CN101943036A - 微泵功低品位热驱动朗肯发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微泵功低品位热驱动朗肯发电装置，包括流体输运单元和膨胀做功单元，所述流体输运单元包括冷凝器、流体泵、储液装置、蒸发器；所述的膨胀做功单元包括汽轮机和发电机，所述的储液装置包括储液罐以及储液罐出入口处的流体截止装置，各单元通过管路相连，储液装置内的流体流入蒸发器内被低品位热加热产生蒸汽，蒸汽进入汽轮机膨胀做功，带动发电机发电。本发明的流体输运单元的流体泵仅需克服流体在管道内流动的阻力，泵功消耗可大大减少，发电装置的净发电效率得到极大提高。

Description

微泵功低品位热驱动朗肯发电装置

技术领域

本发明涉及一种低品位热驱动发电装置，尤指一种微泵功、高输出的低品位热驱动发电装置。

背景技术

在工业生产部门，温度低于230℃的低品位余热广泛而大量地存在，例如燃气轮机、冶金行业、水泥行业、石化行业、食品加工行业排出海量的低品位余热。对于这些余热，传统技术难以利用而且经济性极差，因此，往往都是直接向环境排放，不仅造成了能量的极大浪费，而且也造成了糟糕的环境热污染。

把低品位热转换为电能是一种极具潜力的应用途径。目前，已有研究人员研究应用朗肯循环利用低品位热发电的装置，应用低品位热的朗肯发电装置的研究主要关注于工质对的改进，例如利用氟利昂等有机物作为工质以比较充分地利用温度位比较低的低品位热，或者利用二氧化碳为工质充分利用液化天然气所具有的低品位热。通过这些新技术的研究开发，朗肯发电装置在低品位热利用方面的性能有了显著改善，但是，这些研究开发工作，一直没有解决低品位热驱动朗肯发电装置的净发电效率低的严重缺陷。据初步计算，利用R134a9(四氟乙烷)为工质的朗肯发电装置，在冷凝温度35℃条件下，利用100℃低品位热，在流体泵的效率为55％、膨胀装置的等熵效率为60％的条件下算，膨胀装置每产生1kW的电中有约40％用于驱动流体输送泵，整个装置净发电效率仅为理想循环的约18％；利用R744(二氧化碳)为工质利用液化天然气的低温热的朗肯发电装置，其中流体输送泵消耗的电能约占膨胀装置产生电能的60％，整个装置净发电效率约为理想循环的16％。从中可以看出，由于低品位热驱动朗肯发电装置净效率比较低，远远低于当前常规发电装置的约35～45％，经济性很差。低品位热驱动朗肯发电装置净发电效率低的重要原因在于流体泵输运工作流体消耗了非常多的电能，因此，减少流体泵输运工作流体的泵功具有非常重要的意义。

现有低品位热驱动朗肯发电装置的流体泵直接把工作流体从冷凝器输送到蒸发器，既要克服工作流体在管道内流动的阻力，更要克服将工作流体从低压端输送到高压端之间巨大的压力差。这样的结果是流体泵不得不消耗非常多的电能，膨胀装置发出的电能有很大部分，甚至全部都被流体泵所消耗。如果能够克服低品位热驱动朗肯发电装置中流体输送泵的耗电量，有望极大幅度地提高低品位热驱动朗肯发电装置的净输出效率。

克服当前低品位热驱动朗肯装置发电净效率低、经济性差的缺点意义重大，不仅可以极大推动低品位热发电的技术水平与应用规模，在节能减排上具有很大潜力与意义。

发明内容

本发明提出了一种微泵功消耗的低品位热驱动朗肯发电装置，其流体输运单元的流体泵仅需克服流体在管道内流动的阻力，泵功消耗可大大减少，发电装置的净发电效率得到极大提高。

