CN102168587B - 一种乙醇蒸汽发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种乙醇蒸汽发电装置，该装置包括蓄热系统、乙醇蒸汽发生系统、发电系统、乙醇蒸汽冷凝回收系统和控制系统；蓄热系统包括若干个并联设置的热水储存器，每个热水储存器的出水口通过控制阀与输水泵连接；乙醇蒸汽发生系统由两个相互独立的乙醇蒸汽发生器构成，每个乙醇蒸汽发生器内设有热交换盘管、并通过设置于乙醇蒸汽输出口的控制阀与发电系统的涡轮蒸汽机连接；乙醇蒸汽冷凝回收系统包括全封闭乙醇储存器和连接于涡轮蒸汽机出气管与乙醇储存器之间的降温器；控制系统通过设置于乙醇蒸汽发生器内的传感器来使两个乙醇蒸汽发生器处于轮换输送乙醇蒸汽的工作状态。本发明的乙醇蒸汽发电装置，结构简单、制造成本低，且热交换效率高。

Description

一种乙醇蒸汽发电装置

技术领域

本发明涉及一种发电装置，尤其涉及一种利用乙醇蒸汽进行发电的发电装置，更具体是涉及一种通过对水进行加热、再利用热水与乙醇进行热交换来产生乙醇蒸汽进行发电的发电装置。

背景技术

现有的蒸汽发电装置大致可分为两种形式，一种是直接用水做传热工质，水吸收外界的热后升温变为蒸汽，蒸汽送往汽轮发电机发电；另一种形式是通过导热介质吸收外界的热，导热介质进入蒸汽发生器与水发生热交换，水受热变为蒸汽，蒸汽再送往汽轮发电机发电。从已实际应用于工农业生产和已公开的文献中可以看出，现有的蒸汽发电装置，不管是直接用水做传热工质或以导热介质做传热工质，其结构都是在蒸汽输出的同时进行水分的补充，由于蒸汽的产生必然增加管道和腔体内的压力，因而为管道和腔体提供水源的供水泵，功率必需非常大，这样利用热力获得的电，需要大部分用来为水循环提供动力，这势必导致热电转换效率非常低；另外，水分的补充会导致蒸汽温度的变化，从而影响涡轮发电机运行的稳定性。本发明的申请人于2010年3月16日向国家知识产权局提出的名称为“一种太阳能热力发电装置”、申请号为201010131000.7的发明专利申请，该热力发电装置包括集热系统、蒸汽发生系统、发电系统和控制系统；集热系统包括太阳能集热器和导热油高位储热器；蒸汽发生系统由两个相互独立的蒸汽发生器构成，每个蒸汽发生器内设有与高位储热器连接的盘管，每个蒸汽发生器通过设置于蒸汽输出口的控制阀与发电系统的涡轮蒸汽机连接，控制系统通过设置于蒸汽发生器内的传感器来使两个蒸汽发生器处于轮换输送蒸汽的工作状态。采用上述发明专利申请的热力发电装置，可在一个蒸汽发生器输出高压蒸汽使涡轮蒸汽机发电的时候，另一个蒸汽发生器在较低压力下进行补水和加热，当水蒸汽压力达到一定时才开始输出蒸汽，不仅能减少供水泵动力的输出，而且可保证蒸汽输出的连续和压力的恒定。但是，为了保证在没有太阳光照射的情况下也能正常发电，需要设置多个导热油高位储热器来积蓄热量以供夜间或雨天发电，由于导热油价格高，势必造成发电成本的增加，另外，导热油的比热容小，水的比热容大，热传递的效率也相对较低。

