CN102536365A - 利用重力增压的有机工质热力发电循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及利用重力增压的有机工质热力发电循环系统。该系统的膨胀机的工质出口通过管道连通着冷凝器的工质入口，冷凝器的工质出口通过管道连通着储液罐入口，储液罐出口通过管道连通着蒸发器的工质入口，蒸发器工质出口通过管道连通着储气罐入口，储气罐出口通过管道连通着膨胀机入口；所述工质为有机物；其中冷凝器和储液罐在重力场中的位置比蒸发器高5米～200米；蒸发器的平均工作温度比冷凝器的平均工作温度高30℃～250℃。本发明将有机工质良好的低工况运行特性与重力场相结合，利用重力为有机工质提供所需的蒸发压力，整个循环不需要泵，结构简单；实现了中低温品位热能与机械能的简单、高效转化，具有很强的技术可行性及应用前景。

Description

利用重力增压的有机工质热力发电循环系统

技术领域

本发明涉及工程热物理及动力工程中的新型动力循环领域。

背景技术

有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle, ORC）是目前最有应用前景的中低温热能利用技术之一。ORC具有与传统水蒸汽朗肯循环相似的工作原理：工质经过泵加压，然后进入蒸发器吸收热量并汽化，高温高压气体进入膨胀机做功，做功后的低压蒸汽进入冷凝器凝结成液体，重新流入泵中，完成一个循环。但与水蒸汽朗肯循环相比，ORC具有以下3个主要优点：1）当采用干工质时，ORC膨胀机入口无需处于过热状态，这有效地提高了工质平均吸热温度及热功转化效率。而水为典型的湿工质，为了避免膨胀过程中产生液滴而对膨胀机造成机械损坏，水蒸汽进入膨胀机时需处于过热状态。巨大的过热度降低了水蒸汽朗肯循环的热功转化效率。2）在结构设计和加工上，低功率有机工质膨胀机比低功率水蒸汽膨胀机更容易实现。水分子为极性分子，由于液态水分子间通过氢键互相连接，在气化过程中得克服水分子间的氢键结合力，因此水的气化潜热很大。在相同功率下，通过膨胀机的水蒸汽流量要比有机工质流量低得多。低的蒸汽流量加大了膨胀机叶片、喷嘴等部件的设计和加工难度。3）相同蒸发温度和冷凝温度下，膨胀机进出口有机工质膨胀比要明显低于水蒸汽膨胀比。低的膨胀比可以避免使用多级膨胀机，因此有机工质膨胀机设计更为简单。

尽管与水蒸汽朗肯循环相比，ORC显示了将中低品位热能转化为电能的巨大潜力，但ORC同样面临着很多技术问题。其中泵是ORC实现对工质进行加压，并完成冷凝工质到蒸发器输送的关键部件，与传统火电站给水泵相比， ORC系统的工质泵具有如下特征和缺点：1）技术难度大。泵最常见的故障之一是密封不良而产生泄露。由于有机工质具有不同程度的毒性、臭氧破坏力和温室效应，若部件密封失效则容易导致人员中毒及危害环境。因此有机工质泵对密封性的要求高于水泵，这对部件的加工和安装精度提出了更高要求。同时，出于材料相容性考虑，有机工质泵对于部件材料的要求更严格。如对于橡胶制成的泵密封垫圈，有机工质可能会析取橡胶成分而使垫片失效。部分氯丁橡胶在HFC类工质中会收缩，而丁腈橡胶与三氟二氯乙烷（R123）接触时会膨胀。2）功率小，效率低。ORC的应用领域主要为工业余热回收，地热、太阳能和生物质能发电等。与煤、石油等高能流密度能源相比，ORC的热源能流密度低、分散性强。这使得ORC适合于中低温、小规模发电站。与火电厂加压泵相比，ORC工质泵功率要低得多。低功率条件下，泵的机械摩擦损失、环口间隙和叶轮平衡孔流量损失、涡流和撞击损失等能量损失对其工作效率影响增大，目前商业化小功率泵效率大多在15-25%之间。这远低于大功率水泵70%左右的效率值。低效率条件下，泵会严重影响ORC整体效率。3）容易出现气蚀现象。主要原因在于有机工质常温下高的气化压力，如R123在30oC 的饱和气压为109.6kPa,当温度升高5oC时，饱和气压将升高至130.5kPa; 五氟丙烷（R245fa）在30oC 的饱和气压为177.8kPa,当温度升高5oC时，汽化压力将升高至211.7kPa。泵机械运动的不可逆损失将导致工质流入泵时温度上升，与低饱和气压的清水泵相比，有机工质泵更容易产生气蚀现象。4）制造成本高。由于小型有机工质泵技术难度大，若要使泵具有良好的性能，其成本会相应增加。近年来，旨在解决机械传动中泵轴封泄露问题而设计的磁力泵获得较快发展，并显示了较高的性能参数，但是相比于同功率离心泵，磁力泵的市场价格普遍贵得多。

