CN103615293B - 二氧化碳热泵与有机工质联合发电系统 - Google Patents
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Abstract
一种二氧化碳热泵与有机工质联合发电系统，包括：二级加热子系统、有机工质循环子系统、CO2热泵循环子系统。汽轮机中的低品位蒸汽输入二级加热器加热有机工质，加热后高温有机工质输入膨胀器中驱动发电机发电，发电后低温有机工质与CO2进行热量交换，从而降低CO2的温度，这部分冷源可以用来建筑物制冷。同时制冷后的CO2通过冷凝换热器将热量交换给有机工质，快速提高有机工质的温度，从而驱动发动机发电，提高发电效率。
Description
技术领域
本发明属于一种发电系统，特别是二氧化碳热泵与有机工质联合发电系统。
背景技术
国内外对于低温热能利用的研究主要开始于20世纪70年代的石油危机时期。其中，有机物朗肯循环与热泵的研究和应用最为广泛。早在1924年，就有人开始研究采用二苯醚作为工质的有机物朗肯循环。到目前为止，全世界已有2OOO多套ORC装置在运行，并且有十几家生产制造企业，生产出单机容量为14000kW的ORC发电机组。对低温热能发电技术的研究主要集中在以下几个方面：工质的热力学特性和环保性能；混合工质的应用；热力循环的优化等。国外有机朗肯循环低温热发电技术主要应用于地热发电，低温有机工质发电是通过利用低温热（100℃）来加热某种沸点较低的工质，使之变为高压有机蒸汽，推动汽轮机去带动发电机发电。和常规的有机朗肯循环一样，由蒸发器、汽轮机、冷凝器和工质泵组成，工质在热力设备中不断进行等压加热、绝热膨胀、等压放热和绝热压缩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。热泵是全世界倍受关注的新节能技术。热泵按热源获取来源的种类可分为：水源热泵，地源热泵，空气源热泵，双源热泵（水源热泵和空气源热泵结合）。热泵按工作环境温度的种类可分为：低温热泵，普通热泵。热泵按产热温度的种类可分为：中温热泵（50-70度）高温热泵（80-90度）。其中CO2热泵就是采用CO2作为制冷剂的热泵或空调，普通热泵一般采用氟利昂作为制冷剂，两者的工作原理基本是一样的，都属于蒸汽压缩式，但也稍有不同，CO2热泵属于超临界循环，即在冷凝器端，CO2是不会被冷凝成液体的，而氟利昂冷媒在冷凝器端是被冷凝成液体再节流的。应用CO2做为制冷剂的主要原因是目前大量使用的氟利昂如R12、R22等被证明对环境有破坏作用，一个破坏作用是对臭氧层的破坏，一个是具有温室效应，而CO2是地球本身就有的气体，来自于地球，即使排放到地球对环境也没有影响。但CO2作为制冷剂的热泵系统，其工作压力超高，高压超过100kgf/cm2，而R22的热泵系统高压一般为2kgf/cm2多，因此，CO2热泵系统的配件、铜管等都需要耐高压，由此导致其成本比一般的热泵系统高很多。但作为热泵来说，采用CO2还有一个好处就是其排气温度较高，而且在低温下的效果也比较好，作为热泵热水器来说，就意味着可以烧更高温度的热水，如90℃，也可以在更低环境温度下工作，如-15℃等。
发明内容
本发明将CO2热泵和有机工质发电技术结合起来，克服单一使用有机工质发电机组效率低高能耗的缺点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：整个系统包括：二级加热循环子系统、有机工质循环子系统、CO2热泵循环子系统；
汽轮机与二级加热器、除氧器顺次连接形成二级加热子系统；二级加热器顺次连接膨胀器、有机工质CO2换热器、工质泵、一级冷凝换热器、二级冷凝换热器形成有机工质循环子系统，其中膨胀器与发电机连接；有机工质CO2换热器顺次与CO2空调换热器、CO2热泵压缩机、二级冷凝换热器、一级冷凝换热器、CO2膨胀器连接形成CO2热泵循环子系统，其中CO2空调换热器与空调进出水口连接；
汽轮机中的低品位蒸汽输入二级加热器加热有机工质，加热后的低品位蒸汽通过除氧器后输入汽轮机中；加热后带有高热量的有机工质输入膨胀器中驱动发电机发电，发电后低温有机工质输入到有机工质CO2换热器中进行热量交换，热量交换后有机工质通过工质泵进入有机工质循环子系统中，有机工质依次经过一级冷凝器换热器和二级冷凝换热器中与CO2进行两次热交换，热量交换后的有机工质输入到二级加热器中进行下次循环；有机工质CO2换热器中CO2与有机工质的热量交换后，CO2通过CO2空调换热器进入CO2热泵循环子系统中，通过CO2热泵压缩机的CO2依次经过二级冷凝换热器、一级冷凝换热器与有机工质进行两次热交换，热交换后的CO2通过CO2膨胀器输入到有机工质CO2换热器中进行下次循环。
本发明的有益效果是：
CO2降温过程中释放的热量能够补给有机工质升温过程中吸收的热量，从而提高发电效率。同时在有机工质CO2换热器中与有机工质换热后输出的低温CO2可以作为CO2空调换热器的冷源制冷，能量得到高效的利用从而达到节能的作用。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明
图1为本发明的原理图。
图1中1.除氧器，2.汽轮机，3.二级加热器，4.膨胀器，5.发电机，6.有机工质CO2换热器，7.CO2空调换热器，8.CO2热泵压缩机，9.一级冷凝换热器，10.工质泵，11.CO2膨胀器，12.空调进出水口，13.二级冷凝换热器。
具体实施方式