微泵功低品位热驱动朗肯发电装置，包括流体输运单元和膨胀做功单元，所述流体输运单元包括冷凝器、流体泵、储液装置、蒸发器；所述的膨胀做功单元包括汽轮机和发电机。

所述的储液装置包括储液罐、储液罐入口处的第一流体截止装置、储液罐液相出口处的第二流体截止装置和储液罐气相出口处的第三流体截止装置；

所述的冷凝器的出口与流体泵的入口相连；流体泵的出口经第一流体截止装置与储液罐的入口相连；储液罐的液相出口经第二流体截止装置与蒸发器的入口相连；储液罐的气相出口经第三流体截止装置与冷凝器的第二入口相连；蒸发器的出口与汽轮机的蒸汽入口相连；蒸汽进入汽轮机膨胀做功，带动发电机发电；汽轮机的蒸汽出口与冷凝器的第一入口相连。

所述的微泵功低品位热驱动朗肯发电装置工作流程如下：流体泵把冷凝后的工作流体经第一流体截止装置输入储液罐，此时，第二流体截止装置与第三流体截止装置关闭；当储液罐内的工作流体上升到设定的液位高度后，流体泵停止工作，第一流体截止装置关闭，第二流体截止装置打开，蒸发器内的高压蒸汽返流入储液罐，使储液罐内的压力近似等于蒸发器的压力，储液罐内的流体依靠重力势流入蒸发器内被低品位热加热产生蒸汽，蒸汽进入汽轮机膨胀做功，带动发电机发电，从汽轮机流出的蒸汽经冷凝器冷却成液体，储存于具有储液功能的冷凝器内；当储液罐内的工作流体降低到设定的液位高度后，第二流体截止装置关闭，第三流体截止装置打开，储液罐内的高压工作流体蒸汽经第三流体截止装置和冷凝器的第二入口流入冷凝器；储液罐内的压力下降，并与冷凝器内压力平衡后，第三流体截止装置关闭，完成了流体的一个循环。接着，开始第二个循环，打开第一流体截止装置，启动流体泵，把冷凝后的工作流体输入到储液罐，直到储液罐内的液位达到设定的高度。

冷凝器是一种具有储液功能的换热器，可以是列管式、套管式，也可以是其它形式，其换热管可以是普通管，也可以是强化管。储液罐、蒸发器为耐压容器，其材料可以是碳钢、不锈钢、铜，也可以是其他材料。三个流体截止装置是阻止流体在管路内的流动，可以是自动或手动阀。流体泵的作用是把流体从冷凝器输入到储液罐，它可以是离心式、叶片式，也可以是其他液体输送泵。

采用单储液罐结构，可以间歇式地利用低品位热发电，当采用双储液罐结构或多储液罐结构时，可以连续地利用低品位热发电。

所述的储液装置包括两个或两个以上的储液罐；每个储液罐入口处、液相出口处和气相出口处均设有独立的流体截止装置；储液罐之间并联连接。

所述的储液装置包括第一储液罐、第一储液罐入口处的第一流体截止装置、第一储液罐液相出口处的第二流体截止装置、第一储液罐气相出口处第三流体截止装置；第二储液罐、第二储液罐入口处的第四流体截止装置、第二储液罐液相出口处的第五流体截止装置和第二储液罐气相出口处的第六流体截止装置。

所述的冷凝器的出口与流体泵的入口相连；流体泵的出口与第一流体截止装置以及第四流体截止装置的入口相连；第一流体截止装置的出口与第一储液罐的入口相连；第一储液罐的液相出口与第二流体截止装置的入口相连；第二流体截止装置的出口与蒸发器的入口相连；第一储液罐的气相出口与第三流体截止装置的入口相连；第三流体截止装置的出口与冷凝器的第二入口相连；第四流体截止装置的出口与第二储液罐的入口相连；第二储液罐的液相出口与第五流体截止装置的入口相连；第五流体截止装置的出口与蒸发器的入口相连；第二储液罐的第二储出口与第六流体截止装置的入口相连；第六流体截止装置的出口与冷凝器的第二入口相连；蒸发器的出口与汽轮机的蒸汽入口相连；蒸汽进入汽轮机膨胀做功，带动发电机发电；汽轮机的蒸汽出口与冷凝器的第一入口相连。