由此可见，与水相比，有机工质由于低沸点特性，在低温条件下可以获得较高的蒸气压力，推动膨胀机做功，具有将中低温热能转化为机械能的巨大潜力。但目前有机工质的加压问题仍未得到有效解决。这会影响ORC技术在中低温领域的进一步推广应用。鉴于此，本发明提出一种利用重力增压的有机工质热发电循环，以期将中低温热能更高效、方便地转化为机械能。

发明内容

针对目前ORC工质泵存在的技术难度大、效率低、易气蚀和单位功率成本高等问题，本发明提出了一种利用重力增压的有机工质热力发电循环系统。

 本发明的具体结构设计方案如下：

利用重力增压的有机工质热力发电循环系统包括冷凝器1、蒸发器3和膨胀机5； 

所述膨胀机5的工质出口通过管道连通着冷凝器1的工质入口，冷凝器1的工质出口通过管道连通着储液罐2入口，储液罐2出口通过管道连通着蒸发器3的工质入口，蒸发器3工质出口通过管道连通着储气罐4入口，储气罐4出口通过管道连通着膨胀机5入口；

所述利用重力增压的有机工质热力发电循环系统内设有循环工质，所述循环工质为有机物；

所述储液罐2在重力场中的位置比蒸发器3高5～200米；

所述冷凝器1在重力场中的位置不低于储液罐2；

所述储气罐4在重力场中的位置不低于蒸发器3；

所述膨胀机5在重力场中的位置不低于储气罐4；

所述蒸发器3的平均工作温度比冷凝器1的平均工作温度高30℃～250℃；

所述工质从储液罐2出口到蒸发器3工质入口所增加的压力通过重力做功实现；

所述利用重力增压的有机工质热力发电循环系统的热功转化通过蒸发器3和冷凝器1的平均工作温差及重力增压实现。

所述循环工质为三氯三氟乙烷R113或三氟二氯乙烷R123或五氟丙烷R245fa。

所述所述冷凝器1和储液罐2在重力场中的位置比蒸发器3高20米到50米。

所述蒸发器3的平均工作温度比冷凝器1的平均工作温度高50℃到150℃。

本发明与现有技术相比的有益技术效果体现在以下方面：

1、本发明工作原理具有创新性。在传统水蒸汽朗肯循环中，水蒸汽具有高的运行温度和运行压力，重力对水蒸汽热力循环的结构及性能影响非常有限。与水工质相比，有机工质更适合于低功率、温度和压力下运行。本发明将有机工质良好的低工况运行特性与重力场相结合，利用重力为有机工质提供所需的蒸发压力，实现了中低温品位热能与机械能的简单、高效转化。

2、本发明结构具有创新性。不论是水蒸汽朗肯循环还是ORC循环，都是依靠泵对工质进行加压，泵是必不可少的重要组成部件。而本发明利用重力对有机工质进行增压，储液罐（2）出口液态工质在重力作用下压力不断升高，并在蒸发器（3）中吸热气化，产生高温高压气体，整个循环不需要泵，避免了目前ORC工质泵技术难度大、效率低、易气蚀和单位功率成本高等问题。

