串级式有机朗肯循环系统技术领域
本发明属于有机朗肯循环技术领域，涉及一种有机朗肯循环系统，尤其涉及
一种串级式有机朗肯循环系统。
背景技术
请参阅图1，图1为一个典型的有机朗肯循环(OrganicRankinCycle，ORC)
系统，包括膨胀机1’、发电机2’、蒸发器3’、液体泵4’、冷凝器5’。
低温低压的液体制冷工质在液体泵4’中被升压；然后进入蒸发器3’被加
热汽化，直至成为过热气体(高温高压)后，进入膨胀机1’膨胀做功，驱动发
电机2’发电。做功后的低温低压气体进入冷凝器5’被冷却凝结成液体；再回
到液体泵4’中，完成一个循环。
对于有机朗肯循环而言，热流体和环境温度之间的温差越大，热效率越高。
然而，现有有机朗肯循环系统，只包括一组有机朗肯循环单元(即仅包括一个膨
胀机、一个发电机、一个蒸发器、一个液体泵、一个冷凝器)；热源通常只连接
一个蒸发器，系统的热效率还有待进一步提高。
此外，由于膨胀机的大小有一定限制，为了能充分利用热源的能量，一些系
统中将若干组有机朗肯循环单元并联，如图2所示，但依然没有解决系统热效率
较低的问题。
有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的有机朗肯循环系统，以改进现有系统
的缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种串级式有机朗肯循环系统，可提高
系统热效率。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种串级式有机朗肯循环系统，所述有机朗肯循环系统包括：至少一第一
ORC子系统、至少一第二ORC子系统；
所述第一ORC子系统包括第一蒸发器、第一预热器、第一液体泵、第一冷凝
器、第一膨胀机、第一发电机；第一蒸发器、第一预热器、第一液体泵、第一冷
凝器、第一膨胀机依次连接，第一膨胀机与第一蒸发器连接；第一膨胀机与第一
发电机连接；
所述第二ORC子系统包括第二蒸发器、第二预热器、第二液体泵、第二冷凝
器、第二膨胀机、第二发电机；第二蒸发器、第二预热器、第二液体泵、第二冷
凝器、第二膨胀机依次连接，第二膨胀机与第二蒸发器连接；第二膨胀机与第二
发电机连接；
所述有机朗肯循环系统采用高温热流体作为热源，热流体经过第一蒸发器
后，一部分经过第一预热器流出；另一部分进入第二ORC子系统，并依次通过第
二ORC子系统的第二蒸发器与第二预热器；
经过所述第一ORC子系统、第二ORC子系统的热流体混合后输送出去，或单
独输送出去；
所述第一预热器出口设置第一调节阀门、第一温度传感器、第一控制器，第
一控制器分别连接第一调节阀门、第一温度传感器；第一温度传感器将第一预热
器出水温度发送至第一控制器，第一控制器通过第一预热器出水温度来调整第一
调节阀门的开度，从而调节进入第一预热器以及进入第二蒸发器的流量比例；
实现当第一ORC子系统的第一预热器热流体流量减小时，第一预热器出水温
度随之降低，多余高品位热水进入第二ORC子系统的第二蒸发器，因其热水温度
高，提高系统热效率。灵活调整不同ORC机组发电功率，并实现热流体出口温度
控制。
所述有机朗肯循环系统还包括数据库模块、智能调节模块，智能调节模块连
接数据库模块；
所述数据库模块存储历史数据或/和优选推荐数据；数据库模块存储有：第
一预热器出水温度、第一调节阀门的开度、进入第二蒸发器流量比例、第一ORC
子系统发电功率、第二ORC子系统发电功率、系统热效率；
所述智能调节模块用以根据第一ORC子系统所需发电功率或/和第二ORC子
系统所需发电功率，结合数据库模块中的最接近的相关数据调节第一调节阀门的
开度；
所述智能调节模块还对第一调节阀门的开度进行调节，计算对应的系统热效
率，选择满足需求且系统热效率最高的数据确定第一调节阀门的开度，并根据需
求或外界环境变化自适应调节；如果热效率最高的数据为新调节出的数据，则将
该组数据记录于数据库模块中。
一种串级式有机朗肯循环系统，所述有机朗肯循环系统包括：至少一第一
ORC子系统、至少一第二ORC子系统；
所述第一ORC子系统包括第一蒸发器、第一预热器、第一液体泵、第一冷凝
