CN103806968B - 一种液态空气发电装置及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液态空气发电装置及工作方法，其中的一种液态空气发电装置，包括：液态空气储罐、高压超低温液体泵、射流引流器、超低温气液管路、高压液源气化器、高压常温输气管、气体混合引流器、工作气流管路、气轮机、发电机、排气头、低压低温空气管路、空气液化器、液态空气输出管路、液态空气输送泵、高压冷媒管路、热泵压缩机、冷凝换热器、膨胀阀、由气体扩张段、换热器及气体收缩段组成的补熵换热器、第一热源液输入管路、第一热源液输出管路、第二热源液输入管路、第二热源液输出管路、射流回气管路、待液化空气输入口、冷却冷媒输入口、冷却冷媒输出口。本发明可以实现空气环境热能高效转化为电能，几乎可以不消耗石化燃料。
Description
技术领域
本发明属于液态空气发电领域，具体涉及一种液态空气发电装置及工作方法。
背景技术
目前火电厂选用的介质是水，其特点是环保、容易获取、循环使用，沸点高、临界温度高、汽化热高；冷凝散热比例大；目前火电厂能利用的热源有限，必须高于100°C，几乎都是新增能源消耗。
针对现在火电、核电发电环节中工作温度过高，热电转换效率较低的问题，选择液氮、液态空气为介质，降低工作温度，实现利用环境已有热能、回收再利用的余热等低温热源发电。进一步改进工作流程，减少工质的冷凝、再蒸发量，大大提高发电效率。
发明内容
本发明采用同样环保的介质，液态空气、液态氮气；来源于空气；工作温段调整到-190°C~+60°C或更高，因此膨胀能量来源于自然界常见的各种介质，如空气、江河湖泊的水、工业生活过程中的废热等，到处都有；不再需要新消耗能源物质；实现能源的循环再利用；利用空气放大器原理设计气体混合引流器，减少气化量、高效率利用空气热能、极寒天气可以增加补热、防止结冰、可以大幅提高效率。
本发明针对上述问题，提供一种液态空气发电装置及工作方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种液态空气发电装置，包括：液态空气储罐、高压超低温液体泵、射流引流器、超低温气液管路、高压液源气化器、高压常温输气管、气体混合引流器、工作气流管路、气轮机、发电机、排气头、低压低温空气管路、空气液化器、液态空气输出管路、液态空气输送泵、高压冷媒管路、热泵压缩机、冷凝换热器、膨胀阀、由气体扩张段、换热器及气体收缩段组成的补熵换热器、第一热源液输入管路、第一热源液输出管路、第二热源液输入管路、第二热源液输出管路、射流回气管路、待液化空气输入口、冷却冷媒输入口、冷却冷媒输出口；所述高压超低温液体泵输入端连接液态空气储罐；所述高压超低温液体泵输出端连接射流引流器；所述高压液源气化器通过超低温气液管路连接射流引流器；所述高压液源气化器通过高压常温输气管连接气体混合引流器；所述气体混合引流器通过工作气流管路连接气轮机；所述发电机设置在气轮机后端；所述排气头连接低压低温空气管路；所述气体扩张段连接低压低温空气管路的排气端；所述换热器设置在气体扩张段的上方并和气体扩张段连接；所述气体收缩段设置在换热器的上方，所述气体收缩段的上端和气体混合引流器连接，下端和换热器连接；所述第二热源液输入管路和第二热源液输出管路分别连接换热器；所述射流回气管路输出端连接射流引流器，所述射流回气管路另一端连接气体收缩段；所述液态空气输送泵输出端连接液态空气储罐；所述冷凝换热器设置在气体扩张段中；所述冷凝换热器连接高压冷媒管路；所述高压冷媒管路通过膨胀阀连接冷却冷媒输入口；所述冷却冷媒输入口输出端连接空气液化器；所述待液化空气输入口输出端连接空气液化器，输入端连接低压低温空气管路；所述冷却冷媒输出口输入端连接空气液化器，输出端连接热泵压缩机；所述热泵压缩机输出端连接冷凝换热器；所述液态空气输出管路输出端连接液态空气输送泵，输入端连接空气液化器；所述冷凝换热器、高压冷媒管路、膨胀阀、冷却冷媒输入口、空气液化器、冷却冷媒输出口、热泵压缩机组成热泵系统。
