(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202110204315.8 (22)申请日 2021.02.24 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 112796845 A (43)申请公布日 2021.05.14 (73)专利权人 东北大学 地址 110819 辽宁省沈阳市和平区文化路 三号巷11号 (72)发明人 杨东升　周博文　李广地　金硕巍　 王迎春　罗艳红　杨波　郑海洪　 (74)专利代理 机构 沈阳东大知识产权代理有限 公司 21109 代理人 李梁 (51)Int.Cl. F01K 27/00(2006.01) F01K 11/02(2006.01) F01K 25/10(2006.01)F01D 15/10(2006.01) F01D 21/00(2006.01) G06F 30/27(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06N 3/00(2006.01) (56)对比文件 WO 2012074940 A 2,2012.0 6.07 US 2012266597 A1,2012.10.25 US 2013168972 A1,2013.07.04 CN 205779061 U,2016.12.07 CN 110593977 A,2019.12.20 王永红等.有机朗肯循环发电系统试验平台 设计. 《有色金属材 料与工程》 .2017,(第0 5期), 全文. 郑成博.基 于梯级利用理论的唐钢烧结余热 发电热源高效回收利用改造 研究. 《中国石油石 化》 .2017,(第0 6期),全文. 审查员 姚放 (54)发明名称 基于ORC的工业能源梯级利用供电系统及方 法 (57)摘要 本发明提供一种基于ORC的工业能源梯 级利 用供电系统及方法， 涉及工业能源利用技术领 域。 本系统包括余热锅炉发电设备和ORC发电设 备、 计算机、 传感器、 AD转换电路、 DSP； 本发明引 入ORC发电系统， 解决目前工业低温余热浪费的 问题， 同时在基于ORC的工业能源梯级利用供电 系统中， 优化整体系统结构， 对解决工业整体余 热难题提供了一定的帮助， 将能源梯级利用理论 应用到工业实际生产过程中， 实现能源梯级利用 理论与实际相结合； 不仅具有一定的经济效益， 还具有一定的社会效益。 权利要求书4页 说明书13页 附图9页 CN 112796845 B 2022.02.01 CN 112796845 B 1.一种基于ORC的工业能源梯级利用供电系统， 其特征在于， 包括余热锅炉发电设备和 ORC发电设备、 计算机、 传感器、 AD转换电路、 D SP； 所述传感器包括温度、 压力、 功率传感器， 安装于余热锅炉发电设备中的过热器、 汽轮 机冷凝器位置和ORC发电设备中工质泵、 蒸发器、 膨胀机、 冷凝器位置， 获取ORC发电设备、 余 热锅炉设备基本运行数据， 传输至所述AD转换电路 的输入端， 其输出信号传送至所述DSP， 并通过GPRS无线传输 至计算机； 所述计算机为系统软件平台， 包括用户登录模块、 设备信息模块、 设备运行状态模块、 历史数据存 储与显示分析模块和报警模块； 其中所述用户登录模块通过输入正确的系统用户名、 密码及验证码， 完成用户登录操 作， 进入基于 ORC的工业能源梯 级利用供电系统结构界面； 所述设备信息模块显示收集到的 余热锅炉发电设备和ORC发电设备 的参数信息； 所述设备运行状态模块显示通过传感器采 集到的余热锅炉发电设备和ORC发电设备运行情况； 所述历史数据存储与显示分析模块通 过传感器将数据传送到计算机软件平台中， 通过表格的形式进行显示， 其中表格第一列为 时间， 第二列之后依次为工业余热、 余热锅炉消耗余热、 余热锅炉发电设备发电、 ORC发电设 备消耗余热、 ORC发电设备发电功率值， 最后一列为系统总体能源利用效率， 所述报警模块 以各余热锅炉 发电设备和ORC发电设备温度、 气压为响应， 若设备温度、 气压超过其设定阈 值时， 系统软件平台报警， 系统中余热锅炉发电设备和ORC发电设备进行关闭。 2.根据权利要求1所述的一种基于ORC的工业能源梯级利用供电系统， 其特征在于， 所 述基本运行数据包括设备装机容量、 工质类型、 设计温度、 设备容积、 冷凝器内热交换管长 度和工业 余热数据。 3.