CN103410576A - 针对低品位热能的完全封闭循环发电系统及其发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对低品位热能的完全封闭循环发电系统，其特点是，包括由蒸发装置、膨胀机、冷凝装置、以及循环泵顺序连接构成工质循环发电主回路；该工质循环发电主回路中注入中间介质；还包括顺序连接的限流装置、储罐、分离装置、以及回注装置，限流装置安装在膨胀机的功率输出端处，回注装置的输出端通过管道与工质循环发电主回路连接，组成泄漏工质回注回路；以及通过齿轮箱与膨胀机的功率输出端连接的发电机。本发明还公开了一种针对低品位热能的完全封闭循环发电方法。由于采用了将中间介质在完全封闭的回路中循环，既将低品位热能转化为电能，又避免了由于中间介质泄漏引起的运行费用增加、可靠性降低及环境污染等问题。

Description

针对低品位热能的完全封闭循环发电系统及其发电方法

技术领域

本发明属于资源与环境技术领域，涉及工业低温余热、太阳能、地热能、海洋温差等低品位热能的资源化利用，尤其涉及一种针对低品位热能的完全封闭循环发电系统及其发电方法。

背景技术

低品位热能包括工业低温余热、太阳能、地热能、海洋温差能等。由于低品位热能资源数量巨大，即使是将其中一小部分转化为电能，对于解决我国能源问题和减少环境污染，都具有十分重要的现实意义。以工业领域为例，通常生产过程中约30%的能耗最终转化成各种形式的低温余热，如低温烟气、废蒸汽、热水等。目前，这部分热量除少量用于供热外，其余大部分被白白排放到大气中，既浪费能源，又造成环境的热污染。如果利用这部分热量发电，即使发电效率只有10%，也能将工业能耗降低3个百分点，这对于工业领域节能减排效果非常明显。

低品位热能的温度普遍较低，不能采用传统的蒸汽动力循环发电技术。现有的利用低品位热能发电的系统中采用的中间介质如五氟丙烷、四氟乙烷、丙烷、异丁烷、戊烷、环戊烷、硅油、氨水等，大多价格较高，且存在低毒性或是易燃易爆等安全方面的问题；而且系统没有对泄漏中间介质进行回收利用的功能，因此存在中间介质泄漏引起的运行费用增加、可靠性降低及环境污染等问题。

发明内容

本发明是为了解决现有技术存在的上述问题，而提供的一种针对低品位热能的完全封闭循环发电系统及其发电方法，避免了由于中间介质泄漏引起的运行费用增加、可靠性降低及环境污染等问题。本发明利用一种中间介质从低品位热能中取出热量，然后再通过发电装置将这部分热量转化为电能，实现了利用低品位热能发电的目的。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种针对低品位热能的完全封闭循环发电系统，其特征在于，包括一工质循环发电主回路、一泄漏工质回注回路、以及一发电机；

所述的工质循环发电主回路由蒸发装置、膨胀机、冷凝装置、以及循环泵构成；其中：所述的蒸发装置、膨胀机、冷凝装置、循环泵通过管道按顺序连接，所述的循环泵的输出端再通过管道与蒸发装置的工质输入端连接，组成工质循环发电主回路；所述的蒸发装置的低品位热能输入端并连接低品位热能输出装置；所述的工质循环发电主回路中注入中间介质；

所述的泄漏工质回注回路由限流装置、储罐、分离装置、以及回注装置构成；其中：所述的限流装置、储罐、分离装置、回注装置通过管道按顺序连接，所述的限流装置与膨胀机的功率输出端连接，所述的回注装置的输出端通过管道与工质循环发电主回路连接，组成泄漏工质回注回路；

所述的发电机通过齿轮箱与膨胀机的功率输出端连接。

上述针对低品位热能的完全封闭循环发电系统，其中，所述的中间介质选择包括五氟丙烷、四氟乙烷、丙烷、异丁烷、戊烷、环戊烷、硅油、氨水中的一种或几种的混合物。

上述针对低品位热能的完全封闭循环发电系统，其中，所述的中间介质通过冷凝装置上设置的工质注入孔注入到工质循环发电主回路，或通过在与冷凝装置的输入端或输出端相连接的管道上设置的注入孔注入到工质循环发电主回路；