发明内容

为克服以上存在的问题，本发明的目的是提供一种利用乙醇蒸汽进行发电的发电装置，该发电装置结构简单、热传递效率高、可在低成本的情况下保证发电的连续性。

为实现以上目的，本发明的乙醇蒸汽发电装置包括蓄热系统、乙醇蒸汽发生系统、发电系统、乙醇蒸汽冷凝回收系统和控制系统，其特征在于：蓄热系统包括若干个并联设置且外设保温层的热水储存器，每个热水储存器设有进水口和出水口，每个热水储存器的出水口通过各自的控制阀与输水泵连接；乙醇蒸汽发生系统由两个相互独立的全封闭乙醇蒸汽发生器构成，每个乙醇蒸汽发生器内设有用于进行热交换的盘管，盘管一端通过控制阀与输水泵连接，另一端通过输水管与热水储存器的进水口连接，每个乙醇蒸汽发生器的蒸汽输出口通过控制阀与发电系统的涡轮蒸汽机连接，每个乙醇蒸汽发生器还设有与乙醇输送泵连接的进液口；乙醇蒸汽冷凝回收系统包括全封闭乙醇储存器和降温器，降温器包括进气管、若干沿蒸汽排出方向平行排列的散热管、沿散热管径向平行设置的散热片和出液管，散热管通过进气管与涡轮蒸汽机的出气管连接、通过出液管与乙醇储存器连接；控制系统包括设置于上述各个系统中的传感器和中央处理器，中央处理器通过设置于乙醇蒸汽发生器内的传感器来使两个乙醇蒸汽发生器处于轮换输送乙醇蒸汽的工作状态。

为了充分利用清洁能源，上述蓄热系统中的热水储存器由太阳能集热系统供热，太阳能集热系统包括填充有导热油的太阳能集热器和位于太阳能集热器之上的导热油高位储热器，太阳能集热器通过输油管与导热油高位储热器连接，导热油高位储热器设有与输油泵连接的出油口；蓄热系统中的热水储存器内设有可供导热油经过的盘管，热水储存器内的盘管一端与输油泵连接、另一端通过输油管与导热油高位储热器的进油口连接。

为了使涡轮蒸汽机排出的乙醇蒸汽刚好冷凝为液体，同时确保液体的温度为最高液态温度，上述降温器为自动调温降温器，该自动调温降温器是在上述平行排列的散热片的前后左右四个侧面设置侧板、顶面设置带烟囱的喇叭形盖板，烟囱的出气口设有直径与烟囱出气口内径相当且可翻转的散热调节片，该调节片的转动由设置于烟囱外侧壁的驱动机构控制。

上述驱动机构包括固定于烟囱外侧壁的电机和与电机连接的涡轮减速机，涡轮减速机的输出轴与上述散热调节片的径向转轴连接；上述降温器的出液管设有温度传感器，该温度传感器与上述控制系统连接，控制系统通过温度传感器发出的信息对电机转轴的转动角度进行控制。

为了保持乙醇储存器内液体体积的相对恒定，上述乙醇储存器为两个，每个乙醇储存器的顶部设有进液口、下部设有出液口，进液口通过三通管与上述降温器出液管的末端连接，出液口与上述乙醇输送泵连接。

为了消除导热油、水、乙醇热膨胀产生的压力对容器壁造成的影响，上述导热油高位储热器、热水储存器和乙醇储存器顶部均设有用于调节储存器体积的膨胀器。

上述设置于乙醇蒸汽发生器内的传感器为压力传感器和液位传感器，上述控制系统通过压力传感器发出的信息对乙醇蒸汽输出口的控制阀进行控制、通过液位传感器发出的信息分别对乙醇输送泵的开关、乙醇蒸汽发生器进液口的阀门进行控制。

上述导热油高位储热器设有温度传感器，该温度传感器与上述控制系统连接，控制系统通过温度传感器发出的信息对输油泵的开关、热水储存器内盘管进油端口的控制阀进行控制。

上述热水储存器设有温度传感器，该温度传感器与上述控制系统连接，控制系统通过温度传感器发出的信息对输水泵的开关、乙醇蒸汽发生器内盘管进水端口的控制阀进行控制。

为了保证从热水储存器出来的导热油进入导热油高位储热器后能迅速得到加热，上述导热油高位储热器与太阳能集热器输油管连接的进出油口位于储油器的底部、与热水储存器内盘管出油端口连接的进油口位于储油器的下部、与输油泵连接的出油口位于储油器的上部。

本发明的乙醇蒸汽发电装置，与现有发电装置相比，具有如下的优点：

1、由于乙醇沸点低，比热容是水的一半，通过热水与乙醇进行热交换来产生乙醇蒸汽，可大大提高热传递的效率，而利用水代替导热油作为蓄热介质，也大大降低了蓄热的成本。

2、本发明的降温器利用空气对流就能达到将乙醇蒸汽冷却为液体的目的，而通过改变烟囱出气口散热调节片转动的角度来调节乙醇蒸汽冷凝的温度，从而使从涡轮蒸汽机出气管出来的乙醇蒸汽变为最高液态温度的乙醇，不仅结构简单，动力输出少，而且可使余热得到更充分的利用，更好缩短乙醇蒸汽发生器内乙醇与水热交换的时间。

