大型制冷机组余热发电系统
技术领域
本发明涉及余热发电技术领域，特别涉及一种大型制冷机组余热发电系统。
背景技术
乘用车制造生产线、制药生产线和高科技产品生产线都要求车间环境洁净、温度湿度适宜，夏季气温通常需保持在26℃及以下，因此，工厂内都配置有若干大型制冷机组，且各大型酒店、商场也安装有大型供冷机组。这些制冷机组通常根据有机朗肯循环技术原理，利用有机工质低温沸腾汽化的特点与水进行热交换，从而降低水的温度，为用户提供制冷水，完成热交换后的有机工质与循环冷却水进行热交换，携热的冷却水由水泵送往水冷塔，通过水冷塔将水中的热量直接排放在大气中，因此，大型制冷机组不仅运行时需要消耗大量的电能，而且热交换后的大量工质热没有得到利用，此外还需要耗费额外的动能对载热工质进行冷却，从而导致大量的能源和成本浪费。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种大型制冷机组余热发电系统，其能利用大型制冷机组的余热进行发电，达到节能的效果，而且在回收利用制冷机组余热的同时，还能对低沸点工质起到降温作用，从而减小冷凝器的面积，降低生产成本。
本发明的技术方案是：大型制冷机组余热发电系统，包括用户端制冷机，所述用户端制冷机的换热装置的循坏液出口通过管道与一蒸发器的热媒进口相连，所述蒸发器的热媒出口经循环水泵通过管道与换热装置的循坏液进口相连，蒸发器的低沸点工质进口通过工质输送管连接一离心式制冷压缩机的下游端，所述蒸发器的低沸点工质出口通过蒸汽输送管经第一节流阀连接一螺杆膨胀机的进气口，所述螺杆膨胀机的转子连接发电机，所述螺杆膨胀机的排气口经第一截断阀连接一油液分离器的进口，所述油液分离器的工质出口通过管道连接一冷凝器的工质进口，所述冷凝器的工质出口通过管道连接工质储箱的进液口，所述工质储箱的出液口通过管道与所述离心式制冷压缩机的上游端连接，所述油液分离器的润滑油出口通过油泵经第一润滑油路连接螺杆膨胀机的润滑油进口，经第二润滑油路连接离心式制冷压缩机的润滑油进口，所述第一润滑油路上设置流量调节阀。
所述蒸汽输送管上设置一歧路管道连接油液分离器的进口，所述歧路管道的上游端位于蒸发器与第一节流阀之间，该歧路管道上设置第二节流阀。
所述螺杆膨胀机的排气口与油液分离器之间设有一旁路管道，所述旁路管道上设置一备用泵，所述备用泵的上游端经第二截断阀连接螺杆膨胀机的排气口，所述备用泵的下游端经第三截断阀连接油液分离器的进口。
所述冷凝器采用水冷式冷凝器，该水冷式冷凝器的冷却水出口通过管道连接水冷塔的进水口，所述水冷塔的出水口依次经冷却水池、冷却水泵连接水冷式冷凝器的冷却水进口。
所述冷凝器采用风冷式冷凝器，设置冷却风机与风冷式冷凝器对应。
所述风冷式冷凝器为翅片式冷凝器。
所述低沸点工质采用氟利昂-114，或者异丁烷，或者正丁烷。
