基於能量梯級利用的中低溫熱源發電裝置及其熱循環方法
2023-04-25 17:58:01 2
專利名稱：基於能量梯級利用的中低溫熱源發電裝置及其熱循環方法
技術領域：
本發明涉及的是一種能源利用技術領域的裝置及方法，具體是一種基於能量梯級 利用的中低溫熱源發電裝置及其熱循環方法。
背景技術：
隨著全球能源危機和氣候變暖問題的加劇，世界各國急需發展新型的發電技術。 全球中低溫熱源蘊藏豐富，而且來源也很廣泛，大量的太陽能、地熱能、工業餘熱都屬於中 低溫熱源。目前，中低溫熱源的利用主要局限於直接利用，如供熱、烘乾等，這種利用只能局 限於小規模的利用，而且利用程度也很低。將這些中低溫熱源轉換成電力是最好的利用方 式，不僅可以大規模利用這些蘊藏豐富的中低溫熱源，還可以減少化石燃料的消耗。目前，已有一些國家在中低溫熱源的利用上取得了很大的成效，如冰島，全國地熱 發電裝機容量為202MW，佔國家裝機容量的13%以上，地熱開發不僅減少了化石能源的消 耗，而且取得了顯著的生態環境效益，溫室效應的頭號禍首二氧化碳已由1960年的27萬噸 減少到2000年的3千噸，減少了 98. 9%。然而，中低溫熱源發電技術很難在全球得到推廣 的一個關鍵問題是熱效率較低，只有10%左右。經過對現有技術的檢索發現，位於美國內華達州北部的斯蒂爾沃特地熱電站是由 七個相同的發電機組組成，每個發電機組是基於由兩個相同的有機物朗肯循環並聯而成 的循環，總裝機容量為12. 4MW，機組熱效率為8. 9% (Exergy analysis of a dual-level binarygeothermal power plant. Geothermics 31(2002)709-724)。
發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種基於能量梯級利用的中低溫熱源 發電裝置及其熱循環方法，基於能量梯級利用的原理，由兩個不同的中低溫熱源發電循環 並聯而成，頂層循環是有機物朗肯循環，底層循環是卡裡納循環，底層的卡裡納循環在利用 頂層循環排出的低溫熱源發電時的熱效率高於有機物朗肯循環，更適合回收較低品位的熱 源，相比原技術更符合能量梯級利用的原理，因此本發明機組熱效率將會進一步得到提高。本發明是通過以下技術方案實現的本發明涉及一種基於能量梯級利用的中低溫熱源發電裝置，包括進行有機物朗 肯循環的頂部循環系統組件和與之相連的進行卡裡納循環的底部循環系統組件，其中所述的頂部循環系統組件包括預熱器、蒸發器、過熱器、汽輪機、發電機、給水泵 和冷凝器，其中預熱器的出口連接蒸發器的入口，蒸發器的出口連接過熱器的入口，過熱 器的出口連接汽輪機的入口，汽輪機與發電機相連並帶動發電，汽輪機的出口連接冷凝器 的入口，冷凝器的出口連接給水泵的入口，給水泵的出口連接預熱器的入口 ；所述的頂層循環系統組件內充有有機或無機工質，如氟利昂、烷烴類或氨水混合 物；所述的底部循環系統組件包括分離器、低壓加熱器、高壓加熱器、減壓閥和混合器，其中蒸發器的出口連接分離器的入口，分離器的出口連接汽輪機的入口和高壓加熱器 的入口，汽輪機與發電機相連並帶動發電，汽輪機的出口連接混合器的入口，高壓加熱器的 出口連接減壓閥的入口，減壓閥的出口連接混合器的入口，混合器的出口連接低壓加熱器 的入口，低壓加熱器的出口連接冷凝器的入口，冷凝器的出口連接給水泵的入口，給水泵的 出口連接低壓加熱器的入口，低壓加熱器的出口連接高壓加熱器的入口，高壓加熱器的出 口連接蒸發器的入口。