CN103590863A

CN103590863A - 一种卡诺－有机朗肯双循环混合高效发电系统

Info

Publication number: CN103590863A
Application number: CN201310595508.6A
Authority: CN
Inventors: 孟宁
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-11-21
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2033-11-21
Also published as: CN103590863B

Abstract

本发明提供了一种卡诺－有机朗肯双循环混合高效发电系统，包括有机朗肯循环回路和卡诺循环回路；所述有机朗肯循环回路包括回热器以及通过管路依次连接成环的工质泵、蒸发器、热功动力转换机械、冷凝器、气液分离器；所述卡诺循环回路包括依次串联的一组压缩机和换热器，一组压缩机两两之间设有冷却器；一组压缩机进口与气液分离器气体出口连接，所述换热器出口设于蒸发器和热功动力转换机械之间；所述有机朗肯循环回路采用苯类、氢氟烃或烃类作为有机朗肯循环工质。该设备将低温有机朗肯循环与卡诺循环直接结合，利用卡诺循环效率高的优点，对低效率的有机朗肯循环加以改进，从而实现了大幅度提高有机朗肯循环热效率的效果。

Description

一种卡诺-有机朗肯双循环混合高效发电系统

技术领域

本发明属于电力设备领域，特别涉及一种卡诺－有机朗肯双循环混合高效发电系统。

背景技术

随着煤炭、石油、天然气等化石能源消耗量的不断攀升，以及由于能源消耗带来的环境负担（如雾霾、PM2.5等)，能源和环境问题已经成为全世界共同关注的重大问题。我国虽然是能源大国，人均能源拥有量却很低，能源利用效率也不高，节能减排是我国目前的基本国策。在此背景下，使用有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，简称“ORC”)将低品位热量转换为电能引起了越来越多的关注。有机朗肯循环发电技术有别于常规朗肯循环发电技术，其特点是：不是用水作为工质，而是使用低沸点的有机物作为工质来吸收热量，汽化膨胀做功发电。“ORC”发电系统主要有蒸发器、有机工质、膨胀机（或汽轮机）、发电机、冷凝器、工质泵、发电控制系统和并网系统等组成。有机朗肯循环，其原理和朗肯循环完全一样，只是在朗肯循环中采用有机工质代替水蒸汽推动膨胀机（或汽轮机）做功。低压液态有机工质经过工质泵增压后进入蒸发器吸收热量，转变为高温高压蒸气之后，高温高压有机工质蒸气推动膨胀机（或汽轮机）做功，产生动力输出；膨胀机（或汽轮机）出口的低压蒸气进入冷凝器向低温热源放热而被冷凝为液态，如此往复循环。目前，有机朗肯循环作为回收余热废热的一条有效途径，广泛的应用于工业余热、地热、太阳热等利用，各国工业界和学术界正积极投入力量进行相关研发工作。

朗肯（W.J.M.Rankine，1820－1872年)，英国科学家，计算出的热力学循环（后称为朗肯循环）的热效率，被作为计算蒸汽动力发电厂性能的经典方法。朗肯循环的特点是在热力循环中存在气液相变。有机朗肯循环发电是通过有机工质在热力设备中的气液相变，不断进行等压加热（蒸发）、绝热膨胀、等压放热（冷凝）和绝热压缩4个过程，使热能不断转化为机械能，再由发电机将机械能转化为人们所需要的电能。有机朗肯循环有很多优点，可利用的热源温度低，做功发电量大，容易各种规模的发电，且使用的有机工质，具有热导率高、沸点低等优点，可以广泛的应用于地热发电（80-200℃），工业余热发电（80-400℃），生物质发电（100-350℃），太阳热发电（100-390℃）及各类余热发电等领域。但其最大的缺点是发电效率较低，一般都低于25%。如何提高发电效率，其途径有两个，一个是提高热源的温度，蒸发的温度越高，其显热/冷凝潜热比例越高，有机朗肯循环的热效率就越高，因此提高蒸发的温度是提高热电转化效率的有效手段。但在实际使用时，由于ORC操作温度的提高受到低温热源温度的限制，抑制了低温热效率的提高。另外，减少冷凝热的排放也是提高有机朗肯循环的热效率的一个有效途径，但几乎很少有涉及。