3、乙醇在乙醇蒸汽发生系统、发电系统和乙醇冷凝回收系统形成的全封闭环境下流动、与外界隔绝，乙醇处于完全密闭的状态，大大提高乙醇发电的安全性。

4、采用两个独立的乙醇蒸汽发生器进行轮换工作，即在一个乙醇蒸汽发生器输出高压乙醇蒸汽使涡轮蒸汽机发电的时候，另一个蒸汽发生器在较低压力下进行乙醇的补充和加热，当乙醇蒸汽压力达到一定时才开始输出乙醇蒸汽，这样不仅能减少乙醇输送泵动力的输出，而且可保证乙醇蒸汽输出的连续和压力的恒定。

5、在乙醇蒸汽发生器内采用盘管作为热交换器，并采用输水泵向盘管输送热水，既可获得热交换面积的最大化，又可以加速热水循环的速度，保证盘管外的乙醇或蒸汽得到均匀快速的加热，从而产生足够大的蒸汽压力供涡轮蒸汽机发电。

附图说明

图1是本发明乙醇蒸汽发电装置各个系统连接的平面图。

图2是集热器剖面的结构示意图。

图3是导热油高位储热器的结构示意图。

图4是热水储存器的结构示意图。

图5是乙醇蒸汽发生器的结构示意图。

图6 是乙醇储存器的结构示意图。

图7是自动调温降温器的外观结构图。

图8是自动调温降温器的结构剖图。

图9是图8沿A-A线的剖面图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的乙醇蒸汽发电装置由集热系统1、蓄热系统2、乙醇蒸汽发生系统3、发电系统4、乙醇蒸汽冷凝回收系统5和控制系统（图中没有标出）六个部分构成；

集热系统1由多个太阳能集热器并联构成集热器总成和位于太阳能集热器总成之上的导热油高位储热器13构成，（为了节省篇幅，此处只画出两个左右设置的太阳能集热器11、12），该集热器由多根真空镀膜玻璃管111、121横向并联构成，每根真空镀膜玻璃管底部均设有弧形镜面101，弧形镜面可手动或自动跟踪太阳光，玻璃管一端封闭，另一端与输油管112、122连接，真空镀膜玻璃管和输油管内充满导热油，导热油高位储热器顶部设有膨胀器131，膨胀器用于调节储热器的体积，以减少导热油热膨胀时对储热器壁产生的压力，高位储热器底部两侧设有进出油口132、133，分别与两个太阳能集热器的输油管112、122连接，高位储热器的下部两侧设有进油口134、135，上部设有出油口136，该出油口通过输油管与一输油泵14连接，如图1、2、3所示；

蓄热系统2由多个并联设置的热水储存器构成（为了节省篇幅，此处只画出两个左右设置的热水储存器21、22），每个热水储存器内设有供导热油通过、用于进行热交换的盘管211、221，盘管从上至下设有5－10层，每层从里到外环绕20－30圈，盘管的进油端口通过三通管与输油泵14连接，在进油端口和三通管之间设置有控制阀212、222，盘管出油端口通过输油管213、223与导热油高位储油器的进油口134、135连接，每个热水储存器的上部设有热水出口、下部设有冷水回流口，热水出口通过抽水阀门214、224与输水泵23连接，冷水回流口通过回水阀门215、225与回流水管A1、A2连接，热水储存器的顶部设有膨胀器216，膨胀器用于调节储水器的体积，以减少热水膨胀时对储水器壁产生的压力，热水储存器的外侧壁设有保温层217，如图1、4所示；

