CN102721230A - 氨水混合工质功冷联供的热力循环系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氨水混合工质功冷联供的热力循环系统及方法，以氨水混合物为工质，以中低温热量为热源。包含一个动力循环和一个制冷循环。动力循环以氨水混合物为工质，利用其变温蒸发特性使蒸发过程与显热热源良好匹配，同时利用其变温冷凝过程为制冷循环的塔釜再沸过程和精馏塔的部分进料预热过程提供热量。通过系统集成，使外热源的高温部分用于动力循环，外热源的低温部分和动力循环排热用于制冷循环，实现了热量的“温度对口，梯级利用”，与典型的分产系统相比，系统性能得以改善。

Description

氨水混合工质功冷联供的热力循环系统及方法
技术领域
本发明涉及能源技术领域，特别是一种以氨水混合物为工质的混合工质功冷联供的热力循环系统及方法。
背景技术
我国工业能耗约占全国总能耗的三分之二，但是能源利用效率低，50％以上以中低温热的形式排放，这不仅造成能源的浪费，还对环境有热污染。回收利用这些余热对于提高我国能源利用效率具有显著作用。氨水吸收式制冷循环、氨水动力循环以及氨水吸收式制冷与动力循环结合的功冷联供的循环系统就是能够利用低温热源的典型热力循环系统。
在对中低温热源的回收利用过程中，主要包括以下几种技术：
1、氨水吸收式制冷循环：氨水吸收式制冷循环可以利用低品位热量进行制冷，低温余热驱动精馏塔运行，将浓氨水溶液制成纯氨气和稀氨水溶液，纯氨气在冷凝器中冷凝为氨液，氨液经过节流降压后进入蒸发器，蒸发制冷，蒸发后的氨气被来自精馏塔釜的稀溶液吸收，最终转变成浓溶液，进入精馏塔完成循环。存在的主要问题是，精馏塔再沸器吸热温度较低，而动力余热温度较高，精馏塔不可逆损失大，系统效率低。
2、水蒸汽朗肯循环：以水为单一工质的朗肯循环技术成熟，但在蒸发阶段，由于水的恒温蒸发特性，使其与热源匹配不好，造成了很大的不可逆损失，效率较低。
3、有机朗肯循环：以有机物为工质的朗肯循环，亚临界的有机朗肯循环存在与水蒸气朗肯循环类似的问题，即恒温蒸发、与热源匹配不好；大部分只适用于250℃以下的低温热源，若用于400℃左右的中温热源则换热温差太大，不可逆损失大。
4、非共沸混合物工质的朗肯循环：采用非共沸混合物为工质(比如氨水混合物)的朗肯循环，利用工质的变温蒸发特性，改善了蒸发过程工质与热源的温度匹配，大大减小了此过程的不可逆损失。但混合工质在冷凝过程中是变温冷凝，这使其与冷源(通常为冷却水，温差变化不大)温度匹配情况变差，不可逆损失大于单一工质的恒温冷凝过程。
5、卡琳那循环：由卡琳那于20世纪80年代提出的卡琳那循环，即吸收式动力循环，以氨水混合物为工质，以分馏冷凝单元(包括回热器、闪蒸槽、低压冷凝器、高压冷凝器等)代替常规的冷凝器，减小了冷凝过程的不可逆损失。因此本系统既通过变温蒸发减小蒸发过程的不可逆损失，又通过分馏冷凝单元避免了变温冷凝所造成的不可逆损失，即蒸发、冷凝过程都得以改善改善。但该循环中闪蒸槽出来的高浓度的氨具有制冷能力，这一点在此没有得到利用，因此，该系统还有待于进一步改善，以便充分利用工质的做功、制冷能力。
6、吸收式动力制冷复合循环(Absorption Combined Power/CoolingCycle，APC)：由北京化工大学的郑丹星等提出的APC循环，在卡琳那循环的基础上加一制冷过程(增加了冷凝器、节流阀、蒸发器等设备)以充分利用高浓度氨的制冷能力，同时用精馏塔取代闪蒸槽以增加氨的纯度，使其制冷能力更大。系统在做功的基础上又增加了冷量输出，增大了热效率，同时也使系统更加灵活。但是APC循环仍然存在透平排汽温度高、损失大的问题。
7、串联、并联、混联的功冷联供的跨寂态正逆耦合热力循环系统：由中科院工程热物理研究所的张娜、刘猛等提出，在卡琳那循环、APC循环等基础上，通过调整工质浓度、改善系统内部连接等方式，使整体效率有较大提高。但仍有以下不足：串联系统中氨水浓溶液经过蒸发过热后进入透平做功，排汽冷凝过程与冷源温度匹配不好，有较大不可逆损失；并联系统中氨水稀溶液进动力路，蒸发过程中与热源匹配不好，有较大不可逆损失；混联系统中设备较多，调整过程较为复杂，不易于操作。
8、Goswami循环：由美国的Goswami等提出，取消氨水吸收式制冷循环中的冷凝器、节流阀，利用蒸汽透平对塔顶浓氨蒸汽进行膨胀降压，利用透平的低温排汽制冷，有效利用了降压过程中的压力能并将其转换为动力输出，实现了功冷并供。但由于参与做功和制冷的工质量过少，而且制冷过程主要利用的是低温蒸汽的显热，所以制冷量很小。