根据本发明的又一方面，提供了一种液态空气发电装置工作方法，包括以下步骤：
S1，高压超低温液体泵把液态空气储罐中的液态空气抽出，以30MPa以上的压力输送；
S2，高压的超低温的液体到达射流引流器（3），吸入从射流回气管路（27）输送来的气态空气，混合后形成的汽液混合物；
S3，10~30MPa以上的高压的的气液混合物通过超低温气液管路（4）进入到低温高压液源气化器（5），从高压液源气化器（5）第一热源液输入管路（23）引入环境带有能量的液体，把热量传给超低温的气液混合物和气态空气混合后的汽液混合物后通过高压液源气化器（5）第一热源液输出管路（24）排出，汽液混合物完全气化升温达到高温度，成为高压的常温的空气，高压常温的空气通过高压常温输气管（6）进入到气体混合引流器（7）；
S4，在气体混合引流器（7），少量高压气流带动10倍以上低压气流一起流动，热量、压力混合交流，大气流量的气流，这个气流气压在0.5MPa到5MPa之间；
S5，上述气流管路形成的气流进入气轮机膨胀做功工作，通过共轴输出，带动发电机发电；
S6，气轮机排出的低温低压气体经过低压低温空气管路（12），一部分进入到空气液化器（13）液化成液态空气，循环再利用，一部分到达由气体扩张段（20）、换热器（21）、气体收缩段（22）组成的补熵换热器,在气体扩张段(20)，由于容器横截面积增加，气流压力减小，流速减小，温度降低，更有利于换热；气流到换热器(21)部分，与从第二热源液输入管路（25）引入、第二热源液输出管路（26）排出的含有热量的液体进行热交换，继续升温、升压、补熵；
S7，通过补熵达到的气流，气体到气体收缩段（22）后，容器横截面积减小，压力、温度上升，形成的气体；该气体部分通过射流回气管路（27）被射流引流器（3）吸入，与超低温高压液态空气混合后得到利用，另外大部分将通过气体混合引流器（7），和从高压常温输气管（6）输送来的高压常温气流带动、推动、混温、混压后，形成0.5MPa到5MPa的工作气流；
S8,进入到空气液化器（13）的气体，经空气液化器（13）降温、液化，所述热泵压缩机（17）、冷凝换热器（18）、膨胀阀（19）、空气液化器（13）将空气液化器（13）液化空气时获得气态空气冷凝液化凝结热热量带到补熵换热器中实现循环利用；空气液化器（13）降温、液化后的液态空气通过液态空气输出管路（14）进入到液态空气输送泵（15），液态空气输送泵（15）将常压的超低温的液态空气输送回液态空气储罐（1）；
S9，进入下一个循环。
本发明的优点：
整个发电系统实现闭环工作，输入只有热量，输出只有电力，可以实现空气环境热能高效转化为电能，消耗的石化燃料的数量可以是零。完全利用环境已有的能源，实现资源循环利用；
系统整体工作温段下移，工作介质处于常温工作，汽化热低，生产环节中安全风险大大减少；气轮机不需要保温，反而需要尽可能从环境中给它补充热量；材料要求也大大降低；系统建设成本和维护成本都大大降低；
液态气体临界温度-140°C以下，很容易处以超临界温度状态，工作压力可以很高，排放余压影响很小；
实现的“低温热源”发电，可以用于工作、生产很多场合下的余热回收、余热利用发电、错峰用电、调峰储能、其它清洁能源储能等用途；
同时输出气源，输出冷源、输出电力；类似应用比比皆是；
增加液态空气储罐储量，选择性启动或调整空气液化装置液化量，实现错峰用电、蓄能再发电，更加灵活。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的一种液态空气发电装置结构示意图；
图2是本发明的一种液态空气发电装置工作方法流程图；
图3是本发明的射流引流器结构示意图；
图4是本发明的气体混合引流器结构示意图。
附图说明：
