CN103775149B - 利用低温热能发电的冷电设备 - Google Patents

Abstract

利用低温热能发电的冷电设备。本发明以液空、液氮等作为循环工质，通过低温液体泵使低温工质与低品位热源进行热交换，产生中高压气体，一部分焓值升高的气体工质膨胀做功转化为机械能，驱动发电机，发电机将机械能转换为电能，电能并入本地电网；另一部分焓值相对较低的气体工质经两级膨胀产生补充冷量，膨胀功回收。利用部分增压液体循环工质节流产生过冷量。通过喷射器回收低压循环工质。通过低温换热装置使工质冷凝，循环工质回收后循环使用。通过低沸点工质的有机物郎肯循环利用剩余冷量发电。参数检测、控制和装置的联锁保护由计算机控制系统完成。

Description

利用低温热能发电的冷电设备

一技术领域

本技术涉及热能动力、低温工程、发电和制冷等技术领域。

二背景技术

低温热能(低品位热能、低品质热能)指温度低于120℃的低位热能，包括太阳能、地热能、地表水热能、地表及建筑物辐射热能和工业废热能等，总量巨大，具有可再生性。高效率地利用和回收这部分能源，对改善环境、实现可持续发展意义重大。

低温热能发电技术的研究从上世纪70年代开始，先后研制出基于有机物郎肯循环(以下简写为0RC)、混合工质循环、Kalinna循环和氨吸收式动力制冷循环等的发电技术，其中ORC发电技术应用最为广泛，但机组容量较小。利用太阳池、太阳能热水锅炉及热泵技术等提高低温热能的品位，从而提高发电效率，也是低温热能发电新的发展方向，但受到热源稳定性、制冷工质的选用等方面的限制。

本专利申请不同于以往的低温热能发电技术和装置，主要利用深冷技术和高炉炉顶煤气余压发电技术(TRT)相结合，以“冷电循环”为基础，以液空、液氮等深冷工质作为循环工质，通过低温液体泵增压使低温工质与低品位热源进行热交换，产生中高压气体，一部分焓值升高的气体工质膨胀做功转化为机械能，驱动发电机，发电机将机械能转换为电能，另一部分焓值相对较低的气体工质经膨胀做功产生冷量，通过低温换热装置使冷量回收，循环工质循环使用。本发明可充分高效地利用各种低温热能；减少温室气体排放；循环工质的获取容易，使用不受限制，克服了低温热能发电技术的一个难题；还可与太阳池、太阳能热水锅炉及热泵技术等相结合，提高发电效率；过剩冷量可用于制冷、发电等；另外利用的都是成熟的技术，可实现大规模的工业化生产。

本专利申请不同与其他低温热能利用技术，一是低温热能利用范围拓展到环境温度以下；二是采用液空、液氮等深冷工质作为循环工质；三是通过中高压气体循环工质膨胀做功使乏气温度低于环境温度；四是中高压气体工质经多级膨胀做功产生补充冷量；五是利用部分增压液体循环工质节流产生过冷量；六是通过低温换热装置使冷量回收，循环工质循环使用。本发明还采用ORC辅助发电装置利用剩余冷量。

参考文献：

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三发明内容

本专利申请以液空、液氮等作为循环工质，通过低温液体泵使低温工质与低品位热源进行热交换，产生中高压气体，一部分焓值升高的气体工质膨胀做功转化为机械能，驱动发电机，发电机将机械能转换为电能，电能并入本地电网。另一部分焓值相对较低的气体工质经膨胀产生补充冷量，利用部分增压液体循环工质节流产生过冷量，通过低温换热装置使工质冷凝液化，循环工质回收后循环使用。通过有机物郎肯循环利用剩余冷量发电。参数检测、控制和联锁保护等由计算机控制系统完成。