9、喷射-吸收混合式功冷并供系统：由西安交通大学Wang Jiangfeng等提出，以氨水混合物为工质，基础溶液加压、预热后进入精馏塔，塔顶高压氨蒸气引射蒸发器出口部分低压氨蒸气，塔釜稀溶液蒸发过热驱动透平做功，透平排汽和蒸发器出口另一部分未被引射的低压氨蒸气进入吸收器，混合冷凝后形成基础溶液。该循环由于采用塔顶氨蒸气做工作流体，对其压力要求比较高，影响放气范围，使循环倍率增加，且由于引射系数较低，只能引射蒸发器出口9％的低压氨蒸气；透平排汽温度高达97℃，在吸收器中进行的也是传统的冷凝方式，换热温差大，且热损失大。
目前的混合工质循环大多以发电为主，制冷量相对较少，透平排汽温度高，排汽余热利用困难的难题都没有得到彻底解决。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了克服现有中低温余热利用方法的缺点，本发明提出了一种氨水混合工质功冷联供的热力循环系统及方法，以解决制冷循环中精馏塔再沸器传热温差大、单工质发电循环中工质蒸发过程传热温差大以及混合工质发电循环透平排汽变温冷凝导致的传热温差大等问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种氨水混合工质功冷联供的热力循环系统，该系统包括低压溶液泵1、第一分流器2、溶液换热器3、烟气余热换热器4、冷凝换热器5、精馏塔6、冷凝器7、过冷器8、氨节流阀9、蒸发器10、吸收器11、塔釜再沸器12、第二分流器13、高压溶液泵14、蒸汽发生器15、透平16、混合器17和溶液节流阀18，其中吸收器11与低压溶液泵1相连接，低压溶液泵1与第一分流器2相连接，第一分流器2分别连接于溶液换热器3和冷凝换热器5，溶液换热器3连接于烟气余热换热器4，烟气余热换热器4和冷凝换热器5分别与精馏塔6直接相连接；精馏塔6的顶部依次连接于冷凝器7、过冷器8、氨节流阀9和蒸发器10，精馏塔6的底部依次连接于塔釜再沸器12和第二分流器13，第二分流器13分别连接于溶液换热器3和高压溶液泵14，高压溶液泵14依次连接于蒸汽发生器15、透平16、塔釜再沸器12和冷凝换热器5；溶液换热器3和冷凝换热器5分别连接于混合器17，之后再依次连接溶液节流阀18和吸收器11。
上述方案中，所述第一分流器2和第二分流器13是分流装置，对工质物流进行质量分流；第一分流器2入口与低压溶液泵1出口连接，出口分别与溶液换热器3和冷凝换热器5冷侧入口连接，第二分流器13入口与塔釜再沸器12出口连接，出口分别与溶液换热器3热侧入口和高压溶液泵14入口连接。
上述方案中，所述低压溶液泵1和高压溶液泵14是液体加压设备，用于提高液体压力；低压溶液泵1连接于吸收器11和分流器2之间，高压溶液泵14连接于第二分流器13和蒸汽发生器15之间。
上述方案中，所述溶液换热器3、烟气余热换热器4、冷凝换热器5、塔釜再沸器12和蒸汽发生器15是换热设备，用于实现冷、热物流间的热量交换；其中：溶液换热器3的热侧出口与混合器17入口相连接，冷侧出口与烟气余热换热器4冷侧入口相连接；烟气余热换热器4的热侧入口与蒸汽发生器15热侧出口相连接，出口直接连接于环境，冷侧出口与精馏塔6冷侧入口相连接；冷凝换热器5热侧进出口分别与塔釜再沸器12热侧出口和混合器17入口相连接，冷侧出口与精馏塔6冷侧入口相连接；塔釜再沸器12热侧入口与透平16出口相连接，冷侧出口与第二分流器13相连接；蒸汽发生器15冷侧进出口分别与高压溶液泵14出口和透平16入口相连接，蒸汽发生器15输入的热量为工业余热或太阳能。
上述方案中，所述透平16是一做功装置，高温高压氨水蒸汽在其中膨胀实现对外做功，透平16进出口分别与蒸汽发生器15冷侧出口和塔釜再沸器12热侧入口相连接。
上述方案中，所述精馏塔6和塔釜再沸器12用于对氨和水进行精馏分离，其顶部连接有一冷凝器7，冷凝器7用于将精馏分离得到的浓氨蒸汽冷凝作为制冷工质；塔釜再沸器12所需热量来自透平16排汽余热，塔釜再沸器12产出的稀氨水溶液进入第二分流器13。
上述方案中，所述过冷器8是换热设备，利用来自蒸发器10的低温制冷工质冷却来自冷凝器7的液氨；其热侧进出口分别连接冷凝器7和氨节流阀9，冷侧进出口分别连接蒸发器10和吸收器11。
上述方案中，所述氨节流阀9和溶液节流阀18是节流降压装置；其中氨节流阀9进出口分别与过冷器8和蒸发器10相连接；溶液节流阀18进出口分别与混合器17和吸收器11相连接。
上述方案中，所述蒸发器10用于将制冷工质在其中吸热蒸发，实现冷量输出，其进出口分别与氨节流阀9和过冷器8相连接。
上述方案中，所述吸收器11由混合器与冷凝器构成，不同浓度工质物流先在混合器中混合，然后在冷凝器中完全冷凝为液态；吸收器11热侧包括来自过冷器8的氨蒸汽和来自溶液节流阀18的稀溶液，冷侧为冷却水。