1为液态空气储罐、2为高压超低温液体泵、3为射流引流器、4为超低温气液管路、5为高压液源气化器、6为高压常温输气管、7为气体混合引流器、8为工作气流管路、9为气轮机、10为发电机、11为排气头、12为低压低温空气管路、13为空气液化器、14为液态空气输出管路、15为液态空气输送泵、16为高压冷媒管路、17为热泵压缩机、18为冷凝换热器、19为膨胀阀、20为由气体扩张段、21为换热器、22为气体收缩段、23为第一热源液输入管路、24为第一热源液输出管路、25为第二热源液输入管路、26为第二热源液输出管路、27为射流回气管路、28为待液化空气输入口、29为冷却冷媒输入口、30为冷却冷媒输出口、31为气体混合引流器输出口、32为膨胀混合段、33为气体混合引流器喷口、34为进气口、35为气体混合引流器输入口、36为喷管、37为混合段、38为射流引流器输出口、39为射流引流器喷口、40为进气管及41为射流引流器输入口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
参考图1，如图1所示的一种液态空气发电装置，包括：液态空气储罐1、高压超低温液体泵2、射流引流器3、超低温气液管路4、高压液源气化器5、高压常温输气管6、气体混合引流器7、工作气流管路8、气轮机9、发电机10、排气头11、低压低温空气管路12、空气液化器13、液态空气输出管路14、液态空气输送泵15、高压冷媒管路16、热泵压缩机17、冷凝换热器18、膨胀阀19、由气体扩张段20、换热器21及气体收缩段22组成的补熵换热器、第一热源液输入管路23、第一热源液输出管路24、第二热源液输入管路25、第二热源液输出管路26、射流回气管路27、待液化空气输入口28、冷却冷媒输入口29、冷却冷媒输出口30；所述高压超低温液体泵2输入端连接液态空气储罐1；所述高压超低温液体泵2输出端连接射流引流器3；所述高压液源气化器5通过超低温气液管路4连接射流引流器3；所述高压液源气化器5通过高压常温输气管6连接气体混合引流器7；所述气体混合引流器7通过工作气流管路8连接气轮机9；所述发电机10设置在气轮机9后端；所述排气头11连接低压低温空气管路12；所述气体扩张段20连接低压低温空气管路12的排气端；所述换热器21设置在气体扩张段20的上方并和气体扩张段20连接；所述气体收缩段22设置在换热器21的上方，所述气体收缩段22的上端和气体混合引流器7连接，下端和换热器21连接；所述第二热源液输入管路25和第二热源液输出管路26分别连接换热器21；所述射流回气管路27输出端连接射流引流器3，所述射流回气管路27另一端连接气体收缩段22；所述液态空气输送泵15输出端连接液态空气储罐1；所述冷凝换热器18设置在气体扩张段20中；所述冷凝换热器18连接高压冷媒管路16；所述高压冷媒管路16通过膨胀阀19连接冷却冷媒输入口29；所述冷却冷媒输入口29输出端连接空气液化器13；所述待液化空气输入口28输出端连接空气液化器13，输入端连接低压低温空气管路12；所述冷却冷媒输出口30输入端连接空气液化器13，输出端连接热泵压缩机17；所述热泵压缩机17输出端连接冷凝换热器18；所述液态空气输出管路14输出端连接液态空气输送泵15，输入端连接空气液化器13；所述冷凝换热器18、高压冷媒管路16、膨胀阀19、冷却冷媒输入口29、空气液化器13、冷却冷媒输出口30、热泵压缩机17、组成热泵系统。
实施例2
参考图2，如图2所示的一种液态空气发电装置工作方法，包括以下步骤：
S1，高压超低温液体泵2把液态空气储罐1中的液态空气抽出，以30MPa以上的压力输送；
S2，高压的超低温的液体到达射流引流器（3），吸入从射流回气管路（27）输送来的气态空气，混合后形成的汽液混合物；
S3，10~30MPa以上的高压的的气液混合物通过超低温气液管路（4）进入到低温高压液源气化器（5），从高压液源气化器（5）第一热源液输入管路（23）引入环境带有能量的液体，把热量传给超低温的气液混合物和气态空气混合后的汽液混合物后通过高压液源气化器（5）第一热源液输出管路（24）排出，汽液混合物完全气化升温达到高温度，成为高压的常温的空气，高压常温的空气通过高压常温输气管（6）进入到气体混合引流器（7）；
S4，在气体混合引流器（7），少量高压气流带动10倍以上低压气流一起流动，热量、压力混合交流，大气流量的气流，这个气流气压在0.5MPa到5MPa之间；