3、根据不同应用场合，本发明可选择合适的有机工质，既保证重力增压有机工质热发电循环系统的热功转化效率，又可避免高的重力增压的高度。循环系统结构简单，具有很强的技术可行性及应用前景。

附图说明

图1为利用重力增压的有机工质热力发电循环系统示意图。

图2为重力增压原理示意图。

图3为不同工质所需重力增压高度随冷凝温度变化图。

图4为不同工质热功转化效率随冷凝温度变化。

 具体实施方式

    下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

实施例：

参见图1，利用重力增压的有机工质热力发电循环系统包括冷凝器1、储液罐2、蒸发器3、储气罐4和膨胀机5。膨胀机5的工质出口通过管道连通着冷凝器1的工质入口，冷凝器1的工质出口通过管道连通着储液罐2入口，储液罐2出口通过管道连通着蒸发器3的工质入口，蒸发器3工质出口通过管道连通着储气罐4入口，储气罐4出口通过管道连通着膨胀机5入口；系统内的循环工质为三氯三氟乙烷（R113）；储液罐2在重力场中的位置比蒸发器3高23米，冷凝器1在重力场中的位置与储液罐2相同，储气罐4在重力场中的位置比蒸发器3高1米，膨胀机5在重力场中的位置与储气罐4相同，蒸发器3的平均工作温度为100℃，冷凝器1的平均工作温度为50℃。

工质从储液罐2出口到蒸发器3的工质入口所增加的压力通过重力做功实现；系统的热功转化通过蒸发器3和冷凝器1的平均工作温差及重力增压实现。

本发明的工作原理如下：

一、重力增压原理

储液罐2与蒸发器1之间的重力增压原理及冷凝器1与膨胀机5之间重力作用原理示意图如图2所示。依据流体力学原理，液态工质和气态工质在重力场中的压力差为密度、重力加速度和高度差三者的乘积。在相同压力差条件下，密度越高的工质，则所需的重力增压高度h越低。在相同的重力增压高度h条件下，密度越高的工质，则所产生的压力差越大。由于液态有机工质密度远远高于气态有机工质，例如30℃条件下，三氯三氟乙烷（R113）饱和液态密度为1551千克/立方米，而饱和气态密度仅为4.15千克/立方米，因此在相同重力增压高度条件下，液态有机工质在储液罐2出口与蒸发器3入口之间的形成的压力差要远远高于气态有机工质在冷凝器1入口与膨胀机5出口之间的形成的压力差。因此只要液态重力增压高度h足够大，就能在膨胀机5进出口形成大的压力差，从而推动膨胀机5做功。不同工作温度条件下所需的重力增压高度h将在发明应用举例分析部分阐述。

二、利用重力增压的有机工质热力发电循环系统整体工作原理

    如图1所示，有机工质在冷凝器1中冷凝成液体，液态有机工质流入储液罐2中，储液罐2的作用是维持一定的有机工质储量，保证不同冷热源温度下循环稳定运行。储液罐2出口有机工质沿着重力场方向流动，压力不断升高，高压的有机工质进入蒸发器3吸收热量并气化。蒸发器3出口的高压气态有机工质经过储气罐4，然后进入膨胀机5。储气罐4的作用是保证膨胀机5的稳定安全运行。高压气态有机工质在膨胀机5中膨胀做功，然后重新回到冷凝器1中，完成一次循环。

应用举例分析

下面分别以三氯三氟乙烷（R113）,三氟二氯乙烷（R123）和五氟丙烷（R245fa）三种有机工质为例，分析利用重力增压的有机工质热力发电循环在不同冷凝温度下所需的重力增压高度h及热功转化效率。