上述方案中，该系统具有一动力循环和一制冷循环，动力循环以氨水混合物为工质，将在蒸汽发生器15生成的高温过热氨水蒸汽送入蒸汽透平16中膨胀做功，透平16排汽依次在塔釜再沸器12和冷凝换热器5中冷凝，为塔釜再沸过程和部分进料预热过程提供热量。其中，动力循环和制冷循环既有能量耦合，也有物质耦合。能量耦合体现在：动力循环排热用于制冷循环的精馏塔塔釜再沸过程和部分精馏塔进料的预热过程。物质耦合体现在：动力循环以制冷循环的部分塔釜稀溶液为工质，经过热量回收后的动力工质进入混合器，与制冷循环的工质混合。塔釜再沸器12和冷凝换热器5是动力循环和制冷循环的能量耦合连接点；第二分流器13和混合器17是动力循环和制冷循环的物质耦合连接点。
为达到上述目的，本发明还提供了一种混合工质功冷联供的热力循环方法，该方法将烟气的高温部分用于动力循环，烟气的低温部分和动力循环排热用于制冷循环；精馏过程产生的稀氨水溶液分成两部分，第一部分直接进入溶液换热器回收其热量，第二部分进一步加压、加热，成为高压过热蒸汽后进入透平膨胀做功，再利用透平排汽变温冷凝的特性使其先后为制冷循环的再沸过程和精馏塔进料的预热过程提供热量，最后再与第一部分稀溶液混合节流后进入吸收器。
上述方案中，该方法包括：吸收器11出来的浓溶液S1先经低压溶液泵1加压形成高压浓溶液S2，再进入第一分流器2分流成两股(S3和S6)，其中第一股S3先后进入溶液换热器3和烟气余热换热器4，分别吸收来自第二分流器13的稀溶液S15和来自蒸汽发生器15的热源的热量进行预热，然后进入精馏塔6，第二股S6进入冷凝换热器5吸收来自塔釜再沸器12的汽液混合物S21的热量进行预热，然后进入精馏塔6；在精馏塔6内，来自烟气余热换热器4的S5和来自冷凝换热器5的S7进行精馏，形成的中间浓度溶液进入塔釜再沸器12，被来自透平16的排汽S20加热进行再沸过程，最终形成稀溶液S14和高纯度的氨蒸汽S8；氨蒸汽S8进入冷凝器7冷凝成液氨S9后，进入过冷器8，与来自蒸发器10的低温氨蒸汽S12换热后，形成具有一定过冷度的液氨S10，液氨S10经节流阀9节流降压后进入蒸发器10蒸发制冷；低温氨蒸汽S12经过过冷器8后成为具有一定的过热度的氨蒸汽S13，最后进入吸收器11；稀溶液S14经第二分流器13分流成S15和S17，其中S15进入溶液换热器3降温形成S16，S17经高压溶液泵14加压后进入蒸汽发生器15吸收热源热量蒸发过热，形成的高温高压氨水蒸汽S19进入透平16膨胀做功，透平16排汽依次在塔釜再沸器12和冷凝换热器5中冷凝成为液态稀溶液S22，与来自溶液换热器3的S16在混合器17中混合，再经溶液节流阀18降压后进入吸收器11，吸收来自过冷器8的氨蒸汽S13，重新形成浓溶液S1进入下一个循环。
为达到上述目的，本发明还提供了一种氨水混合工质功冷联供的热力循环系统，该系统包括低压溶液泵1、第一分流器2、第一溶液换热器3、烟气余热换热器4、冷凝换热器5、精馏塔6、第一冷凝器7、过冷器8、氨节流阀9、蒸发器10、吸收器11、塔釜再沸器12、第二分流器13、第二溶液换热器14、蒸汽发生器15、透平16、第二冷凝器17、高压溶液泵18、混合器19和溶液节流阀20；其中吸收器11与低压溶液泵1相连接，低压溶液泵1与第一分流器2相连接，第一分流器2分别连接于溶液换热器3和冷凝换热器5，溶液换热器3连接于烟气余热换热器4，烟气余热换热器4和冷凝换热器5分别与精馏塔6直接相连接；精馏塔6的顶部依次连接于冷凝器7、过冷器8、氨节流阀9和蒸发器10，精馏塔6的底部依次连接于塔釜再沸器12和第二分流器13，第二分流器13分别连接于第一溶液换热器3和第二溶液换热器14，第二溶液换热器14依次连接于蒸汽发生器15、透平16、塔釜再沸器12、冷凝换热器5、第二冷凝器17和高压溶液泵18；第一溶液换热器3和第二溶液换热器14与混合器19相连接，之后依次连接于溶液节流阀20和吸收器11。
上述方案中，该系统具有一动力循环和一吸收式制冷循环，动力循环以氨水混合物为工质，将在蒸汽发生器15生成的高温过热氨水蒸汽送入蒸汽透平16中膨胀做功，透平16排汽依次在塔釜再沸器12、冷凝换热器5和第二冷凝器17中分步冷凝，使得冷凝热的高温部分和中温部分分别为制冷循环的塔釜再沸过程和部分进料预热过程提供热量，少量低温冷凝热在第二冷凝器17释放给环境。
该系统中动力循环和制冷循环只有能量耦合、没有物质耦合。能量耦合体现在：动力循环的排热用于制冷循环的再沸过程和精馏塔部分进料的预热过程；制冷循环的部分塔釜稀溶液热量用于动力循环工质的预热过程。塔釜再沸器12、冷凝换热器5和第二溶液换热器14是动力循环和制冷循环能量耦合的连接点。其中动力循环中工质浓度、透平16背压可以进行调节，以便于与制冷循环的能量耦合相匹配。