所述的微泵功低品位热驱动朗肯发电装置工作流程如下：当第一储液罐处于储液状态，第二储液罐处于输液状态时：流体泵把冷凝后的工作流体经第一流体截止装置输入第一储液罐，第二流体截止装置与第三流体截止装置关闭；第四流体截止装置和第六流体截止装置关闭，第五流体截止装置打开，蒸发器内的高压蒸汽返流入第二储液罐，使第二储液罐内的压力近似等于蒸发器的压力，第二储液罐内储存的流体依靠重力势经第五流体截止装置流入蒸发器，被低品位热加热产生蒸汽，蒸发器产生的蒸汽进入汽轮机膨胀做功，带动发电机发电；汽轮机流出的蒸汽经冷凝器冷却成液体，被流体泵经第一流体截止装置输入第一储液罐。当第一储液罐内流体的液位上升到设定的液位高度，第二储液罐的液位降到设定的高度后，第二储液罐处于储液状态，第一储液罐处于输液状态：第五流体截止装置关闭，第六流体截止装置打开，第二储液罐内残余的高压流体蒸汽经冷凝器的第二入口流入冷凝器，第二储液罐内的压力下降，并与冷凝器内压力平衡后，第六流体截止装置关闭，第四流体截止装置打开，第一流体截止装置关闭，冷凝器内被冷凝的工作流体被流体泵经第四流体截止装置输入到第二储液罐；同时，第二流体截止装置打开，蒸发器内的高压蒸汽返流入第一储液罐，使第一储液罐内的压力近似等于蒸发器的压力，第一储液罐内储存的流体依靠重力势经第二流体截止装置流入蒸发器，流体被低品位热加热产生蒸汽，蒸发器产生的蒸汽进入汽轮机膨胀做功，带动发电机发电；汽轮机流出的蒸汽经冷凝器冷却成液体，被流体泵经第四流体截止装置输入第二储液罐。当第一储液罐内的流体降低到设定的液位高度、第二储液罐内的流体增加到设定的液位高度后，第二储液罐又处于输液状态，第一储液罐则处于储液状态，至此，工作流体完成了一次循环。采用双储液器结构，可以连续地利用低品位热，连续地输出电能。

双储液罐结构或多储液罐结构的朗肯发电装置，冷凝器不需要具有储液功能的换热器，可以是列管式、套管式，也可以是其它形式，其换热管可以是普通管，也可以是强化管。

储液装置与蒸发器可以采用一体化设计，结构更加紧凑，有利于装置的小型化。可以是单个储液罐，实现间歇式运行，也可以采用双储液罐或多储液罐，实现连续地高效运行。

所述的工作流体为本领域常用的工作流体，包括：氟利昂，如四氟乙烷(R134a)、二氟一氯乙烷(R142b)、三氟二氯乙烷(R123)、二氟乙烷(R152a)；环状有机物，如八氟环丁烷(R318)；无机物，如水(R718)、氨(R717)、二氧化碳(R744)；混合制冷剂，如R500、R502、R410A。

本发明的优点：1)流体泵输运流体仅消耗了极少的功，基本可以忽略，甚至可以不需要消耗机械功；2)低品位热发电装置的净输出电量得到很大的提高，低品位热净发电效率得到极大提高，经济性更好；3)发明装置结构简比简单、运行性能稳定可靠、使用寿命长以及维护费用低。

通过本发明装置，低品位热驱动朗肯发电装置的效率可以达到约为理想循环的30％，与其他发电装置相当而充分利用了温度很低的低品位热，发电效率高，具有更好的经济性。

附图说明

图1是本发明的单储液装置结构示意图；

图2是本发明的双储液装置结构示意图；

图3是本发明的一体式单储液装置结构示意图；

图4是本发明的一体式双储液装置结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，采用由四氟乙烷(R134a)为工作流体。储液装置由储液罐5、第一流体截止阀6、第二流体截止阀7和第三流体截止阀8组成。蒸发器2的出口与汽轮机1的蒸汽入口相连；汽轮机1带动发电机13发电；汽轮机1的蒸汽出口与冷凝器3的第一入口相连；冷凝器3的出口与流体泵4的入口相连；流体泵4的出口与第一流体截止阀6的入口相连；第一流体截止阀6的出口与储液罐5的入口相连；储液罐5的液相出口与第二流体截止阀7的入口相连；第二流体截止阀7的出口与蒸发器2的入口相连；储液罐5的气相出口与第三流体截止阀8的入口相连；第三流体截止阀8的出口与冷凝器3的第二入口相连。

