利用深冷技術實現低溫熱能發電的方法和設備的製作方法

2023-09-22 19:43:00 1

專利名稱：利用深冷技術實現低溫熱能發電的方法和設備的製作方法
技術領域：
本技術涉及發電、製冷、熱動、環保、機械製造和自動化等技術領域。 二
背景技術：
低溫熱能(低品位熱能、低品質熱能)指溫度低於120°C的低位熱能，包括太陽能、 地熱能、地表水熱能、地表及建築物輻射熱能和工業廢熱能等，總量巨大，具有可再生性。以工業廢熱為例，約50%的熱能以低品位廢熱的方式被排放，尤其是以低溫熱水的方式(熱電廠超過三分之一的熱效率在冷凝器中損失掉被循環冷卻水帶走，氣體等溫壓縮時冷卻水帶走的熱能與壓縮機消耗的功相當；金屬冶煉、軋制等過程冷卻水帶走熱能的量也非常大)。高效率地利用和回收這部分能源，可解決我國所面臨的能源問題，極大地改善生存環境，實現可持續發展。國內外從上世紀70年代開始研究低溫熱能發電技術，先後研製出基於有機物郎肯循環(0RC)、混合工質循環、Kalirma循環和氨吸收式動力製冷循環等的發電技術，其中 ORC發電技術應用最為廣泛，機組容量較小。近年來螺杆膨脹機發電技術在國內發展較快， 已形成產業，但受螺杆機性能結構制約，機組容量較小，且低溫熱能利用的範圍較窄(70°C 以上)。利用太陽池、太陽能熱水鍋爐及熱泵技術等提高低溫熱能的品位，從而提高發電效率，也是低溫熱能發電新的發展方向，但受到熱源穩定、製冷工質的選用等方面的限制。本發明不同於以上技術和裝置，主要利用深冷技術和高爐爐頂煤氣餘壓發電技術 (TRT)相結合，以液空、液氮、液氬等大氣中存在的自然物質經作為製冷工質，通過低溫液體泵使低溫工質與低品位熱源進行熱交換，產生中高壓氣體，一部分焓值升高的氣體工質膨脹做功轉化為機械能，驅動發電機，發電機將機械能轉換為電能，另一部分工質經增壓膨脹產生冷量，通過低溫換熱裝置使工質冷凝，工質回收後循環使用。本發明可充分高效地利用各種低溫熱能；對環境的影響沒有；製冷工質的獲取容易，使用不受限制，克服了低溫熱能發電技術的一個難題；還可與太陽池、太陽能熱水鍋爐及熱泵技術等相結合，提高發電效率；另外利用的都是成熟的技術，可實現大規模的工業化生產。本發明工質蒸發潛熱是用於冷卻已氣化的工質，而不是用於從熱源吸收熱能，這是與其他低溫熱能利用技術顯著的區別之一。CO2因存在跨臨界問題，對裝置的壓力等級要求較高，且宜阻塞低溫換熱器通道，故本發明不採用這種自然物質為製冷工質；採用空氣吸附淨化技術生產的液空、液氮等深冷工質中不含C02。與TRT使用的能-功轉換設備不同， 一是介質乾淨、單純；二是溫度區間不同，TRT是由中溫到常溫，本發明是由常溫(或中溫) 到中冷溫度(相對於接近液體工質沸點的低溫深冷溫度)；三是負荷穩定；四是為防止冷損需要增加保溫裝置；另外工質進出透平膨脹機的壓力均高於TRT(中高壓進，中低壓出)。參考文獻[1]張早校，馮霄，鬱永章.製冷與熱泵.北京化學工業出版社，1999. 8.[2]朱明善，林兆莊，劉穎，彭曉峰.工程熱力學，北京清華大學出版社.1994.[3]《制氧機的原理與操作》編寫組.制氧機的原理與操作.北京冶金工業出版社· 1977.[4]莊駿，張紅著.熱管技術及其工程應用.北京化學工業出版社.2000.[5]王長貴，崔容強，周篁主編.新能源發電技術.北京中國電力出版社.2003「61郭瑞斌.工業循環水廢熱在熱泵空調系統上的節能實踐與推廣.工程建設與設計· 2007. (5) 14 17.[7]連鴻昌，劉昌茂.工業廢熱水源熱泵在太重氣體公司的應用.中國氣體· 2009，(2) 42 44.[8]吳小華，晏剛，陳茂平，崔景譚.吸附式製冷技術研究概況.家電科技.2003， (4) 66 68.[9]化工第四設計院主編.深冷手冊.北京.燃料化學工業出版社.1973.[10]李化冶編著.制氧技術-2版.北京.冶金工業出版社.2009. 8.[11]鄭愛平，趙亂成.利用低溫位熱能驅動的噴射式制冷機製冷工質的研究.制 7令· 1996，(3) 46 48.