为达到上述目的，本发明还提供了一种混合工质功冷联供的热力循环方法，该方法将烟气的高温部分用于动力循环，烟气的低温部分和动力循环排热用于制冷循环；透平排汽依次在塔釜再沸器、冷凝换热器和第二冷凝器中分三步冷凝，将冷凝热的高温部分和中温部分用于制冷循环，只有少量低温冷凝热排向环境；塔釜稀溶液分成两部分，分别用于预热动力循环工质和预热制冷循环工质。
上述方案中，该方法包括：吸收器11出来的浓溶液S1先经低压溶液泵1加压形成S2，再进入第一分流器2分流成两股(S3和S6)，其中第一股S3先后进入第一溶液换热器3和烟气余热换热器4，分别吸收来自第二分流器13的稀溶液S15和来自蒸汽发生器15的热源的热量进行预热，然后进入精馏塔6，第二股S6进入冷凝换热器5吸收来自塔釜再沸器12的汽液混合物S21的热量进行预热，然后进入精馏塔6；在精馏塔6内，来自烟气余热换热器4的S5和来自冷凝换热器5的S7进行精馏，形成的中间浓度溶液进入塔釜再沸器12，被来自透平16的排汽S20加热进行再沸过程，最终形成稀溶液S14和高纯度的氨蒸汽S8；氨蒸汽S18进入冷凝器7冷凝成液氨S9后，进入过冷器8，与来自蒸发器10的低温氨蒸汽S12换热后，形成具有一定过冷度的液氨S10，S10经节流阀9节流降压后进入蒸发器10蒸发制冷；低温氨蒸汽S12经过过冷器8后成为具有一定的过热度的氨蒸汽S13，最后进入吸收器11；稀溶液S14经第二分流器13分流成S15和S17，其中S15进入第一溶液换热器3降温形成S16，S17进入第二溶液换热器14降温形成S18，S17和S18在混合器19中混合，再经溶液节流阀20降压后进入吸收器11，吸收来自过冷器8的氨蒸汽S13，完成一个制冷循环。来自高压溶液泵18的动力工质S21在第二溶液换热器14中预热后进入蒸汽发生器15吸收热源热量蒸发过热，形成的高温高压氨水蒸汽S23进入透平16膨胀做功，透平16排汽依次经过塔釜再沸器12、冷凝换热器5和第二冷凝器17后冷凝成为液态溶液S27，完成一个动力循环。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种氨水混合工质功冷联供的热力循环系统及方法，以中低品位热为热源，既可以是工业余热，也可以是太阳能等中低温的可再生能源，以达到节能减排的目的。
2、本发明提供的这种氨水混合工质功冷联供的热力循环系统及方法，利用动力子系统和制冷子系统的有效集成，实现了对热量的梯级利用，使外热源的高温部分用于动力循环，热源的低温部分和动力循环的排热用于制冷循环，既减少了对外热源的消耗，也减少了向环境的排热，提高系统效率。
3、本发明提供的这种氨水混合工质功冷联供的热力循环系统及方法，动力循环以氨水为工质，实现变温蒸发，与显热热源匹配良好；同时合理利用其变温冷凝过程，为制冷循环的塔釜再沸过程和部分进料的预热过程提供热量，避免了变温冷凝造成的不可逆损失。
4、本发明提供的这种氨水混合工质功冷联供的热力循环系统及方法，流程简单，各单元技术较为成熟，便于工业化利用。
附图说明
图1是依照本发明第一实施例的氨水混合工质功冷联供的热力循环系统的示意图。
图2是依照本发明第二实施例的氨水混合工质功冷联供的热力循环系统的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是依照本发明第一实施例的氨水混合工质功冷联供的热力循环系统的示意图。其中G1至G3表示热源的载热介质，W1至W5表示冷却水，S1至S24表示循环工质。此处G1采用400℃烟气，基本工质S1为质量分数为34％的氨水混合物。主要设备包括低压溶液泵1、第一分流器2、溶液换热器3、烟气余热换热器4、冷凝换热器5、精馏塔6、冷凝器7、过冷器8、氨节流阀9、蒸发器10、吸收器11、塔釜再沸器12、第二分流器13、高压溶液泵14、蒸汽发生器15、透平16、混合器17和溶液节流阀18。其中吸收器11与低压溶液泵1相连接，低压溶液泵1与第一分流器2相连，第一分流器2分别连接于溶液换热器3和冷凝换热器5，溶液换热器3连接烟气余热换热器4，烟气余热换热器4和冷凝换热器5分别与精馏塔6直接相连；精馏塔6的顶部依次连接冷凝器7、过冷器8、氨节流阀9和蒸发器10，精馏塔6的底部依次连接塔釜再沸器12和第二分流器13，第二分流器13分别连接于溶液换热器3和高压溶液泵14，高压溶液泵14依次连接于蒸汽发生器15、透平16、塔釜再沸器12和冷凝换热器5；溶液换热器3和冷凝换热器5分别连接于混合器17，之后再依次连接溶液节流阀18和吸收器11。