四附图说明

附图是本专利申请的工艺流程示意简图，图中标记的部分分别为：1-真空绝热循环工质液体储罐，2-带恒压控制装置的循环工质低温液体泵，3-气液分离器，4-第一低温节流阀，5-第二低温节流阀，6-第三低温节流阀，7-喷射器，8-液化器，9-过冷器，10-第一低温截止阀，11-第一低温放空消音器，12-余冷换热器，14-热交换器，15-板式换热器，16-缓冲罐，17-透平膨胀机-发电机组(17-1透平膨胀机、17-2发电机、17-3无刷励磁系统、17-4减速器)，18-高低压发配电装置，20-主换热器，21-计算机控制系统，22-第二低温截止阀，23-第三低温截止阀，24-第二低温放空消音器，26-第四低温截止阀，27-低温调节阀，30-ORC工质泵，31-换热器，32-第四低温节流阀，33-ORC膨胀机-发电机组(33-1膨胀机、33-2发电机)，34-ORC工质液体储槽，35-ORC工质射流泵，36-第五低温截止阀，38-发配电装置，43-热端电机制动膨胀机组(43-1发电机、43-2热端透平膨胀机)，44-冷端端电机制动膨胀机组(44-1发电机、44-2冷端透平膨胀机)，46-第一低压配电柜，47-第二低压配电柜。

五具体实施方式

1以下结合附图对实施方式进行说明：

低温液体泵2从真空绝热循环工质储罐1中将循环工质抽出，增至一定压力(中高压)并保持稳定，通过真空保温管送至主冷箱中，一路经过冷器9、液化器8与正流工质换热，完成相变，其中一部分经第四低温截止阀26抽出与从主换热器20中部经低温调节阀27抽出的气体混合后送透平膨胀机43-2；其余大部分在主换热器20中与从透平膨胀机17-1出来的正流气换热，进入板式换热器15，被ORC工质回收冷量，进入余冷换热器12，充分复热后(冷量传递给其他介质)，进入热交换器14，吸收热源1的热量，在接近热源入口温度后，送入缓冲罐16，进入透平膨胀机-发电机组17。开机预冷或异常时，出板式换热器15的反流气体通过第一低温截止阀10和第一低温放空消音器11放空。

从低温液体泵2出来的另一路液体循环工质，经第二低温节流阀5节流降温后，进入过冷器9，作为正流循环工质液体的冷源，出过冷器9后与从透平膨胀机44-2出来的膨胀后的工质混合，冷量在液化器8中被正流工质进一步回收，作为喷射器7的引流介质，被吸入喷射器7中与正流气混合。

透平膨胀机-发电机组17不带冷凝器，采用类似于高炉炉顶煤气余压透平发电(TRT)的技术，轴流式透平膨胀机17-1通过减速器17-4与发电机17-2连接，发电机侧恒定转速(3000r/min)。发电机为无刷励磁同步发电机，能从电动运行状态过渡到发电机运行状态，同时也能满足在运行中由发电机状态恢复到同步电动机状态。从缓冲罐16出来的气体进入透平膨胀机17-1入口，气体膨胀做功转化为机械能，驱动发电机17-2，发电机将机械能转换为电能，逐渐由开机时的静止状态(或电动状态)过渡到发电状态，电能通过高压发配电系统18送入本地电网。发配电系统18由高低压开关和控制柜组成，设置有手动准同期并网、自动准同期并网功能和纵联差动、过电流、低电压、失磁、低周波、逆功率等保护功能。透平膨胀机17-1进行绝热处理，乏气为中冷中压气体，通过过桥冷箱送入主换热器20中作为正流气，与反流气换热。

透平膨胀机17-1的乏气在主换热器20中与从液化器8出来的循环工质逆流换热，降温后的气体进入喷射器7中，作为喷射器的工作介质，通过喷嘴高速喷出，在喷嘴附近形成低压区，将板式换热器8出来的引流介质吸入、混合，作为正流气进入液化器8，与两路反流的工质换热，温度进一步降低，含湿气体(气液混合物)从液化器8的冷端流出，在过冷器9热端侧吸收反流的中高压液体工质的过冷量和反流低压工质的冷量完成液化，在过冷器9冷端侧吸收被节流的液体工质的冷量实现正流工质液体过冷，再经第三低温节流阀6节流进入气液分离器3，液体送至真空绝热循环工质液体储罐1，气体(含湿)经第一低温节流阀4和第二低温截止阀22减压并入冷端透平膨胀机44-2膨胀后的工质，混合后作为反流气。开机和异常时，气液分离器3中的气体经第一低温节流阀4、第三低温截止阀23和第二低温放空消音器24放空。