S5，上述气流管路8形成的气流进入气轮机9膨胀做功工作，通过共轴输出，带动发电机10发电；
S6，气轮机排出的低温低压气体经过低压低温空气管路（12），一部分进入到空气液化器（13）液化成液态空气，循环再利用，一部分到达由气体扩张段（20）、换热器（21）、气体收缩段（22）组成的补熵换热器,在气体扩张段(20)，由于容器横截面积增加，气流压力减小，流速减小，温度降低，更有利于换热；气流到换热器(21)部分，与从第二热源液输入管路（25）引入、第二热源液输出管路（26）排出的含有热量的液体进行热交换，继续升温、升压、补熵；
S7，通过补熵达到的气流，气体到气体收缩段（22）后，容器横截面积减小，压力、温度上升，形成的气体；该气体部分通过射流回气管路（27）被射流引流器（3）吸入，与超低温高压液态空气混合后得到利用，另外大部分将通过气体混合引流器（7），和从高压常温输气管（6）输送来的高压常温气流带动、推动、混温、混压后，形成0.5MPa到5MPa的工作气流；
S8,进入到空气液化器（13）的气体，经空气液化器（13）降温、液化，所述热泵压缩机（17）、冷凝换热器（18）、膨胀阀（19）、空气液化器（13）将空气液化器（13）液化空气时获得气态空气冷凝液化凝结热热量带到补熵换热器中实现循环利用；空气液化器（13）降温、液化后的液态空气通过液态空气输出管路（14）进入到液态空气输送泵（15），液态空气输送泵（15）将常压的超低温的液态空气输送回液态空气储罐（1）；
S9，进入下一个循环。
本发明也可将涡轮机改换为其它靠气体压力推动的膨胀机动力装置，也可作为利用江河湖泊的水，实现舰船上的发电系统和动力系统。
本发明整个发电系统实现闭环工作，输入只有热量，输出只有电力，可以实现空气环境热能高效转化为电能，消耗的石化燃料的数量可以是零。完全利用环境已有的能源，实现资源循环利用；
系统整体工作温段下移，工作介质处于常温工作，汽化热低，生产环节中安全风险大大减少；气轮机不需要保温，反而需要尽可能从环境中给它补充热量；材料要求也大大降低；系统建设成本和维护成本都大大降低；
液态气体临界温度-140°C以下，很容易处以超临界温度状态，工作压力可以很高，排放余压影响很小；
实现的“低温热源”发电，可以用于工作、生产很多场合下的余热回收、余热利用发电、错峰用电、调峰储能、其它清洁能源储能等用途；
同时输出气源，输出冷源、输出电力；类似应用比比皆是；
增加液态空气储罐储量，选择性启动或调整空气液化装置液化量，实现错峰用电、蓄能再发电，更加灵活。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种液态空气发电装置，其特征在于，包括：液态空气储罐（1）、高压超低温液体泵（2）、射流引流器（3）、超低温气液管路（4）、高压液源气化器（5）、高压常温输气管（6）、气体混合引流器（7）、工作气流管路（8）、气轮机（9）、发电机、排气头、低压低温空气管路（12）、空气液化器（13）、液态空气输出管路（14）、液态空气输送泵（15）、高压冷媒管路（16）、热泵压缩机（17）、冷凝换热器（18）、膨胀阀（19）、由气体扩张段（20）、换热器（21）及气体收缩段（22）组成的补熵换热器、第一热源液输入管路（23）、第一热源液输出管路（24）、第二热源液输入管路（25）、第二热源液输出管路（26）、射流回气管路（27）、待液化空气输入口（28）、冷却冷媒输入口（29）、冷却冷媒输出口；所述高压超低温液体泵（2）输入端连接液态空气储罐（1）；所述高压超低温液体泵（2）输出端连接射流引流器（3）；所述高压液源气化器（5）通过超低温气液管路（4）连接射流引流器（3）；所述高压液源气化器（5）通过高压常温输气管（6）连接气体混合引流器（7）；所述气体混合引流器（7）通过工作气流管路（8）连接气轮机（9）；所述发电机设置在气轮机（9）后端；所述排气头连接低压低温空气管路（12）；所述气体扩张段（20）连接低压低温空气管路（12）的排气端；所述换热器（21）设置在气体扩张段（20）的上方并和气体扩张段（20）连接；所述气体收缩段（