CN102230403A - 利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明使用一种新的循环方式利用低温热能发电。以液空、液氮、液氩(1)等大气中存在的自然物质作为制冷工质,以液氮、液氩为辅助冷源(13),通过低温液体泵(2)增压输送工质,通过低温换热装置(7)冷却工质和回收冷量,中冷工质与低品位热源进行热交换(15、14),产生中高压气体,一部分焓值升高的气体工质膨胀做功发电(17),电能并入本地电网(18)。另一部分工质经增压膨胀(19)产生冷量,通过低温换热装置(9)和喷射器(8)使工质降温、冷凝、混合和回收,工质液化过冷(5)后循环使用,参数检测、控制等由计算机控制系统(21)实现。
Description
一技术领域
本技术涉及发电、制冷、热动、环保、机械制造和自动化等技术领域。
二背景技术
低温热能(低品位热能、低品质热能)指温度低于120℃的低位热能,包括太阳能、地热能、地表水热能、地表及建筑物辐射热能和工业废热能等,总量巨大,具有可再生性。以工业废热为例,约50%的热能以低品位废热的方式被排放,尤其是以低温热水的方式(热电厂超过三分之一的热效率在冷凝器中损失掉被循环冷却水带走,气体等温压缩时冷却水带走的热能与压缩机消耗的功相当;金属冶炼、轧制等过程冷却水带走热能的量也非常大)。高效率地利用和回收这部分能源,可解决我国所面临的能源问题,极大地改善生存环境,实现可持续发展。
国内外从上世纪70年代开始研究低温热能发电技术,先后研制出基于有机物郎肯循环(ORC)、混合工质循环、Kalinna循环和氨吸收式动力制冷循环等的发电技术,其中ORC发电技术应用最为广泛,机组容量较小。近年来螺杆膨胀机发电技术在国内发展较快,已形成产业,但受螺杆机性能结构制约,机组容量较小,且低温热能利用的范围较窄(70℃以上)。利用太阳池、太阳能热水锅炉及热泵技术等提高低温热能的品位,从而提高发电效率,也是低温热能发电新的发展方向,但受到热源稳定、制冷工质的选用等方面的限制。
本发明不同于以上技术和装置,主要利用深冷技术和高炉炉顶煤气余压发电技术(TRT)相结合,以液空、液氮、液氩等大气中存在的自然物质经作为制冷工质,通过低温液体泵使低温工质与低品位热源进行热交换,产生中高压气体,一部分焓值升高的气体工质膨胀做功转化为机械能,驱动发电机,发电机将机械能转换为电能,另一部分工质经增压膨胀产生冷量,通过低温换热装置使工质冷凝,工质回收后循环使用。本发明可充分高效地利用各种低温热能;对环境的影响没有;制冷工质的获取容易,使用不受限制,克服了低温热能发电技术的一个难题;还可与太阳池、太阳能热水锅炉及热泵技术等相结合,提高发电效率;另外利用的都是成熟的技术,可实现大规模的工业化生产。
本发明工质蒸发潜热是用于冷却已气化的工质,而不是用于从热源吸收热能,这是与其他低温热能利用技术显著的区别之一。CO2因存在跨临界问题,对装置的压力等级要求较高,且宜阻塞低温换热器通道,故本发明不采用这种自然物质为制冷工质;采用空气吸附净化技术生产的液空、液氮等深冷工质中不含CO2。与TRT使用的能-功转换设备不同,一是介质干净、单纯;二是温度区间不同,TRT是由中温到常温,本发明是由常温(或中温)到中冷温度(相对于接近液体工质沸点的低温深冷温度);三是负荷稳定;四是为防止冷损需要增加保温装置;另外工质进出透平膨胀机的压力均高于TRT(中高压进,中低压出)。
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三发明内容
本发明以自然界存在物质的为深冷制冷工质,使用一种新的循环方式利用低温热能发电。以液空、液氮、液氩等大气中存在的自然物质经作为制冷工质,以液氮、液氩为辅助冷源,通过低温液体泵增压输送工质,通过低温换热装置冷却工质和回收冷量,中冷工质与低品位热源进行热交换,产生中高压气体,一部分焓值升高的气体工质膨胀做功转化为机械能,驱动发电机,发电机将机械能转换为电能,电能并入本地电网。另一部分工质经增压膨胀产生冷量,通过低温换热装置和喷射器使工质降温、冷凝、回收,工质液化过冷后循环使用。
四附图说明
