CN103527273A - 一种非能动式有机物工质发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非能动式有机物工质发电装置，包括透平、发电机、冷凝器、储液罐、蒸发器、自力式压控阀和联轴器，蒸发器设有两台，外部低温热源流体通过管道分别与两台蒸发器热源侧的进出口相连，加热蒸发器中的液体工质，透平的轴通过联轴器与发电机的轴相连，透平的出口和冷凝器的工质侧入口相连，冷凝器的工质侧出口经过自力式压控阀与储液罐顶部入口相连，冷凝器的冷源侧进出口分别通过管道与外部冷源流体相连。与现有技术相比，本发明充分利用低温热能发电，整个装置结构简单，性能可靠。

Description

一种非能动式有机物工质发电装置

技术领域

本发明涉及能源技术领域的装置，尤其是涉及一种非能动式有机物工质发电装置。

背景技术

低温热源通常指温度在200℃以下的热源，其种类丰富，总量巨大，主要包括太阳能热、地热及工业余热等。据统计，我国有三分之二的国土年太阳辐射总量大于每平米5000MJ，全国可采地热资源量约为33亿吨标准煤，工业能耗占全国能源总量的70％左右，而工业余热约占工业能耗的15％。由于低温热源难以通过常规的发电设备进行回收利用，绝大多数的低温热源被白白排放到环境之中，造成极大的浪费和环境污染。因此，如何高效回收利用这部分总量巨大的能源成为了当前能源技术领域的一个热点。其中，有机物工质朗肯发电装置采用低沸点工质，工质蒸汽能以较高的压力进入透平膨胀做功，整体装置结构简单，技术切实可行，热源利用率高，比传统水蒸汽朗肯循环发电装置更适合用于利用这些低温热源。

早在1924年，科学家就开始研究采用低沸点有机物工质二苯醚作为工质的有机物朗肯循环。随着人们对世界性能源危机意识的加强，引起各国政府和能源科技工作者对有机物朗肯循环的重视，美国、日本、以色列、意大利、德国、法国等发电国家相继投入大量的人力、物力，争相研发有机物朗肯循环发电技术。目前，有机物工质朗肯发电装置主要应用于地热电站、太阳光热、工业余热和生物质能热发电。国外，掌握有机物朗肯循环发电技术的公司主要有Electra Therm、Turboden、Eneftech、Ormat、Freepower、Green Energy Australasia和Infinityturbine等。我国有机物工质朗肯循环发电技术及装置的研制始于20世纪70年代初期。虽然我国的有机物工质朗肯循环发电技术已开发多年，但是我国在该技术上仍未能取得实质性的突破。目前，国内至今仍无有机物工质朗肯循环发电装置的专业设计和制造单位，更无法形成相关定型产品的研发和生产能力。

常规的制冷方法是在外部动力作用下才能工作，需要由工质泵加压后才能工作，而工质泵本身需要消耗大量的电能，导致系统总体效率降低，建设和维护成本增加。此外控制过程也需要外部提供电力部件，工质泵和阀门等是需要外部控制信号的部件。所以常规的有机物朗肯循环发电装置对外部条件要求高，对外部条件依赖度大，装置维护成本高，同时工质泵能耗较高使得装置系统效率低。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、性能可靠且成本较低的非能动式有机物工质发电装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种非能动式有机物工质发电装置，包括透平、发电机、冷凝器、储液罐、蒸发器、自力式压控阀和联轴器，

所述的蒸发器设有两台，外部低温热源流体通过管道分别与两台蒸发器热源侧的进出口相连，加热蒸发器中的液体工质，

第一蒸发器的工质侧出口经过第一自力式压控阀与透平入口相连，工质侧入口经过第二自力式压控阀与储液罐出口相连，

第二台蒸发器的工质侧出口经过第三自力式压控阀与透平入口相连，工质侧入口经过第四自力式压控阀与储液罐底部出口相连，

所述的透平的轴通过联轴器与发电机的轴相连，透平的出口和冷凝器的工质侧入口相连，冷凝器的工质侧出口经过第五自力式压控阀与储液罐顶部入口相连，冷凝器的冷源侧进出口分别通过管道与外部冷源流体相连。