卡诺循环(Carnot cycle)是由法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年提出的，以分析热机的工作过程及效率。卡诺循环的特点是气体工质的动力循环在热力循环中不存在相变，包括四个步骤：气体等温膨胀，气体绝热膨胀，气体等温压缩，气体绝热压缩。这种由两个等温过程和两个绝热过程所构成的气体循环成为卡诺循环。根据热力学第二定律，在相同的高、低温热源温度T₁与T₂之间工作的一切循环中,以卡诺循环的热效率为最高，称为卡诺定理。尽管卡诺循环的热效率高，但完全按照卡诺循环工作的热机在现实中是难以实现的，因为热机的膨胀做功是高压气体在较短的时间内完成的，是绝热膨胀过程，很难通过外部加热来实现等温膨胀过程；而低压气体等温压缩，也是在较短的时间内完成的，是绝热压缩过程，也很难通过外部冷凝来实现气体等温压缩过程。此外，卡诺循环是以气体作为传热循环工质，气体的热传导率较小，为水的1/20左右，换热较困难，用于加热及冷凝气体的换热器的体积远大于朗肯循环，造成换热设备的成本大幅度增加。

有机朗肯循环及卡诺循环都有各自的热力学优势，因此如何发挥其优势，克服缺点，探索新的循环方法及理论，找到大幅度提高热力循环效率的新途径，无疑具有十分重要的意义。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种发电效率高的卡诺－有机朗肯双循环混合高效发电系统，利用卡诺循环效率高的优点，对低效率的有机朗肯循环加以改进，从而实现大幅度提高有机朗肯循环热效率的目的。

技术方案：本发明提供的一种卡诺－有机朗肯双循环混合高效发电系统，包括有机朗肯循环回路和卡诺循环回路；所述有机朗肯循环回路包括回热器以及通过管路依次连接成环的工质泵、蒸发器、热功动力转换机械、冷凝器、气液分离器，工质泵、蒸发器之间的管路以及热功动力转换机械、冷凝器之间的管路均设于回热器内；所述卡诺循环回路包括依次串联的一组压缩机和换热器，一组压缩机两两之间设有冷却器；一组压缩机进口与气液分离器气体出口连接，所述换热器出口设于蒸发器和热功动力转换机械之间；所述有机朗肯循环回路采用苯类、氢氟烃或烃类作为有机朗肯循环工质。

作为优选，所述有机朗肯循环工质为苯类、R23、R32、R41、R116、R125、R134a、R143a、R152a、R218、R227ea、R236ea、R236fa、R245fa、R318、R404A、R407A、R407B、R407C、R407D、R407E、R410A、R410B、R413A、R417A、R419A、R421A、R421B、R422A、R422B、R422C、R422D、R423A、R424A、R425A、R427A、R428A、R507A、R1150、R170、R1270、R290或R744。

作为另一种优选，所述压缩机的数量为两个以上。

作为另一种优选，压缩机为涡旋式压缩机、螺杆式压缩机、离心式压缩机或活塞式压缩机。

作为另一种优选，还包括发电机，所述发电机与热功动力转换机械连接。

作为另一种优选，还包括第一调节阀，所述第一调节阀设于蒸发器和热功动力转换机械之间。

作为另一种优选，还包括第二调压阀，所述第二调压阀设于换热器和热功动力转换机械之间。

作为另一种优选，所述卡诺循环回路采用二氧化碳、空气、氮气、氦气、氢气、氧气中的一种或几种的混合作为卡诺循环工质。

作为另一种优选，所述的热功动力转换机械为汽轮机或膨胀机。

作为进一步优选，所述膨胀机为涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、离心式膨胀机或活塞式膨胀机。

有益效果：本发明提供的卡诺－有机朗肯双循环混合高效发电系统，将低温有机朗肯循环与卡诺循环直接结合，利用卡诺循环效率高的优点，对低效率的有机朗肯循环加以改进，从而实现了大幅度提高朗肯循环热效率的效果。

具体而言，本发明将低效率的朗肯循环与高效率的卡诺循环结合，把两者有机的结合起来，能够实现发挥各自的优势，形成一个双循环动力设备，从而大幅度提高了设备的热效率，该发电设备能够比传统的朗肯循环发电装置效率提高20%以上。

本发明设备既可对现有火力、核电、各种余热电站及太阳热电站的大、中、小的发电机组加以改造，以提高其发电效率，也可用于新建卡诺－有机朗肯双循环混合高效发电系统用于高效发电机组的设计、建造；该设备可大幅度节约能源消耗，具有发电效率高、发电量大等优点。

附图说明

图1为本发明卡诺－有机朗肯双循环混合高效发电系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出进一步说明。