具体流程为：吸收器11出来的浓溶液S1先经低压溶液泵1加压形成S2，再进入第一分流器2分流成两股S3和S6，其中S3先后进入溶液换热器3和烟气余热换热器4，分别吸收来自第二分流器13的稀溶液S15和来自蒸汽发生器15的热源的热量进行预热，然后进入精馏塔6，S6进入冷凝换热器5吸收来自塔釜再沸器12的汽液混合物S21的热量进行预热，然后进入精馏塔6；在精馏塔6内，来自烟气余热换热器4的S5和来自冷凝换热器5的S7进行精馏，形成的中间浓度溶液进入塔釜再沸器12，被来自透平16的排汽S20加热进行再沸过程，最终形成稀溶液S14和高纯度的氨蒸汽S8；氨蒸汽S18进入冷凝器7冷凝成液氨S9后，进入过冷器8，与来自蒸发器10的低温氨蒸汽S12换热后，形成具有一定过冷度的液氨S10，S10经节流阀9节流降压后进入蒸发器10蒸发制冷；低温氨蒸汽S12经过过冷器8后成为具有一定的过热度的氨蒸汽S13，最后进入吸收器11；稀溶液S14经第二分流器13分流成S15和S17，其中S15进入溶液换热器3降温形成S16，S17经高压溶液泵14加压后进入蒸汽发生器15吸收热源热量蒸发过热，形成的高温高压氨水蒸汽S19进入透平16膨胀做功，透平16排汽依次在塔釜再沸器12和冷凝换热器5中冷凝成为液态稀溶液S22(S22的具体状态随着吸收器出口浓溶液温度的高低而略有变化，当吸收器出口浓溶液温度较高时，S22可能会含有少量未冷凝的蒸汽)，与来自溶液换热器3的S16在混合器17中混合，再经溶液节流阀18降压后进入吸收器11，吸收来自过冷器8的氨蒸汽S13，重新形成浓溶液S1进入下一个循环。
如图2所示，图2是依照本发明第二实施例的氨水混合工质功冷联供的热力循环系统的示意图。其中G1至G3表示热源的载热介质，W1至W7表示冷却水，S1至S27表示循环工质。此处G1采用400℃烟气，制冷循环的基本工质S1为质量分数为34％的氨水混合物，动力循环的基本工质S21为质量分数为40％的氨水混合物。主要设备包括低压溶液泵1、第一分流器2、第一溶液换热器3、烟气余热换热器4、冷凝换热器5、精馏塔6、第一冷凝器7、过冷器8、氨节流阀9、蒸发器10、吸收器11、塔釜再沸器12、第二分流器13、第二溶液换热器14、蒸汽发生器15、透平16、第二冷凝器17、高压溶液泵18、混合器19和溶液节流阀20。其中吸收器11与低压溶液泵1相连接，低压溶液泵1与第一分流器2相连，第一分流器2分别连接于溶液换热器3和冷凝换热器5，溶液换热器3连接烟气余热换热器4，烟气余热换热器4和冷凝换热器5分别与精馏塔6直接相连；精馏塔6的顶部依次连接冷凝器7、过冷器8、氨节流阀9和蒸发器10，精馏塔6的底部依次连接塔釜再沸器12和第二分流器13，第二分流器13分别连接于第一溶液换热器3和第二溶液换热器14，第二溶液换热器14依次连接于蒸汽发生器15、透平16、塔釜再沸器12、冷凝换热器5、第二冷凝器17和高压溶液泵18；溶液换热器3和冷凝换热器5分别连接于混合器19，之后依次连接溶液节流阀20和吸收器11。
具体流程为：吸收器11出来的浓溶液S1先经低压溶液泵1加压形成S2，再进入第一分流器2分流成两股S3和S6，其中S3先后进入第一溶液换热器3和烟气余热换热器4，分别吸收来自第二分流器13的稀溶液S15和来自蒸汽发生器15的热源的热量进行预热，然后进入精馏塔6，S6进入冷凝换热器5吸收来自塔釜再沸器12的汽液混合物S21的热量进行预热，然后进入精馏塔6；在精馏塔6内，来自烟气余热换热器4的S5和来自冷凝换热器5的S7进行精馏，形成的中间浓度溶液进入塔釜再沸器12，被来自透平16的排汽S20加热进行再沸过程，最终形成稀溶液S14和高纯度的氨蒸汽S8；氨蒸汽S18进入冷凝器7冷凝成液氨S9后，进入过冷器8，与来自蒸发器10的低温氨蒸汽S12换热后，形成具有一定过冷度的液氨S10，S10经节流阀9节流降压后进入蒸发器10蒸发制冷；低温氨蒸汽S12经过过冷器8后成为具有一定的过热度的氨蒸汽S13，最后进入吸收器11；稀溶液S14经第二分流器13分流成S15和S17，其中S15进入第一溶液换热器3降温形成S16，S17进入第二溶液换热器14降温形成S18，S17和S18在混合器19中混合，再经溶液节流阀18降压后进入吸收器11，吸收来自过冷器8的氨蒸汽S13，完成一个制冷循环。来自高压溶液泵18的动力工质S21在第二溶液换热器14中预热后进入蒸汽发生器15吸收热源热量蒸发过热，形成的高温高压氨水蒸汽S23进入透平16膨胀做功，透平16排汽依次经过塔釜再沸器12、冷凝换热器5和第二冷凝器17后冷凝成为液态溶液S27，完成一个动力循环。
采用Aspen Plus软件对以上所述两种实施方式进行模拟计算，各物性方程的选取为：氨水体系采用RK-SOAVE方程，热源热空气采用PENG-ROB方程，水和水蒸汽体系采用STEAM-TA方程。模拟所需的基本参数的选取如表1所示(表1中数据同时适用于实施例1和实施例2)。
Figure BDA0000053147620000111
表1(实施例1和实施例2)
假定系统处于稳态运行，平衡工况时物流模拟计算结果、联产系统与分产系统的热力性能比较见表2至表5。表2和表4分别是实施例1和实施例2的循环平衡工况状态参数，表3和表5分别是实施例1和实施例2与相应的分产系统热力性能比较。