所述的储液罐的位置比蒸发器高200-2000mm，利用重力势能差传输液体工质。

所述的液体工质为有机物工质。

所述的有机物工质选自R142b、R245fa、R601a或R600a等有机物工质中的一种或几种。

利用连接在管道上的自力式压控阀控制整个发电过程。

该装置以地热、太阳光热或工业余热的低温热源为热源，热源温度范围为85～200℃，蒸发器的工作压力为液体工质在热源温度在85～200℃时对应的饱和压力。

该装置以地下水、河水、海水或空气为冷源，冷源温度范围为0～45℃，冷凝器的工作压力为液体工质在冷却水或冷却空气温度在0～45℃时对应的饱和压力。

两台蒸发器轮流向透平输出高温高压蒸汽，不需要工质泵就能重新填充液体工质并提高液体工质的工作压力。

所述的透平膨胀比范围为1.5～15。

与现有技术相比，本发明的蒸发器内的有机物工质受热蒸发，使蒸发器内和温度不断增加。通过合理设计，第一蒸发器内工质压力也达到透平设计工作压力，第一蒸发器出口的第一自力式压控阀在工作压力触发下打开，工作蒸汽进入透平，推动透平做功，带动发电机输出电能，做功后的低压低温乏气进入冷凝器冷凝。冷凝后的液态工质流入储液罐。随着第一蒸发器中工作蒸汽的消耗，蒸发器中的压力逐渐下降到自力式压控阀的设定值，第一自力式压控阀和第五自力式压控阀自动关闭，第二自力式压控阀自动开启，在重力的作用下，储液罐中的液体工质重新流入第一蒸发器中，然后第二自力式压控阀再次关闭，第五自力式压控阀开启，第一蒸发器内工质在密闭容器内被热源加热升压等待下一次的循环。第一蒸发器重新填充时，也就是第一自力式压控阀、五关闭和第三自力式压控阀开启时，第二蒸发器内工质压力已被加热至设计值，第三自力式压控阀自动开启，接替第一蒸发器继续输出工作蒸汽，带动透平和发电机输出电能。第二蒸发器填充工质方法与第一蒸发器相同，第三自力式压控阀、五自动关闭，第四自力式压控阀自动开启，液态工质在重力作用下从储液罐流入第二蒸发器，填充完毕后，第四自力式压控阀自动关闭，第五自力式压控阀自动开启。第二蒸发器填充工质与被加热至工作点期间，第一蒸发器内工质压力按设计已被加热至设计值，正好接替第一蒸发器输出工作蒸汽。第一蒸发器、二轮流输出工作蒸汽，从而能连续带动透平做功，输出电能。本发明利用重力传输液体工质；系统无工质泵，而是依靠工质在密闭空间受热蒸发实现压力的升高；通过自力式压控阀对发电过程进行控制，整个发电装置结构简单、性能可靠且成本较低，易于实现小型化、实用化。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中：1为透平、2为发电机、3为冷凝器、4为储液罐、5为第一蒸发器、6为第二蒸发器、7为第一自力式压控阀、8为第二自力式压控阀、9为第三自力式压控阀、10为第四自力式压控阀、11为第五自力式压控阀门、12为联轴器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种非能动式有机物工质发电装置，其结构如图1所示，本实施例包括：透平1、发电机2、冷凝器3、储液罐4、第一蒸发器5、第二蒸发器6、第一自力式压控阀7、第二自力式压控阀8、第三自力式压控阀9、第四自力式压控阀10、第五自力式压控阀11和联轴器12，其中外部低温热源流体通过管道分别与第一蒸发器5和第二蒸发器6热源侧的进出口相连，加热蒸发器中的有机物工质，第一蒸发器5工质侧出口经过第一自力式压控阀7与透平1入口相连，第一蒸发器5工质侧入口经过第二自力式压控阀8与储液罐4底部出口相连，第二蒸发器6工质侧出口经过第三自力式压控阀9与透平1入口相连，第二蒸发器6工质侧入口经过第四自力式压控阀10与储液罐4底部出口相连，透平1的轴通过联轴器12与发电机2的轴相连，透平1的出口和冷凝器3工质侧入口相连，冷凝器3工质侧出口经过第五自力式压控阀11与储液罐4顶部入口相连，冷凝器3冷源侧进出口分别通过管道与外部冷源流体相连。

本发明采用的有机物工质有：R245fa、R600、R600a、R141b、R142b等或混合物。本发明的储液罐比蒸发器的相对位置高200-2000MM，利用重力势能差传输液体工质。

