CN101539039A - 动力循环系统以及动力循环方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种动力循环方法以及动力循环系统。该动力循环系统包括汽轮机、蒸汽循环装置以及吸收剂结晶器。该蒸汽循环装置包括：发生器，用于浓缩吸收溶液并产生蒸汽，通过进汽管道连接于所述汽轮机；吸收器，通过排汽管道连接于所述汽轮机，用于吸收汽轮机的排汽；换热面，设置于所述的发生器和吸收器之间，用于将吸收器中的热量传递到发生器；加热器，设置于所述蒸汽循环装置中；以及吸收剂结晶器，其包括：结晶器吸收溶液入口，通过管道连接于吸收器的吸收溶液出口；结晶器稀溶液出口，通过管道连接于发生器的稀溶液入口；及含结晶溶液输出口，通过管道连接于吸收器的吸收溶液入口。
Description
技术领域
本发明涉及一种热能工程领域的动力循环技术，特别涉及一种将吸收式热泵循环融合到动力循环的动力循环系统以及动力循环方法。
背景技术
汽轮发电机是常规热机发电的主要方式之一。基于朗肯循环的汽轮发电机的工作原理是，以高温高压的蒸汽作为进汽驱动汽轮机，并带动发电机进行发电，蒸汽经膨胀做功后形成低压的排汽从汽轮机排出。排汽进入冷凝器向冷却水放热冷凝成水后，由给水泵加压送入锅炉，水在锅炉中受热蒸发形成高温高压蒸汽，从而完成循环。如上所述，由于在朗肯循环中工质(排汽)经冷凝器向外部排放大量的冷凝潜热，因而朗肯循环的热效率即汽轮机的发电效率较低，通常在10～40％的水平，发电效率随进汽温度和压力的降低而降低。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有的热机发电系统尤其是汽轮发电机组存在的热效率低以及所要求热源的能量品位高的问题，而提供一种新的动力循环方法以及动力循环系统，所要解决的技术问题是使其可将多样的、包括高中低品位的外部热源的热量高效率地转化为功或者电力，从而实现清洁高效的新型热机动力循环技术，更加适于实用，且具有产业上的利用价值。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种动力循环系统，其包括汽轮机；蒸汽循环装置，用于向所述的汽轮机提供蒸汽；以及吸收剂结晶器。所述的蒸汽循环装置包括：发生器，用于浓缩吸收溶液并产生蒸汽，通过进汽管道连接于所述汽轮机；吸收器，通过排汽管道连接于所述汽轮机，用于吸收汽轮机的排汽；换热面，设置于所述的发生器和吸收器之间，用于将吸收器中的热量传递到发生器；加热器，设置于所述的蒸汽循环装置中；以及吸收剂结晶器，其包括：结晶器吸收溶液入口，通过管道连接于吸收器的吸收溶液出口；结晶器稀溶液出口，通过管道连接于发生器的稀溶液入口；及含结晶溶液输出口，通过管道连接于吸收器的吸收溶液入口。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的动力循环系统，其中所述的汽轮机进汽管道上设置有加热器。
优选的，前述的动力循环系统，其中所述的汽轮机进汽管道上设置有第1加热器，排汽管道上设置有第2加热器。
优选的，前述的动力循环系统，其中所述的加热器为换热器、蓄热式加热器、太阳能集热器或者燃烧器。
优选的，前述的动力循环系统，其中所述的换热面为构成发生器或者吸收器的器壁，该换热面的两侧分别与发生器和吸收器内的吸收溶液接触。
优选的，前述的动力循环系统，其还包括吸收溶液自换热器，设置于所述的吸收剂结晶器与发生器和吸收器连接的管道上，用于对进入吸收剂结晶器的吸收溶液、从吸收剂结晶器输出的稀溶液和从吸收剂结晶器输出的含结晶溶液进行热交换。