Figure BDA0000053147620000122
Figure BDA0000053147620000131
Figure BDA0000053147620000141
表2(实施例1)
表3(实施例1)
Figure BDA0000053147620000143
Figure BDA0000053147620000151
Figure BDA0000053147620000161
表4(实施例2)
Figure BDA0000053147620000162
表5(实施例2)
从表3可以看出，本发明实施例1的系统热效率和火用效率分别为40.72％和42.46％，分别比分产系统热效率和火用效率提高了46.2％和46.82％；在生产相同电和冷能的条件下，实施例1系统节能率为31.6％。
从表5可以看出，本发明实施例2的系统热效率和火用效率分别为35.85％和44.63％，分别比分产系统热效率和火用效率提高了36.2％和36.7％；在生产相同电和冷能的条件下，实施例2系统节能率为26.6％。
与参比系统相比，本发明所提供的联产系统热力学性能有较大幅度提高，其根本原因在于：
1、联产系统利用动力子系统和制冷子系统的有效集成，使外热源的高温部分用于动力循环，热源的低温部分和动力循环的排热用于制冷循环，实现了热量的“温度对口，梯级利用”。
2、内部余热即塔釜稀溶液的热量被充分利用，减少了系统对外散热量。
3、联产系统的精馏塔不可逆损失大幅度降低。传统的精馏塔塔釜稀溶液与热源介质的换热温差太大，导致火用损大；而联产系统中，采用动力循环的透平排汽进入塔釜再沸器，利用氨水混合工质变温冷凝的特性，使之与再沸器和冷凝换热器中溶液蒸发过程温度匹配良好，同时由于是排汽冷凝，其换热性能比传统的烟气显热换热大大提高。
4、联产系统的排烟损失大幅降低。分产系统中发电循环和制冷循环的排烟温度都较高，排烟火用损也较大；而联产系统中，烟气先后在动力子循环的蒸汽发生器和制冷子循环的溶液换热器中放热，依次加热动力工质和制冷工质，大幅降低了排烟温度，减少了排烟损失。
以上所述的实施例1和实施例2，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的两种具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种氨水混合工质功冷联供的热力循环系统，其特征在于，该系统包括低压溶液泵(1)、第一分流器(2)、溶液换热器(3)、烟气余热换热器(4)、冷凝换热器(5)、精馏塔(6)、冷凝器(7)、过冷器(8)、氨节流阀(9)、蒸发器(10)、吸收器(11)、塔釜再沸器(12)、第二分流器(13)、高压溶液泵(14)、蒸汽发生器(15)、透平(16)、混合器(17)和溶液节流阀(18)，其中吸收器(11)与低压溶液泵(1)相连接，低压溶液泵(1)与第一分流器(2)相连接，第一分流器(2)分别连接于溶液换热器(3)和冷凝换热器(5)，溶液换热器(3)连接于烟气余热换热器(4)，烟气余热换热器(4)和冷凝换热器(5)分别与精馏塔(6)直接相连接；精馏塔(6)的顶部依次连接于冷凝器(7)、过冷器(8)、氨节流阀(9)和蒸发器(10)，精馏塔(6)的底部依次连接于塔釜再沸器(12)和第二分流器(13)，第二分流器(13)分别连接于溶液换热器(3)和高压溶液泵(14)，高压溶液泵(14)依次连接于蒸汽发生器(15)、透平(16)、塔釜再沸器(12)和冷凝换热器(5)；溶液换热器(3)和冷凝换热器(5)分别连接于混合器(17)，之后再依次连接溶液节流阀(18)和吸收器(11)。
2.根据权利要求1所述的氨水混合工质功冷联供的热力循环系统，其特征在于，所述第一分流器(2)和第二分流器(13)是分流装置，对工质物流进行质量分流；第一分流器(2)入口与低压溶液泵(1)出口连接，出口分别与溶液换热器(3)和冷凝换热器(5)冷侧入口连接，第二分流器(13)入口与塔釜再沸器(12)出口连接，出口分别与溶液换热器(3)热侧入口和高压溶液泵(14)入口连接。
3.根据权利要求1所述的氨水混合工质功冷联供的热力循环系统，其特征在于，所述低压溶液泵(1)和高压溶液泵(14)是液体加压设备，用于提高液体压力；低压溶液泵(1)连接于吸收器(11)和分流器(2)之间，高压溶液泵(14)连接于第二分流器(13)和蒸汽发生器(15)之间。