器、第一膨胀机、第一发电机；第一蒸发器、第一预热器、第一液体泵、第一冷
凝器、第一膨胀机依次连接，第一膨胀机与第一蒸发器连接；第一膨胀机与第一
发电机连接；
所述第二ORC子系统包括第二蒸发器、第二预热器、第二液体泵、第二冷凝
器、第二膨胀机、第二发电机；第二蒸发器、第二预热器、第二液体泵、第二冷
凝器、第二膨胀机依次连接，第二膨胀机与第二蒸发器连接；第二膨胀机与第二
发电机连接；
所述有机朗肯循环系统采用高温热流体作为热源，热流体经过第一蒸发器
后，一部分经过第一预热器流出；另一部分进入第二ORC子系统，并依次通过第
二ORC子系统的第二蒸发器与第二预热器。
作为本发明的一种优选方案，经过所述第一ORC子系统、第二ORC子系统的
热流体混合后输送出去，或单独输送出去。
作为本发明的一种优选方案，所述第一预热器出口设置第一调节阀门、第一
温度传感器、第一控制器，第一控制器分别连接第一调节阀门、第一温度传感器；
第一温度传感器将第一预热器出水温度发送至第一控制器，第一控制器通过第一
预热器出水温度来调整第一调节阀门的开度，从而调节进入第一预热器以及进入
第二蒸发器的流量比例。
作为本发明的一种优选方案，实现当第一ORC子系统的第一预热器热流体流
量减小时，第一预热器出水温度随之降低，多余高品位热水进入第二ORC子系统
的第二蒸发器，因其热水温度高，提高系统热效率。
作为本发明的一种优选方案，灵活调整不同ORC机组发电功率，并实现热流
体出口温度控制。
作为本发明的一种优选方案，所述热流体为热水或热油。
作为本发明的一种优选方案，所述有机朗肯循环系统还包括数据库模块、智
能调节模块，智能调节模块连接数据库模块；
所述数据库模块存储历史数据或/和优选推荐数据；数据库模块存储有：第
一预热器出水温度、第一调节阀门的开度、进入第二蒸发器流量比例、第一ORC
子系统发电功率、第二ORC子系统发电功率、系统热效率；
所述智能调节模块用以根据第一ORC子系统所需发电功率或/和第二ORC子
系统所需发电功率，结合数据库模块中的最接近的相关数据调节第一调节阀门的
开度；
所述智能调节模块还对第一调节阀门的开度进行调节，计算对应的系统热效
率，选择满足需求且系统热效率最高的数据确定第一调节阀门的开度，并根据需
求或外界环境变化自适应调节；如果热效率最高的数据为新调节出的数据，则将
该组数据记录于数据库模块中。
本发明的有益效果在于：本发明提出的串级式有机朗肯循环系统，可有效提
高系统热效率。
本发明通过调整预热器与蒸发器流量比例，可以灵活调整不同ORC机组发电
功率，并实现热流体出口温度控制。在热流体同等温降条件下，该利用方式相比
单级利用方案，有效提高系统热效率。
在单级ORC系统中，环境温度或者冷源温度决定了ORC的冷凝温度，这时如
果蒸发温度越高，循环的热效率越高。对于大流量、高温降的热流体，如果采用
单级ORC系统，在同样温降的前提下，需要降低蒸发温度，导致热效率降低。如
果采用串级ORC系统，则可大幅提高系统热效率。根据热源形式不同，在同样条
件下(冷源相同、温降相同)热效率可以提高10-15％。
附图说明
图1为现有有机朗肯循环发电系统的组成示意图。
图2为现有并联有机朗肯循环发电系统的组成示意图。
图3为本发明串级式有机朗肯循环系统的组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例一
请参阅图3，本发明揭示了一种串级式有机朗肯循环系统，所述有机朗肯循
环系统包括：至少一第一ORC子系统、至少一第二ORC子系统；
所述第一ORC子系统包括第一蒸发器、第一预热器、第一液体泵、第一冷凝
器、第一膨胀机、第一发电机；第一蒸发器、第一预热器、第一液体泵、第一冷
凝器、第一膨胀机依次连接，第一膨胀机与第一蒸发器连接；第一膨胀机与第一
发电机连接；
所述第二ORC子系统包括第二蒸发器、第二预热器、第二液体泵、第二冷凝
器、第二膨胀机、第二发电机；第二蒸发器、第二预热器、第二液体泵、第二冷
凝器、第二膨胀机依次连接，第二膨胀机与第二蒸发器连接；第二膨胀机与第二
发电机连接；
所述有机朗肯循环系统采用高温热流体作为热源，热流体经过第一蒸发器