优选的，前述的动力循环系统，其还包括混合器，通过管道分别连接于所述的含结晶溶液输出口、发生器的吸收溶液出口以及吸收器的吸收溶液入口。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种动力循环方法，包括：
(1)在吸收器中，高浓度的吸收溶液吸收汽轮机的排汽，产生吸收热并将该吸收热传递到发生器，吸收溶液浓度降低后被输送到吸收剂结晶器中；
(2)在吸收剂结晶器中，对吸收溶液进行冷却结晶和固液分离，固液分离后的稀溶液输送至发生器中，含结晶溶液输送至吸收器中；
(3)在发生器中，来自吸收器的吸收热将来自吸收剂结晶器的稀溶液加热，并蒸发稀溶液的工质以产生蒸汽并输出，稀溶液浓度升高变为高浓度的吸收溶液，并将该吸收溶液输送到吸收器中；
(4)对发生器输出的蒸汽进行加热，然后作为进汽导入汽轮机通过膨胀对外做功；以及
(5)汽轮机排汽，然后将该排汽导入吸收器中。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的动力循环方法，其还包括：对从吸收器输出的吸收溶液、从吸收剂结晶器输出的稀溶液以及含结晶溶液进行热交换。
优选的，前述的动力循环方法，在(4)中所述加热的热源为太阳能、低谷电、中低温余热或者燃料燃烧热。
优选的，前述的动力循环方法，所述的汽轮机排汽的压力大于等于大气压，从而可使所述的动力循环系统在正压下工作，有利于其稳定运行和降低其造价。
优选的，前述的动力循环方法，所述的发生器中吸收溶液的温度比吸收器中吸收溶液的温度低5℃以下，从而可最大限度地提高发生器的工作温度，有利于提高汽轮机的进汽压力。
优选的，前述的动力循环方法，所述的吸收器中吸收溶液的吸收剂质量浓度比发生器中吸收溶液的吸收剂质量浓度高10wt％以上，从而可提高汽轮机进汽和排汽的压力比。
优选的，前述的动力循环方法，对汽轮机排汽进行加热，然后导入吸收器中。
由以上技术方案可知，为了提高热机循环的发电效率，本发明人在实现本发明的技术方案过程中着眼于汽轮机排汽冷凝热的回用，发现通过将吸收式热泵循环融合到热机循环中，采用较高浓度的吸收溶液吸收排汽，可实现将上述冷凝热转化为较高温度的吸收热，进而可将该吸收热用于发生压力与温度高于排汽的、可用作汽轮机进汽的蒸汽。
本发明与现有技术相比具有如下明显的优点和有益效果：
(1)通过回用汽轮机排汽大量的冷凝热，显著提高了动力循环的热效率和发电效率；
(2)由于无需对排汽进行冷却，可大幅降低冷却塔的冷却负荷，从而显著节约宝贵的水资源；
(3)可将多样的、较低品位的能源，包括太阳能等可再生能源，秸秆、薪柴、沼气、生物乙醇等生物质能，中低温余热以及低谷电等清洁高效地转化为电力。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明实施例1的动力循环系统的流程图。
图2是本发明实施例2的动力循环系统的流程图。
图3是本发明实施例3的动力循环系统的流程图。
具体实施方式
为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的动力循环系统其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
请参阅图1所示，是本发明实施例1的动力循环系统的流程图。该动力循环系统主要包括汽轮发电机；用于向所述的汽轮发电机提供蒸汽并将蒸汽进行循环的蒸汽循环装置；以及吸收剂结晶器。所述的汽轮发电机包括：汽轮机200，其具有高温蒸汽输入端和排汽输出端；以及发电机210，通过传动设备连接于汽轮机200，由汽轮机驱动以产生电力。在蒸汽循环装置和吸收剂结晶器中填充有吸收溶液，并使该吸收溶液在蒸汽循环装置和吸收剂结晶器之间进行循环。
所述的蒸汽循环装置，包括：
