CN102313473A - 基于布朗循环的中低温联合循环 - Google Patents
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Abstract
基于布朗循环的中低温联合循环技术，解决火、核电厂冷凝热释放出的热量巨大的利用。提出了采用吸热式热泵、回路热管、引射增压、引射循环系统技术解决了回收回用冷凝余热的关键技术问题。1.是将梯级利用的概念引入化学能及化学能向物理能转化的阶段，以实现化学能与物理能的综合梯级利用；2.是多功能综合新思路，打破独立循环系统各自发展造成的提高热力与环保性能的障碍，以实现不同用能的循环系统的有机联合；3.是寻求关键技术、材料、工质等的突破，以实现更高层次的循环系统集成。
Description
技术领域：火、核发电 热电联产 分布式热电冷联供 煤基多联产
技术背景：
(一).前言
一百多年来，工程热力学已渗透到各种学科和技术领域并形成许多新的分支学科。但其主要研究对象仍然是热能转换为机械能的规律和方法以及使热机更有效地将热能转化为功的途径，所涉及的主要领域仍为能源与动力。因而用以实现热能与机械能转换的封闭过程的热力循环一直是工程热力学研究的重点，特别是新的热力循环与相应的新工质研究成为永恒的研究方向。
长期以来，热力循环的开拓性研究成为经久不衰的课题，许多学者一直在孜孜不倦地从不同途径去探索。然而，没有新概念、新技术、新材料和新工质也就没有新的热力循环和动力装置的更新换代及性能的大幅度提高。一个新概念的提出或新技术的突破，常常会萌发出新的热力循环的构思从而开发出新的动力装置与能源系统。近半个世纪以来，新热力循环的探索开拓的主要方面就是围绕新概念、新技术、新工质及新材料等“四新”的核心科技问题而展开的。
20世纪70-80年代总能系统概念的提出，使得热力循环研究思路发生重大变化。人们不再囿于单一循环的优势，而更重视对把不同循环有机结合起来的各种高性能联合循环的探讨，从而把能量转换利用过程提高到系统高度来认识，即在系统的高度上，综合考虑能量转换过程中功和热的梯级利用，不同品位和形式的能量的合理安排以及各系统构成的优化匹配等，合理利用各级能量以获得最好的效果。一个燃气轮机为核心的总能系统能充分发挥其高温加热优势，又避免了较高温排热损失大的缺陷，显示出极好的总体性能，因而得到电力、石化、冶金等部门的青睐。以联合循环、功热并供、三联供、多联产以及总能工厂等多种形式广泛推广应用。至今，各种热力循环的改进原则上多是遵循一方面不断提高循环的最高温度与最低温度之比和提高部件性能，另一方面使实际循环尽量接近理想的卡诺循环的方向进行。前述的联合循环等措施会大幅度提高效率，如把Brayton与Rakin循环联合的联合循环的最高实用效率已达到60％。但常规联合循环的缺点是在两个循环之间还有较大的平均传热温差，引起烟损、降低效率。
面向21世纪可持续发展的绿色能源战略的背景，热力循环研究的总目标是 要解决能源利用与环境相容的协调难题，即要大幅度提高能源利用率和减少有害污染物排放，相应的核心科学问题可归纳为三点：
一、是将梯级利用的概念引入化学能及化学能向物理能转化的阶段，以实现化学能与物理能的综合梯级利用；
二、是多功能综合新思路，打破独立循环系统各自发展造成的提高热力与环保性能的障碍，以实现不同用能的循环系统的有机联合；
三、是寻求关键技术、材料、工质等的突破，以实现更高层次的循环系统集成。
由于中低温工业余热和可再生能源(太阳能、地热能等)转换利用过程中热源的温度都比较低(100℃-400℃)，因此中低温热源高效、低污染利用的热力循环也受到特别的重视。与高温热源相比，中低温热源热功转换效率很难提高，需解决的关健问题很多。如：中低温热源热能品位提升(热变换机--以热能驱动、将较低温度的热能转变成较高温度的热能，从而提高了利用价值)；特殊工质对(混合、共沸、非共沸)及其与循环匹配特性；循环系统的集成原理等。