附图是本发明的工艺流程示意简图,图中标记的部分分别为:1-真空绝热液空储罐,2-带恒压控制装置的低温液体泵,7-多组置于珠光砂绝热冷箱中的板式(翘翅)换热器,15-空浴式换热器,14-多组气水(或气气、气汽)热交换器,16-缓冲罐,17-透平膨胀机-发电机组(17-1透平膨胀机,17-2发电机,17-3无刷励磁系统),18-高低压发配电装置,19-增压膨胀机组(19-1膨胀机,19-2增压机),20-增压机(增压端)出口气气冷却器,13-自增压真空绝热液氮储罐(辅助冷源液体储罐),9-多组置于珠光砂绝热冷箱中的过冷器(液化器),8-多组置于珠光砂绝热冷箱中的喷射器,12-低温调节阀,3-气液分离器,4-低温调节截止阀,5-低温放空阀,6-低温节流阀,10-放空消音器,11-低温放空消音器,21-计算机控制系统。
五具体实施方式
1以下结合附图对实施方式进行说明:
低温液体泵2从真空绝热制冷工质储罐1中抽出,将制冷工质增至一定压力(中高压)并保持稳定,通过真空保温管送至板式换热器7,在板式换热器中与从透平膨胀机17-1出来的正流气热交换,完成相变并充分气化后,以略低于正流气的中冷温度进入空浴式换热器15,温度进一步上升后送入气水(或气气、气汽)热交换器14,与热源充分热交换,并有一定的过热度,在接近热源入口温度后,送入缓冲罐16。从缓冲罐出来的气体分两路,一路进入增压膨胀机组19,一路进入透平膨胀机-发电机组。
增压膨胀机系统根据需要确定机组组合形式(可单组也可更多组;可串联也可并联)。从缓冲罐出来的气体由增压膨胀机组19的增压端19-2入口进入,增压后焓值进一步增加,经增压机(增压端)出口气气冷却器20降温后,作为正流气送入板式换热器7,温降后的气体从板式换热器7的中部取出,经珠光砂绝热冷箱中的管路(低温调节阀12用于调节膨胀量,为避免减压后影响换热,置于板式换热器后)送入 增压膨胀机组19的膨胀端(膨胀机)19-1入口,气体近似等熵膨胀,焓值降低,温度降低,能量转换为机械能驱动增压机工作,膨胀端19-1出口压力较低,温度达到饱和温度,有气液混合物出现。气液混合物经珠光砂绝热冷箱中的管路作为反流气送入过冷器(液化器)9中。
透平膨胀机-发电机组17不带冷凝器,采用类似于高炉炉顶煤气余压透平发电(TRT)的技术,轴流式透平膨胀机17-1与发电机17-2直连,恒定转速(3000r/min)。发电机为无刷励磁同步发电机,无刷励磁系统17-3采用永励磁或他励方式,能从电动运行状态过渡到发电机运行状态,同时也能满足在运行中由发电机状态恢复到同步电动机状态。从缓冲罐16出来的气体进入透平膨胀机17-1入口,气体膨胀做功转化为机械能,驱动发电机17-2,发电机将机械能转换为电能,逐渐由开机时的电动状态过渡到发电状态,通过高压发配电系统18送入本地电网。发配电系统18由高低压开关和控制柜组成,设置有手动准同期并网、自动准同期并网功能和纵联差动、过电流、低电压、失磁、低周波、逆功率等保护功能。透平膨胀机17-1的进气量由动叶控制,乏气为中冷气体,送入板式换热器7作为正流气,温度略高于反流气出口温度。
透平膨胀机17-1的乏气与低温液体泵2输送的低温工质逆流换热,将大部分冷量回收(减少冷量损失及制冷需要的用能,同时还能降低设备的制造要求),降温后的气体通过过桥冷箱进入喷射器8,在喷射器8中气体温降,并将过冷器(液化器)9的反流气吸入喷射器8的吸入室,两路工质在喷射器8中混合,温度进一步降低,作为正流气从过冷器9的热端进入,在过冷器(液化器)9中与反流工质热交换(由于正流气的压力高于反流气的工质压力,正流气被冷凝),在过冷器9冷端出现气液混合物,经气液分离器3后气液分离,气体经5-低温放空阀由低温放空消音器放空11(主要在开机时),或经低温调节截止阀4进入喷射器8的吸入室回收冷量,液体经低温节流阀6节流,过冷液体送真空绝热液空储罐1。
自增压真空绝热液氮储罐13提供开机或异常时的辅助冷源,空分制品企业众多,液氮极易获取,且液氮冷量较高(特殊情况下也可利用液氩)。开机时通过液氮储罐13自增压,液氮进入过冷器9冷端,按工作温度的不同,依次预冷过冷器9、喷射器8和板式换热器7,在板式换热器7的热端达到中冷温度通过管道在大气中进一步复热,经放空消音器10放空。
板式换热器7冷箱、喷射器8冷箱、过冷器9冷箱和增压膨胀机19冷箱相对独立,通过珠光砂绝热过桥冷箱连接。
成套装置的参数(含状态、数据)检测、报警、控制、运算、记录、通讯等由计算机控制系统完成。
2通过冷量平衡和能功转换计算示例进一步说明实施方式和效果
(1)冷量平衡
