CN103899370A - 一种新型蒸汽动力循环装置及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型蒸汽动力循环装置，包括：凝汽器、高压水泵、高压锅炉、气体放大器、汽轮机、发电机、乏汽总管路、待凝结乏汽入口、待降压乏汽入口、冷凝水管路、吸热升温乏汽出口、待吸入蒸汽入口、驱动高压高温蒸汽入口及再生混合工作蒸汽出口。本发明和朗肯循环相比，系统设计上没有大量散热的环节，整体热效率大幅度提高；本发明可以适度降低汽轮机机组压力，也不影响系统整体效率，对安全生产有利；也可以用于现有中低压蒸汽发电系统的技术改造。

Description

一种新型蒸汽动力循环装置及工作方法

技术领域

本发明属于蒸汽动力循环领域，具体涉及一种新型蒸汽动力循环装置及工作方法。

背景技术

朗肯循环（英语：Rankine Cycle）也被称为兰金循环，是一种将热能转化为功的热力学循环。郎肯循环从外界吸收热量，将其闭环的工质（通常使用水）加热，实现热能转化做功。朗肯循环理论虽然诞生于19世纪中期，但即便到了今天，郎肯循环仍产生世界上90％的电力，包括几乎所有的太阳能热能、生物质能、煤炭与核能的电站。郎肯循环是支持蒸汽机的基本热力学原理。

因为郎肯循环诞生的年代也有必然的历史局限性，那个时代研究热力学的机械条件、流体力学理论和现在差距很大，难免存在一些缺陷和不足。

朗肯循环实现工质水的闭环循环，大幅减少水资源的消耗，但是为了实现闭环，除了将水蒸气冷凝为水，然后再把几乎不能被压缩的液态工质加压，才能使之进入下一个压力循环。对于不可压缩流体的压缩过程效率很高，所以整个循环中水泵的作用至关重要，但是能耗往往忽略不计。

实现蒸汽直接利用的常用方法是机械再压缩，由于工作过程中需要消耗机械能，通过直观的能量守恒定律分析，实际应用中均没有采用这种技术来实现蒸汽再循环。

当时不考虑热回收，形成凝汽环节的大量热量必须以低温形态散失。另外，水的凝结热几乎是常见工质中最大的，工作温段也偏高，但是综合考虑当时的条件，从成本、安全性、环保等综合因素考虑，直到现在，也只有水是最理想的工质。

目前传统朗肯循环理论应用中多用回热、再热等改进循环方式提高效率，还采用增加蒸汽温度、压力的临界、超临界工作模式来提高效率。这些方法根本的思路都是尽可能提高有效功在全部消耗热能中的比例。

还有其它的方法主要的出发点则是设法采用消耗少量热能、机械能的方式，直接、间接对排放的低温废热进行再利用，用于工业热水制备、生活采暖等环节，实现余热利用来提高有效功在全部消耗热能中的比例。

上述两种方法在成本、安全性、提高比例、应用便捷可行性等方面都受到诸多限制，很难实现热能利用效率的大幅度提高，特别是难以实现热电转换效率的大幅度提高。

流体力学里面有些基本原理，具有一定的“特殊”功能，在流体流动过程中，作为流体的物质属性本身，也会附带实现热传导交换、物质传输、物质压缩等效果。唯一的特点，就是几乎都是在不需要机械装置运动的情况下，仅仅在空间变化、热能传递、流动过程就能实现。

基于文丘里管原理的射流真空泵是一种具有抽真空、冷凝、排水等三种效能的常用机械装置。射流真空泵是利用一定压力的水流通过对称均布成一定形状和倾斜度的喷咀喷出。由于喷射水流速度很高，于是周围形成负压使器室内产生真空，将外界气（液）体抽吸进来，共同进入混合管，混合管内的水（气）流互相摩擦， 混合与挤压，通过扩压管被排除，使器室内形成更高的真空。