采用上述技术方案：换热装置的循环液出口通过管道连接蒸发器的热媒进口，蒸发器的热媒出口经循环水泵通过管道连接换热装置的循环液进口，形成制冷水循环管路，蒸发器通过循环水泵将制冷水送入用户端制冷机的换热装置中，为用户供冷，制冷水在换热装置中完成供冷后，通过换热装置将温度升高的制冷水送回到蒸发器中与低沸点工质进行热交换，再次作为制冷水送入换热装置中，如此形成制冷水循环。蒸发器的低沸点工质进口通过工质输送管连接离心式制冷压缩机的下游端，蒸发器的低沸点工质出口通过蒸汽输送管经第一节流阀连接螺杆膨胀机，通过离心式制冷压缩机将低沸点工质转化为低温低压蒸汽送入蒸发器内，与换热装置送回到蒸发器中的升温制冷水进行热交换，使制冷水冷却，此时低温低压工质蒸汽转化为高温高压工质蒸汽，并通过蒸汽输送管将高温高压蒸汽传递给螺杆膨胀机。螺杆膨胀机的转子连接发电机，螺杆膨胀机的排气口经第一截断阀连接油液分离器的进口，由高温高压工质蒸汽为螺杆膨胀机提供动力，且高温高压工质蒸汽在螺杆膨胀机中做功后，转化为工质乏汽从螺杆膨胀机的排气口排出送入油液分离器中，通过油液分离器将工质乏汽与润滑油进行分离。工质乏汽从油液分离器的工质出口送入冷凝器中冷凝为液态工质，储液箱的出液口通过管道连接离心式制冷压缩机的上游端，液态工质储存在低沸点工质储箱中供离心式制冷压缩机循环使用，由此形成低沸点工质的循环管路。经油液分离器分离出的润滑油通过油泵分为两路，一路经流量调节阀输送至螺杆膨胀机，另一路通过管道为离心式制冷压缩机提供润滑油，保证螺杆膨胀机和离心式制冷压缩机的稳定运行。本系统利用换热装置中的制冷水与低沸点工质热交换形成的高温高压蒸汽进行发电，一方面对制冷机组在制冷过程中产生的余热进行利用发电，达到节能效果，提高制冷机组的余热利用率，另一方面使低沸点工质由螺杆膨胀机消耗大部分热能，对转化为工质乏汽的低沸点工质起到了一定冷却作用，从而可以减小后端冷凝器的冷却面积，缩短冷凝管路的长度，降低生产成本，加快冷却速度。
所述蒸汽输送管上设置一歧路管道连接油液分离器的进口，所述歧路管道的上游端位于蒸发器与第一节流阀之间，该歧路管道上设置第二节流阀，当输送至螺杆膨胀机的高温高压工质蒸汽足够多时，可开通歧路管道上的第二节流阀，使一部分高温高压工质蒸汽输送至油液分离器中进行油液分离，经冷凝后储存在工质储箱中备用。
所述螺杆膨胀机的排气口与油液分离器之间设有一旁路管道，所述旁路管道上设置一备用泵，所述备用泵的上游端经第二截断阀连接螺杆膨胀机的排气口，所述备用泵的下游端经第三截断阀连接油液分离器的进口，在螺杆膨胀机与油液分离器之间设置旁路管道，由于螺杆膨胀机和发电机的运行会增加系统的阻损，当系统的阻损对离心式制冷压缩机的动能造成影响时，通过该旁路管道的备用泵可以辅助系统将工质乏汽输送至油液分离器内，保证系统的稳定运行。
所述冷凝器采用水冷式冷凝器，该水冷式冷凝器的冷却水出口通过管道连接水冷塔的进水口，所述水冷塔的出水口依次经冷却水池、冷却水泵连接水冷式冷凝器的冷却水进口，水冷式冷凝器通过冷却水与工质乏汽进行热交换，冷却水完成热交换后输送至水冷塔进行散热处理，冷却后的冷却水储存在冷却水池中备用，为冷凝器提供冷却水。
所述冷凝器采用风冷式冷凝器，设置冷却风机与风冷式冷凝器对应，该风冷时冷凝器可直接通过冷却风机对工质乏汽起到冷却作用，结构简单、冷却效果可靠。
所述风冷式冷凝器为翅片式冷凝器，增加冷凝器的散热面积，保证冷凝效果，加快冷凝速度。
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明一种实施例的连接框图；
图2为本发明另一种实施例的连接框图。
具体实施方式