传统的热力循环研究的重点多放在提高循环初温方面。近期的动态是通过降低循环放热过程的温度来提高循环效率，主要有两条途径：利用逆向循环：利用各种废热或余热，通过吸收式制冷循环把正向循环(Brayton)进口工质温度降低，即所谓的正、逆向藕合循环。利用冷炬，低温状态的冷炬来直接或间接冷却Rankine循环排汽或Bravton循环的压气机进口空气来提高循环性能。随着能源系统向复杂化、大型化、多目标方向发展，相应的热力循环有着更为典型的复杂系统的特征。传统的循环分析方法面临着新的挑战，新的循环分析理论与方法成为重要研究课题。循环系统理论模拟的新思路，循环系统集成新理论，综合优化新方法以及新的评价准则等都将成为重要课题。
综上所述，世界科学前沿的新热力循环研究方向。如：不同产功机理整合的联合循环；多功能总能系统热力学循环理论(包括多联产联合循环与多能源综合利用热力循环)；无公害燃煤联合循环；中低温热源热力循环与正、逆向藕合循环；高温核能联合循环；循环分析的新理论与方法等。
(二).回路热管
回路热管(Loop Heat Pipe，LHP)是由俄罗斯科学家Yu.F.Maidanik教授所发明的一种传热装置。如图(1)所示，回路热管由蒸发器、蒸汽段、冷凝段、回流段、补偿室五个部分组成，其中，在蒸发器内部有一组毛细结构。在蒸发器内壁或者毛细结构上有许多蒸汽槽道，如图(1)中A-A截面所示。其基本的工作原理是：毛细结构本身可以将液态往上吸，使得毛细结构充满工质液体，而当蒸发器被加热时，毛细结构也被加热，毛细结构中的液体便会蒸发成气体，并通过蒸汽槽道沿着蒸汽段到冷凝段，同时带走了热量；而在冷凝段中，气体被冷凝成了液体，释放出潜热；而毛细结构的毛细力再使液体沿着回流段回流到补偿室，并到达毛细结构。如此形成了一个工质的流动循环和热量传递过程。 补偿室的作用主要是启动的时候容纳在蒸汽段和冷凝段的液体，并且在运行时防止液体来不及回流造成蒸发器干涸。
虽然回路热管与传统热管在结构上有很大不同，但基本原理相同。当外界热量传递给蒸发器时，其内液体工质蒸发汽化，在主毛细芯内的汽液界面形成新月面产生毛细压力，驱动蒸汽通过蒸汽管线流入冷凝器；在冷凝器内蒸汽放出热量冷凝为液体，将热量传递至冷凝器外；液体被驱动经过液体管线回流进入补偿室，通过次毛细芯流回蒸发器内的主毛细芯。工质循环由毛细压差驱动，无需外加动力。补偿室储存多余的液体，并控制回路的操作温度。
图(2)所示为回路热管中工质循环的压力--温度图。主毛细芯内新月面汽相侧的蒸汽处于饱和状态1(各状态点在回路中的对应位置见图(1))；在毛细压力驱动下蒸汽沿主毛细芯外侧的蒸汽通道流向蒸发器出口，继续被加热温度有所升高，为克服流动阻力压力有所下降，在蒸发器出口时为状态2；由蒸发器沿蒸汽管线流向冷凝器时，理想状况下为等温流动，克服流动阻力压力有所下降，在冷凝器入口处为状态3；在冷凝器中释放热量，由过热状态冷却至饱和状态4，进一步冷却发生冷凝，在状态5蒸汽完全冷凝为液体，进一步被冷却在出口处达到过冷状态6；液体沿液体管线流回至补偿室，理想状况下为等温流动，在补偿室入口处为状态7；由于补偿室与蒸发室相联，部分热量传入补偿室，加热其中液体达到饱和状态8；在毛细芯内液体运动至新月形汽液界面过程中继续被加热至过热状态9；在新月形汽液界面过热液体汽化，由于毛细作用压力提升至状态。回路热管有以下优点：
(1)回路热管(LHP)是一种两相的高效传热装置，它利用蒸发器内的毛细芯产生的毛细力驱动回路运行，利用工质的蒸发和冷凝来传递热量，不需要外加动力；
(2)等温性能较好，可以远距离传热，并能改变热量传递的方向；
(3)汽液通道分离的设计，使管内二相介质流动方向一致，加快了介质的运动速度，避免了汽液间的相互干扰，大大地降低了热阻，提高了热管的传热效率；
(4)其管路的形状无绝对性，可依据实际需要设计，适合不同的场合，应用更加灵活。
由于回路热管有着良好的传热性能，回路热管在航天航空方面应用已比较广泛，技术也比较成熟。随着LHP技术的成熟，LHP正在向小型化、平板型，高热流、远距离的方向发展，以及在不同的应用背景下，与不同的技术相结合衍生出新的LHP结构。因此开发应用于大功率的回路热管散热器，使得大功率热管散热器采用自然冷却成为可能。其无风自冷状态下热阻可达到0.057℃/W。