如果使用的射流是水，吸入的是低温、低压水蒸气，则蒸汽与喷射水流直接接触，进行热交换，绝大部分的蒸汽冷凝成水与原水流混合，体积大大缩小；小量未被凝的蒸汽与不疑结的气体亦与高速喷射水流一起从喷口喷出，流体具有动压。查阅部分射流泵参数（如石油行业普遍使用的产品），射流抽取的目标介质可以达到自身质量的80%以上，压力损失约10%左右。

20世纪70年代以后，世界各国都在进一步研究有关射流引流、真空理论，通过对一些细节的研究，如喷口形状、方式、脉动等等因素的研究实践，取得了一定的成果。比如和人类生活密切相关的无叶片风扇，以及工业化应用的气体放大器。

气体放大器原理：当高压气体通过气体放大器 0.05～0.1毫米的环形窄缝后,向一侧喷出，通过科恩达效应原理及气体放大器特殊的几何形状，另一侧最大10~100倍的低压气体可被吸入，并与原始高压气体一起从气体放大器同侧吹出。近两年来气体放大器（空气放大器）应用领域迅速扩展，常用大比例节约压缩空气，并且利用压缩空气实现吹尘、吸尘、物料运送等工业应用。技术成熟稳定。

如果被吸入的气体是低温、低压蒸汽，驱动气流是高温、高压过热蒸汽，在高温蒸汽从环形喷口喷出时，会膨胀、降温、降压，同时与低温、低压蒸汽混合，达到热量、动量平衡，最终气流是中温、中压混合蒸汽，从左侧排出。

在蒸汽流动速度不大的时候，以下定律都适用：

波义耳定律：温度恒定时，一定量气体的压力和它的体积的乘积为恒量。数学表达式为：pV = 恒量（n、T恒定）或p1V1 = p2V2（n1 = n2、T1 = T2）。

查理-盖吕萨克气体定律：压力恒定时，一定量气体的体积（V）与其温度（T）成正比。

根据上述两条定律，分析朗肯循环中没有提及蒸汽传输过程中的气体气动、热力学问题，仅仅把蒸汽按照理想状态去研究，存在一定的局限性。

可压缩流体流速加快，压力降低，必然引起体积膨胀，从而使密度减小；反之，在流速减慢、压力升高的同时，空气受压缩，体积缩小，因此，密度必然增大。气体体积的膨胀，还会使温度降低。当打开自行车气门芯放气，高压气体从气门芯喷出来时，气门芯的温度显著下降，甚至使表面结霜。这并不是自行车胎里面装着很“冷”的气体的缘故，而是高压空气从喷口喷出时体积膨胀引起降温导致气体中所含有的水蒸气冷凝所致。同样，当空气受压缩时，温度会升高。譬如，用打气筒打气，气筒壁会发烫。这并非皮碗与筒壁摩擦的结果，而主要是筒内空气被压缩，导致温度升高。

一个对高低温、高低压变化非常敏感的蒸汽动力循环系统，应该充分考虑体积、空间、流速、压力、温度等混合因素，充分利用这些因素之间的关系，实现高效率的热动力循环。

发明内容

本发明的目的是首先利用非机械动力的方式实现对完成做功后的乏蒸汽进行再利用压缩，其次充分利用气体体积、温度、压力甚至气体流速的关系，设法直接回收再利用冷凝热，实现蒸汽动力循环整体热效率的大幅度提高。

本发明针对上述问题，提供一种新型蒸汽动力循环装置及工作方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种新型蒸汽动力循环装置，包括：凝汽器、高压水泵、高压锅炉、气体放大器、汽轮机、发电机、乏汽总管路、待凝结乏汽入口、待降压乏汽入口、冷凝水管路、吸热升温乏汽出口、待吸入蒸汽入口、驱动高压高温蒸汽入口及再生混合工作蒸汽出口；所述高压水泵出口连接高压锅炉；所述高压锅炉出口通过驱动高压高温蒸汽入口连接气体放大器；所述气体放大器出口通过再生混合工作蒸汽出口连接汽轮机；所述汽轮机连接发电机；所述汽轮机输出端通过乏汽总管路分别连接待凝结乏汽入口和待降压乏汽入口；所述待凝结乏汽入口和待降压乏汽入口分别连接凝汽器；所述凝汽器通过冷凝水管路的输出端连接高压水泵；所述凝汽器通过吸热升温乏汽出口连接待吸入蒸汽入口；所述待吸入蒸汽入口连接气体放大器。