参见图1至图2，大型制冷机组余热发电系统，包括用户端制冷机。所述用户端制冷机的换热装置1的循坏液出口通过管道与一蒸发器2的热媒进口相连，所述蒸发器2的热媒出口经循环水泵3通过管道与换热装置1的循坏液进口相连，蒸发器2通过循环水泵3将循环水输送至用户端制冷机的换热装置1中，输送至换热装置1中的循环水的温度通常为5~7℃，为用户提供冷源，循环水在换热装置1中完成供冷后，温度通常将升高至10~12℃，通过换热装置1将温度升高的循环水送回至蒸发器2中与低沸点工质进行热交换，所述低沸点工质可采用氟利昂-114，或者异丁烷，或者正丁烷，本实施例的低沸点工质采用氟利昂-114，由于氟利昂-114的沸点为3.55℃，因此氟利昂-114能在热交换的过程中转换为高温高压工质蒸汽，且能够使10~12℃的循环水迅速降温，从而使循环水的温度降低到5~7℃输送至换热装置1中，为用户提供冷源，由此形成制冷水循环管路。此外，本系统还可以采用沸点低于10~12℃的其它低沸点工质，同样能达到所需效果。蒸发器2的低沸点工质进口通过工质输送管4连接一离心式制冷压缩机5的下游端，所述蒸发器2的低沸点工质出口通过蒸汽输送管6经第一节流阀7连接一螺杆膨胀机8的进气口，通过离心式制冷压缩机5可将低沸点工质转化为低温低压蒸汽输送到蒸发器2内，与蒸发器2中的制冷水进行热交换，对用户端制冷机的返回水进行冷却，此时低温低压工质蒸汽转化为高温高压工质蒸汽，并通过蒸汽输送管6将高温高压工质蒸汽输送给螺杆膨胀机8，蒸汽输送管6上设置第一节流阀7可以调节高温高压工质蒸汽的输送速度。所述螺杆膨胀机8的转子连接发电机9，所述螺杆膨胀机8的排气口经第一截断阀10连接一油液分离器11的进口，由高温高压工质蒸汽为螺杆膨胀机8提供动力来源，使螺杆膨胀机8驱动发电机9运行发电，而高温高压工质蒸汽经螺杆膨胀机8做功后，转化为工质乏汽从螺杆膨胀机8的排气口排出，通过管道输送至油液分离器11中，由油液分离器11对工质乏汽和润滑油进行分离。所述蒸汽输送管6上设置一歧路管道18连接油液分离器11的进口，所述歧路管道18的上游端位于蒸发器2与第一节流阀7之间，当输送至螺杆膨胀机8的高温高压工质蒸汽足够多时，可开通歧路管道18上的第二节流阀19，使一部分高温高压工质蒸汽输送至油液分离器11中进行油液分离，经冷凝后储存在工质储箱13中备用，保证有足够的低沸点工质保持离心式制冷压缩机5能稳定运行。所述油液分离器11的工质出口通过管道连接一冷凝器12的工质进口，所述冷凝器12的工质出口通过管道连接工质储箱13的进液口，所述工质储箱13的出液口通过管道与所述离心式制冷压缩机5的上游端连接，工质乏汽从油液分离器11的工质出口送入冷凝器12内冷凝为液态工质，液态工质储存在工质储箱13中备用，供离心式制冷压缩机5循环使用，由此形成低沸点工质的循环管路。所述油液分离器11的润滑油出口通过油泵14经第一润滑油路15连接螺杆膨胀机8的润滑油进口，为螺杆膨胀机8提供润滑油，经第二润滑油路16连接离心式制冷压缩机5的润滑油进口，为离心式制冷压缩机5提供润滑油，保证螺杆膨胀机8和离心式制冷压缩机5的稳定运行，所述第一润滑油路15上设置流量调节阀17，该流量调节阀17可以根据实际情况调节螺杆膨胀机8的润滑油输送量。