通过第四低温截止阀26和低温调节阀27抽出温度合适的气体送膨胀机组(根据需要可并联多组增大膨胀量，或串联多级增大膨胀比)；进入热端电机制动膨胀机组43的循环工质经过膨胀机43-2膨胀做功后降温、降压，膨胀气体做功通过发电机43-1转换为电能(也即“通过电机制动回收膨胀功并转化为电能”)，电能通过第一低压配电柜46输出；从热端电机制动膨胀机组43出来的工质进入冷端电机制动膨胀机组44，膨胀气体做功通过发电机44-1转换为电能，电能通过第二低压配电柜47输出；冷端透平膨胀机44-2膨胀后低温工质与从气液分离器3中出来经第二低温截止阀22的气体混合作为反流工质用于补充冷量，与从过冷器9热端出来的经第二低温节流阀5节流的低压工质混合后，送入液化器8中。

空分制品企业众多，液体循环工质极易获取。为保证工质纯净(不含有害杂质和固体颗粒)，循环工质采用通过空气吸附净化技术生产的深冷液体。可以是单一组分，也可以是多组分的混合物(可利用空分液体制品互溶性强的特点混配)。

ORC膨胀机-发电机组33是一套辅助发电系统(可与主发电系统利用不同的热源)，将板式换热器15作为其冷凝器，利用热源2和换热器20出来的剩余冷量发电。ORC工质液体储槽34中的液体工质经ORC工质泵30增压，一路经换热器31增焓后，进入ORC膨胀机19-1膨胀做功，发电机19-2再将机械能转换为电能，通过发配电装置38送出或自用。一路经第五低温截止阀36至ORC工质射流泵35，作为工作介质，将ORC工质液体储槽中气化的ORC工质气体吸入混合，经第四低温节流阀32节流减压后与ORC膨胀机33-1的乏气混合，送入板式换热器15中冷凝、过冷，ORC工质液体靠自重流回ORC工质液体储槽34中。为提高ORC膨胀机-发电机组33的效率，ORC工质的沸点温度应接近冷源温度(即板式换热器15冷端温度)。ORC膨胀机33-1进行绝热处理，乏气输送管道做绝热处理。

可根据温度的差异程度、维修的需要等分割为不同的冷箱，冷箱用珠光砂等材料绝热，冷箱之间通过隔板或珠光砂绝热过桥冷箱连接、隔离。喷射器7冷箱、余冷换热器12冷箱、43-2透平膨胀机冷箱、44-2透平膨胀机冷箱、板式换热器15冷箱、冷阀冷箱、ORC膨胀机33-1冷箱和透平膨胀机17-1冷箱相对独立，其他换热装置可置于同一冷箱内。ORC工质储槽34、ORC膨胀机19和透平膨胀机17-1不同其它设备和装置采用珠光砂绝热，而采用包覆、真空等方式绝热。液体管道采用真空绝热保温管，循环工质液体储罐1采用真空和绝热材料复合绝热。