一种基于ORC的工业能源梯级利用供电方法， 基于权利要求1所述的一种基于ORC的 工业能源梯级利用供电系统实现， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1： 建立基于ORC的工业能源梯级利用供电系统， 确定基于ORC的工业能源梯级利用 供电系统结构， 其结构包括 余热锅炉发电设备和ORC发电设备； 步骤2： 根据基于ORC的工业能源梯级利用供电系统结构， 确定基于ORC的工业能源梯级 利用方法， 根据工业余热的温度、 数量和用于需求实现温度对口， 梯级利用， 使余热温度逐 级降低， 直至余热发电设备 无法从系统获得能量 为止， 剩余进行排 放； 步骤3： 以工业能源梯级利用供电系统的 效率和能源利用效率为评价指标， 建立基于 ORC的工业能源梯级利用方法评价优化模型； 所述评价优化模型的 效率公式如下： 式中： Ep代表整个基于ORC的工业能源梯级利用供电系统利用工业余热 发出的电所具有 的 EF代表工业系统的余热 供给 其中Ep包含两部分： 余热锅炉发电设备利用高、 中温余热发出的电所具有的 以及ORC 发电设备利用低温余热发出的电所 具有的 其具体公式如下： 式中： EEB.p.i代表第i台余热锅炉发电设备利用高、 中温余热发出的电所具有的 权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 112796845 B 2EORC.p.j代表第j台ORC发电设备利用低温余 热发出的电所具有的 N代表余热锅炉发电设备 的数量； M代 表ORC发电设备的数量； EF包含3个部分： 余热锅炉发电设备利用高、 中温余热提供的 量、 ORC发电设备利用低 温余热提供的 量、 以及余热锅炉发电和ORC发电设备耗电消耗的 量， 其具体公式如下： 式中： EEB.F.i代表第i台余热锅炉发电设备利用高、 中温余热提供的 量； EORC.F.j代表第 j台ORC发电设备利用低温余热提供的 量； EEB+ORC.d代表余热锅炉发电和ORC 发电设备耗电 消耗的 量； EEB.p.i＝PEB.out.i×3600， PEB.out.i代表第i台余热锅炉发电设备利用高、 中温余 热发出的电量； EORC.p.j＝PORC.out.j×3600， PORC.out.j代表第j台ORC发电设备利用低温余热发 出的电量； 所述评价优化模型的能源利用效率公式如下： 式中： HIWH.sum代表工业余热用于发电的总热量； 建立评价优化模型的约束条件， 所述约束条件包括各余热锅炉发电设备和ORC发电设 备间能量流平衡， 以及余热锅炉发电设备中汽轮机蒸汽压力pEB.st.in.i以及ORC发电设备中 蒸发器的蒸发压力pORC.heat.out.j满足上下界阈值； 步骤4： 采用狼群算法对基于ORC的工业能源梯级利用方法评价优化模型进行求解， 得 出余热锅炉发电设备中汽轮机蒸汽压力p* EB.st.in.i以及ORC发电设备中蒸发器的蒸发压力 p* ORC.heat.out.j最优值， 并获得余热锅炉发电设备、 ORC发电设备运行情况； 步骤5： 根据优化后的余热锅炉发电设备中汽轮机蒸汽压力p* EB.st.in.i以及ORC发电设备 中蒸发器的蒸发压力p* ORC.heat.out.j参数， 通过DSP装置采用H∞控制器分别对余热锅炉发电 设备中汽轮机阀门开度lEB.st.in.i以及ORC发电设备中膨胀设备的转速wORC.expander.j进行控 制； 步骤5.1： 根据狼群算法计算余热锅炉发电设备中汽轮机蒸汽压力p* EB.st.in.i以及ORC发 电设备中蒸发器的蒸发压力p* ORC.heat.out.j最优设定值； 步骤5.2： H∞控制器在工业余热质量流量发生扰动时实时调 节余热锅炉发电设备中汽 轮机阀门开度lEB.st.in.i以及ORC发电设备中膨胀设备的转速wORC.expander.j， 保证余热锅炉发 电设备中汽轮机蒸汽压力pEB.st.in.i以及ORC发电设备中蒸发器的蒸发压力pORC.heat.out.j稳定 在最优值， 提高工业 余热利用的经济性； 所述系统H∞控制器模型满足如下不 等式： 式中： γ>0， 代表干扰抑制系数； Q、 R代表系统系数矩阵； x＝[pEB.st.in.i,pORC.heat.out.j]T为 系统中被控变量； u＝[lEB.st.in.i,wORC.exp.ander.j]为系统中操作变量； w＝[ΔGEB.st.in.i,Δ mORC.heat.j]为系统扰动； 步骤6： 调用系统软件平台， 先输入用户名、 密码及验证码， 若输入验证码的不正确， 则权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 112796845 B 3