[12]中國冶金建設協會主編.煤氣餘壓發電裝置技術規範GB50584-2010.北京·中國計劃出版社.2010. 10.[13]大衛·Μ·貝克.將低溫熱能轉化為電的有效方法和設備.申請號 200680017772. X.公開(公告)號 CN101218121.申請日 2006. 03. 23.公開(公告)日 2008. 07. 09.[14]阿歷山大· I·卡林納.將低溫熱量變化為電能的方法和設備.申請號CN91105805. 2.公開(公告)號CN1032324.申請日1991. 08. 14.公開(公告)日 1997. 07. 17.[15]王石柱.中低溫熱能回收發電裝置.申請號20102(^88873. 4.公開(公告) 號 CN201771558U.串請日 2010. 08. 12.公開(公告)H 2011. 03. 23.[16]李國新.低溫熱能增量發電方法及裝置.申請號200710034971. 8.公開(公告)號 CN101054959.申請日 2007. 05. 18.公開(公告)日 2007. 10. 17.[17]齊樹亮.利用低溫流體中的熱能做功的動力設備.申請號 200610103355. 9.公開(公告)號 CN101109299.申請日 2006. 07. 21. 2008. 01. 23.[18]胡亮光，龐風彪，王之安，範文伯，呂燦仁.中低溫能源全流發電螺杆膨脹機的性能及實驗研究.工程熱物理學報.1989. 11，第10卷，第4期.[19]顧偉，翁武，曹廣益，翁史烈.低溫熱能的研究現狀和發展趨勢.熱能動力工程.2007. 3，第22卷，第2期.[20]羅桂榮，羅鳴.太陽池發電系統新技術.《動力循環系統與製冷循環系統複合式熱力發動機》發明專利文獻.高等教育出版社.1982. 9.[21]李海軍，沈勝強.使用量綱-參數進行噴射器性能分析.大連理工大學學報.2007. 1，第47卷第1期.
三

發明內容
本發明以自然界存在物質的為深冷製冷工質，使用一種新的循環方式利用低溫熱能發電。以液空、液氮、液氬等大氣中存在的自然物質經作為製冷工質，以液氮、液氬為輔助冷源，通過低溫液體泵增壓輸送工質，通過低溫換熱裝置冷卻工質和回收冷量，中冷工質與低品位熱源進行熱交換，產生中高壓氣體，一部分焓值升高的氣體工質膨脹做功轉化為機械能，驅動發電機，發電機將機械能轉換為電能，電能併入本地電網。另一部分工質經增壓膨脹產生冷量，通過低溫換熱裝置和噴射器使工質降溫、冷凝、回收，工質液化過冷後循環使用。
四


附圖是本發明的工藝流程示意簡圖，圖中標記的部分分別為1-真空絕熱液空儲罐，2-帶恆壓控制裝置的低溫液體泵，7-多組置於珠光砂絕熱冷箱中的板式(翹翅)換熱器，15-空浴式換熱器，14-多組氣水(或氣氣、氣汽)熱交換器，16-緩衝罐，17-透平膨脹機-發電機組(17-1透平膨脹機，17-2發電機，17-3無刷勵磁系統)，18-高低壓發配電裝置，19-增壓膨脹機組(19-1膨脹機，19-2增壓機)，20-增壓機(增壓端)出口氣氣冷卻器，13-自增壓真空絕熱液氮儲罐(輔助冷源液體儲罐)，9-多組置於珠光砂絕熱冷箱中的過冷器(液化器)，8_多組置於珠光砂絕熱冷箱中的噴射器，12-低溫調節閥，3-氣液分離器，4-低溫調節截止閥，5-低溫放空閥，6-低溫節流閥，10-放空消音器，11-低溫放空消音器，21-計算機控制系統。
五