所述螺杆膨胀机8的排气口与油液分离器11之间设有一旁路管道20，所述旁路管道20上设置一备用泵21，所述备用泵21的上游端经第二截断阀22连接螺杆膨胀机8的排气口，所述备用泵21的下游端经第三截断阀23连接油液分离器11的进口，在螺杆膨胀机8与油液分离器11之间设置旁路管道20，螺杆膨胀机8与发电机9运行发电时，会增加系统的阻损，当系统阻损对离心式制冷压缩机5的动能造成影响时，通过备用泵21可以加快工质乏汽的输送速度，因此打开第二截断阀22、第三截断阀23，在该旁路管道20的备用泵21的辅助作用下，可以使系统将工质乏汽快速输送至油液分离器11中，从而保证系统能稳定运行，而且，当第一截断阀10所处管道发生损坏时，该旁路管道20还能作备用管道输送工质乏汽，从而保证系统的稳定运行。
所述冷凝器12可以采用水冷式冷凝器，如图1所示，该水冷式冷凝器的冷却水出口通过管道连接水冷塔24的进水口，所述水冷塔24的出水口依次经冷却水池25、冷却水泵26连接水冷式冷凝器的冷却水进口，水冷式冷凝器通过冷却水与工质乏汽进行热交换，冷却水完成热交换后输送至水冷塔24进行散热处理，冷却后的冷却水储存在冷却水池25中备用，为冷凝器12提供冷却水。
所述冷凝器12还可以采用风冷式冷凝器，如图2所示，设置冷却风机27与风冷式冷凝器对应，该风冷时冷凝器可直接通过冷却风机27对工质乏汽起到冷却作用，结构简单、冷却效果可靠。所述风冷式冷凝器可采用翅片式冷凝器，增加冷凝器的散热面积，保证冷凝效果，加快冷凝速度。
本发电系统工作时，所述用户端制冷机的循环冷却水经换热装置1换热后温度通常会达到10~12℃，从循坏液出口循环至蒸发器2中，所述离心式制冷压缩机5将低沸点工质输送到蒸发器2中通过热交换产生蒸汽，进行热交换后的循环水快速降低至5~7℃循环至户端制冷机作为冷源，低沸点工质在蒸发器中进行热交换后转换为高温高压蒸汽，该高温高压蒸汽通过蒸汽输送管6输送给螺杆膨胀机8做功，使螺杆膨胀机8驱动发电机9运行发电。高温高压工质蒸汽经螺杆膨胀机8做功后，转化为工质乏汽从螺杆膨胀机8的排气口排出，经第一截断阀10通过管道输送至油液分离器11中，由油液分离器11对工质乏汽和润滑油进行分离，经油液分离器11分离出的工质乏汽从工质出口送入冷凝器12内冷凝为液态工质，液态工质储存在工质储箱13中，并通过工质储箱13输送至离心式制冷压缩机5中，由此形成低沸点工质循环；经油液分离器11分离的润滑油一路通过油泵14输送至螺杆膨胀机8，为螺杆膨胀机8提供润滑，另一路则输送至离心式制冷压缩机5用于润滑。
当系统阻损对离心式制冷压缩机5的动能造成影响时，通过设置在旁路管道20上的备用泵21可以加快工质乏汽的输送速度，具体为打开第二截断阀22、第三截断阀23，在该旁路管道20的备用泵21的辅助作用下，可以使系统将工质乏汽快速输送至油液分离器11中，而且，当第一截断阀10发生损坏时，该旁路管道20还能作备用管道输送工质乏汽。
当输送至螺杆膨胀机8的高温高压工质蒸汽足够多时，可打开歧路管道18上的第二节流阀19，使一部分高温高压工质蒸汽输送至油液分离器11中。
本大型制冷机组余热发电系统利用大型制冷机组余热发电实现节能，效果显著。
对本系统使用时的节能效果进行计算：
目前的有机朗肯循环商用发电系统效率一般为20%左右，因此本实施例按发电效率20%进行核验。
1.系统自用电率