乙醇蒸汽发生系统3由两个相互独立的全封闭乙醇蒸汽发生器31、32构成，每个乙醇蒸汽发生器内设有供热水通过、用于进行热交换的盘管311、321，盘管从上至下设有5－10层，每层从里到外环绕20－30圈，盘管的进水端口通过三通管与输水泵23连接，在进水端口和三通管之间设置有送水阀312、322，盘管出水端口通过控制阀313、323与连接热水储存器回流口的回流水管A1、A2连接，每个乙醇蒸汽发生器的顶部设有乙醇蒸汽输出口、上部设有乙醇输入口，乙醇蒸汽输出口通过控制阀314、324与发电系统涡轮蒸汽机的蒸汽入口连接，乙醇输入口设置有控制阀315、325，如图1、5所示；

发电系统4由涡轮蒸汽机41和发电机组构成，涡轮蒸汽机的进汽口411通过三通管与左右两个乙醇蒸汽发生器的蒸汽出口的控制阀314、324连接，涡轮蒸汽机的出气管末端与乙醇冷凝回收系统连接，如图1所示；

乙醇蒸汽冷凝回收系统5包括两个全封闭的乙醇储存器51、52和自动调温降温器53；自动调温降温器由进气管531、通过三通管与进气管连接的三根沿蒸汽排出方向水平排列的散热管532、沿散热管径向平行设置的散热片533和通过三通管与三根散热管连接的出液管534构成，在平行排列的散热片外围设有一个由前后左右四块侧板和呈喇叭形盖板构成的带有烟囱的罩535，烟囱536的出气口设有直径与烟囱出气口内径相当且可翻转的散热调节片537，在烟囱的外侧壁固定有电机538和与电机连接的涡轮减速机539，涡轮减速机的输出轴与散热调节片的径向转轴连接，进气管531与涡轮蒸汽机的出气管末端连接；乙醇储存器51下部设有乙醇出液口、上部设有乙醇进液口，乙醇出液口通过乙醇输送泵511、521与乙醇蒸汽发生器乙醇输入口的控制阀315、325连接，乙醇进液口通过三通管与降温器的出液管534连接，在乙醇进液口和降温器的出液管之间设有控制阀512、522，每个乙醇储存器顶部还设有膨胀器513，膨胀器用于调节乙醇储存器的体积，以减少乙醇膨胀时对储液器壁产生的压力；如图1、6、7、8、9所示；

在真空镀膜玻璃管与输油管的连接处、导热油高位储油器、输油泵、输油管、乙醇蒸汽发生器、乙醇储存器的外围均设有保温材料层6，如图1、3、5、6所示；

控制系统包括设置于上述各个系统中的传感器和中央处理器（图中没有标出），为了保证导热油在160℃左右才进入蓄热系统的热水储存器进行热交换，以减少输油泵的电耗，导热油高位储热器设有温度传感器，中央处理器通过温度传感器监测到的油温对输油泵14及控制阀212、222进行控制；为了保证热水在98－99℃才进入乙醇蒸汽发生器进行热交换，热水储存器设有温度传感器，中央处理器通过温度传感器监测到的水温对输水泵23及控制阀214、224、312、322进行控制；为了保证输出的乙醇蒸汽压力达到一定的大气压，足以使蒸汽发电系统发电，蒸汽发生器内设有压力传感器，中央处理器通过压力传感器监测到的蒸汽压力对乙醇蒸汽输出口的控制阀314、324进行控制，而为了及时补充乙醇，乙醇蒸汽发生器内还设有液位传感器及液位探针，中央处理器通过液位传感器监测到的乙醇液位对乙醇输送泵511、521的开关、进液口的控制阀315、325进行控制；为了使涡轮蒸汽机排出的乙醇蒸汽刚好转化为最高温度的液态乙醇，自动调温降温器的出液管管口设有温度传感器，中央处理器通过温度传感器监测到的乙醇冷凝液温度对烟囱侧壁上电机转轴的转动角度进行控制；另外，本发明乙醇蒸汽发电装置的电路设计是，两个乙醇蒸汽发生器乙醇蒸汽输出口的控制阀是一开一闭轮换工作的，即当左侧乙醇蒸汽发生器的蒸汽出口控制阀处于打开状态，右侧乙醇蒸汽发生器的蒸汽出口控制阀就处于关闭状态，反之也然。