设:制冷工质为液空,液空密度rk1 873.9kg/m3,液空沸点78.8~81.8K(常压),空气密度rk 1.2928kg/m3(标况);透平膨胀机-发电机组17入口压力P1 2.0MPa,入口温度T1 30℃(303K),出口压力P2 0.6MPa,出口温度-50℃(223K);低温液体泵2的流量QL 100m3/h,扬程H 220m3;板式换热器7的热端温差Δtk1-2℃(2K);增压膨胀机组19膨胀端19-1入口温度T3-100℃(173K),增压膨胀机组19膨胀端19-1出口温度T4-182℃(91K),出口压力P3 0.13MPa;低温节流阀6出口压力P4 0.3MPa,出口过冷Δtk2-7℃(7K);本例压力均为绝对压力,管路阻力不计。
冷量获得:
q1=增压膨胀机制冷量+喷射器制冷量+节流制冷量≈增压膨胀机制冷量(为简化计算不计入喷射器制冷量和节流制冷量)
查空气T-S图,膨胀端19-1入口温度T3-100℃(173K),入口压力P1 2.0MPa(绝压)时其焓值h3为9544.08kJ/mol;T4-182℃(91K),出口压力P3 0.13MPa时其焓值h44922.7kJ/mol;
空气量Q=100×675=67500m3(标况) (rk1/rk≈675)
设增压膨胀空气量占总空气量比值k1,透平膨胀机-发电机组空气量占总空气量比值k2
k1+k2=1
q1=(h3-h4)×Q×k1=(9544.08-4922.7)÷22.4×67500×k1=13926033.48 k1 (kJ)
冷量损失:
q2=装置跑冷冷量q3+液空带走冷量q4+空气带走冷量q5
跑冷损失取4.6046kJ/m3(标况)
q3=4.6046×67500=310810.5(kJ)
液空比定压热容取1.992kJ/(kg.K)
q4=1.992×100×873.9×7=1218566.16(kJ)
查空气T-S图,板式换热器7的热端出口温度T5-52℃(221K),压力P1 2.0MPa时其焓值h5为11094.76kJ/mol;环境温度按T6 25℃(298K),压力P1 2.0MPa时其焓值h6 13439.31kJ/molq5=(h6-h5)×Q×k2=(13439.31-11094.76)÷22.4×67500×k2=7065041.18 k2 (kJ)
根据冷量平衡:
q1=q2=q3+q4+q5
13926033.48 k1=310810.5+1218566.16+7065041.18 k2
k1=0.409
k2=0.591
功热转换:
查空气T-S图,透平膨胀机-发电机组17入口压力P1 2.0MPa,入口温度T1 30℃(303K)时其焓值h113564.91kJ/mol;出口压力P2 0.6MPa,出口温度-50℃(223K)时其焓值h2 11304.09kJ/mol
q6=(h6-h5)×Q×k2=(13564.91-11304.09)÷22.4×67500×0.591=4026328.65(kJ)
功热当量为3600(1kW·h≡3600kJ),透平膨胀机的效率取0.7,发电机的效率取0.95则发电量为
G=4026328.65÷3600×0.7×0.95=743.75(kW·h)
功效:
温度略高于30℃(303K)的热源,无论是从自然界还是在工业废热中获取,都较容易,且代价很低,故本示例予以忽略不计。低温液体泵功率计算如下:
W=rk1×Q×H÷(102×η1)=873.9×(100÷3600)×220÷(102×0.65)=80.55(kW)
功效系数ε=743.75÷80.55=9.23。
Claims (14)
1.一种利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备,通过制冷工质吸收中、低温热能,工质膨胀做功发电,其特征在于:它包括真空绝热液空储罐1,带恒压控制装置的低温液体泵2,置于珠光砂绝热冷箱中的板式换热器7,空浴式换热器15,热交换器14,缓冲罐16,透平膨胀机-发电机组17,高低压发配电装置18,增压膨胀机组19,低温调节阀12,增压机出口冷却器20,置于珠光砂绝热冷箱中的过冷器(液化器)9,置于珠光砂绝热冷箱中的喷射器8,气液分离器3,低温调节截止阀4,低温放空阀5,低温节流阀6,低温放空消音器11,自增压真空液氮(液氩)储罐(辅助冷源液体储罐)13,放空消音器10,计算机控制系统21,前述部分