根据本发明的又一方面，提供了一种新型蒸汽动力循环装置工作方法，包括以下步骤：

     S1，所述高压水泵将冷凝水抽到高压锅炉，经过高压锅炉加热、升温、升压后变成高温蒸汽通过驱动高压高温蒸汽入口输送到气体放大器；

    S2，所述气体放大器利用从驱动高压高温蒸汽入口输送来的高温高压蒸汽，在空气放大器中形成射流，带动、驱动从待吸入蒸汽入口引入的低温、低压蒸汽，两者混合后，形成中温、中压蒸汽，，然后通过再生混合工作蒸汽出口输送到汽轮机；

S3，所述汽轮机带动发电机发电，同时汽轮机做功后排出的乏汽通过乏汽总管路分别输送到待凝结乏汽入口和待降压乏汽入口；

S4，所述待凝结乏汽和待降压乏汽分别通过待凝结乏汽入口和待降压乏汽入口进入到凝汽器；

S5，蒸汽乏汽在所述凝汽器外的乏汽分流和凝汽器内的传输过程中蒸汽流动的空间和流管截面积大小不同，使得蒸汽乏汽产生温差、压差，流经换热器内部管路的蒸汽膨胀、降压、降温；进入凝汽器凝汽空间的蒸汽，压力、温度变化不大，相对较高；低温、低压蒸汽吸收较高温度、较高压力蒸汽的热量，使得较高温蒸汽结露、冷凝，较低温蒸汽吸热、升压；

S6，较低温蒸汽在所述凝汽器吸热、升压、升温，通过吸热升温乏汽出口进入到待吸入蒸汽入口，然后再经过气体放大器，进入下一个蒸汽工作循环；

S7，所述凝汽器产生的冷凝水通过冷凝水管路再通过高压水泵进入到高压锅炉，进行再利用，携带新补充的热能进入下一个蒸汽工作循环；

S8，进入下一个工作循环。

本发明的优点：

本发明和朗肯循环相比，系统设计上没有大量散热的环节，整体热效率大幅度提高；

本发明中锅炉的蒸汽发生量大幅度下降，高压蒸汽涉及的范围减少，高压蒸汽涉及的过程几乎没有运动、需要较多维护的机械部件，关于技术难度、成本控制、安全性下降的问题得以解决；

本发明可以适度降低汽轮机机组压力，也不影响系统整体效率，对安全生产有利；也可以用于现有中低压蒸汽发电系统的技术改造。

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是本发明的一种新型蒸汽动力循环装置第一实施例的结构示意图；

图2是本发明的一种新型蒸汽动力循环装置第二实施例的结构示意图；

图3是本发明的一种新型蒸汽动力循环装置工作方法流程图。

附图说明：

1为凝汽器、2为高压水泵、3为高压锅炉、4为气体放大器、5为汽轮机、6为发电机、7为乏汽总管路、8为待凝结乏汽入口、9为待降压乏汽入口、10为冷凝水管路、11为吸热升温乏汽出口、12为待吸入蒸汽入口、13为驱动高压高温蒸汽入口、14为再生混合工作蒸汽出口及22为凝汽器未凝汽输出口。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明的一种新型蒸汽动力循环装置第一实施例的结构示意图。

参考图1，如图1所示的一种新型蒸汽动力循环装置，包括：凝汽器1、高压水泵2、高压锅炉3、气体放大器4、汽轮机5、发电机6、乏汽总管路7、待凝结乏汽入口8、待降压乏汽入口9、冷凝水管路10、吸热升温乏汽出口11、待吸入蒸汽入口12、驱动高压高温蒸汽入口13及再生混合工作蒸汽出口14；所述高压水泵2出口连接高压锅炉3；所述高压锅炉3出口通过驱动高压高温蒸汽入口13连接气体放大器4；所述气体放大器4出口通过再生混合工作蒸汽出口14连接汽轮机5；所述汽轮机5连接发电机6；所述汽轮机5输出端通过乏汽总管路7分别连接待凝结乏汽入口8和待降压乏汽入口9；所述待凝结乏汽入口8和待降压乏汽入口9分别连接凝汽器1；所述凝汽器1通过冷凝水管路10的输出端连接高压水泵2；所述凝汽器1通过吸热升温乏汽出口11连接待吸入蒸汽入口12；所述待吸入蒸汽入口12连接气体放大器4。