发生器11，具有发生器稀溶液入口、发生器吸收溶液出口以及蒸汽出口。在发生器11内还设有喷淋器连接于发生器稀溶液入口，用于喷洒输入发生器11的稀溶液。该发生器11用于浓缩稀溶液，即通过向发生器11供给热量，使输入的稀溶液中的工质在较高的温度和压力下蒸发并产生蒸汽，并将该蒸汽通过蒸汽出口输出，从而可以使稀溶液的浓度得到提高同时输出较高温度和压力的蒸汽。所述的发生器吸收溶液出口，可以设置于发生器11的底部，从而输出经过浓缩的吸收溶液。发生器11的蒸汽出口通过进汽管道240连接于汽轮机200的高温蒸汽输入端。发生器11输出的蒸汽作为进汽推动汽轮机做功后变为排汽。
第1加热器220，设置于所述的进汽管道240上，用于对进汽管道中的蒸汽进行加热，以进一步提高导入汽轮机的蒸汽温度从而有利于提高汽轮机的输出功量和排汽干度。所述的加热器220为换热器、蓄热式加热器、太阳能集热器或者燃烧器。所述燃料器的燃料可为薪柴、煤、天然气、石油液化气、沼气、生物乙醇、秸秆或者燃料油等可以燃烧的物质。上述加热器220的加热方式可采用直接加热方式，亦可采用循环热媒与被加热蒸汽换热的方式进行。
吸收器12，具有吸收器吸收溶液入口、吸收器吸收溶液出口以及排汽入口。所述的排汽入口通过排汽管道230连接于所述汽轮机的排汽输出端。在吸收器12内还设有喷淋器连接于吸收器吸收溶液入口，用于喷洒输入吸收器12的吸收溶液。由于输入吸收器12的吸收溶液的吸收剂浓度较高，因而可在较高的温度下放出吸收热，吸收溶液吸收输入的排汽后浓度降低，浓度降低后的吸收溶液聚集在吸收器12的底部，并通过吸收器吸收溶液出口输出。
换热面13，设置与所述的发生器11和吸收器12之间，用于将吸收器12中产生的吸收热传递到发生器11中。该换热面13可以为构成发生器11或者吸收器12的器壁，该换热面的两侧分别与发生器和吸收器内的吸收溶液接触。例如，将发生器11和吸收器12设计为共用一个侧壁的形式，或者将发生器11设置在吸收器12内部。
吸收剂结晶器14，其包括：结晶器吸收溶液入口，通过管道142连接于吸收器吸收溶液出口；结晶器稀溶液出口，通过管道141连接于发生器稀溶液入口；及含结晶溶液输出口，通过管道143连接于吸收器吸收溶液入口。该吸收剂结晶器还具有冷媒循环设备，用于向吸收剂结晶器14提供冷量，使吸收剂结晶器14内的吸收溶液温度降低，当达到吸收剂的结晶温度以下时，析出吸收剂结晶。经固液分离后，吸收剂结晶从含结晶溶液输出口输出到吸收器12中，吸收剂浓度降低了的稀溶液从管道141输入到发生器11内。
如上述结构构成的动力循环系统，由于在吸收器中通过以较高浓度的吸收溶液吸收汽轮机排汽而产生的吸收热可以传递给发生器，用于蒸发浓缩发生器中的吸收溶液同时产生蒸汽，所产生的蒸汽经加热器由外部热源加热以进一步提高温度后，可用于驱动汽轮机做功进而发电，因而排汽所拥有的大量的冷凝热得到了回用，从而可显著提高本发明动力循环系统的热效率以及发电效率。经膨胀做功后的排汽被导入吸收器中，由较高浓度的吸收溶液吸收，从而可在较高温度下产生吸收热。由于吸收排汽浓度下降了的吸收溶液在结晶器中冷却结晶，含结晶溶液被送入吸收器，而稀溶液被输送至发生器中，从而可实现吸收器在高吸收溶液浓度下工作，而发生器在显著低于吸收器吸收溶液浓度的浓度下工作的、非常有利于吸收式热泵循环的工况，而这是现有吸收式热泵循环技术所无法达到的。
请参阅图2所示，是本发明实施例2的流程图。本实施例的动力循环系统与实施例1相比，其增加了吸收溶液自换热器150，设置于所述的吸收剂结晶器14与发生器11和吸收器12连接的管道上，用于对进入吸收剂结晶器的吸收溶液、从吸收剂结晶器输出的稀溶液和从吸收剂结晶器输出的含结晶溶液进行热交换。吸收溶液自换热器150的作用在于，经过热交换之后，进入吸收剂结晶器14的吸收溶液温度降低，有利于结晶的形成，从而节约了结晶所需的冷量；输出到发生器11的稀溶液的温度得到了提高，有利于工质的蒸发形成蒸汽；输出的含吸收剂结晶溶液的温度也得到了提高，从而有利于保持吸收器12在较高的温度下工作。本实施例2还包括混合器160，通过管道分别连接于所述的含结晶溶液输出口、发生器吸收溶液出口以及吸收器吸收溶液入口，将含结晶的吸收溶液与来自发生器11的吸收溶液混合后送至吸收器中。