成套装置的参数检测、报警、控制、运算、记录、通讯和联锁保护等由计算机控制系统完成。

2通过冷量平衡和能功转换计算示例进一步说明实施方式和效果

(1)冷量平衡

设：循环工质为液氮，氮气密度r_d1.2507kg/m³(标况)，液氮密度r_d1810kg/m³(沸点)，液氮沸点77.35K(0.101MPa)；透平膨胀机-发电机组17入口压力P12.5MPa，入口温度T₁30℃(303K)，出口压力P₂0.6MPa，透平膨胀机内效率70％；低温液体泵2的流量Q_L100m³/h，扬程H320m；主换热器20的热端温差Δt_k13℃(3K)；节流过冷液体量占比为k₂10％；热端膨胀机43-2入口介质压力P₃2.55MPa，温度T₃-80℃(193K)，热端膨胀机43-2出口介质压力P₄0.6MPa，膨胀机等熵效率85％；冷端膨胀机44-2入口介质压力P₄0.6MPa，温度T₄-137℃(136K)，冷端膨胀机44-2出口介质压力P₅0.13MPa，膨胀机等熵效率85％。本例压力均为绝对压力，摩尔体积为22.4m³/kmol。

A冷量获得：

q₁≈膨胀机组制冷量(简化计算)

查氮气T-S图，热端膨胀机入口h₃为10049kJ/kmol；出口h₄为8625kJ/kmol。冷端端膨胀机入口h₄为8625kJ/kmol；理想等熵膨胀至P₅时，h₅′为7327kJ/kmol，实际h₅为：

h₅=h₄-0.85(h₄-h₅′)=7520kJ/kmol(对应于0.13MPa，92K)

单位气体焓降为：

h₃-h₆=2529kJ/kmol=113kJ/m³

设膨胀量占循环工质(折合为气体)比为k₁，则单位循环工质气体制冷量为：

q₁=k₁(h₃-h₅)=113k₁(kJ/m³)

B冷量损失：

q₂=装置跑冷冷量q₃+液体带走冷量q₄+不完全换热带走冷量q₅

参照同等规模加工空气量的空分装置，跑冷损失取4.18kJ/m³(折合气态)，则单位循环工质跑冷损失：

q₃=4.18kJ/m³

系统过冷平衡后，储罐液体维持一定的过冷，这里仅考虑液体存储和输送装置的跑冷带走的冷量(液体泵按绝热压缩考虑)，由于散热面积远小于冷箱，跑冷损失取2.09kJ/m³(折合气态)，则单位循环工质液体冷量损失：

q₄=2.09kJ/m³

以主换热器20的热端温差作为装置不完全换热的基准，热端温差Δt_k13℃(3K)，氮气比定压热容取29.99J/(mo1.K)，主换热器20出口气体量占循环工质比为(1-k₁-k₂)，则单位循环工质不完全换热损失：：

q₅=29.99÷22.4×3×(1-k₁-k₂)=4.02(1-k₁-0.1)kJ/m³

q₂=q₃+q₄+q₅=9.89-4.02k1kJ/m³

C冷量平衡计算：

q₁=q₂

113k1=9.89-4.02k₁

k₁=0.085

(2)能功转换

当透平膨胀机-发电机组17入口工质压力P₁2.5MPa，入口温度T₁30℃(303K)时其焓值h₁13566kJ/kmol；出口压力P₂0.6MPa，透平膨胀机内效率70％，则：

查氮气T-S图，理想等熵膨胀至P₂时，h₂′为10551kJ/kmol，实际h₂为

h₂=h₁-0.70(h₁-h₂′)=11489kJ/kmol(对应于0.6MPa，228K)

单位气体焓降为：

h₁-h₂=2077kJ/kmo1=92.7kJ/m³

100m³/h液体循环工质折合单位时间气量：

Q=100×648=64800m³/h(标况)(r_d1/r_d≈648)

单位时间内转换做功的热量为：

q₆=(h₁-h₂)×Q×(1-k₁-k₂)=92.7×64800×(1-0.085-0.1)=4895672(kJ/h)

功热当量为3600(1kW·h≡3600kJ)，减速器的效率取0.95，发电机的效率取0.95，则有效发电功率为：

W1=4895672÷3600×0.95×0.95=1227(kW)

(3)功效(为简化计算，仅考虑透平膨胀机-发电机组17发电获得的功和液体泵2消耗的功)

低温液体泵2的效率η₁取0.65，则功率为：

W2=r_d1×Q_L×H÷(102×η₁)=810.9×(100÷3600)×320÷(102×0.65)=103(kW)