卡诺－有机朗肯双循环混合高效发电系统，见图1，包括有机朗肯循环回路1、卡诺循环回路2和发电机3；有机朗肯循环回路1包括回热器17以及通过管路依次连接成环的工质泵11、蒸发器12、第一调节阀16、热功动力转换机械13、冷凝器14和气液分离器15，工质泵11、蒸发器12之间的管路以及热功动力转换机械13、冷凝器14之间的管路均设于回热器17内；卡诺循环回路2包括依次串联的一组压缩机21、换热器22和第二调压阀23，一组压缩机21两两之间设有冷却器，即卡诺循环回路2包括依次串联的第一级压缩机24、第一冷却器25、第二级压缩机26、第二冷却器27、第三级压缩机28、换热器22和第二调压阀23；第一级压缩机24进口与气液分离器15气体出口连接，第二调压阀23出口设于第一调节阀16和热功动力转换机械13之间；发电机3与热功动力转换机械13连接。

本发明中，压缩机21的数量为3个，可选地，压缩机21的数量也可以根据需要合理设置，只要是在一个以上均可实现本发明的目的，然而，使用两个以上的压缩机串联，能够大大提高发电效率。

本发明中，热功转换机械13为汽轮机；可选地，也可以选择任意合适的热功转换机械；优选地，可选用汽轮机或膨胀机，其中，膨胀机包括但不限于涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、离心式膨胀机和活塞式膨胀机。

本发明中，压缩机21为涡旋式压缩机；可选地，也可以选择任意合适的，压缩机；优选地，可选用涡旋式压缩机、螺杆式压缩机、离心式压缩机或活塞式压缩机。

该装置的工作原理为：

气液分离器15分离的液体工质被工质泵11泵入回热器17中预热、蒸发器12中加热形成高温高压的饱和蒸汽，进入热功动力转换机械13中带动发电机3发电，乏汽经冷凝器14经回热器17预冷后进入气液分离器15形成凝结的液体工质和低压气体，气液分离器15将凝结的液体工质分离至有机朗肯循环回路1中，完成一次朗肯循环；气液分离器15将低压气体分离至卡诺循环回路2中，低压气体经压缩机21和冷却器，经数级冷却压缩后，产生高压气体，与高压锅炉1的高温高压的饱和蒸汽混合，形成高压混合蒸汽，进入热功动力转换机械13内，带动发电机3发电。

工质蒸气膨胀时，将由汽相冷凝为液相；由于卡诺循环回路产生的高压气体的热容远小于有机工质，在膨胀做功时，其温度降低幅度将会大于有机工质饱和蒸汽温度的降低幅度，迫使高压气体吸收有机工质饱和蒸汽释放的冷凝热，通过在热机内部加热高压气体，巧妙的实现了气体等温膨胀的过程。而卡诺循环回路中低压气体的等温压缩，是通过多极压缩及多极外部环境冷凝来实现等温压缩的过程。根据热力学理论，热机膨胀过程中等温膨胀做功最大，而在压缩过程中等温压缩最省功。但要实现等温压缩，必须使气体的热量随时与外界交换，气体温度与外界相等，这在实际工作中是不可能实现的。为降低压缩后的气体温度和减小压缩机功耗，尽可能向定温压缩过程靠近，分级压缩加中间冷却是有效的方法。分级压缩后必须经过中间冷却，使进入到第二级的压缩空气进气温度，等于或接近于第一级的进气温度，这样才能降低排气温度和压缩机功耗。

将上述卡诺－有机朗肯双循环混合高效发电系统用于不同条件下发电。

应用实例一，蒸发器12及换热器22的加热温度为300℃，有机朗肯循环回路1采用苯作为工作介质，其饱和蒸汽的压力为4.8Mpa，冷凝器14冷凝温度为30℃，卡诺循环回路2采用氦气作为工作介质，冷凝采用水冷方式，两个循环高压侧的流量及压力相同。

应用实例二，蒸发器12及换热器22的加热温度为200℃，有机朗肯循环回路1采用R245fa作为工作介质，其饱和蒸汽的压力为3.38Mpa，冷凝器14冷凝温度为30℃，卡诺循环回路2采用二氧化碳作为工作介质，冷凝采用风冷方式，两个循环高压侧的流量及压力相同。

应用实例三，蒸发器12及换热器22的加热温度为100℃，有机朗肯循环回路1采用R134a作为工作介质，其饱和蒸汽的压力为3.97Mpa，冷凝器14冷凝温度为30℃，卡诺循环回路2采用氮气作为工作介质，冷凝采用风冷方式，两个循环高压侧的流量及压力相同。

应用实例四，蒸发器12及换热器22的加热温度为75℃，有机朗肯循环回路1采用R32作为工作介质，其饱和蒸汽的压力为5.41Mpa，冷凝器14冷凝温度为30℃，卡诺循环回路2采用氮气作为工作介质，冷凝采用风冷方式，两个循环高压侧的流量及压力相同。