本发明乙醇蒸汽发电装置的工作原理是：当太阳升起的时候，真空镀膜玻璃管受光照射吸收热量使管内的导热油迅速升温，由于热的导热油向外向上运动，未受热的导热油向下向内运动，两者互相渗透，形成自然对流，温度高的导热油不断进入高位储热器，温度低的导热油流向真空镀膜玻璃管，与此同时，蓄热系统的各个热水储存器内充满水，两个乙醇储存器加注适量的乙醇后对罐体进行密封，乙醇蒸汽发生系统的两个乙醇蒸汽发生器的进液阀打开，乙醇输送泵同时向两个乙醇蒸汽发生器输送乙醇，当乙醇蒸汽发生器中的液位传感器监测到预定的液位值时，进液口控制阀关闭，乙醇输送泵停止工作；当高位储油器内导热油的温度达到160℃左右时，输油泵开始工作，第一个热水储存器盘管进油端口的阀门打开，160℃左右的导热油不断流入热水储存器的盘管后对热水储存器内的水进行加热，当热水储存器内热水的温度达到98－99℃时，第二个热水储存器盘管进油端口的阀门打开，依次对第二个热水储存器内的水进行加热，当其中一个热水储存器的温度达到98－99℃时，抽水阀门打开，输水泵开始工作，两个乙醇蒸汽发生器盘管进水端口的控制阀同时打开，温度高达98－99℃的热水不断流入盘管后对乙醇蒸汽发生器内的乙醇进行加热，当乙醇蒸汽发生器内的压力传感器监测到乙醇蒸汽的压力达到某一特定值时，右侧乙醇蒸汽发生器的乙醇蒸汽输出口的控制阀打开，乙醇冷凝系统右侧乙醇储存器的乙醇进液口阀门打开，此时高压乙醇蒸汽喷射到涡轮蒸汽机的叶轮，涡轮机转动，发电机组开始发电，经过涡轮蒸汽机叶轮和出气管出来的压力较低的乙醇蒸汽，通过自动调温降温器的散热管冷凝后排向乙醇储存器，此时，控制系统根据设置于降温器出液管上的温度传感器检测到的乙醇液体温度，随时控制降温器上电机转轴转动的角度，使散热调节片覆盖烟囱出气口的面积发生变化，从而使通过散热片的对流空气量发生变化，进而达到使乙醇冷凝液刚好略低于乙醇沸点的温度；当右侧乙醇蒸汽发生器的压力传感器监测到蒸汽的压力低于某一特定值时，乙醇蒸汽发生器的蒸汽输出口的控制阀、盘管进水端口的控制阀同时关闭，左侧乙醇蒸汽发生器乙醇蒸汽输出口的控制阀、盘管进水端口的控制阀同时打开，由左侧乙醇蒸汽发生器向涡轮蒸汽机输送蒸汽，与此同时，右侧乙醇蒸汽发生器的进液口控制阀打开，乙醇输送泵启动，向右侧乙醇蒸汽发生器加入接近于乙醇沸点温度的乙醇，当液位传感器监测到预定的液位值时，进液口控制阀关闭，盘管进水端口的控制阀打开，热水进入盘管对乙醇蒸汽发生器的乙醇加热，当压力传感器监测到乙醇蒸汽的压力达到某一特定值时，盘管进水端口的控制阀关闭；这样左右两个乙醇蒸汽发生器一个输送乙醇蒸汽，一个进行补充乙醇和加热，两个轮换工作，反复循环完成整个发电的过程。当夜晚或遇到雨天时，导热油温度下降，中央处理器通过温度传感器监测到热水储存器内的热水温度低于95℃时，关闭正在工作的热水储存器的抽水阀门，开启另一个热水储存器的抽水阀门，由另一个热水储存器继续输送热水。

另外，由于从乙醇储存器出来的是温度接近沸点（78℃）的热乙醇，而与热水进行热交换的乙醇蒸汽温度接近98－99℃，因此，从乙醇储存器出来的乙醇到变为可以使涡轮蒸汽机发电的乙醇蒸汽，温差只有20－25℃，这样可以大大节约加热的时间，提高发电的效率。

Claims (10)