4.根据权利要求1所述的氨水混合工质功冷联供的热力循环系统，其特征在于，所述溶液换热器(3)、烟气余热换热器(4)、冷凝换热器(5)、塔釜再沸器(12)和蒸汽发生器(15)是换热设备，用于实现冷、热物流间的热量交换；其中：溶液换热器(3)的热侧出口与混合器(17)入口相连接，冷侧出口与烟气余热换热器(4)冷侧入口相连接；烟气余热换热器(4)的热侧入口与蒸汽发生器(15)热侧出口相连接，出口直接连接于环境，冷侧出口与精馏塔(6)冷侧入口相连接；冷凝换热器(5)热侧进出口分别与塔釜再沸器(12)热侧出口和混合器(17)入口相连接，冷侧出口与精馏塔(6)冷侧入口相连接；塔釜再沸器(12)热侧入口与透平(16)出口相连接，冷侧出口与第二分流器(13)相连接；蒸汽发生器(15)冷侧进出口分别与高压溶液泵(14)出口和透平(16)入口相连接，蒸汽发生器(15)输入的热量为工业余热或太阳能。
5.根据权利要求1所述的氨水混合工质功冷联供的热力循环系统，其特征在于，所述透平(16)是一做功装置，高温高压氨水蒸汽在其中膨胀实现对外做功，透平(16)进出口分别与蒸汽发生器(15)冷侧出口和塔釜再沸器(12)热侧入口相连接。
6.根据权利要求1所述的氨水混合工质功冷联供的热力循环系统，其特征在于，所述精馏塔(6)和塔釜再沸器(12)用于对氨和水进行精馏分离，其顶部连接有一冷凝器(7)，冷凝器(7)用于将精馏分离得到的浓氨蒸汽冷凝作为制冷工质；塔釜再沸器(12)所需热量来自透平(16)排汽余热，塔釜再沸器(12)产出的稀氨水溶液进入第二分流器(13)。
7.根据权利要求1所述的氨水混合工质功冷联供的热力循环系统，其特征在于，所述过冷器(8)是换热设备，利用来自蒸发器(10)的低温制冷工质冷却来自冷凝器(7)的液氨；其热侧进出口分别连接冷凝器(7)和氨节流阀(9)，冷侧进出口分别连接蒸发器(10)和吸收器(11)。
8.根据权利要求1所述的氨水混合工质功冷联供的热力循环系统，其特征在于，所述氨节流阀(9)和溶液节流阀(18)是节流降压装置；其中氨节流阀(9)进出口分别与过冷器(8)和蒸发器(10)相连接；溶液节流阀(18)进出口分别与混合器(17)和吸收器(11)相连接。
9.根据权利要求1所述的氨水混合工质功冷联供的热力循环系统，其特征在于，所述蒸发器(10)用于将制冷工质在其中吸热蒸发，实现冷量输出，其进出口分别与氨节流阀(9)和过冷器(8)相连接。
10.根据权利要求1所述的氨水混合工质功冷联供的热力循环系统，其特征在于，所述吸收器(11)由混合器与冷凝器构成，不同浓度工质物流先在混合器中混合，然后在冷凝器中完全冷凝为液态；吸收器(11)热侧包括来自过冷器(8)的氨蒸汽和来自溶液节流阀(18)的稀溶液，冷侧为冷却水。
11.根据权利要求1所述的氨水混合工质功冷联供的热力循环系统，其特征在于，该系统具有一动力循环和一制冷循环，动力循环以氨水混合物为工质，将在蒸汽发生器(15)生成的高温过热氨水蒸汽送入蒸汽透平(16)中膨胀做功，透平(16)排汽依次在塔釜再沸器(12)和冷凝换热器(5)中冷凝，为塔釜再沸过程和部分进料预热过程提供热量，第二分流器(13)和混合器(17)为动力循环和制冷循环的连接点。
12.一种混合工质功冷联供的热力循环方法，应用于权利要求1所述的系统，其特征在于，该方法将烟气的高温部分用于动力循环，烟气的低温部分和动力循环排热用于制冷循环；精馏过程产生的稀氨水溶液分成两部分，第一部分直接进入溶液换热器回收其热量，第二部分进一步加压、加热，成为高压过热蒸汽后进入透平膨胀做功，再利用透平排汽变温冷凝的特性使其先后为制冷循环的再沸过程和精馏塔进料的预热过程提供热量，最后再与第一部分稀溶液混合节流后进入吸收器。
13.根据权利要求12所述的混合工质功冷联供的热力循环方法，其特征在于，该方法包括：
吸收器(11)出来的浓溶液S1先经低压溶液泵(1)加压形成高压浓溶液S2，再进入第一分流器(2)分流成两股(S3和S6)，其中第一股S3先后进入溶液换热器(3)和烟气余热换热器(4)，分别吸收来自第二分流器(13)的稀溶液S15和来自蒸汽发生器(15)的热源的热量进行预热，然后进入精馏塔(6)，第二股S6进入冷凝换热器(5)吸收来自塔釜再沸器(12)的汽液混合物S21的热量进行预热，然后进入精馏塔(6)；在精馏塔(6)内，来自烟气余热换热器(4)的S5和来自冷凝换热器(5)的S7进行精馏，形成的中间浓度溶液进入塔釜再沸器(12)，被来自透平(16)的排汽S20加热进行再沸过程，最终形成稀溶液S14和高纯度的氨蒸汽S8；氨蒸汽S8进入冷凝器(7)冷凝成液氨S9后，进入过冷器(8)，与来自蒸发器(10)的低温氨蒸汽S12换热后，形成具有一定过冷度的液氨S10，液氨(S10)经节流阀(9)节流降压后进入蒸发器(10)蒸发制冷；低温氨蒸汽S12经过过冷器(8)后成为具有一定的过热度的氨蒸汽S13，最后进入吸收器(11)；稀溶液S14经第二分流器(13)分流成(S15和S17)，其中S15进入溶液换热器(3)降温形成S16，S17经高压溶液泵(14)加压后进入蒸汽发生器(15)吸收热源热量蒸发过热，形成的高温高压氨水蒸汽S19进入透平(16)膨胀做功，透平(16)排汽依次在塔釜再沸器(12)和冷凝换热器(5)中冷凝成为液态稀溶液S22，与来自溶液换热器(3)的S16在混合器(17)中混合，再经溶液节流阀(18)降压后进入吸收器(11)，吸收来自过冷器(8)的氨蒸汽S13，重新形成浓溶液S1进入下一个循环。