图2示出了本发明的一种新型蒸汽动力循环装置第二实施例的结构示意图。

参考图2，如图2所示的一种新型蒸汽动力循环装置，能增加传统的冷却水散热系统，增加冷凝水量，以适应现有热电厂蒸汽循环过程改造的特殊情况，尽可能实现较高的投入产出效益。

经过气体放大器再生后的工作蒸汽温度较低，必要时可以利用再热、过热系统进一步升温。

还能改变凝汽器汽路，让全部蒸汽均进入凝汽空间后，再进入吸热管路，能调整凝气量和再生乏汽温度。

图3示出了本发明的一种新型蒸汽动力循环装置的工作方法。

参考图3，如图3所示的一种新型蒸汽动力循环装置工作方法，包括以下步骤：

    S1，所述高压水泵2将冷凝水抽到高压锅炉3，经过高压锅炉3加热、升温、升压后变成高温蒸汽通过驱动高压高温蒸汽入口13输送到气体放大器4；

    S2，所述气体放大器4利用从驱动高压高温蒸汽入口13输送来的高温高压蒸汽，在空气放大器中形成射流，带动、驱动从待吸入蒸汽入口12引入的低温、低压蒸汽，两者混合后，形成中温、中压蒸汽，，然后通过再生混合工作蒸汽出口14输送到汽轮机5；

S3，所述汽轮机5带动发电机6发电，同时汽轮机5做功后排出的乏汽通过乏汽总管路7分别输送到待凝结乏汽入口8和待降压乏汽入口9；

S4，所述待凝结乏汽和待降压乏汽分别通过待凝结乏汽入口8和待降压乏汽入口9进入到凝汽器1；

S5，蒸汽乏汽在所述凝汽器1外的乏汽分流和凝汽器1内的传输过程中蒸汽流动的空间和流管截面积大小不同，使得蒸汽乏汽产生温差、压差，流经换热器内部管路的蒸汽膨胀、降压、降温；进入凝汽器凝汽空间的蒸汽，压力、温度变化不大，相对较高；低温、低压蒸汽吸收较高温度、较高压力蒸汽的热量，使得较高温蒸汽结露、冷凝，较低温蒸汽吸热、升压；

S6，较低温蒸汽在所述凝汽器1吸热、升压、升温，通过吸热升温乏汽出口11进入到待吸入蒸汽入口12，然后再经过气体放大器4，进入下一个蒸汽工作循环；

S7，所述凝汽器1产生的冷凝水通过冷凝水管路10再通过高压水泵2进入到高压锅炉3，进行再利用，携带新补充的热能进入下一个蒸汽工作循环；

S8，进入下一个工作循环。

本发明所用凝汽器结构与传统凝汽器相似，所不同的是吸热管路内部空间和凝汽空间的比例，前者应为后者空间的数倍以上。假设乏汽通过两条相同截面积的管路分别接入这两个大小不同的空间，根据波义耳定律，蒸汽的压力就会发生差异，进入吸热管路的蒸汽膨胀比例较大，温度下降较多，相对较低；进入凝气空间的蒸汽膨胀比例较小，温度下降较少，相对较高，吸热管路内外蒸汽存在温差，进行热交换；凝气空间的蒸汽放热冷凝，吸热管路内部蒸汽吸热升温，压力回升。

全过程没有对第三方做功，属于绝热过程，能量损失少。

本发明接入空气放大器的压力远超百倍于乏汽的高温、高压、过热蒸汽从环形喷口高速喷出，膨胀、扩散，同时基于流体的粘滞作用、气体分子的混合、碰撞作用，依据科恩达效应，带动大量乏汽一起运动，两种蒸汽的动量、热量混合、交换，达到平衡。最后形成中温、中压混合汽流。