组成的低温热能发电装置以液空、液氮、液氩作为制冷工质,工质在板式换热器中7换热回收冷量,经空浴式换热器15和气水热交换器14换热,焓值升高后的一部分气体工质经缓冲罐16进入透平膨胀机-发电机组17膨胀做功发电,另一部分工质经缓冲罐16进入增压膨胀19产生冷量,两路工质在喷射器8中混合、温降、工质和冷量回收,工质在过冷器(液化器)中冷凝,工质在气液分离器3中气液分离,气体经低温调节截止阀4进入喷射器8的吸入室回收冷量和工质,部分气体通过低温放空阀5经低温放空消音器11放空(开机及异常时),低温液体工质通过低温节流阀6过冷后回收循环使用,前述部分组成的低温热能发电装置的参数(含状态、数据)检测、报警、控制、运算、记录、通讯由计算机控制系统完成。
2.根据权利要求1所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备,其特征在于:中冷工质以气态在空浴式换热器15中预热后进入热交换器14,没有相变发生。
3.根据权利要求1所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备,其特征在于:从透平膨胀机-发电机组17中膨胀输出的工质,没有经过冷凝器,直接进入冷箱内的板式换热器7。
4.根据权利要求1所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备,其特征在于:进入透平膨胀机-发电机组17的工质状态是中常温、中高压气体,出透平膨胀机-发电机组17的工质状态是中冷温度、中低压气体。
5.根据权利要求1或2所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备,其特征在于:从透平膨胀机-发电机组17输出的工质,作为正流气与低温液体泵2输送来的反流工质在板式换热器7中热交换,完成相变、充分气化、大部分冷量回收。
6.根据权利要求1所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备,其特征在于:利用工质本身所载的能量,通过增压膨胀19产生冷量。
7.根据权利要求1或6所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备,其特征在于:通过对增压膨胀机增压端出口气气冷却器20回收热量、增加制冷量。
8.根据权利要求1或6所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备,其特征在于:通过板式换热器7中部取出工质进入增压膨胀机膨胀端入口,以提高制冷量。
9.根据权利要求1所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备,其特征在于:轴流式透平膨胀机17-1和发电机17-2间无减速器,直接连接。
10.根据权利要求1所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备,其特征在于:以液氮、液氩为辅助冷源。
11.根据权利要求1所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备,其特征在于:板式换热器7冷箱、喷射器8冷箱、过冷器9冷箱和增压膨胀机19冷箱相对独立,通过珠光砂绝热过桥冷箱连接。
12.根据权利要求1或4所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备,其特征在于:透平膨胀机-发电机组17是按照输入中常温、中高压气体工质,输出中冷温度、中低压气体工质,进行设计、制造。
13.根据权利要求1或4所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备,其特征在于:透平膨胀机-发电机组17中的透平膨胀机17-1出口侧有保温装置。
14.根据权利要求1所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备,其特征在于:采用的无刷励磁同步发电机,能从电动运行状态过渡到发电机运行状态,同时也能在运行中由发电机状态恢复到电动机状态。
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