在使用时，第一蒸发器5、第二蒸发器6内的有机物工质受热蒸发，使蒸发器内和温度不断增加。通过合理设计，第一蒸发器5内工质压力先达到透平1设计工作压力，第一蒸发器5出口的第一自力式压控阀7在工作压力触发下打开，工作蒸汽进入透平1，推动透平1做功，带动发电机2输出电能，做功后的低压低温乏气进入冷凝器3冷凝。冷凝后的液态工质流入储液罐4。随着第一蒸发器5中工作蒸汽的消耗，蒸发器中的压力逐渐下降到自力式压控阀的设定值，第一自力式压控阀7和第五自力式压控阀11自动关闭，第二自力式压控阀8自动开启，在重力的作用下，储液罐4中的液体工质重新流入第一蒸发器5中，然后第二自力式压控阀8再次关闭，第五自力式压控阀11开启，第一蒸发器5内工质在密闭容器内被热源加热升压等待下一次的循环。第一蒸发器5重新填充时，也就是第一自力式压控阀7、第五自力式压控阀11关闭和第三自力式压控阀9开启时，第二蒸发器8内工质压力已被加热至设计值，第三自力式压控阀9自动开启，接替第一蒸发器5继续输出工作蒸汽，带到透平和发电机输出电能。第二蒸发器6填充工质方法与第一蒸发器5相同，第三自力式压控阀9、五11自动关闭，第四自力式压控阀10自动开启，液态工质在重力作用下从储液罐4流入第二蒸发器6，填充完毕后，第四自力式压控阀10自动关闭，第五自力式压控阀11自动开启。第二蒸发器6填充工质与被加热至工作点期间，第一蒸发器5内工质压力按设计已被加热至设计值，正好接替第一蒸发器5输出工作蒸汽。第一蒸发器5、二6轮流输出工作蒸汽，从而能连续带动透平做功，输出电能。

本实施例可利用太阳能、地热、低温余热等温度范围在85℃～200℃的低温热能作为热源，蒸发器的工作压力为液体工质在热源温度在85～200℃时对应的饱和压力。以地下水、河水、海水或空气为冷源，冷源温度范围为0～45℃，冷凝器的工作压力为液体工质在冷却水或冷却空气温度在0℃～45℃时对应的饱和压力。本装置可依靠地下水、河(海)水或空气作为冷源进行工作，可以实现的发电功率可由数千瓦到数百千瓦。

Claims (9)

1.一种非能动式有机物工质发电装置，其特征在于，该发电装置包括透平、发电机、冷凝器、储液罐、蒸发器、自力式压控阀和联轴器，

所述的蒸发器设有两台，外部低温热源流体通过管道分别与两台蒸发器热源侧的进出口相连，加热蒸发器中的液体工质，

一台蒸发器的工质侧出口经过自力式压控阀与透平入口相连，工质侧入口经过自力式压控阀与储液罐出口相连，

另一台蒸发器的工质侧出口经过自力式压控阀与透平入口相连，工质侧入口经过自力式压控阀与储液罐底部出口相连，

所述的透平的轴通过联轴器与发电机的轴相连，透平的出口和冷凝器的工质侧入口相连，冷凝器的工质侧出口经过自力式压控阀与储液罐顶部入口相连，冷凝器的冷源侧进出口分别通过管道与外部冷源流体相连。

2.根据权利要求1所述的一种非能动式有机物工质发电装置，其特征在于，所述的储液罐的位置比蒸发器高200-2000mm，利用重力势能差传输液体工质。

3.根据权利要求1或2所述的一种非能动式有机物工质发电装置，其特征在于，所述的液体工质为有机物工质。

4.根据权利要求3所述的一种非能动式有机物工质发电装置，其特征在于，所述的有机物工质为R142b、R245fa、R601a或R600a等有机物工质中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的一种非能动式有机物工质发电装置，其特征在于，利用连接在管道上的自力式压控阀控制整个发电过程。

6.根据权利要求1所述的一种非能动式有机物工质发电装置，其特征在于，该装置以地热、太阳光热或工业余热等低温热能为热源，热源温度范围为85～200℃，蒸发器的工作压力为液体工质在热源温度在85～200℃时对应的饱和压力。

7.根据权利要求1所述的一种非能动式有机物工质发电装置，其特征在于，该装置以地下水、河水、海水或空气为冷源，冷源温度范围为0～45℃，冷凝器的工作压力为液体工质在冷却水或冷却空气温度在0～45℃时对应的饱和压力。

8.根据权利要求1所述的一种非能动式有机物工质发电装置，其特征在于，两台蒸发器轮流向透平输出高温高压蒸汽，不需要工质泵就能重新填充液体工质并提高液体工质的工作压力。

9.根据权利要求1所述的一种非能动式有机物工质发电装置，其特征在于，所述的透平膨胀比范围为1.5～15。