全过程也没有对第三方做功，属于绝热过程，能量损失少。

本发明和朗肯循环相比，系统设计上没有大量散热的环节，整体热效率大幅度提高；

本发明中锅炉的蒸汽发生量大幅度下降，高压蒸汽涉及的范围减少，高压蒸汽涉及的过程几乎没有运动、需要较多维护的机械部件，关于技术难度、成本控制、安全性下降的问题得以解决；

本发明可以适度降低汽轮机机组压力，也不影响系统整体效率，对安全生产有利；也可以用于现有中低压蒸汽发电系统的技术改造。

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)

1.一种新型蒸汽动力循环装置，其特征在于，包括：凝汽器（1）、高压水泵（2）、高压锅炉（3）、气体放大器（4）、汽轮机（5）、发电机（6）、乏汽总管路（7）、待凝结乏汽入口（8）、待降压乏汽入口（9）、冷凝水管路（10）、吸热升温乏汽出口（11）、待吸入蒸汽入口（12）、驱动高压高温蒸汽入口（13）及再生混合工作蒸汽出口（14）；所述高压水泵（2）出口连接高压锅炉（3）；所述高压锅炉（3）出口通过驱动高压高温蒸汽入口（13）连接气体放大器（4）；所述气体放大器（4）出口通过再生混合工作蒸汽出口（14）连接汽轮机（5）；所述汽轮机（5）连接发电机（6）；所述汽轮机（5）输出端通过乏汽总管路（7）分别连接待凝结乏汽入口（8）和待降压乏汽入口（9）；所述待凝结乏汽入口（8）和待降压乏汽入口（9）分别连接凝汽器（1）；所述凝汽器（1）通过冷凝水管路（10）的输出端连接高压水泵（2）；所述凝汽器（1）通过吸热升温乏汽出口（11）连接待吸入蒸汽入口（12）；所述待吸入蒸汽入口（12）连接气体放大器（4）。

2. 一种新型蒸汽动力循环装置工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

    S1，所述高压水泵（2）将冷凝水抽到高压锅炉（3），经过高压锅炉（3）加热、升温、升压后变成高温蒸汽通过驱动高压高温蒸汽入口（13）输送到气体放大器（4）；

    S2，所述气体放大器（4）利用从驱动高压高温蒸汽入口（13）输送来的高温高压蒸汽，在空气放大器中形成射流，带动、驱动从待吸入蒸汽入口（12）引入的低温、低压蒸汽，两者混合后，形成中温、中压蒸汽，，然后通过再生混合工作蒸汽出口（14）输送到汽轮机（5）；

    S3，所述汽轮机（5）带动发电机（6）发电，同时汽轮机（5）做功后排出的乏汽通过乏汽总管路（7）分别输送到待凝结乏汽入口（8）和待降压乏汽入口（9）；

    S4，所述待凝结乏汽和待降压乏汽分别通过待凝结乏汽入口（8）和待降压乏汽入口（9）进入到凝汽器（1）；

    S5，蒸汽乏汽在所述凝汽器（1）外的乏汽分流和凝汽器（1）内的传输过程中蒸汽流动的空间和流管截面积大小不同，使得蒸汽乏汽产生温差、压差，流经换热器内部管路的蒸汽膨胀、降压、降温；进入凝汽器凝汽空间的蒸汽，压力、温度变化不大，相对较高；低温、低压蒸汽吸收较高温度、较高压力蒸汽的热量，使得较高温蒸汽结露、冷凝，较低温蒸汽吸热、升压；

    S6，较低温蒸汽在所述凝汽器（1）吸热、升压、升温，通过吸热升温乏汽出口（11）进入到待吸入蒸汽入口（12），然后再经过气体放大器（4），进入下一个蒸汽工作循环；

    S7，所述凝汽器（1）产生的冷凝水通过冷凝水管路（10）再通过高压水泵（2）进入到高压锅炉（3），进行再利用，携带新补充的热能进入下一个蒸汽工作循环；

    S8，进入下一个工作循环。

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