所述的底層循環系統組件內充有無機工質，如氨水混合物。本發明涉及上述裝置的熱循環方法，包括有機物朗肯循環和卡裡納循環，其中所述的有機物朗肯循環是指有機物工質或無機物工質經給水泵升壓後送入預熱 器，經預熱器加熱後的飽和液送入蒸發器被加熱成飽和蒸汽，然後進入過熱器，從過熱器出 來的過熱蒸汽進入汽輪機膨脹做功，做功後的尾氣進入冷凝器被凝結為過冷液，之後進入 給水泵完成循環；所述的卡裡納循環是指無機物工質經給水泵升壓後依次經過低壓加熱器、高壓 加熱器、蒸發器，從蒸發器出來的飽和蒸汽進入分離器，被分成富氨溶液和貧氨溶液，富氨 溶液進入汽輪機膨脹做功，貧氨溶液進入高壓加熱器，然後經過減壓閥與做功後的尾氣在 混合器中混合成基本溶液，混合後的基本溶液依次經過低壓加熱器、冷凝器，之後進入給水 泵完成循環。本發明中的熱源首先經過頂層有機物朗肯循環的過熱器和蒸發器，降到合適的溫 度後進入底層卡裡納循環的蒸發器，之後進入頂層循環的預熱器，最後離開整個發電裝置。本發明基於能量梯級利用的原理，火用損失比有機物朗肯循環和卡裡納循環單獨 使用時要小，使兩個循環能夠優勢互補並且充分發揮卡裡納循環利用低溫熱源的優勢，達 到最大限度利用中低溫熱源的目的，可以使熱效率保持在10%以上，通過對循環狀態參數 及主要設備進行優化，可以使其熱效率進一步達到15%左右。由於該中低溫熱源發電裝置是由兩個不同的循環發電裝置並聯起來的，每個裝置 都是一個獨立封閉的循環迴路，當一個循環發電裝置出現問題或進行檢修時，另一個循環 發電裝置在對運行參數進行調整後仍可照常使用。因此，各裝置具有較好的獨立性，整體系 統具有較好的穩定性。
圖1為本發明的系統結構示意圖。圖中1第一給水泵、2預熱器、3第一蒸發器、4過熱器、5第一汽輪機、6第一發電 機、7第一冷凝器、8第二蒸發器、9分離器、10第二汽輪機、11第二發電機、12混合器、13低 壓加熱器、14冷凝器、15第二給水泵、16高壓加熱器、17減壓閥。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施 例。如圖1所示，本實施例包括第一給水泵1、預熱器2、第一蒸發器3、過熱器4、第一汽輪機5、第一發電機6、第一冷凝器7、第二蒸發器8、分離器9、第二汽輪機10、第二發電機 11、混合器12、低壓加熱器13、第二冷凝器14、第二給水泵15、高壓加熱器16和減壓閥17。 上述組件的安裝連接關係如下第一給水泵1的出口連接預熱器2的入口，預熱器2的出口 連接第一蒸發器3的入口，第一蒸發器3的出口連接過熱器4的入口，過熱器4的出口連接 第一汽輪機5的入口，第一汽輪機5帶動第一發電機6發電，第一汽輪機5的出口連接第一 冷凝器7的入口，第一冷凝器7的出口連接第一給水泵1的入口而完成頂層循環系統組件 的連接；第二蒸發器8的出口連接分離器9的入口，分離器9的出口分別連接第二汽輪機10 的入口和高壓加熱器16的入口，第二汽輪機10帶動第二發電機11發電，第二汽輪機10的 出口連接混合器12的入口，高壓加熱器16的出口連接減壓閥17的入口，減壓閥17的出口 連接混合器12的入口，混合器12的出口連接低壓加熱器13的入口，低壓加熱器13的出口 連接第二冷凝器14的入口，第二冷凝器14的出口連接第二給水泵15的入口，第二給水泵 15的出口連接低壓加熱器13的入口，低壓加熱器13的出口連接高壓加熱器16的入口，高 壓加熱器16的出口連接第二蒸發器8的入口而完成底層循環系統組件的連接。