具體實施例方式1以下結合附圖對實施方式進行說明低溫液體泵2從真空絕熱製冷工質儲罐1中抽出，將製冷工質增至一定壓力(中高壓)並保持穩定，通過真空保溫管送至板式換熱器7，在板式換熱器中與從透平膨脹機 17-1出來的正流氣熱交換，完成相變並充分氣化後，以略低於正流氣的中冷溫度進入空浴式換熱器15，溫度進一步上升後送入氣水(或氣氣、氣汽)熱交換器14，與熱源充分熱交換，並有一定的過熱度，在接近熱源入口溫度後，送入緩衝罐16。從緩衝罐出來的氣體分兩路，一路進入增壓膨脹機組19，一路進入透平膨脹機-發電機組。增壓膨脹機系統根據需要確定機組組合形式(可單組也可更多組；可串聯也可並聯)。從緩衝罐出來的氣體由增壓膨脹機組19的增壓端19-2入口進入，增壓後焓值進一步增加，經增壓機(增壓端)出口氣氣冷卻器20降溫後，作為正流氣送入板式換熱器7，溫降後的氣體從板式換熱器7的中部取出，經珠光砂絕熱冷箱中的管路(低溫調節閥12用於調節膨脹量，為避免減壓後影響換熱，置於板式換熱器後)送入增壓膨脹機組19的膨脹端 (膨脹機)19-1入口，氣體近似等熵膨脹，焓值降低，溫度降低，能量轉換為機械能驅動增壓機工作，膨脹端19-1出口壓力較低，溫度達到飽和溫度，有氣液混合物出現。氣液混合物經珠光砂絕熱冷箱中的管路作為反流氣送入過冷器(液化器)9中。透平膨脹機-發電機組17不帶冷凝器，採用類似於高爐爐頂煤氣餘壓透平發電 (TRT)的技術，軸流式透平膨脹機17-1與發電機17-2直連，恆定轉速(3000r/min)。發電機為無刷勵磁同步發電機，無刷勵磁系統17-3採用永勵磁或他勵方式，能從電動運行狀態過渡到發電機運行狀態，同時也能滿足在運行中由發電機狀態恢復到同步電動機狀態。從緩衝罐16出來的氣體進入透平膨脹機17-1入口，氣體膨脹做功轉化為機械能，驅動發電機 17-2，發電機將機械能轉換為電能，逐漸由開機時的電動狀態過渡到發電狀態，通過高壓發配電系統18送入本地電網。發配電系統18由高低壓開關和控制櫃組成，設置有手動準同期併網、自動準同期併網功能和縱聯差動、過電流、低電壓、失磁、低周波、逆功率等保護功能。 透平膨脹機17-1的進氣量由動葉控制，乏氣為中冷氣體，送入板式換熱器7作為正流氣，溫度略高於反流氣出口溫度。透平膨脹機17-1的乏氣與低溫液體泵2輸送的低溫工質逆流換熱，將大部分冷量回收(減少冷量損失及製冷需要的用能，同時還能降低設備的製造要求)，降溫後的氣體通過過橋冷箱進入噴射器8，在噴射器8中氣體溫降，並將過冷器(液化器)9的反流氣吸入噴射器8的吸入室，兩路工質在噴射器8中混合，溫度進一步降低，作為正流氣從過冷器9 的熱端進入，在過冷器(液化器)9中與反流工質熱交換(由於正流氣的壓力高於反流氣的工質壓力，正流氣被冷凝)，在過冷器9冷端出現氣液混合物，經氣液分離器3後氣液分離， 氣體經5-低溫放空閥由低溫放空消音器放空11 (主要在開機時)，或經低溫調節截止閥4 進入噴射器8的吸入室回收冷量，液體經低溫節流閥6節流，過冷液體送真空絕熱液空儲罐 1。自增壓真空絕熱液氮儲罐13提供開機或異常時的輔助冷源，空分製品企業眾多， 液氮極易獲取，且液氮冷量較高(特殊情況下也可利用液氬)。開機時通過液氮儲罐13自增壓，液氮進入過冷器9冷端，按工作溫度的不同，依次預冷過冷器9、噴射器8和板式換熱器7，在板式換熱器7的熱端達到中冷溫度通過管道在大氣中進一步復熱，經放空消音器10 放空。板式換熱器7冷箱、噴射器8冷箱、過冷器9冷箱和增壓膨脹機19冷箱相對獨立， 通過珠光砂絕熱過橋冷箱連接。成套裝置的參數(含狀態、數據)檢測、報警、控制、運算、記錄、通訊等由計算機控制系統完成。2通過冷量平衡和能功轉換計算示例進一步說明實施方式和效果(1)冷量平衡設製冷工質為液空，液空密度rkl 873. 9kg/m3，液空沸點78. 8 81. 8K (常壓)， 空氣密度U^8kg/m3(標況)；透平膨脹機-發電機組17入口壓2.0MPa，入口溫度1\ 300C (30 )，出口壓力I32 0.6MPa，出口溫度-50°C (223K)；低溫液體泵2的流量Ql 100m3/h，揚程H 220m3 ；板式換熱器7的熱端溫差Atkl_2°C (2K)；增壓膨脹機組19膨脹端 19-1入口溫度T3-IOO0C (171)，增壓膨脹機組19膨脹端19-1出口溫度T4_182°C (91K)， 出口壓力P3 0. 13MPa ；低溫節流閥6出口壓力P4 0. 3MPa，出口過冷Δ tk2_7°C (7K)；本例壓力均為絕對壓力，管路阻力不計。