CO2热泵与有机工质联合发电系统包括：二级加热循环子系统、有机工质循环子系统、CO2热泵循环子系统；
汽轮机2与二级加热器3、除氧器1顺次连接形成二级加热子系统；二级加热器3顺次连接膨胀器4、有机工质CO2换热器6、工质泵10、一级冷凝换热器9、二级冷凝换热器13形成有机工质循环子系统，其中膨胀器4与发电机5连接；有机工质CO2换热器6顺次与CO2空调换热器7、CO2热泵压缩机8、二级冷凝换热器13、一级冷凝换热器9、CO2膨胀器11连接形成CO2热泵循环子系统，其中CO2空调换热器7与空调进出水口12连接；
做为实施例：
汽轮机2中的低品位蒸汽输入二级加热器3加热有机工质R245fa到温度85℃，压力0.892MP、流量控制为60t/h、焓值473kj，加热后的低品位蒸汽通过除氧器1后输入汽轮机2中；加热后带有高热量的有机工质输入膨胀器4中驱动发电机5发电，膨胀器功率978kw、发电机功率743kw；
发电后低温有机工质R245fa为气态，温度15℃，压力0.1MP，流量60t/h，热焓值415.45kj/kg，密度5.93kg/m3，输入到有机工质CO2换热器6中进行热量交换过程，换热器功率3268kw，热量交换后有机工质R245fa为气态；温度15℃，压力0.1MP、流量60t/h焓值219.33kj/kg密度1365.27kg/m3；
通过工质泵10进入有机工质循环子系统中，此时有机工质R245fa为液态；温度15℃，压力0.892MP、流量60t/h、焓值219.33kj/kg、密度1365.27kg/m3；
有机工质依次经过一级冷凝器换热器9和二级冷凝换热器13中与CO2进行两次热交换，一级冷凝器换热器9换热后的有机工质参数为：R245fa液态；温度85℃，压力0.892MP，流量60t/h，焓值316.705kj/kg，密度1152.04kg/m3；
二级冷凝换热器13换热后的有机工质参数为：R245fa气态；温度85℃，压力0.892MP，流量60t/h，焓值462.09kj/kg；
热量交换后的有机工质输入到二级加热器3中进行下次循环；同时进入二级加热器的蒸汽为汽轮机五段抽气，温度295℃、压力0.576Mpa、流量60.1t/h(总量450t/h)、焓值=3052kj/kg。
有机工质CO2换热器6中CO2与有机工质的热量交换后，CO2的参数是气态、温度0℃、压力3MP、流量56.023t/h、焓值660kj/kg密度（V=13V0)，CO2通过CO2空调换热器7进入CO2热泵循环子系统中，换热后的CO2的参数是气态、温度23℃、压力3MP、流量56.023t/h、焓值695kj/kg、密度（V=15V0)；CO2空调换热器的功率为544.66kw，换热后的空调出水温度为5℃，空调回水温度为25℃。
CO2热泵压缩机的功率是457.2KW,通过CO2热泵压缩机8的CO2的参数是CO2超临界、温度100℃、压力11MP、流量56.023t/h、焓值725kj/kg密度（V=5V0)，依次经过二级冷凝换热器13、一级冷凝换热器9与有机工质进行两次热交换，经过二级冷凝换热器13排出的CO2参数是：CO2超临界、温度90℃、压力11MP、流量56.023t/h、焓值705kj/kg、密度（V=3V0)；经过一级冷凝换热器9排出的CO2参数是：CO2液态、温度25℃、压力11MP、流量56.023t、焓值465.18kj/kg、密度（V=1V0)；
两次热交换后的CO2通过CO2膨胀器11输入到有机工质CO2换热器6中进行下次循环，CO2膨胀器排出的CO2参数是：CO2两相、温度-5℃、压力3MP、流量56.023t/h、焓值450kj/kg、密度（V=3V0)。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.二氧化碳热泵与有机工质联合的发电系统，其特征在于：整个系统包括：二级加热循环子系统、有机工质循环子系统、CO2热泵循环子系统；汽轮机(2)与二级加热器(3)、除氧器(1)顺次连接形成二级加热循环子系统；二级加热器(3)顺次连接膨胀器(4)、有机工质CO2换热器(6)、工质泵(10)、一级冷凝换热器(9)、二级冷凝换热器(13)形成有机工质循环子系统，其中膨胀器(4)与发电机(5)连接；有机工质CO2换热器(6)顺次与CO2空调换热器(7)、CO2热泵压缩机(8)、二级冷凝换热器(13)、一级冷凝换热器(9)、CO2膨胀器(11)连接形成CO2热泵循环子系统，其中CO2空调换热器(7)与空调进出水口(12)连接；汽轮机(2)中的低品位蒸汽输入二级加热器(3)加热有机工质，加热后的低品位蒸汽通过除氧器(1)后输入汽轮机(2)中；加热后带有高热量的有机工质输入膨胀器(4)中驱动发电机(5)发电，发电后低温有机工质输入到有机工质CO2换热器(6)中进行热量交换，热量交换后有机工质通过工质泵(10)进入有机工质循环子系统中，有机工质依次经过一级冷凝器换热器(9)和二级冷凝换热器(13)中与CO2进行两次热交换，热量交换后的有机工质输入到二级加热器(3)中进行下次循环；有机工质CO2换热器(6)中CO2与有机工质的热量交换后，CO2通过CO2空调换热器(7)进入CO2热泵循环子系统中，通过CO2热泵压缩机(8)的CO2依次经过二级冷凝换热器(13)、一级冷凝换热器(9)与有机工质进行两次热交换，热交换后的CO2通过CO2膨胀器(11)输入到有机工质CO2换热器(6)中进行下次循环。
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