工作流程如下：流体泵4把冷凝后的工作流体经第一流体截止阀6输入储液罐5。此时，第二流体截止阀7与第三流体截止阀8关闭。当储液罐5内的工作流体上升到设定的液位高度后，第一流体截止阀6关闭，流体泵4停止工作；第二流体截止阀打开，储液罐内的流体依靠重力势流入蒸发器2内被约100℃低品位热加热产生蒸汽；蒸汽进入汽轮机1做功，汽轮机1的出口蒸汽进入冷凝器3被冷凝成液体，储存于具有储液功能的冷凝器中。当储液罐5内的工作流体降低到设定的液位高度后，第二流体截止阀7关闭，第三流体截止阀8打开，储液罐5内的高压工作流体蒸汽经第三流体截止阀8和冷凝器3的第二入口流入冷凝器3。随后，第三流体截止阀8关闭，完成了流体的一个循环。接着，开始第二个循环，打开第一流体截止阀6，启动流体泵4，把冷凝后的工作流体输入到储液罐5，直到储液罐5内的液位达到设定的高度。本实施例采用单储液罐结构，间歇式地利用低品位热发电，流体泵的功耗可减少约85％，发电装置的净发电效率最大可提高约33％。

实施例2

如图2所示，采用四氟乙烷(R134a沸点为-26℃)为工作流体。该方案中有并联的两套储液装置，分别是第一储液罐5、第一流体截止装置6、第二流体截止装置7、第三流体截止装置8、第二储液罐9、第四流体截止装置10、第五流体截止装置11和第六流体截止装置12组成，其它部分与实施例1相同。流体泵4的出口与第一流体截止装置6以及第四流体截止装置10的入口相连；第二流体截止装置7的出口以及第五流体截止装置11的出口与蒸发器2的入口相连；第三流体截止装置8的出口以及第六流体截止装置12的出口与冷凝器3的第二入口相连。

工作流程如下：当第一储液罐5处于储液状态，第二储液罐9处于输液状态时：流体泵4把冷凝后的工作流体经第一流体截止装置6输入第一储液罐5，第二流体截止装置7与第三流体截止装置8关闭；第四流体截止装置10和第六流体截止装置12关闭，第五流体截止装置11打开，第二储液罐9内储存的流体依靠重力势经第五流体截止装置11流入蒸发器2内被约100℃低品位热加热产生蒸汽；蒸汽进入汽轮机1做功，汽轮机1带动发电机13发电；汽轮机1的出口蒸汽进入冷凝器3被冷凝成液体。当第一储液罐5内流体的液位上升到设定的液位高度，第二储液罐9的液位降到设定的高度后，第二储液罐9处于储液状态，第一储液罐5处于输液状态：第五流体截止装置11关闭，第六流体截止装置12打开，第二储液罐9内残余的高压流体蒸汽经冷凝器3的第二入口流入冷凝器3，随后，第六流体截止装置12关闭，第四流体截止装置10打开，冷凝器3内被冷凝的工作流体被流体泵4输入到第二储液罐9；同时，第一流体截止装置6关闭，第二流体截止装置7打开，第一储液罐5内的流体依靠重力势经第二流体截止装置7流入蒸发器2内，流体被低品位热加热产生蒸汽；蒸汽进入汽轮机1做功，汽轮机1的出口蒸汽进入冷凝器3被冷凝成液体。当第一储液罐5内的流体降低到设定的液位高度、第二储液罐9内的流体增加到设定的液位高度后，第二储液罐9又处于输液状态，第一储液罐5则处于储液状态，至此完成了一次循环。本实施例采用双储液器结构，可以连续地利用低品位热，连续地输出电能，流体泵的功耗大约可以减少95％，发电装置的净发电效率大约可以提高40％。