图3 给出冷凝温度在10-50℃范围内变化时三种有机工质所需的重力增压高度h值。其中蒸发温度为100℃。从图中可以看到，在冷凝温度10℃下，若采用三氯三氟乙烷（R113），循环所需的重力增压高度h为26.3米，当冷凝温度升为50℃时，所需的重力增压高度h为22.2米。这与许多居民住宅楼的高度差不多，因此本发明应用的一个途径是把冷凝器（1）放置于住宅楼顶。若采用三氟二氯乙烷（R123），在冷凝温度10℃下，循环所需的重力增压高度h为49.1米，当冷凝温度升为50℃时，所需的重力增压高度h为41.2米。若采用五氟丙烷（R245fa），在冷凝温度10℃下，循环所需的重力增压高度h为87.0米，当冷凝温度升为50℃时，所需的重力增压高度h为73.8米。

图4 给出了出冷凝温度在10-50℃范围内变化时三种有机工质对应的热功转化效率值。假设膨胀机效率为0.7，储气罐4在重力场中的位置比蒸发器3高1米，膨胀机5在重力场中的位置与储气罐4相同。从图中可以看到，在冷凝温度10℃下，若采用三氯三氟乙烷（R113），循环热功转化效率为13.7%，当冷凝温度升为50℃时，循环热功转化效率为8.1%。若采用三氟二氯乙烷（R123），在冷凝温度10℃下，循环热功转化效率为14.5%，当冷凝温度升为50℃时，循环热功转化效率为7.2%。若采用五氟丙烷（R245fa），在冷凝温度10℃下，循环热功转化效率为14.2%，当冷凝温度升为50℃时，循环热功转化效率为7.0%。

目前在很多建筑物附近有水塔，其作用一是蓄水，在供水量不足之时，起着调节补充的作用。二是利用水塔的高势，自动送水，使自来水有一定的水压扬程。 本发明除可以把冷凝器（1）放置于住宅楼顶外，还可以在居民附近建造类似的水塔结构，以生物质能、太阳能等作为重力增压有机工质热力发电循环的热源，一方面为居民提供电能，另一方面水塔中的水获得了有机工质的冷凝热量，可为居民提供生活热水。因此，本发明具有良好的可行性和经济性。

Claims (4)

1.利用重力增压的有机工质热力发电循环系统，包括冷凝器（1）、蒸发器（3）和膨胀机（5），其特征在于：

所述膨胀机（5）的工质出口通过管道连通着冷凝器（1）的工质入口，冷凝器（1）的工质出口通过管道连通着储液罐（2）入口，储液罐（2）出口通过管道连通着蒸发器（3）的工质入口，蒸发器（3）工质出口通过管道连通着储气罐（4）入口，储气罐（4）出口通过管道连通着膨胀机（5）入口；

所述利用重力增压的有机工质热力发电循环系统内设有循环工质，所述循环工质为有机物；

所述储液罐（2）在重力场中的位置比蒸发器（3）高5～200米；

所述冷凝器（1）在重力场中的位置不低于储液罐（2）；

所述储气罐（4）在重力场中的位置不低于蒸发器（3）；

所述膨胀机（5）在重力场中的位置不低于储气罐（4）；

所述蒸发器（3）的平均工作温度比冷凝器（1）的平均工作温度高30℃～250℃；

所述工质从储液罐（2）出口到蒸发器（3）工质入口所增加的压力通过重力做功实现；

所述利用重力增压的有机工质热力发电循环系统的热功转化通过蒸发器（3）和冷凝器（1）的平均工作温差及重力增压实现。

2.根据权利要求1所述的利用重力增压的有机工质热力发电循环系统，其特征在于：所述循环工质为三氯三氟乙烷（R113）或三氟二氯乙烷（R123）或五氟丙烷（R245fa）。

3.根据权利要求1所述的利用重力增压的有机工质热力发电循环系统，其特征在于：所述所述冷凝器（1）和储液罐（2）在重力场中的位置比蒸发器（3）高20米到50米。

4.根据权利要求1所述的利用重力增压的有机工质热力发电循环系统，其特征在于：所述蒸发器（3）的平均工作温度比冷凝器（1）的平均工作温度高50℃到150℃。

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