后，一部分经过第一预热器流出；另一部分进入第二ORC子系统，并依次通过第
二ORC子系统的第二蒸发器与第二预热器；
经过所述第一ORC子系统、第二ORC子系统的热流体混合后输送出去，或单
独输送出去；
所述第一预热器出口设置第一调节阀门、第一温度传感器、第一控制器，第
一控制器分别连接第一调节阀门、第一温度传感器；第一温度传感器将第一预热
器出水温度发送至第一控制器，第一控制器通过第一预热器出水温度来调整第一
调节阀门的开度，从而调节进入第一预热器以及进入第二蒸发器的流量比例；
实现当第一ORC子系统的第一预热器热流体流量减小时，第一预热器出水温
度随之降低，多余高品位热水进入第二ORC子系统的第二蒸发器，因其热水温度
高，提高系统热效率。灵活调整不同ORC机组发电功率，并实现热流体出口温度
控制。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，串联机组大于2，系统的利
用形式与实施例一类似，热流体均由前一级ORC系统蒸发器出口进入下一级ORC
系统蒸发器进口，各预热器出口热流体混合在一起，或各ORC系统热流量分别输
送出去。
实施例三
一种串级式有机朗肯循环系统，所述有机朗肯循环系统包括：至少一第一
ORC子系统、至少一第二ORC子系统。
所述第一ORC子系统包括第一蒸发器、第一预热器、第一液体泵、第一冷凝
器、第一膨胀机、第一发电机；第一蒸发器、第一预热器、第一液体泵、第一冷
凝器、第一膨胀机依次连接，第一膨胀机与第一蒸发器连接；第一膨胀机与第一
发电机连接。
所述第二ORC子系统包括第二蒸发器、第二预热器、第二液体泵、第二冷凝
器、第二膨胀机、第二发电机；第二蒸发器、第二预热器、第二液体泵、第二冷
凝器、第二膨胀机依次连接，第二膨胀机与第二蒸发器连接；第二膨胀机与第二
发电机连接。
所述有机朗肯循环系统采用高温热流体作为热源，热流体经过第一蒸发器
后，一部分经过第一预热器流出；另一部分进入第二ORC子系统，并依次通过第
二ORC子系统的第二蒸发器与第二预热器。
实施例四
本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，所述有机朗肯循环系统还包
括数据库模块、智能调节模块，智能调节模块连接数据库模块。
所述数据库模块存储历史数据或/和优选推荐数据；数据库模块存储有：第
一预热器出水温度、第一调节阀门的开度、进入第二蒸发器流量比例、第一ORC
子系统发电功率、第二ORC子系统发电功率、系统热效率。
所述智能调节模块用以根据第一ORC子系统所需发电功率或/和第二ORC子
系统所需发电功率，结合数据库模块中的最接近的相关数据调节第一调节阀门的
开度。
所述智能调节模块还对第一调节阀门的开度进行调节(可以微调，也可以调
节幅度较大)，计算对应的系统热效率，选择满足需求且系统热效率最高的数据
确定第一调节阀门的开度，并根据需求或外界环境变化自适应调节；如果热效率
最高的数据为新调节出的数据，则将该组数据记录于数据库模块中。
综上所述，本发明提出的串级式有机朗肯循环系统，可有效提高系统热效率。
本发明通过调整预热器与蒸发器流量比例，可以灵活调整不同ORC机组发电功
率，并实现热流体出口温度控制。在热流体同等温降条件下，该利用方式相比单
级利用方案，有效提高系统热效率。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实
施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技
术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚
的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结
构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和
精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。