該中低溫熱源發電裝置由頂層有機物朗肯循環發電裝置和底層卡裡納循環發電 裝置並聯組成。頂層有機物朗肯循環發電裝置利用中低溫熱源(如太陽能、地熱能、工業餘 熱等)及底層發電裝置排出的熱源，輸出機械功，或帶動發電機輸出電能；底層卡裡納循環 發電裝置利用頂層發電裝置排出的低溫熱源，輸出機械功，或帶動發電機輸出電能。頂層發電裝置通過預熱器2利用底層發電裝置排出的熱源，加熱經過第一給水泵 1升壓後的工質，從預熱器2出來的飽和液經過第一蒸發器3變成飽和蒸汽，接著進入過熱 器4被加熱成過熱蒸汽，過熱蒸汽進入第一汽輪機5膨脹做功，第一汽輪機5帶動第一發電 機6產生電能，從第一汽輪機5出來的蒸汽進入第一冷凝器7被凝結成過冷液，然後進入第 一給水泵1，完成一個循環。底層發電裝置通過第一蒸發器8利用頂層發電裝置排出的低溫熱源，將從高壓加 熱器16出來的基本溶液加熱成飽和蒸汽，飽和蒸汽進入分離器9被分離成富氨溶液和貧氨 溶液，富氨溶液進入第二汽輪機10膨脹做功，第二汽輪機10帶動第二發電機11產生電能， 貧氨溶液經過高壓加熱器16被冷卻，進而進入減壓閥17減壓，減壓後的貧氨溶液與第二汽 輪機10排出的富氨溶液在混合器12中混合，生成基本溶液，基本溶液經過低壓加熱器13 被冷卻，進而進入冷凝器14被凝結成過冷液，然後經過第二給水泵15被升壓，升壓後進入 低壓加熱器13被加熱，之後進入高壓加熱器16，完成一個循環。兩裝置所配置的換熱工質，與其熱源相匹配。頂層換熱工質包括氟利昂、烷烴類等 有機工質以及氨水混合物等無機工質，底層換熱工質為氨水混合物無機工質。本發明的頂層有機物朗肯循環發電裝置採用預熱器，即用底層卡裡納循環發電裝 置排出的熱源對第一給水泵1輸出的工質進行預熱，提高了進入第一蒸發器3工質的溫度， 減小了工質與熱源的溫差，進而減少了不可逆傳熱損失，提高了整個裝置的火用效率。該中低溫熱源發電裝置中的底層卡裡納循環發電裝置適合低溫熱源發電，能夠最 大限度的利用頂層發電裝置排出的低溫熱源，進而提高整個發電裝置的熱效率。為了避免 汽輪機尾部蒸汽凝結而影響汽輪機的安全運行，要求富氨溶液的濃度大於97 %。本發明是在國外相關技術理念的基礎上，將原技術基於有機物朗肯循環的底層循 環替換為基於卡裡納循環的底層循環，充分發揮卡裡納循環在利用較低品位熱源進行發電
5時的優越性，更加符合能量梯級利用的原理。原技術機組熱效率為8.9%，改進後機組熱 效率為11.6%，機組熱效率比原技術提高30. 3 %，通過對循環狀態參數及主要設備進行優 化，機組的熱效率還可以進一步提高，可以達到15%左右。
權利要求
一種基於能量梯級利用的中低溫熱源發電裝置，其特徵在於，包括進行有機物朗肯循環的頂部循環系統組件和與之相連的進行卡裡納循環的底部循環系統組件。