所述的回注装置的输出端通过管道与冷凝装置上设置的工质回注孔连接，或与在冷凝装置的输入端或输出端相连接的管道上设置的回注孔连接。

上述针对低品位热能的完全封闭循环发电系统，其中，所述的注入孔与回注孔可以是同一个孔，也可以分别设置。

上述针对低品位热能的完全封闭循环发电系统，其中，所述的限流装置选择包括蜂窝密封、迷宫密封、机械密封、干气密封中的一种或几种的组合；所述的回注装置由泵或压缩机构成。

上述针对低品位热能的完全封闭循环发电系统，其中，所述的膨胀机为轴流式或径流式膨胀机；所述的齿轮箱的速比小于20。

上述针对低品位热能的完全封闭循环发电系统，其中，所述的蒸发装置由一组加热装置构成，或由几组加热装置并联构成；每一组加热装置由一个换热器或多个换热器串联组成。

上述针对低品位热能的完全封闭循环发电系统，其中，所述的冷凝装置选择水冷或是空冷式冷凝装置。

本发明一种针对低品位热能的完全封闭循环发电方法，其特点是，包括以下步骤：

建立如权利要求1-8任一项所述的工质循环发电主回路及泄漏工质回注回路的步骤；

选择中间介质并注入工质循环发电主回路的步骤：根据低品位热能的特点选择适合的中间介质，并在整个系统工作前将所述的中间介质注入到工质循环发电主回路；

换热并膨胀做功的步骤：所述的的中间介质被泵入蒸发装置，在蒸发装置内该中间介质与低品位热能换热、并被该蒸发装置输出的热能加热成蒸汽，该蒸汽进入膨胀机膨胀做功；

产生电能的步骤：膨胀机输出的机械功经过齿轮箱传递到发电机产生电能；

做功后乏蒸汽的中间介质被冷凝装置冷凝的步骤；

循环使用的步骤：冷凝下来的中间介质经过循环泵被重新送入蒸发装置循环使用；

完成一个循环；

对泄漏的中间介质回收利用的步骤：首先通过限流装置降低膨胀机的输出端输出的工质泄漏量；对经过限流装置限流后仍然泄漏出的中间介质，先是进入储罐，再经过分离装置分离，最后通过回注装置将这部分中间介质重新注入工质循环发电主回路，循环利用。

上述一种针对低品位热能的完全封闭循环发电方法，其中，

所述的选择中间介质并注入工质循环发电主回路的步骤中，所述的中间介质是通过冷凝装置上设置的工质注入孔注入到工质循环发电主回路，或通过在与冷凝装置的输入端或输出端相连接的管道上设置的注入孔注入到工质循环发电主回路；

所述的对泄漏的中间介质回收利用的步骤中，通过回注装置提升压力将泄漏的中间介质重新注入工质循环发电主回路；所述的回注装置的回注口通过管道与冷凝装置上设置的工质回注孔连接，或与在冷凝装置的输入端或输出端相连接的管道上设置的回注孔连接。

由于本发明采用了以上的技术方案，其产生了以下积极的技术效果：

（1）利用中间介质与低品位热能换热，将低品位热能传递到中间介质中，然后加热成蒸汽在膨胀机膨胀做功，将热能转化为机械能，最后通过齿轮箱传动，利用上述机械能带动发电机发电，实现了利用低品位热能发电的目的；

（2）采用限流-分离-回注的方法，实现了中间介质侧的完全密封循环。在膨胀机处安装限流装置，严格控制膨胀机处的泄漏量。从限流装置泄漏出的少量中间介质先进入储罐，然后再进入分离装置分离，最终这部分泄漏出的中间介质再经过回注装置被重新注入工质循环发电主回路；