功效系数为：

ε=W1÷W2=1227÷103=11.9。

Claims (13)

1.一种利用低温热能发电的设备，其特征在于：它包括真空绝热循环工质液体储罐(1)，带恒压控制装置的循环工质低温液体泵(2)，气液分离器(3)，第一低温节流阀(4)，第二低温节流阀(5)，第三低温节流阀(6)，喷射器(7)，液化器(8)，过冷器(9)，第一低温截止阀(10)，第一低温放空消音器(11)，余冷换热器(12)，热交换器(14)，板式换热器(15)，缓冲罐(16)，透平膨胀机-发电机组(17)，高低压发配电装置(18)，主换热器(20)，计算机控制系统(21)，第二低温截止阀(22)，第三低温截止阀(23)，第二低温放空消音器(24)，第四低温截止阀(26)，低温调节阀(27)，ORC工质泵(30)，换热器(31)，第四低温节流阀(32)，ORC膨胀机-发电机组(33)，ORC工质液体储槽(34)，ORC工质射流泵(35)，第五低温截止阀(36)，发配电装置(38)，热端电机制动膨胀机组(43)，冷端端电机制动膨胀机组(44)，第一低压配电柜(46)，第二低压配电柜(47)，前述部分组成的低温热能发电装置以液空、液氮、液氩作为循环工质，经低温液体泵增压后，与低品位热源进行热交换，产生中高压气体，一部分焓值升高的气体工质膨胀做功转化为机械能，驱动发电机，发电机将机械能转换为电能，电能并入本地电网，另一部分焓值相对较低的气体工质经膨胀做功产生冷量，补充冷量损失，利用部分增压液体循环工质节流产生过冷量，通过低温换热装置使循环工质冷量回收、循环使用，通过有机物郎肯循环利用剩余冷量发电，参数检测、控制由计算机控制系统完成。

2.根据权利要求1所述的利用低温热能发电的设备，其特征在于：以大气中存在的自然物质转换为液空、液氮、液氩作为循环工质。

3.根据权利要求1所述的利用低温热能发电的设备，其特征在于：循环工质通过低温液体泵(2)增压，经换热后产生中高压气体。

4.根据权利要求1所述的利用低温热能发电的设备，其特征在于：从透平膨胀机-发电机组(17)中膨胀输出的循环工质为中冷温度气体。

5.根据权利要求1所述的利用低温热能发电的设备，其特征在于：增压、增焓的循环气体工质经两级膨胀做功产生冷量，补充冷量损失。

6.根据权利要求1所述的利用低温热能发电的设备，其特征在于：通过喷射器(7)回收低压循环工质。

7.根据权利要求1所述的利用低温热能发电的设备，其特征在于：通过第二低温节流阀(5)对增压后的低温液体循环工质节流，通过换热使正流循环工质实现过冷。

8.根据权利要求1所述的利用低温热能发电的设备，其特征在于：轴流式透平膨胀机(17-1)通过减速器(17-4)与发电机(17-2)连接，发电机侧恒定转速3000r/min。

9.根据权利要求1所述的利用低温热能发电的设备，其特征在于：循环液体工质可利用空分液体制品互溶性强的特点混配成多组分的混合物。

10.根据权利要求1所述的利用低温热能发电的设备，其特征在于：ORC膨胀机-发电机组(33)是一套辅助发电系统，将板式换热器(15)作为其冷凝器，利用主换热器(20)出来的剩余冷量和(热源2)的低温热能发电。

11.根据权利要求1所述的利用低温热能发电的设备，其特征在于：ORC膨胀机(33-1)、透平膨胀机(17-1)设置相对独立的绝热冷箱。

12.根据权利要求1或8所述的利用低温热能发电的设备，其特征在于：通过ORC工质射流泵(35)回收ORC气体工质。

13.根据权利要求1或8所述的利用低温热能发电的设备，其特征在于：ORC工质的沸点温度接近板式换热器(15)冷端的中冷温度。