CN103306764A - 一种带两相膨胀机的Kalina循环系统 - Google Patents

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本发明公开了一种带两相膨胀机的Kalina循环系统，包括加热装置，分离装置，膨胀机和发电装置，吸收和冷却装置，以及升压装置。所述加热装置包括蒸发器、回热器，氨水混合工质分别在回热器和蒸发器中被加热至沸腾汽化，通过连接管道进入分离器；所述分离装置包括分离器，氨水工质被分离出氨浓度较高的气态工质和氨浓度较低的液态工质；所述膨胀机和发电装置包括两相螺杆膨胀机、透平膨胀机和发电机，气态工质和液态工质分别进入透平膨胀机和两相螺杆膨胀机，带动发电机发电；所述吸收和冷却装置包括吸收器和冷凝器；所述升压装置包括泵。该系统可利用工业生产过程中的余热和太阳能等低品位能源，回收了节流膨胀功，是提高能源利用效率的一种有效方法。

Description

一种带两相膨胀机的Kalina循环系统
技术领域
本发明涉及低品位能源利用技术领域，特别涉及到一种带两相膨胀机的Kalina循环系统。
背景技术
在石油、化工、轻工、冶金、水泥、汽车等行业中存在着大量的中低温余热，数以万计的锅炉、窑炉、热风炉、冷凝设备将大量中、低温烟气、废水排放到环境中，带走了大量的热能，不仅造成巨大的能源浪费，而且造成严重的环境热污染。对这些余热的回收利用,一方面可以提高对一次能源的利用效率,另一方面可以减轻废热对环境造成的热污染。另外，在我国还存在丰富的其他形式的低品位热源，如地热能、太阳能等。随着能源危机和环境问题的日益加剧，对这些低品位能源的利用已经逐渐引起了人们的重视。
以水为工质的朗肯循环在回收高温余热方面的技术相对较为成熟，但在进行低温热源发电时，由于热源温度比较低而其性能不佳或难以实现；采用低沸点有机物为工质的有机朗肯循环克服了以水为工质的朗肯循环缺陷，在回收中低品位热能时具有更高的效率。在纯工质的有机朗肯循环中蒸发器中可用能损失较大，影响了余热的高效回收利用。以氨水混合物为循环工质的Kalina循环系统有效地解决了这个问题。氨水混合物在Kalina循环系统蒸发器中能够变温蒸发，吸热曲线与余热的放热曲线匹配较好。但在Kalina循环系统中，采用节流阀来降低分离器出口液体工质的压力，由于节流损失造成了能量的巨大浪费。
针对以上问题，本发明提出了带两相膨胀机的Kalina循环系统。在原Kalina循环系统基础上，使用两相螺杆膨胀机替代节流阀，回收分离器出口分离出的具有较高压力的液体工质能量，从而提高系统能量利用效率。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种带两相膨胀机的Kalina循环系统，能够利用工业生产过程中余热，地热等其他低品位能源，借助于两相螺杆膨胀机来回收分离器出口分离出的具有较高压力液体工质能量。两相螺杆膨胀机与透平膨胀机同轴连接，可以把低品位能源更为有效地转化为高品位的电能，达到节能效果。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明提供的带两相膨胀机的Kalina循环系统，包括加热装置，分离装置，膨胀机和发电装置，吸收和冷却装置以及升压装置。所述加热装置包括蒸发器和回热器，所述蒸发器与回热器通过管道相连接；所述分离装置包括分离器，所述分离器的进口与蒸发器相连接，两个出口分别与两相螺杆膨胀机和透平膨胀机相连接；所述膨胀机和发电装置包括透平膨胀机、两相螺杆膨胀机、发电机，所述透平膨胀机为蒸汽透平机，两相螺杆膨胀机和透平膨胀机为同轴连接；所述吸收和冷却装置包括吸收器和冷凝器，所述冷凝器为板式换热器；所述升压装置为泵，通过管道与冷凝器和回热器相连接。
进一步，所述蒸发器中设置有工业过程中排放的余热等其他低品位热源进口和出口，用来加热氨水混合工质的余热管道采用蛇型翅片管。
进一步，所述分离器分离效果较好，且其气体和液体出口分别连接透平膨胀机和两相螺杆膨胀机。
进一步，所述透平膨胀机技术成熟，运行稳定可靠，进口与分离器气体工质出口通过管道相连接且其与两相螺杆膨胀机同轴连接，并连接发电机。
进一步，所述两相螺杆膨胀机效率较高，进口与分离器液体工质出口通过管道相连接，且其与透平膨胀机同轴连接。
进一步，所述回热器（5）为板式换热器。
进一步，所述冷凝器为板式换热器，冷却方式为水冷，且其中设置有冷却介质进口和出口，用来冷却有机工质的冷却管道采用蛇型翅片管。