冷量獲得Q1 =增壓膨脹機製冷量+噴射器製冷量+節流製冷量 增壓膨脹機製冷量(為簡化計算不計入噴射器製冷量和節流製冷量)查空氣T-S圖，膨脹端19-1入口溫度T3-100°C (173Κ)，入口壓2.0MPa(絕壓) 時其焓值Ii3 為 9544. 08kJ/mol ；T4-182°C (91K)，出口壓力 P3 0. 13MPa 時其焓值h44922. 7kJ/ mol ；空氣量Q = 100 X 675 = 67500m3 (標況) ( / ^ 675)設增壓膨脹空氣量佔總空氣量比值Ic1，透平膨脹機-發電機組空氣量佔總空氣量比值k2k!+k2 = 1qi = (h3-h4) XQXk1 = (9544. 08-4922. 7) +22. 4X67500X^ = 13926033. 48 Ii1 (kj)冷量損失q2 =裝置跑冷冷量q3+液空帶走冷量q4+空氣帶走冷量q5跑冷損失取4. 6046kJ/m3 (標況)q3 = 4. 6046X67500 = 310810. 5 (kj)液空比定壓熱容取1. 992kJ/ (kg. K)q4 = 1. 992X 100X873. 9X7 = 1218566. 16 (kj)查空氣T-S圖，板式換熱器7的熱端出口溫度1^-521 (221K)，壓力P1 2. OMPa 時其焓值、為11094.76kJ/mol ；環境溫度按T6 25 °C 098K)，壓力P1 2. OMPa時其焓值 h6 13439. 31kJ/molq5 = (h6-h5) XQXk2 = (13439. 31-11094. 76) ^-22. 4X67500Xk2 = 7065041. 18 k2 (kj)根據冷量平衡Q1 = q2 = q3+q4+q513926033. 48 Ii1 = 310810. 5+1218566. 16+7065041. 18 k2Ic1 = 0. 409k2 = 0. 591功熱轉換查空氣T-S圖，透平膨脹機-發電機組17入口壓力P1 2.0MPa，入口溫度1\ 300C (303K)時其焓值 1^13564. 91kJ/mol ；出口壓力 P2 0. 6MPa，出口溫度-50°C (223K)時其焓值 Ii2 11304. 09kJ/molq6 = (h6-h5) XQXk2 = (13564. 91-11304. 09) ^-22. 4X67500X0. 591 = 4026328.65(kj)功熱當量為3600 (lkff · h ^ 3600kJ)，透平膨脹機的效率取0. 7，發電機的效率取 0. 95則發電量為G = 4026328. 65 + 3600 X0. 7X0. 95 = 743. 75 (kff · h)功效溫度略高於30°C (303K)的熱源，無論是從自然界還是在工業廢熱中獲取，都較容易，且代價很低，故本示例予以忽略不計。低溫液體泵功率計算如下W = rklXQXH^- (102X H1) = 873. 9X (100 + 3600) X 220+(102X0. 65)= 80. 55 (kff)功效係數ε = 743.75 + 80.55 = 9.23。
權利要求
1.一種利用深冷技術實現低溫熱能發電的方法和設備，通過製冷工質吸收中、低溫熱能，工質膨脹做功發電，其特徵在於它包括真空絕熱液空儲罐1，帶恆壓控制裝置的低溫液體泵2，置於珠光砂絕熱冷箱中的板式換熱器7，空浴式換熱器15，熱交換器14，緩衝罐 16，透平膨脹機-發電機組17，高低壓發配電裝置18，增壓膨脹機組19，低溫調節閥12，增壓機出口冷卻器20，置於珠光砂絕熱冷箱中的過冷器(液化器)9，置於珠光砂絕熱冷箱中的噴射器8，氣液分離器3，低溫調節截止閥4，低溫放空閥5，低溫節流閥6，低溫放空消音器11，自增壓真空液氮(液氬)儲罐(輔助冷源液體儲罐)13，放空消音器10，計算機控制系統21，前述部分組成的低溫熱能發電裝置以液空、液氮、液氬作為製冷工質，工質在板式換熱器中7換熱回收冷量，經空浴式換熱器15和氣水熱交換器14換熱，焓值升高後的一部分氣體工質經緩衝罐16進入透平膨脹機-發電機組17膨脹做功發電，另一部分工質經緩衝罐16進入增壓膨脹19產生冷量，兩路工質在噴射器8中混合、溫降、工質和冷量回收，工質在過冷器(液化器)中冷凝，工質在氣液分離器3中氣液分離，氣體經低溫調節截止閥4 