请参阅图3所示，是本发明实施例3的流程图。本实施例的动力循环系统与实施例2相比，其增加了第2加热器250，设置于所述的排汽管道230上，用于对排汽管道中的蒸汽进行加热，以将排汽的温度提高到吸收器12的工作温度以上，从而有利于补偿吸收剂结晶器14的冷却量和系统的散热损失，同时可以将更低品位的热源用于发电。
本发明的实施例4还提出了一种基于实施例2的动力循环系统的动力循环方法，其包括以下步骤：
(1)在吸收器中，高浓度的吸收溶液吸收汽轮机的排汽，产生吸收热并将该吸收热传递到发生器，吸收溶液浓度降低后被输送到吸收剂结晶器中；
(2)在吸收剂结晶器中，对吸收溶液进行冷却结晶和固液分离，固液分离后的稀溶液输送至发生器中，含结晶溶液输送至吸收器中；
(3)在发生器中，来自吸收器的吸收热将来自吸收剂结晶器的稀溶液加热，并蒸发稀溶液的工质以产生蒸汽并输出，稀溶液浓度升高变为高浓度的吸收溶液，并将该吸收溶液输送到吸收器中；以及
(4)对发生器输出的蒸汽进行加热，然后作为进汽导入汽轮机通过膨胀对外做功，并将汽轮机的排汽导入吸收器中。
在上述的步骤中，对从吸收器输出的吸收溶液、从吸收剂结晶器输出的稀溶液以及含结晶溶液进行热交换，然后再各自输送到预定的目的地。
本发明的实施例5还提出了一种基于实施例3的动力循环系统的动力循环方法，本实施例的动力循环方法与实施例4相比，其还包括对汽轮机排汽进行加热的步骤。
本发明的上述实施例所述的技术方案对所采用吸收溶液的种类并无特别的限制，上述实施例皆以水-溴化锂为工质对的吸收溶液为例进行了说明，作为本发明所采用工质对的工质，除了水之外，也可采用氨、甲醇、乙醇及其混合物等，作为本发明所采用工质对的吸收剂，除了溴化锂之外，也可以采用H2O，LiCl，LiNO3，NaBr，KBr，CaCl2，MgBr2及其混合物等。
以下通过具有具体参数的实施例来说明上述实施例的可实施性。
实例1
本实例采用实施例5所述的方法，采用来自低谷电蓄热器的200℃热能作为外部热源对发生器输出蒸汽和汽轮机排汽进行加热，而采用20℃的冷却水来冷却吸收剂结晶器，汽轮机绝热效率为80％，发电机效率为90％，本实例的动力循环系统发电效率为35％。
实例2
本实例采用实施例5所述的方法，采用来自太阳能集热器的220℃热能作为外部热源对发生器输出蒸汽和汽轮机排汽进行加热，而采用20℃的冷却水来冷却吸收剂结晶器，汽轮机绝热效率为80％，发电机效率为90％，本实例的动力循环系统发电效率为36％。
实例3
本实例采用实施例4所述的方法，采用来自锅炉的250℃燃烧烟气作为外部热源对发生器输出蒸汽进行加热，而采用20℃的冷却水来冷却吸收剂结晶器，汽轮机绝热效率为80％，发电机效率为90％，本实例的动力循环系统发电效率为32％。
实例4
本实例采用实施例4所述的方法，采用沼气燃烧器的燃烧热作为外部热源对发生器输出蒸汽进行加热，而采用32℃的冷却水来冷却吸收剂结晶器，汽轮机绝热效率为80％，发电机效率为90％，本实例的动力循环系统发电效率为46％。
比较例
本比较例采用基于朗肯循环的汽轮发电机，采用来自锅炉的250℃燃烧烟气作为锅炉热源，汽轮机绝热效率为80％，发电机效率为90％，本比较例的发电效率为12％。
上述实例以及比较例的动力循环系统发电效率的计算公式如下：
发电效率＝所输出电力/工质从外部热源吸收的热量