本技术采用离心式制冷压缩机5替代传统的工质泵，润滑油系统仅增加了螺杆膨胀机发电机组，而冷凝器12的面积及冷却水大大减少，因此会大大降低冷却水泵的动能，则本系统的发电系统自耗电量将远小于传统的有机朗肯发电系统自耗电量。
（1）、离心式制冷压缩机5代替工质泵：虽然本系统包括余热发电系统，增大了系统阻损，但螺杆膨胀机8消耗了20%的工质蒸发热，因此后端的冷凝器12、油液分离器11会减少20%的阻损，系统阻损仍可视为平衡，则将离心式制冷压缩机5自耗电量取值为0。
（2）、油泵增加耗电：油泵自耗电率取值4%。
（3）、冷却水泵自耗电：冷却水泵自耗电量取值为0。
综上所述，系统自耗电率累计取值4%。
2.以某乘用车制造公司制冷站离心式制冷机组设备为例，设备参数如下：
离心式制冷（水）机组型号规格：YKR2R2K45DHG；
功率：1360KW；
性能系数：COP=4.5；
设离心式制冷压缩机5的机械效率为：η=97%；
冷却水循环泵功率：200KW；
（1）离心式制冷（水）机组最大制冷量W1
W1=1360*0.97*4.5=5936.4KW；
（2）利用工质蒸发热最大发电量E1，
E1=5936.4*（100-20）*%=1187.28KW.h；
（3）增加润滑油量自耗电量E2，
E2=1187.28*（100-4）*%=47.5KW.h；
（4）净发电量E3
E3=1187.28-47.5=1139.8KW.h；
（5）节省冷却水泵电能E4
E4=200*0.96*0.2=38.4KW.h。
3.节能减排及经济效果如下：
（1）一小时最大总节电量E5（净发电量E3+节电量E4）
E5=1139.8+38.4=1178.2KW.h。
（2）节电率(离心式制冷压缩机功率1360KW、冷却水泵功率200KW、润滑油泵功率80KW）
【1178.2/（1360+200+80）】*%=71.84%。
（3）节约标准煤（以煤电折标系数KW.h/0.35kgce计算）
1178.2*0.35=412.37kgce。
（4）减排二氧化碳（以2.6kg/kgce计算）
412.37*2.6=1072.16kg=1.072t。
（5）一年以4个月供冷期计算总节电量、节能量、减排量和节约成本费用（平均电价取值0.60元/KW.h）
总节电量：1078.2*24*120=3105216KW.h；
总节能量：3105216*0.35=3087826kgce=3087.826tce；
总减排二氧化碳量：3087.826*2.6=8030t；
总节约能源成本：3105216*0.60=1863130元。
本系统的螺杆膨胀机8、发电机9利用蒸发器2中换热产生的高温高压工质蒸汽进行回收发电，充分利用用户端制冷机的制冷水的余热，不仅能减少系统冷却低沸点工质所需的额外能耗，还能对大型制冷机组的余热进行回收利用，达到节能效果，发电量可用于系统自用，减少系统额外的耗电量，为工厂节约生产成本。而且，本系统的润滑油系统设置两路循环油路，循环的润滑油能防止润滑油沉积，保证螺杆膨胀机8、离心式制冷压缩机5能长时间稳定运行。此外低沸点工质经螺杆膨胀机8消耗大部分热能转化为工质乏汽，此时的工质乏汽相比蒸汽输送管6中高温高压工质蒸汽的热量大幅度降低，已经达到了一定冷却效果，因此可以减小后端冷凝器12的冷却面积，缩短冷凝管路的长度，若采用水冷式冷凝器，还能减少冷却水的使用量，从而降低生产成本，加快冷却速度。