(三)、火、核电厂现有技术状态：
火、核电厂汽轮机有凝汽式(含抽汽凝汽式)和背压式两种，除热电厂的供热机组多用背压式外，绝大多数非供热电厂的汽轮机组是凝汽式机。在我国 火、核电厂装机总功率中，大约有86％是非供热机型。汽轮机利用高温高压蒸汽做功的热力循环中必须存在冷端，即蒸汽动力循环中汽温最低的点位。对凝汽式机组，蒸汽经汽轮机全部叶轮做功后，成为乏汽，排至排汽缸，进入汽机冷端--凝汽器。在凝汽器这个非接触式冷却器中，乏汽传热至循环冷却水，释放其凝结潜热后，变成凝结水被重返锅炉。保证汽机冷端功效的是流经凝汽器吸收乏汽凝结潜热的循环冷却水。冷却水有两个来源：一是取自自然水域；二是来自电厂的冷却塔。发电机组不停止运行，循环冷却水(温排水)则一刻不停地将大量余热释放到环境。电厂循环冷却水中赋存的余热量十分巨大，弃热对热机生产过程不可避免。经汽机作功后的蒸汽(排汽)冷凝(放热)成凝结水再经回热后进入锅炉，锅炉产生的蒸汽在汽机中作功，在这个热媒的循环过程中，需要放出大量的冷凝热。冷凝热的主要特点如下：
品位低。排汽压力：水冷，4-8kPa；空冷，15kPa。冷凝温度：水冷，29-41.5℃；空冷，54℃。
量大、集中。平均发电耗热约占总输入的32％左右。纯凝汽工况排入大气的可回收冷凝热占50％以上，为发电耗热的1.5倍以上；供热工况可回收冷凝热约为发电耗热的0.7-1.3倍。
电厂排热量巨大与它的热机生产效率直接相关。一般大型火电厂实际热效率仅为40％，核电不及35％，60％以上热量排到环境(主要是冷却水带走)。对1000MW火电汽轮机组而言，循环冷却水量约35～45m3/s(3×106～4×106m3/d)、排水温升(即超过环境水域的温度)8～13℃(视季节而变)，该温升所赋存的热量约1.2×106～1.9×106kJ/s；按年运行5000h计，年均3.0～4.8×1013kJ/a，其热量折合标准煤约70～114万t/a。排出的温排水温度，冬季20～35℃；夏季25～45℃(视电厂所处地区而异)。核电机组循环水量是火电机组的1.2～1.5倍，弃热量会更多。2010年全国火电装机总量约7.9亿千瓦，按非供热机组容量占火电总容量86％匡算，相当全年约有8.4亿吨标准煤白白扔到环境中。火力发电厂各项损失参考值附表1。
(四)、引射增压
引射器增压是利用一股压力较高的高能流体，使另一股低能流体压力得以提高的装置。因为结构简单，与其它设备连接容易，维护管理方便而早已成了很多领域的一种重要装置，并且一直是研究的热点。近几年进一步完善的喷射理论，与拓宽了应用范围。然而，常规的引射器增压仍不能满足各领域的使用要求，如某些重要军事装备的研制，油田数量巨大的原油气的回收(轻烃回收)等，已有引射技术要应用到这些领域，存在两个致命不足：一是系统的出入口压力损失偏大，无法满足特殊需要；二是多级系统都须从级间引走部分介质，与要求不符。因此为满足使用，设法使得引射器增压系统的出入口压力损失足够小，同时又不从它的级间引走部分介质，就成了必须解决的两个关键问题。
发明内容：
火、核电厂循环冷却水冷却过程中的余热(冷凝热)释放出的热量巨大，其排放环境的负面热影响；提出了采用吸热式热泵、回路热管、引射增压、引射循环系统技术解决了回收回用冷凝余热的关键技术问题。图(3)在新世纪和谐电力建设进程中，电厂循环冷却水冷凝热高效利用正顺应了加快推进环保清洁电源建设，把电厂建设成环境友好型和资源节约型产业这一要求。
附图说明：
图(1)所示，回路热管由蒸发器、蒸汽段、冷凝段、回流段、补偿室五个部分组成，其中，在蒸发器内部有一组毛细结构。在蒸发器内壁或者毛细结构上有许多蒸汽槽道，如图(1)中A-A截面所示。
图(2)所示为回路热管中工质循环的压力--温度图。主毛细芯内新月面汽相侧的蒸汽处于饱和状态1(各状态点在回路中的对应位置见图(1))