进一步，所述泵为离心变频泵。
进一步，所述系统用工业过程中产生的中低温废气或废水，地热能或者其他低品位能源作为驱动，并采用氨水混合物为系统工质。
进一步，所述系统采用的循环工质氨水为非共沸混合工质，热力学性能，工质安全性，化学稳定性较好。
本发明的优点在于：
1.本发明提供的一种带两相膨胀机的Kalina循环系统，可以利用工业生产过程中排放的温度较低的余热；加上太阳能收集装置后可以利用太阳能；还可以利用地热能等其他低品位能源；
2.系统使用两相螺杆膨胀机替代节流阀，回收了高压流体在节流阀中损失的能量，增大系统做功能力，从而提高了效率，达到了极强的节能效果。
3.系统使用两相螺杆膨胀机替代节流阀，能达到原节流阀降压的效果；
4.选用成熟的蒸汽透平和螺杆膨胀机，保证系统可靠运行；
5.系统操作压力相对较低。
本发明的其它优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为一种带两相膨胀机的Kalina循环系统示意图。图中：
分离器1、透平膨胀机2、发电机3、两相螺杆膨胀机4、回热器5、吸收器6、冷凝器7、泵8、蒸发器9。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。
如图1所示为一种带两相膨胀机的Kalina循环系统示意图，本系统包括加热装置，分离装置，膨胀机和发电装置，吸收、冷却装置和升压装置。所述加热装置包括蒸发器和回热器，所述蒸发器与回热器通过管道相连接；所述分离装置包括分离器，所述分离器的进口与蒸发器相连接，液体和气体出口分别与两相螺杆膨胀机和透平膨胀机相连接；所述膨胀机和发电装置包括透平膨胀机、两相螺杆膨胀机和发电机，所述透平膨胀机为蒸汽透平机，其中，两相螺杆膨胀机和透平膨胀机为同轴连接；所述吸收和冷却装置包括吸收器和冷凝器，所述冷凝器为板式换热器；所述升压装置为泵，通过管道与冷凝器和回热器相连接。
所述系统用工业过程中产生的中低温废气或废水，地热能或者其他低品位能源作为驱动，并采用氨水混合工质作为系统循环工质。
所述系统采用的循环工质氨水为非共沸混合工质，热力学性能，工质安全性，化学稳定性较好。
系统总的工作过程描述如下：打开冷却水阀门，冷却水在冷凝器中循环。
氨水工质储存在冷凝器中，两相螺杆膨胀机和透平膨胀机前的阀门关闭。两相膨胀机入口处管道设置旁路，氨水工质在蒸发器——分离器——两相膨胀机旁路——回热器——吸收器——冷凝器——泵回路循环。打开余热源管道阀门，余热流体进入蒸发器加热氨水混合工质。蒸发器中工质压力加热到设定工况的50%时，打开透平膨胀机和两相螺杆膨胀机进口管道阀门，系统开始运行。系统工况稳定后调整泵的转速，使其逐步加大工质压力至设定工况。
实施例1:以氨水混合物为工质,对本发明图1所示装置和传统的Kalina循环系统的性能进行模拟计算。模拟中给定低品位热源的进出口温度和流量，假定冷却水进口温度为290K，流量为1kg/s；冷凝器传热端差为5K；蒸发器对数传热温差为30K；透平膨胀机和两相螺杆膨胀机的效率分别为80%和75%；泵效率为80%。本发明对比了4种蒸发压力下图1所示装置和传统的Kalina循环系统的性能，所选取的蒸发压力分别为1.5MPa、2.0MPa、2.5MPa、3.0MPa。
表一～表四分别为本发明装置与传统的Kalina循环系统在1.5Mpa～3.0MPa蒸发压力下的性能对比
表一P=1.5MPa
工况 x WKCS34(kW) η1，KCS34 ηex，KCS34 Wnew(kW) η1，new ηex，new
工况1 0.61 3.65974 0.07756 0.38366 4.00331 0.08484 0.41968
工况2 0.63 3.53316 0.07487 0.37039 3.7719 0.07993 0.39542
工况3 0.65 3.40375 0.07213 0.35682 3.5811 0.07589 0.37541
工况4 0.67 3.27826 0.06947 0.34367 3.41102 0.07229 0.35758
工况5 0.69 3.15816 0.06693 0.33108 3.25908 0.06907 0.34166
工况6 0.71 3.04609 0.06455 0.31933 3.12465 0.06622 0.32756