＝(工质从外部热源吸收的热量-吸收剂结晶器的冷却量-散热损失)×发电机效率/工质从外部热源吸收的热量
＝进汽与排汽的焓差×发电机效率/工质从外部热源吸收的热量
下表1为上述实例1～4的工作参数和性能。
表1
为实现上述技术方案所必须的其他技术手段皆可采用现有技术中的技术实现。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (14)
1、一种动力循环系统，其特征在于其包括汽轮机、蒸汽循环装置以及吸收剂结晶器，
所述的蒸汽循环装置包括：
发生器，用于浓缩吸收溶液并产生蒸汽，通过进汽管道连接于所述汽轮机；
吸收器，通过排汽管道连接于所述汽轮机，用于吸收汽轮机的排汽；
换热面，设置于所述的发生器和吸收器之间，用于将吸收器中的热量传递到发生器；
加热器，设置于所述的蒸汽循环装置中；
所述的吸收剂结晶器，其包括：
结晶器吸收溶液入口，通过管道连接于吸收器的吸收溶液出口；
结晶器稀溶液出口，通过管道连接于发生器的稀溶液入口；及
含结晶溶液输出口，通过管道连接于吸收器的吸收溶液入口。
2、根据权利要求1所述的动力循环系统，其特征在于其中所述的汽轮机进汽管道上设置有加热器。
3、根据权利要求1所述的动力循环系统，其特征在于其中所述的汽轮机进汽管道上设置有第1加热器，排汽管道上设置有第2加热器。
4、根据权利要求1所述的动力循环系统，其特征在于其中所述的加热器为换热器、蓄热式加热器、太阳能集热器或者燃烧器。
5、根据权利要求1所述的动力循环系统，其特征在于其中所述的换热面为构成发生器或者吸收器的器壁，该换热面的两侧分别与发生器和吸收器内的吸收溶液接触。
6、根据权利要求1所述的动力循环系统，其特征在于其还包括吸收溶液自换热器，设置于所述的吸收剂结晶器与发生器和吸收器连接的管道上，用于进行进入吸收剂结晶器的吸收溶液、从吸收剂结晶器输出的稀溶液和从吸收剂结晶器输出的含结晶溶液之间的热交换。
7、根据权利要求1所述的动力循环系统，其特征在于其还包括混合器，通过管道分别连接于所述的含结晶溶液输出口、发生器的吸收溶液出口以及吸收器的吸收溶液入口。
8、一种动力循环方法，其特征在于包括：
(1)在吸收器中，高浓度的吸收溶液吸收汽轮机的排汽，产生吸收热并将该吸收热传递到发生器，吸收溶液浓度降低后被输送到吸收剂结晶器中；
(2)在吸收剂结晶器中，对吸收溶液进行冷却结晶和固液分离，固液分离后的稀溶液输送至发生器中，含结晶溶液输送至吸收器中；
(3)在发生器中，来自吸收器的吸收热将来自吸收剂结晶器的稀溶液加热，并蒸发稀溶液的工质以产生蒸汽并输出，稀溶液浓度升高变为高浓度的吸收溶液，并将该吸收溶液输送到吸收器中；
(4)对发生器输出的蒸汽进行加热，然后作为进汽导入汽轮机通过膨胀对外做功；以及
(5)汽轮机排汽，并将该排汽导入吸收器中。
9、根据权利要求8所述的动力循环方法，其特征在于其还包括：对从吸收器输出的吸收溶液、从吸收剂结晶器输出的稀溶液以及含结晶溶液进行热交换。
10、根据权利要求8所述的动力循环方法，其特征在于在(4)中所述加热的热源为太阳能、低谷电、中低温余热或者燃料燃烧热。
11、根据权利要求8所述的动力循环方法，其特征在于所述的汽轮机排汽的压力大于等于大气压。
12、根据权利要求8所述的动力循环方法，其特征在于所述的发生器中吸收溶液的温度比吸收器中吸收溶液的温度低5℃以下。
13、根据权利要求8所述的动力循环方法，其特征在于所述的吸收器中吸收溶液的吸收剂质量浓度比发生器中吸收溶液的吸收剂质量浓度高10wt％以上。
14、根据权利要求8-13任一项所述的动力循环方法，其特征在于还包括：对汽轮机排汽进行加热，然后导入吸收器中。
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