（3）本发明由于采用了将中间介质在完全封闭的回路中循环，既将低品位热能转化为电能，又避免了由于中间介质泄漏引起的运行费用增加、可靠性降低及环境污染等问题。

附图说明

图1是本发明针对低品位热能的完全封闭循环发电系统的一种实施例的结构示意图。

图2是本发明发电方法的原理方框图。

具体实施方式

请参阅图1。本发明一种针对低品位热能的完全封闭循环发电系统，包括一工质循环发电主回路1、一泄漏工质回注回路2、以及一发电机3。

所述的工质循环发电主回路1由蒸发装置11、膨胀机12、冷凝装置13、以及循环泵14构成；其中：所述的蒸发装置、膨胀机、冷凝装置、循环泵通过管道按顺序连接，所述的循环泵的输出端再通过管道与蒸发装置的工质输入端连接，组成工质循环发电主回路。所述的蒸发装置的低品位热能输入端与低品位热能输出装置4连接，向所述的蒸发装置输入低品位热能；换能后的更低品位的热能通过该蒸发装置设置的汽/水输出管111输出，作其他用途。所述的蒸发装置由一组加热装置构成，或由几组加热装置并联构成；每一组加热装置由一个换热器或多个换热器串联组成。所述的中间介质选择包括五氟丙烷、四氟乙烷、丙烷、异丁烷、戊烷、环戊烷、硅油、氨水中的一种或几种的混合物。该中间介质通过冷凝装置上设置的工质注入孔注入到工质循环发电主回路，或通过在与冷凝装置的输入端或输出端相连接的管道上设置的注入孔注入到工质循环发电主回路。本实施例是通过冷凝装置上设置的工质注入孔131由中间介质注入装置5向工质循环发电主回路注入中间介质。所述的冷凝装置选择水冷或是空冷冷凝装置。所述的膨胀机为轴流式或径流式膨胀机。

所述的泄漏工质回注回路2由限流装置21、储罐22、分离装置23、以及回注装置24构成；其中：所述的限流装置、储罐、分离装置、回注装置通过管道按顺序连接，所述的限流装置安装在膨胀机的功率输出端处，所述的回注装置的输出端通过管道与所述的工质循环发电主回路连接，组成泄漏工质回注回路。所述的限流装置选择包括蜂窝密封、迷宫密封、机械密封、干气密封中的一种或几种的组合。所述的回注装置由泵或压缩机构成。连接时，所述的回注装置的输出端通过管道与冷凝装置上设置的工质回注孔连接，或与在冷凝装置的输入端或输出端相连接的管道上设置的回注孔连接。

所述的注入孔与回注孔可以是同一个孔，也可以分别设置。

所述的发电机3通过齿轮箱6与膨胀机12的功率输出端连接。所述的齿轮箱的速比小于20。

本发明利用中间介质与低品位热能换热，将低品位热能传递到中间介质中，然后加热成蒸汽在膨胀机膨胀做功，将热能转化为机械能，最后通过齿轮箱传动，利用上述机械能带动发电机发电，实现了利用低品位热能发电的目的。并通过泄漏工质回注回路与工质循环发电主回路的连通，通过回注装置将这部分工质重新注入工质循环发电主回路，实现了中间介质侧的完全密封循环。

请参阅图2。本发明一种针对低品位热能的完全封闭循环发电方法，包括以下步骤：

S1、建立如图1所述的工质循环发电主回路及泄漏工质回注回路的步骤；

S2、选择中间介质并注入工质循环发电主回路的步骤：根据低品位热能的特点选择适合的中间介质，所述的中间介质选择包括五氟丙烷、四氟乙烷、丙烷、异丁烷、戊烷、环戊烷、硅油、氨水中的一种或是几种的混合物。例如，对于低品位热能是90℃的热水，可以选择四氟乙烷作为中间介质。选择好中间介质后，在整个系统工作前将该中间介质注入到工质循环发电主回路。具体可以是：通过冷凝装置上设置的工质注入孔注入到工质循环发电主回路，或通过在与冷凝装置的输入端或输出端相连接的管道上设置的注入孔注入到工质循环发电主回路。本实施例是通过冷凝装置上设置的工质注入孔由中间介质注入装置向工质循环发电主回路注入中间介质；

