、板翅式和翅片管式中的若干种。6.根据权利要求1-5任一项所述的有机朗肯循环系统，其特征在于，所述工质侧监测模块和热源侧监测模块均包括流量计、压力传感器和温度传感器。7.一种有机朗肯循环系统的运行方法，其特征在于，所述运行方法包括：控制模块采集热源侧的温度和流量参数，并依据热源及系统运行工况参数的变化情况，最终以系统热回收量大或/且热回收不可逆损失小为目的，输出信号对冷凝器、蒸发器、工质泵和膨胀机的运行参数进行调整。8.根据权利要求7所述的运行方法，其特征在于，换热过程的不可逆损失使用基于或火积理论的损失、火积耗散率、基于火积耗散率的当量热阻参数中的若干个表示。9.根据权利要求7所述的运行方法，其特征在于，所述运行方法包括实时监测热源参数并传输给控制模块，当热源参数发生变化时，控制模块实时调整系统运行参数。
技术总结
本发明提供一种有机朗肯循环系统及运行方法。系统包括：蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵、工质侧监测模块、热源侧监测模块及控制模块，蒸发器、膨胀机、冷凝器及工质泵通过管路依次连接，工质侧监测模块和热源侧监测模块分别用于监测工质侧和热源侧的温度、流量和压力中的一个以上，控制模块与工质侧监测模块及热源侧监测模块相连接，以基于热源侧监测模块的监测结果，输出是否调整工质侧工质的流量、压力以及热源侧的分流比的信号。本发明可使得ORC系统在系统变工况和稳定运行过程中，都能在保持余热利用率大或/且余热不可逆损失小的情况下运行，使得系统对余热的回收具有较高的热回收量及较低的不可逆损失，从而维持系统高效率的运行。的运行。的运行。