1.一种乙醇蒸汽发电装置，包括蓄热系统、乙醇蒸汽发生系统、发电系统、乙醇蒸汽冷凝回收系统和控制系统，其特征在于：所述蓄热系统包括若干个并联设置且外设保温层的热水储存器，每个热水储存器设有进水口和出水口，每个热水储存器的出水口通过各自的控制阀与输水泵连接；乙醇蒸汽发生系统由两个相互独立的全封闭乙醇蒸汽发生器构成，每个乙醇蒸汽发生器内设有用于进行热交换的盘管，盘管一端通过控制阀与输水泵连接，另一端通过输水管与热水储存器的进水口连接，每个乙醇蒸汽发生器的蒸汽输出口通过控制阀与发电系统的涡轮蒸汽机连接，每个乙醇蒸汽发生器还设有与乙醇输送泵连接的进液口；乙醇蒸汽冷凝回收系统包括全封闭乙醇储存器和降温器，降温器包括进气管、若干沿蒸汽排出方向水平排列的散热管、沿散热管径向平行设置的散热片和出液管，散热管通过进气管与涡轮蒸汽机的出气管连接、通过出液管与乙醇储存器连接；控制系统包括设置于上述各个系统中的传感器和中央处理器，中央处理器通过设置于乙醇蒸汽发生器内的传感器来使两个乙醇蒸汽发生器处于轮换输送乙醇蒸汽的工作状态。

2.根据权利要求1所述的乙醇蒸汽发电装置，其特征在于：所述蓄热系统中的热水储存器由太阳能集热系统供热，太阳能集热系统包括填充有导热油的太阳能集热器和位于太阳能集热器之上的导热油高位储热器，太阳能集热器通过输油管与导热油高位储热器连接，导热油高位储热器设有与输油泵连接的出油口；蓄热系统中的热水储存器内设有可供导热油经过的盘管，热水储存器内的盘管一端与输油泵连接、另一端通过输油管与导热油高位储热器的进油口连接。

3.根据权利要求2所述的乙醇蒸汽发电装置，其特征在于：所述降温器为自动调温降温器，该自动调温降温器是在所述平行排列的散热片前后左右四个侧面设置侧板、顶面设置带烟囱的喇叭形盖板，烟囱的出气口设有直径与烟囱出气口内径相当且可翻转的散热调节片，该调节片的转动由设置于烟囱外侧壁的驱动机构控制。

4.根据权利要求3所述的乙醇蒸汽发电装置，其特征在于：所述驱动机构包括固定于烟囱外侧壁的电机和与电机连接的涡轮减速机，涡轮减速机的输出轴与所述调节片的径向转轴连接；所述降温器的出液管设有温度传感器，该温度传感器与所述控制系统连接，控制系统通过温度传感器发出的信息对电机转轴的转动角度进行控制。

5.根据权利要求3或4所述的乙醇蒸汽发电装置，其特征在于：所述乙醇储存器为两个，每个乙醇储存器的顶部设有进液口、下部设有出液口，进液口通过三通管与所述降温器出液管的末端连接，出液口与所述乙醇输送泵连接。

6.根据权利要求3或4所述的乙醇蒸汽发电装置，其特征在于：所述导热油高位储热器、热水储存器和乙醇储存器顶部均设有用于调节储存器体积的膨胀器。

7.根据权利要求3或4述的乙醇蒸汽发电装置，其特征在于：所述设置于乙醇蒸汽发生器内的传感器为压力传感器和液位传感器，控制系统通过压力传感器发出的信息对乙醇蒸汽输出口的控制阀进行控制、通过液位传感器发出的信息分别对乙醇输送泵的开关、乙醇蒸汽发生器进液口的阀门进行控制。

8.根据权利要求3或4所述的乙醇蒸汽发电装置，其特征在于：所述导热油高位储热器设有温度传感器，该温度传感器与所述控制系统连接，控制系统通过温度传感器发出的信息对输油泵的开关、热水储存器内盘管进油端口的控制阀进行控制。

9.根据权利要求3或4所述的乙醇蒸汽发电装置，其特征在于：所述热水储存器设有温度传感器，该温度传感器与所述控制系统连接，控制系统通过温度传感器发出的信息对输水泵的开关、乙醇蒸汽发生器内盘管进水端口的控制阀进行控制。

10.根据权利要求3或4所述的乙醇蒸汽发电装置，其特征在于：所述导热油高位储热器与太阳能集热器输油管连接的进出油口位于储油器的底部、与热水储存器内盘管出油端口连接的进油口位于储油器的下部、与输油泵连接的出油口位于储油器的上部。

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