实施例3

如图3所示，该实施方案中储液罐5与蒸发器2为一体式设计，采用混合制冷剂(R500，沸点为-33.5℃)为工作流体，其它部分与实施例1相同。本实施例采用单储液器结构，只能间歇式地运行。本实施例实现了储液装置与发生器的一体化设计，结构更加紧凑，有利于装置的小型化，增强新装置的适应性，拓宽应用场合。流体泵的功耗可以减少约95％，发电装置的净发电效率可以提高大约40％。

实施例4

如图4所示，该实施方案中第一储液罐5、第二储液罐9与蒸发器2为一体式设计，采用二氧化碳(R744，沸点为-78.5℃℃)为工作流体，其它部分与实施例2相同。一体化装置，是一个耐压装置，在蒸发器2的上部分别是储存工作流体的第一储液罐5和第二储液罐9。本实施例采用双储液器结构，可以连续性地运行。本实施例实现了储液装置与发生器的一体化设计，结构更加紧凑，有利于装置的小型化，增强新装置的适应性，拓宽应用场合。流体泵的功耗可以减少约95％，发电装置的净发电效率可以提高大约40％。

Claims (7)

1.一种微泵功低品位热驱动朗肯发电装置，包括流体输运单元和膨胀做功单元，所述流体输运单元包括冷凝器、流体泵、储液装置、蒸发器；所述的膨胀做功单元包括汽轮机和发电机，其特征在于：所述的储液装置包括一个储液罐、储液罐入口处的第一流体截止装置、储液罐液相出口处的第二流体截止装置和储液罐气相出口处的第三流体截止装置；所述的冷凝器的出口与流体泵的入口相连；流体泵的出口经第一流体截止装置与储液罐的入口相连；储液罐的液相出口经第二流体截止装置与蒸发器的入口相连；储液罐的气相出口经第三流体截止装置与冷凝器的第二入口相连；蒸发器的出口与汽轮机的蒸汽入口相连；蒸汽进入汽轮机膨胀做功，带动发电机发电；汽轮机的蒸汽出口与冷凝器的第一入口相连。

2.根据权利要求1所述的微泵功低品位热驱动朗肯发电装置，其特征在于：所述的储液装置包括两个或两个以上的储液罐；每个储液罐入口处、液相出口处和气相出口处均设有独立的流体截止装置；储液罐之间并联连接。

3.根据权利要求2所述的微泵功低品位热驱动朗肯发电装置，其特征在于：所述的储液装置包括第一储液罐、第一储液罐入口处的第一流体截止装置、第一储液罐液相出口处的第二流体截止装置、第一储液罐气相出口处第三流体截止装置；第二储液罐、第二储液罐入口处的第四流体截止装置、第二储液罐液相出口处的第五流体截止装置和第二储液罐气相出口处的第六流体截止装置。

所述的冷凝器的出口与流体泵的入口相连；流体泵的出口与第一流体截止装置以及第四流体截止装置的入口相连；第一流体截止装置的出口与第一储液罐的入口相连；第一储液罐的液相出口与第二流体截止装置的入口相连；第二流体截止装置的出口与蒸发器的入口相连；第一储液罐的气相出口与第三流体截止装置的入口相连；第三流体截止装置的出口与冷凝器的第二入口相连；第四流体截止装置的出口与第二储液罐的入口相连；第二储液罐的液相出口与第五流体截止装置的入口相连；第五流体截止装置的出口与蒸发器的入口相连；第二储液罐的第二储出口与第六流体截止装置的入口相连；第六流体截止装置的出口与冷凝器的第二入口相连；蒸发器的出口与汽轮机的蒸汽入口相连；蒸汽进入汽轮机膨胀做功，带动发电机发电；汽轮机的蒸汽出口与冷凝器的第一入口相连。

4.根据权利要求1-3任一权利所述的微泵功低品位热驱动朗肯发电装置，其特征在于：所述的储液装置与蒸发器采用一体化设计。

5.根据权利要求1所述的微泵功低品位热驱动朗肯发电装置，其特征在于：所述的冷凝器为具有储液功能的换热器。

6.根据权利要求1所述的微泵功低品位热驱动朗肯发电装置，其特征在于：所述的工作流体为氟利昂或混合制冷剂。

7.根据权利要求1所述的微泵功低品位热驱动朗肯发电装置，其特征在于：所述的工作流体为二氧化碳。

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