S3、换热并膨胀做功的步骤：所述的的中间介质被循环泵泵入蒸发装置，在蒸发装置内，该中间介质被低品位热能换热、并被该蒸发装置输出的热能加热成蒸汽，该蒸汽进入膨胀机膨胀做功。所述的蒸发装置可以是一个换热器或是多个换热器串联为一组。当低品位热能数量较大的时候，也可以是几组上述串联换热器的并联；

S4、产生电能的步骤：经过蒸发装置后，中间介质被加热成蒸汽，蒸汽再进入膨胀机膨胀做功，膨胀机产生的机械功经齿轮箱传递到发电机并带动发电机发电，产生电能；本发明所述的膨胀机不是传统的汽轮机，其结构形式可以是轴流形式，也可以是向心形式（径流形式）。所述的齿轮箱的速比小于20；

S5、做功后乏蒸汽的中间介质被冷凝装置冷凝的步骤；从膨胀机出来的中间介质，送到冷凝装置，被冷凝装置冷凝下来。本发明可根据实际条件，选择冷凝装置为水冷冷凝装置或是空冷冷凝装置；

S6、循环使用的步骤：冷凝下来的中间介质经过循环泵被重新送入蒸发装置循环使用；

完成一个循环；

S7、对泄漏的中间介质回收利用的步骤：该步骤使中间介质循环形成完全封闭的形式。该步骤中，对膨胀机输出端泄漏出的中间介质，先采用限流装置尽量降低中间介质的泄漏量。所述的限流装置选择包括蜂窝密封、迷宫密封、机械密封、干气密封中的一种或几种的组合，例如采用迷宫密封和机械密封的组合。该限流装置安装在膨胀机的功率输出端处。经限流装置后仍然泄漏出来的中间介质，先进入一个储罐，再经过分离装置分离出工质，最后通过回注装置将这部分中间介质重新注入工质循环发电主回路，循环利用。

该步骤中，所述的储罐是一个承压容器，工作压力不大于1.0Mpa。分离装置的工作原理可以是通过离心作用，也可以通过过滤，或者是两者的组合形式。回注装置由泵或压缩机构成，回注的原理是通过提升压力，将泄漏的中间介质重新注入工质循环发电主回路。具体为：所述的回注装置的回注口通过管道布置在工质循环发电主回路的的低压侧，即：所述的回注装置的回注口通过管道与冷凝装置上设置的工质回注孔连接，或与在冷凝装置的输入端或输出端相连接的管道上设置的回注孔连接，将泄漏的中间介质重新注入工质循环发电主回路。

本发明利用一种中间介质从低品位热能中取出热量，然后再通过发电装置将这部分热量转化为电能，实现了利用低品位热能发电的目的。由于采用了将中间介质在完全封闭的回路中循环，既将低品位热能转化为电能，又避免了由于中间介质泄漏引起的运行费用增加、可靠性降低及环境污染等问题。

Claims (10)

1.一种针对低品位热能的完全封闭循环发电系统，其特征在于，包括一工质循环发电主回路、一泄漏工质回注回路、以及一发电机；

所述的工质循环发电主回路由蒸发装置、膨胀机、冷凝装置、以及循环泵构成；其中：所述的蒸发装置、膨胀机、冷凝装置、循环泵通过管道按顺序连接，所述的循环泵的输出端再通过管道与蒸发装置的工质输入端连接，组成工质循环发电主回路；所述的蒸发装置的低品位热能输入端输入低品位热能；所述的工质循环发电主回路中注入中间介质；

所述的泄漏工质回注回路由限流装置、储罐、分离装置、以及回注装置构成；其中：所述的限流装置、储罐、分离装置、回注装置通过管道按顺序连接，所述的限流装置与所述的膨胀机的功率输出端连接，所述的回注装置的输出端通过管道与工质循环发电主回路连接，组成泄漏工质回注回路；