進入噴射器8的吸入室回收冷量和工質，部分氣體通過低溫放空閥5經低溫放空消音器11 放空(開機及異常時)，低溫液體工質通過低溫節流閥6過冷後回收循環使用，前述部分組成的低溫熱能發電裝置的參數(含狀態、數據)檢測、報警、控制、運算、記錄、通訊由計算機控制系統完成。
2.根據權利要求1所述的利用深冷技術實現低溫熱能發電的方法和設備，其特徵在於中冷工質以氣態在空浴式換熱器15中預熱後進入熱交換器14，沒有相變發生。
3.根據權利要求1所述的利用深冷技術實現低溫熱能發電的方法和設備，其特徵在於從透平膨脹機-發電機組17中膨脹輸出的工質，沒有經過冷凝器，直接進入冷箱內的板式換熱器7。
4.根據權利要求1所述的利用深冷技術實現低溫熱能發電的方法和設備，其特徵在於進入透平膨脹機-發電機組17的工質狀態是中常溫、中高壓氣體，出透平膨脹機-發電機組17的工質狀態是中冷溫度、中低壓氣體。
5.根據權利要求1或2所述的利用深冷技術實現低溫熱能發電的方法和設備，其特徵在於從透平膨脹機-發電機組17輸出的工質，作為正流氣與低溫液體泵2輸送來的反流工質在板式換熱器7中熱交換，完成相變、充分氣化、大部分冷量回收。
6.根據權利要求1所述的利用深冷技術實現低溫熱能發電的方法和設備，其特徵在於利用工質本身所載的能量，通過增壓膨脹19產生冷量。
7.根據權利要求1或6所述的利用深冷技術實現低溫熱能發電的方法和設備，其特徵在於通過對增壓膨脹機增壓端出口氣氣冷卻器20回收熱量、增加製冷量。
8.根據權利要求1或6所述的利用深冷技術實現低溫熱能發電的方法和設備，其特徵在於通過板式換熱器7中部取出工質進入增壓膨脹機膨脹端入口，以提高製冷量。
9.根據權利要求1所述的利用深冷技術實現低溫熱能發電的方法和設備，其特徵在於軸流式透平膨脹機17-1和發電機17-2間無減速器，直接連接。
10.根據權利要求1所述的利用深冷技術實現低溫熱能發電的方法和設備，其特徵在於以液氮、液氬為輔助冷源。
11.根據權利要求1所述的利用深冷技術實現低溫熱能發電的方法和設備，其特徵在於板式換熱器7冷箱、噴射器8冷箱、過冷器9冷箱和增壓膨脹機19冷箱相對獨立，通過珠光砂絕熱過橋冷箱連接。
12.根據權利要求1或4所述的利用深冷技術實現低溫熱能發電的方法和設備，其特徵在於透平膨脹機-發電機組17是按照輸入中常溫、中高壓氣體工質，輸出中冷溫度、中低壓氣體工質，進行設計、製造。
13.根據權利要求1或4所述的利用深冷技術實現低溫熱能發電的方法和設備，其特徵在於透平膨脹機-發電機組17中的透平膨脹機17-1出口側有保溫裝置。
14.根據權利要求1所述的利用深冷技術實現低溫熱能發電的方法和設備，其特徵在於採用的無刷勵磁同步發電機，能從電動運行狀態過渡到發電機運行狀態，同時也能在運行中由發電機狀態恢復到電動機狀態。
全文摘要
本發明使用一種新的循環方式利用低溫熱能發電。以液空、液氮、液氬(1)等大氣中存在的自然物質作為製冷工質，以液氮、液氬為輔助冷源(13)，通過低溫液體泵(2)增壓輸送工質，通過低溫換熱裝置(7)冷卻工質和回收冷量，中冷工質與低品位熱源進行熱交換(15、14)，產生中高壓氣體，一部分焓值升高的氣體工質膨脹做功發電(17)，電能併入本地電網(18)。另一部分工質經增壓膨脹(19)產生冷量，通過低溫換熱裝置(9)和噴射器(8)使工質降溫、冷凝、混合和回收，工質液化過冷(5)後循環使用，參數檢測、控制等由計算機控制系統(21)實現。
文檔編號F01K25/10GK102230403SQ201110132669
公開日2011年11月2日 申請日期2011年5月16日 優先權日2011年5月16日
發明者牆新奇 申請人:牆新奇