以上的仅为本发明的具体实施例，除此之外的温度范围，可根据热源温度的高低对设备进行优化设计，调整各循环的流量及压力，以达到最高的热功转换效率。应用实例中的等流量的卡诺－有机朗肯循环设备的热效率比较如表1。

表1卡诺－有机朗肯双循环混合高效发电系统的热效率比较

以下应用实例与应用实例三基本相同，不同之处仅在于：采用其他氢氟烃或烃类替代R134a作为工作介质，热效率见表2。

表2采用其他氢氟烃或烃类作为工作介质的双循环混合发电设备的热效率

工作介质	热效率（％）	工作介质	热效率（％）	工作介质	热效率（％）
						R23	17	R407B	14	R422C	14
R41	16	R407C	14	R422D	14
						R116	15	R407D	14	R423A	14
R125	15	R407E	14	R424A	14
						R143a	15	R410A	14	R425A	14
R152a	15	R410B	14	R427A	14
						R218	15	R413A	14	R428A	14
R227ea	15	R417A	14	R507A	14
						R236ea	15	R419A	14	R1150	16
R236fa	15	R421A	14	R170	16
						R318	15	R421B	14	R1270	16
R404A	14	R422A	14	R290	17
						R407A	14	R422B	14	R744	18

以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是本发明并非局限于此，除此之外，本发明还可以其他方式实现，在不脱离本发明构思及发明精神的前提下，任何显而易见的修改及替换均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种卡诺－有机朗肯双循环混合高效发电系统，其特征在于：包括有机朗肯循环回路（1）和卡诺循环回路（2）；所述有机朗肯循环回路（1）包括回热器（17）以及通过管路依次连接成环的工质泵（11）、蒸发器（12）、热功动力转换机械（13）、冷凝器（14）、气液分离器（15），工质泵（11）、蒸发器（12）之间的管路以及热功动力转换机械（13）、冷凝器（14）之间的管路均设于回热器（17）内；所述卡诺循环回路（2）包括依次串联的一组压缩机（21）和换热器（22），一组压缩机（21）两两之间设有冷却器；一组压缩机（21）进口与气液分离器（15）气体出口连接，所述换热器（22）出口设于蒸发器（12）和热功动力转换机械（13）之间；所述有机朗肯循环回路（1）采用苯类、氢氟烃或烃类作为有机朗肯循环工质。

2.根据权利要求1所述的一种卡诺－有机朗肯双循环混合高效发电系统，其特征在于：所述朗肯循环工质为苯类、R23、R32、R41、R116、R125、R134a、R143a、R152a、R218、R227ea、R236ea、R236fa、R245fa、R318、R404A、R407A、R407B、R407C、R407D、R407E、R410A、R410B、R413A、R417A、R419A、R421A、R421B、R422A、R422B、R422C、R422D、R423A、R424A、R425A、R427A、R428A、R507A、R1150、R170、R1270、R290或R744。

3.根据权利要求1所述的一种卡诺－有机朗肯双循环混合高效发电系统，其特征在于：所述压缩机（21）的数量为两个以上。

4.根据权利要求1所述的一种卡诺－有机朗肯双循环混合高效发电系统，其特征在于：压缩机（21）为涡旋式压缩机、螺杆式压缩机、离心式压缩机或活塞式压缩机。

5.根据权利要求1所述的一种卡诺－有机朗肯双循环混合高效发电系统，其特征在于：还包括发电机（3），所述发电机（3）与热功动力转换机械（13）连接。

6.根据权利要求1所述的一种卡诺－有机朗肯双循环混合高效发电系统，其特征在于：还包括第一调节阀（16），所述第一调节阀（16）设于蒸发器（12）和热功动力转换机械（13）之间。

7.根据权利要求1所述的一种卡诺－有机朗肯双循环混合高效发电系统，其特征在于：还包括第二调压阀（23），所述第二调压阀（23）设于换热器（22）和热功动力转换机械（13）之间。

8.根据权利要求1所述的一种卡诺－有机朗肯双循环混合高效发电系统，其特征在于：所述卡诺循环回路（2）采用二氧化碳、空气、氮气、氦气、氢气、氧气中的一种或几种的混合作为卡诺循环工质。

9.根据权利要求1所述的一种卡诺－有机朗肯双循环混合高效发电系统，其特征在于：所述的热功动力转换机械（13）为汽轮机或膨胀机。

10.根据权利要求9所述的一种卡诺－有机朗肯双循环混合高效发电系统，其特征在于：所述膨胀机为涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、离心式膨胀机或活塞式膨胀机。