22）设置在换热器（21）的上方，所述气体收缩段（22）的上端和气体混合引流器（7）连接，下端和换热器（21）连接；所述第二热源液输入管路（25）和第二热源液输出管路（26）分别连接换热器（21）；所述射流回气管路（27）输出端连接射流引流器（3），所述射流回气管路（27）另一端连接气体收缩段（22）；所述液态空气输送泵（15）输出端连接液态空气储罐（1）；所述冷凝换热器（18）设置在气体扩张段（20）中；所述冷凝换热器（18）连接高压冷媒管路（16）；所述高压冷媒管路（16）通过膨胀阀（19）连接冷却冷媒输入口（29）；所述冷却冷媒输入口（29）输出端连接空气液化器（13）；所述待液化空气输入口（28）输出端连接空气液化器（13），输入端连接低压低温空气管路（12）；所述冷却冷媒输出口输入端连接空气液化器（13），输出端连接热泵压缩机（17）；所述热泵压缩机（17）输出端连接冷凝换热器（18）；所述液态空气输出管路（14）输出端连接液态空气输送泵（15），输入端连接空气液化器（13）；所述冷凝换热器（18）、高压冷媒管路（16）、膨胀阀（19）、冷却冷媒输入口（29）、空气液化器（13）、冷却冷媒输出口以及热泵压缩机（17）组成热泵系统。
2.一种液态空气发电装置工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，高压超低温液体泵（2）把液态空气储罐（1）中的液态空气抽出，以30MPa以上的压力输送；
S2，高压的超低温的液态空气到达射流引流器（3），吸入从射流回气管路（27）输送来的气态空气，混合后形成汽液混合物；
S3，30MPa以上的高压的汽液混合物通过超低温气液管路（4）进入到高压液源气化器（5），从高压液源气化器（5）的第一热源液输入管路（23）引入环境带有能量的液体，把热量传给由气态空气和超低温的液态空气混合后形成的汽液混合物后通过高压液源气化器（5）的第一热源液输出管路（24）排出，汽液混合物完全气化升温达到常温，成为高压的常温的空气，高压常温的空气通过高压常温输气管（6）进入到气体混合引流器（7）；
S4，在气体混合引流器（7），少量高压气流带动低压气流一起流动，热量、压力混合交流，成为一股气流气压在0.5MPa到5MPa之间的工作气流；
S5，该股0.5MPa到5MPa之间的工作气流经过工作气流管路（8）后进入气轮机（9）膨胀做功，通过共轴输出，带动发电机发电；
S6，气轮机排出的低温低压气体经过低压低温空气管路（12），一部分进入到空气液化器（13）液化成液态空气，循环再利用，一部分到达由气体扩张段（20）、换热器（21）、气体收缩段（22）组成的补熵换热器,在气体扩张段(20)，由于容器横截面积增加，低温低压气体压力减小，流速减小，温度降低，更有利于换热；当低温低压气体经气体扩张段到换热器(21)时，与从第二热源液输入管路（25）引入并从第二热源液输出管路（26）排出的含有热量的液体进行热交换，继续升温、升压、补熵；
S7，通过补熵形成第一气流再到气体收缩段（22）时，由于容器横截面积减小，导致第一气流的压力、温度上升而形成的气态空气，气态空气部分通过射流回气管路（27）被射流引流器（3）吸入，与超低温高压液态空气混合后得到利用，另外大部分将通过气体混合引流器（7），和从高压常温输气管（6）输送来的高压常温气流所带动、推动、混温、混压后，形成0.5MPa到5MPa的工作气流；
S8,进入到空气液化器（13）的低温低压气体，经空气液化器（13）降温、液化，所述热泵压缩机（17）、冷凝换热器（18）、膨胀阀（19）以及空气液化器（13）将空气液化器（13）液化空气时获得的气态空气冷凝液化凝结热热量带到补熵换热器中实现循环利用；空气液化器（13）降温、液化后的液态空气通过液态空气输出管路（14）进入到液态空气输送泵（15），液态空气输送泵（15）将常压的超低温的液态空气输送回液态空气储罐（1）；
S9，进入下一个循环。
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