工况7 0.73 2.94404 0.06239 0.30863 3.00473 0.06368 0.31499
工况8 .075 2.84854 0.06037 0.29862 2.89762 0.06141 0.30376
工况9 0.77 2.76338 0.05856 0.28969 2.79993 0.05934 0.29352
工况10 0.79 2.68548 0.05691 0.28152 2.71404 0.05752 0.28452
工况11 0.81 2.6178 0.05548 0.27443 2.63996 0.05595 0.27675
工况12 0.83 2.55439 0.05413 0.26778 2.57003 0.05446 0.26942
工况13 0.85 2.50067 0.05299 0.26215 2.51218 0.05324 0.26336
工况14 0.87 2.44923 0.0519 0.25676 2.45674 0.05206 0.25755
工况15 0.89 2.40343 0.05093 0.25196 2.40771 0.05102 0.25241
工况16 0.91 2.35967 0.05001 0.24737 2.36128 0.05004 0.24754
表二P=2.0MPa
工况 x WKCS34(kW) η1，KCS34 ηex，KCS34 Wnew(kW) η1，new ηex，new
工况1 0.69 3.99416 0.08464 0.41872 4.34246 0.09202 0.45523
工况2 0.71 3.92935 0.08327 0.41192 4.18035 0.08859 0.43824
工况3 0.73 3.86059 0.08181 0.40471 4.04929 0.08581 0.4245
工况4 .075 3.79437 0.08041 0.39777 3.94063 0.08351 0.4131
工况5 0.77 3.73355 0.07912 0.3914 3.84773 0.08154 0.40337
工况6 0.79 3.67943 0.07797 0.38572 3.76851 0.07986 0.39506
工况7 0.81 3.631 0.07695 0.38065 3.70014 0.07841 0.38789
工况8 0.83 3.58943 0.07607 0.37629 3.64343 0.07721 0.38195
工况9 0.85 3.55196 0.07527 0.37236 3.59273 0.07614 0.37663
工况10 0.87 3.51983 0.07459 0.36899 3.5495 0.07522 0.3721
工况11 0.89 3.49048 0.07397 0.36591 3.51091 0.0744 0.36806
工况12 0.91 3.46334 0.07339 0.36307 3.47556 0.07365 0.36435
工况13 0.93 3.43596 0.07281 0.3602 3.44161 0.07293 0.36079
表三P=2.5MPa
工况 x WKCS34(kW) η1，KCS34 ηex，KCS34 Wnew(kW) η1，new ηex，new
工况1 0.81 4.33753 0.09192 0.45471 4.49839 0.09533 0.47158
工况2 0.83 4.31701 0.09149 0.45256 4.44027 0.0941 0.46548
工况3 0.85 4.29895 0.0911 0.45067 4.39327 0.0931 0.46056
工况4 0.87 4.28289 0.09076 0.44899 4.35304 0.09225 0.45634
工况5 0.89 4.26846 0.09046 0.44747 4.31898 0.09153 0.45277
工况6 0.91 4.2544 0.09016 0.446 4.28783 0.09087 0.4495
工况7 0.93 4.23973 0.08985 0.44446 4.25935 0.09026 0.44652
工况8 0.95 4.22225 0.08948 0.44263 4.22926 0.08963 0.44336