图(3)为整体系统图，蒸汽①进入汽轮机④，发电后进入排气系统⑤然后进入吸收式热泵系统⑦达到常温状态15-25℃经循环泵⑩A进入除氧后进入热力系统循环使用形成前一级Rakin系统。由抽气②与废热气③并联组的蒸汽一路成为引射增压循环的主蒸汽经两级增压或三级增压将另一路通过回路热管的150℃热水的压力增加至3-5MPa进热水发电机⑧发电。热水发电后可得20℃水经循环泵⑩B到吸收热泵⑦把冷凝热的热量吸热经回路热管⑥二次加热至90℃，再经引射增压循环⑨的两级增压或三级增压至150℃热水的压力增加至3-5MPa进热水发电机⑧发电。⑨为引射式背压循环泵。
图(4)为引射增压循环⑧的系统原理图
一个带有引射循环回路的涡轮发电系统。主要设备有引射器、增压室、涡轮机和回路热管加热器。工作蒸气被引入喷管中作绝热膨胀，产生的高速气流将已加热至90℃的冷凝热水引入混合室混合，混合蒸气体在扩压室内绝热减速增压经两级增压或三级增压至150℃热水的压力增加至3-5MPa进热水发电机与图5相对应(定压加热d-e)，进入气轮机绝热膨胀对外作功，然后排入循环系统(定压放热f-o)；一部分蒸气温度与压力满足引射器正常运行所需的入口条件。引射循环系统分为两个回路见图(4)质量o的冷凝热水的工质作循环 o-c-d-e-f-o对外作功，而质量为a蒸汽的工质作引射循环a-b-c-d-e-o增压冷凝热水。虽然冷凝热水和蒸汽的形态不同，但一者的热力性质很接近，而且一般情况下所用的蒸汽与冷凝热水质量相比很小，可被忽略，所以整个循环过程中始终是一定量的蒸汽工质在工作。喷管中的绝热膨胀过程在图(4)上是不可逆的绝热过程。c表示蒸汽流体与引射冷凝热流体在混合室中混合后的状态，可逆过程c-d表示混合后的液体在扩压室中的绝热压缩过程，实际过程伴有摩擦和激波，是不可逆的。过程d-e被简化为定容加热过程。当将整个循环看成一个整体时，单位质量工质总循环吸热量为Q，由定容加热和定压加热两部分得到。图(5)引射循环发电系统温--熵(T-S)图。图(6)多级引射增压系统⑧的系统图的布置与设计原则。
具体实施方式：
1；引射循环
引射器属于压气机的一种，其最基本的用途是提高工质的压力。在诸多的热力循环过程中，液体增压设备必不可少，而且通常要直接消耗机械能。用一个正向的引射循环作出的循环功来代替直接消耗的机械能，提高整体效率。
为了改善引射器的性能，引入了具有波瓣强化混合结构的工作喷嘴，作用是增大了两股流体的混合面积，增加了引射系数，提高了混合效率，缩短了混合距离。除了在固定的合理结构的基础上改善流动外，同时采用可调式引射器来满足工况有较大变化的需要，增加调节装置也必然增加流动阻力。
新型多级引射器，就是指能够满足最佳状态下工作时，前级混合流体恰好是后级的全部引射流体，也就是不从级间引走部分介质的多级系统(简称新型多级系统)。过去由于过分强调了不从级间引走部分介质对引射效率的不良影响，致使研究的多级系统都是要从级间引走(冷凝)部分介质的特殊类型，与它们相比，新型多级系统的引射效率略有下降，但正是因为它牺牲了一点点效率，才具有了其它任何类型引射器都无法同时具备的两大特性：它不要求从其级间引走部分介质，从而可以满足很多领域对引射器使用提出的这一必不可少的要求。它可通过专门设计使其出入口压力非常接近，如二级系统即可使出入口压差小于20％，从而满足很多领域对引射器使用提出的又一严格要求。由于它的这两大独特性能，新型多级系统因为与原有的引射器研究成果有着一定的区别，其设计制造须遵循自身的特定要求。
通过多级引射器串联，可以实现较高的增压比(总增压比Pmn/Pc1)，其中每一级都可实现总增压比的一部分(分增压比Pmi/Pci)。串联的级数(N)，就可直接由总增压比和分增压比确定。通常各级的分增压比是不相同的，如取其平均值(Pmi/Pci)，则有：
N＝Ig(Pmu/Pc1)/Ig(Pmi/Pci)
其中总增压比由设计条件给定；各级平均增压比则可由经验数据大致确定，也可根据各级的膨胀比和有关流量由原有成果求解。显然，串联级数越多对提高总增压比越有利，但因级数过多对设计和管理调试等都将带来很大麻烦，级数越多麻烦越大，因此多数情况下以2-3级串联为宜，一般不宜超过4级。