所述的发电机通过齿轮箱与膨胀机的功率输出端连接。

2.根据权利要求1所述的针对低品位热能的完全封闭循环发电系统，其特征在于，所述的中间介质选择包括五氟丙烷、四氟乙烷、丙烷、异丁烷、戊烷、环戊烷、硅油、氨水中的一种或几种的混合物。

3.根据权利要求1或2所述的针对低品位热能的完全封闭循环发电系统，其特征在于，所述的中间介质通过冷凝装置上设置的工质注入孔注入到工质循环发电主回路，或通过在与冷凝装置的输入端或输出端相连接的管道上设置的注入孔注入到工质循环发电主回路；

所述的回注装置的输出端通过管道与冷凝装置上设置的工质回注孔连接，或与在冷凝装置的输入端或输出端相连接的管道上设置的回注孔连接。

4.根据权利要求3所述的针对低品位热能的完全封闭循环发电系统，其特征在于，所述的注入孔与回注孔可以是同一个孔，也可以分别设置。

5.根据权利要求1所述的针对低品位热能的完全封闭循环发电系统，其特征在于，

所述的限流装置选择包括蜂窝密封、迷宫密封、机械密封、干气密封中的一种或几种的组合；

所述的回注装置由泵或压缩机构成。

6.根据权利要求1所述的针对低品位热能的完全封闭循环发电系统，其特征在于，

所述的膨胀机为轴流式或径流式膨胀机；

所述的齿轮箱的速比小于20。

7.根据权利要求1所述的针对低品位热能的完全封闭循环发电系统，其特征在于，所述的蒸发装置由一组加热装置构成，或由几组加热装置并联构成；每一组加热装置由一个换热器或多个换热器串联组成。

8.根据权利要求1所述的针对低品位热能的完全封闭循环发电系统，其特征在于，所述的冷凝装置选择水冷式冷凝装置或是空冷式冷凝装置。

9.一种针对低品位热能的完全封闭循环发电方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立如权利要求1-8任一项所述的工质循环发电主回路及泄漏工质回注回路的步骤；

选择中间介质并注入工质循环发电主回路的步骤：根据低品位热能的特点选择适合的中间介质，并在整个系统工作前将所述的中间介质注入到工质循环发电主回路；

换热并膨胀做功的步骤：所述的的中间介质被泵入蒸发装置，在蒸发装置内该中间介质与低品位热能换热、并被该蒸发装置输出的热能加热成蒸汽，该蒸汽进入膨胀机膨胀做功；

产生电能的步骤：膨胀机输出的机械功经过齿轮箱传递到发电机产生电能；

做功后乏蒸汽的中间介质被冷凝装置冷凝的步骤；

循环使用的步骤：冷凝下来的中间介质经过循环泵被重新送入蒸发装置循环使用；

完成一个循环；

对泄漏的中间介质回收利用的步骤：首先通过限流装置降低膨胀机的输出端输出的工质泄漏量；对经过限流装置限流后仍然泄漏出的中间介质，先是进入储罐，再经过分离装置分离，最后通过回注装置将这部分中间介质重新注入工质循环发电主回路，循环利用。

10.根据权利要求9所述的一种针对低品位热能的完全封闭循环发电方法，其特征在于，

所述的选择中间介质并注入工质循环发电主回路的步骤中，所述的中间介质是通过冷凝装置上设置的工质注入孔注入到工质循环发电主回路，或通过在与冷凝装置的输入端或输出端相连接的管道上设置的注入孔注入到工质循环发电主回路；

所述的对泄漏的中间介质回收利用的步骤中，通过回注装置提升压力将泄漏的中间介质重新注入工质循环发电主回路；所述的回注装置的回注口通过管道与冷凝装置上设置的工质回注孔连接，或与在冷凝装置的输入端或输出端相连接的管道上设置的回注孔连接。

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