2.根據權利要求1所述的基於能量梯級利用的中低溫熱源發電裝置，其特徵是，所述 的頂部循環系統組件包括預熱器、蒸發器、過熱器、汽輪機、發電機、給水泵和冷凝器，其 中預熱器的出口連接蒸發器的入口，蒸發器的出口連接過熱器的入口，過熱器的出口連接 汽輪機的入口，汽輪機與發電機相連並帶動發電，汽輪機的出口連接冷凝器的入口，冷凝器 的出口連接給水泵的入口，給水泵的出口連接預熱器的入口。
3.根據權利要求1所述的基於能量梯級利用的中低溫熱源發電裝置，其特徵是，所述 的底部循環系統組件包括分離器、低壓加熱器、高壓加熱器、減壓閥和混合器，其中蒸發 器的出口連接分離器的入口，分離器的出口連接汽輪機的入口和高壓加熱器的入口，汽輪 機與發電機相連並帶動發電，汽輪機的出口連接混合器的入口，高壓加熱器的出口連接減 壓閥的入口，減壓閥的出口連接混合器的入口，混合器的出口連接低壓加熱器的入口，低壓 加熱器的出口連接冷凝器的入口，冷凝器的出口連接給水泵的入口，給水泵的出口連接低 壓加熱器的入口，低壓加熱器的出口連接高壓加熱器的入口，高壓加熱器的出口連接蒸發 器的入口。
4.根據權利要求1或2所述的基於能量梯級利用的中低溫熱源發電裝置，其特徵是，所 述的頂層循環系統組件內充有有機或無機工質。
5.根據權利要求1或2所述的基於能量梯級利用的中低溫熱源發電裝置，其特徵是，所 述的頂層循環系統組件內充有氟利昂、烷烴類或氨水混合物；
6.根據權利要求1或3所述的基於能量梯級利用的中低溫熱源發電裝置，其特徵是，所 述的底層循環系統組件內充有無機工質。
7.根據權利要求1或3所述的基於能量梯級利用的中低溫熱源發電裝置，其特徵是，所 述的底層循環系統組件內充有氨水混合物。
8.一種根據上述任一權利要求所述的裝置的熱循環方法，包括有機物朗肯循環和卡 裡納循環，其特徵在於所述的有機物朗肯循環是指有機物工質或無機物工質經給水泵升壓後送入預熱器， 經預熱器加熱後的飽和液送入蒸發器被加熱成飽和蒸汽，然後進入過熱器，從過熱器出來 的過熱蒸汽進入汽輪機膨脹做功，做功後的尾氣進入冷凝器被凝結為過冷液，之後進入給 水泵完成循環；所述的底層卡裡納循環是指無機物工質經給水泵升壓後依次經過低壓加熱器、高壓 加熱器、蒸發器，從蒸發器出來的飽和蒸汽進入分離器，被分成富氨溶液和貧氨溶液，富氨 溶液進入汽輪機膨脹做功，貧氨溶液進入高壓加熱器，然後經過減壓閥與做功後的尾氣在 混合器中混合成基本溶液，混合後的基本溶液依次經過低壓加熱器、冷凝器，之後進入給水 泵完成循環。
全文摘要
一種能源利用技術領域的基於能量梯級利用的中低溫熱源發電裝置及其熱循環方法，包括頂部循環系統組件和與之相連的底部循環系統組件。基於能量梯級利用的原理，由兩個不同的中低溫熱源發電循環並聯而成，頂層循環是有機物朗肯循環，底層循環是卡裡納循環，底層的卡裡納循環在利用頂層循環排出的低溫熱源發電時的熱效率高於有機物朗肯循環，更適合回收較低品位的熱源，相比原技術更符合能量梯級利用的原理，因此本發明機組熱效率將會進一步得到提高。
文檔編號F01K25/10GK101929360SQ201010270569
公開日2010年12月29日 申請日期2010年9月2日 優先權日2010年9月2日
發明者於立軍, 馮馴, 徐建 申請人:上海交通大學