把总增压比在各级间合理分配，既决定着设计的成败，也直接影响到使用效率。而研究表明，均匀分配从理论上来讲是合适的，但不适于实际应用，因为它要求各级工作流体压力不同，并须随时调节，因而对使用管理极为不利。故为了方便使用，总增压比的分配应遵循不均匀分配—由前至后各级增压比依次递减的原则，从而确保系统中各级引射器工作流体可以使用相同的压力，减少了引射系统各级工作压力分别调节的环节，有利于设备的简化。
各级喷射器类型的选择
提高出口混合流体压力，缩小出入口压差，是多级引射器的根本目的。引射器根据结构特点为带扩压器，可达到的最高增压比。而就引射器的增压性能而言，可根据这些引射器的特性各级增压比范围来选定。结合总增压比的分配方法，经过分析比较后，可得选定各级引射器类型的合适方案。
2；⑥⑦在采用回路热管中以氨液为介质使毛细结构本身可以将液态往上吸，使得毛细结构充满工质液体，而当蒸发器被加热时，毛细结构也被加热，毛细结构中的液体便会蒸发成气体，并通过蒸汽槽道沿着蒸汽段到冷凝段，同时带走了热量；而在冷凝段中，气体被冷凝成了液体，释放出潜热；而毛细结构的毛细力再使液体沿着回流段回流到补偿室，并到达毛细结构。如此形成了一个工质的流动循环和热量传递过程。补偿室的作用主要是启动的时候容纳在蒸汽段和冷凝段的液体，并且在运行时防止液体来不及回流造成蒸发器于涸。
1)聚能器的合理设计与安装使得吸热腔的热流沿周向均匀分布，即所有热管的热流分布情况相同；
2)热管良好的导热性使得蓄热段沿管长壁温一致，即单根热管上的容器的工作情况相同；
3)热管回液芯系统的有效工作，使得热管沿圆周方向温度基本一致；
3；整体系统中引射增压热水涡轮发电系统的背压⑨使用蒸汽引射。提高发电效率。
Claims (3)
1.采用回路热管(LHP)是一种两相的高效传热装置作为吸热式热泵的换热，提高冷凝热的利用充分发挥回路热管(LHP)以下特点；
(1)回路热管(LHP)是一种汽液两相的高效传热装置，它利用蒸发器内的毛细芯产生的毛细力驱动回路运行，利用工质的蒸发和冷凝来传递热量，不需要外加动力；
(2)等温性能较好，可以远距离传热，并能改变热量传递的方向；
(3)汽液通道分离的设计，使管内二相介质流动方向一致，加快了介质的运动速度，避免了汽液间的相互干扰，大大地降低了热阻，提高了热管的传热效率；
(4)其管路的形状无绝对性，可依据实际需要设计，适合不同的场合，应用更加灵活。
2.见图(3)-(6)一个带有引射循环回路的涡轮发电系统。主要设备有引射器、增压室、涡轮机和回路热管加热器。工作蒸气被引入喷管中作绝热膨胀，产生的高速气流将已加热至90℃的冷凝热水引入混合室混合，混合蒸气体在扩压室内绝热减速增压经两级增压或三级增压至150℃热水的压力增加至3-5MPa进热水发电机与图5相对应(定压加热d-e)，进入气轮机绝热膨胀对外作功，然后排入循环系统(定压放热f-o)；一部分蒸气温度与压力满足引射器正常运行所需的入口条件。
3.引射循环系统分为两个回路见图(4)质量o的冷凝热水的工质作循环o-c-d-e-f-o对外作功，而质量为a蒸汽的工质作引射循环a-b-c-d-e-o增压冷凝热水。虽然冷凝热水和蒸汽的形态不同，但一者的热力性质很接近，而且一般情况下所用的蒸汽与冷凝热水质量相比很小，可被忽略，所以整个循环过程中始终是一定量的蒸汽工质在工作。喷管中的绝热膨胀过程在图(4)上是不可逆的绝热过程。c表示蒸汽流体与引射冷凝热流体在混合室中混合后的状态，可逆过程c-d表示混合后的液体在扩压室中的绝热压缩过程，实际过程伴有摩擦和激波，是不可逆的。过程d-e被简化为定容加热过程。当将整个循环看成一个整体时，单位质量工质总循环吸热量为Q，由定容加热和定压加热两部分得到。
图(5)引射循环发电系统温--熵(T-S)图。图(6)多级引射增压系统⑧的系统图的布置与设计原则。
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