14.一种氨水混合工质功冷联供的热力循环系统，其特征在于，该系统包括低压溶液泵(1)、第一分流器(2)、第一溶液换热器(3)、烟气余热换热器(4)、冷凝换热器(5)、精馏塔(6)、第一冷凝器(7)、过冷器(8)、氨节流阀(9)、蒸发器(10)、吸收器(11)、塔釜再沸器(12)、第二分流器(13)、第二溶液换热器(14)、蒸汽发生器(15)、透平(16)、第二冷凝器(17)、高压溶液泵(18)、混合器(19)和溶液节流阀(20)；其中吸收器(11)与低压溶液泵(1)相连接，低压溶液泵(1)与第一分流器(2)相连接，第一分流器(2)分别连接于溶液换热器(3)和冷凝换热器(5)，溶液换热器(3)连接于烟气余热换热器(4)，烟气余热换热器(4)和冷凝换热器(5)分别与精馏塔(6)直接相连接；精馏塔(6)的顶部依次连接于冷凝器(7)、过冷器(8)、氨节流阀(9)和蒸发器(10)，精馏塔(6)的底部依次连接于塔釜再沸器(12)和第二分流器(13)，第二分流器(13)分别连接于第一溶液换热器(3)和第二溶液换热器(14)，第二溶液换热器(14)依次连接于蒸汽发生器(15)、透平(16)、塔釜再沸器(12)、冷凝换热器(5)、第二冷凝器(17)和高压溶液泵(18)；第一溶液换热器(3)和第二溶液换热器(14)与混合器(19)相连接，之后依次连接于溶液节流阀(20)和吸收器(11)。
15.根据权利要求14所述的氨水混合工质功冷联供的热力循环系统，其特征在于，该系统具有一动力循环和吸收式制冷循环，动力循环以氨水混合物为工质，将在蒸汽发生器(15)生成的高温过热氨水蒸汽送入蒸汽透平(16)中膨胀做功，透平(16)排汽依次在塔釜再沸器(12)、冷凝换热器(5)和第二冷凝器(17)中分步冷凝，使得冷凝热的高温部分和中温部分分别为制冷循环的塔釜再沸过程和部分进料预热过程提供热量，少量低温冷凝热在第二冷凝器(17)释放给环境。
16.一种混合工质功冷联供的热力循环方法，应用于权利要求15所述的系统，其特征在于，该方法将烟气的高温部分用于动力循环，烟气的低温部分和动力循环排热用于制冷循环；透平排汽依次在塔釜再沸器、冷凝换热器和第二冷凝器中分三步冷凝，将冷凝热的高温部分和中温部分用于制冷循环，只有少量低温冷凝热排向环境；塔釜稀溶液分成两部分，分别用于预热动力循环工质和预热制冷循环工质。
17.根据权利要求16所述的混合工质功冷联供的热力循环方法，其特征在于，该方法包括：
吸收器(11)出来的浓溶液S1先经低压溶液泵(1)加压形成S2，再进入第一分流器(2)分流成两股(S3和S6)，其中第一股S3先后进入第一溶液换热器(3)和烟气余热换热器(4)，分别吸收来自第二分流器(13)的稀溶液S15和来自蒸汽发生器(15)的热源的热量进行预热，然后进入精馏塔(6)，第二股S6进入冷凝换热器(5)吸收来自塔釜再沸器(12)的汽液混合物S21的热量进行预热，然后进入精馏塔(6)；在精馏塔(6)内，来自烟气余热换热器(4)的S5和来自冷凝换热器(5)的S7进行精馏，形成的中间浓度溶液进入塔釜再沸器(12)，被来自透平(16)的排汽S20加热进行再沸过程，最终形成稀溶液S14和高纯度的氨蒸汽S8；氨蒸汽S18进入冷凝器(7)冷凝成液氨S9后，进入过冷器(8)，与来自蒸发器(10)的低温氨蒸汽S12换热后，形成具有一定过冷度的液氨S10，S10经节流阀(9)节流降压后进入蒸发器(10)蒸发制冷；低温氨蒸汽S12经过过冷器(8)后成为具有一定的过热度的氨蒸汽S13，最后进入吸收器(11)；稀溶液S14经第二分流器(13)分流成S15和S17，其中S15进入第一溶液换热器(3)降温形成S16，S17进入第二溶液换热器(14)降温形成S18，S17和S18在混合器(19)中混合，再经溶液节流阀(20)降压后进入吸收器(11)，吸收来自过冷器(8)的氨蒸汽S13，完成一个制冷循环。来自高压溶液泵(18)的动力工质S21在第二溶液换热器(14)中预热后进入蒸汽发生器(15)吸收热源热量蒸发过热，形成的高温高压氨水蒸汽S23进入透平(16)膨胀做功，透平(16)排汽依次经过塔釜再沸器(12)、冷凝换热器(5)和第二冷凝器(17)后冷凝成为液态溶液S27，完成一个动力循环。
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