表四P=3.0MPa
工况 x WKCS34(kW) η1，KCS34 ηex，KCS34 Wnew(kW) η1，new ηex，new
工况1 0.89 4.82625 0.10228 0.50595 4.92591 0.10439 0.51639
工况2 0.91 4.82753 0.1023 0.50608 4.89526 0.10374 0.51318
工况3 0.93 4.82633 0.10228 0.50595 4.86816 0.10317 0.51034
工况4 0.95 4.81978 0.10214 0.50527 4.84035 0.10258 0.50742
工况5 0.97 4.80586 0.10184 0.50381 4.80743 0.10188 0.50397
表中x指的是氨水混合工质在蒸发器处的浓度，WKCS34指的是传统的Kalina循环系统净输出功，η1，KCS34指的是传统的Kalina循环系统热效率，ηex，KCS34指的是传统的Kalina循环系统
Figure BDA00003471234100051
效率；Wnew指的是本发明装置的净输出功，η1，new指的是本发明装置的热效率，ηex，new指的是本发明装置的
Figure BDA00003471234100052
效率。
表中模拟计算结果表明，通过使用两相螺杆膨胀机回收节流膨胀功，不同的蒸发压力下本发明装置均表现出优于传统Kalina循环系统的特性。在同一蒸发压力下，本发明装置较传统Kalina循环系统最大的性能优势出现在氨水混合物最低浓度处，如当蒸发压力为1.5Mpa时，本发明装置净输出功比传统Kalina循环系统可高出9.4%。而随着蒸发压力的增大，本发明装置性能与传统Kalina循环系统性能越来越接近，但本发明装置的性能始终优于传统系统。

Claims (10)

1.一种带两相膨胀机的Kalina循环系统，其特征在于：它包括加热装置，分离装置，膨胀机和发电装置，吸收和冷却装置，以及升压装置。
所述加热装置包括蒸发器(9)和回热器(5)，所述蒸发器(9)与回热器(5)通过管道相连接；
所述分离装置包括分离器（1）；
所述膨胀机和发电装置包括两相螺杆膨胀机（4）、透平膨胀机（2）和发电机（3），两相螺杆膨胀机（4）和透平膨胀机（2）同轴相连接；
所述吸收和冷却装置包括吸收器（6）和冷凝器（7），两者通过管道相连接。
所述升压装置包括泵（8）。
2.根据权利要求1所述的带两相膨胀机的Kalina循环系统，其特征在于：所述蒸发器(9)中设置有工业过程中排放的中低温余热等其他低品位热源进口（11a）和出口（11b），用来加热氨水混合工质的余热管道采用蛇型翅片管。
3.根据权利要求1所述的带两相膨胀机的Kalina循环系统，其特征在于：所述分离器（1）分离效果较好，且其出口分别连接透平膨胀机（2）和两相螺杆膨胀机（4）。
4.根据权利要求1所述的带两相膨胀机的Kalina循环系统，其特征在于：所述透平膨胀机（2）技术成熟，运行稳定可靠，进口与分离器（1）气体工质出口（2a）通过管道相连接，且其与两相螺杆膨胀机（4）同轴连接，并连接发电机（3）。
5.根据权利要求1所述的带两相膨胀机的Kalina循环系统，其特征在于：所述两相螺杆膨胀机（4）效率较高，进口与分离器（1）液体工质出口（3a）通过管道相连接，且其与透平膨胀机（2）同轴连接。
6.根据权利要求1所述的带两相膨胀机的Kalina循环系统，其特征在于：所述回热器（5）为板式换热器。
7.根据权利要求1所述的带两相膨胀机的Kalina循环系统，其特征在于：所述冷凝器（7）为板式换热器，冷却方式为水冷，且其中设置有冷却介质进口（12a）和出口（12b），用来冷却有机工质的冷却管道采用蛇型翅片管。
8.根据权利要求1所述的带两相膨胀机的Kalina循环系统，其特征在于：所述泵（8）为离心变频泵。
9.根据权利要求1所述的带两相膨胀机的Kalina循环系统，其特征在于：所述系统用工业过程中产生的中低温废气或废水，地热能或者其他低品位能源作为驱动，并采用氨水混合物为循环工质。
10.根据权利要求1所述的带两相膨胀机的Kalina循环系统，其特征在于：所述系统采用的循环工质氨水混合物为非共沸混合工质，热力学性能，工质安全性，化学稳定性较好。
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