CN104110281A - 低温热大温降双循环梯级发电系统 - Google Patents

Abstract

一种低温热大温降双循环梯级发电系统，其特征在于,包括有N组由依次连接的冷凝器、温区蒸发器和发电组件构成的低温热大温降双循环发电机组，其中N为大于或等于2的整数，所述的第一组至第N组低温热大温降双循环发电机组的冷凝器的冷却通道为并联连接的结构，所述的第一组至N组低温热大温降双循环发电机组的温区蒸发器的低温热通道为依次首尾相连构成串联结构，所述的每一组低温热大温降双循环发电机组的发电介质通道为独立循环结构。本发明充分高效利用低温热资源，提高低温热发电的转化效率，如利用工业余热、地热、太阳热等低温能源进行高效发电方法。克服了单一发电工质难以同时解决的种种弊端。

Description

低温热大温降双循环梯级发电系统

技术领域

本发明涉及一种发电系统。特别是涉及一种利用工业余热、地热、太阳热等低温能源进行高效发电的低温热大温降双循环梯级发电系统。

背景技术

在工业能源的使用中，余热的排放是不可避免的，并且余热的排放量也是十分巨大的。这些排放余热属于低温热能的范畴，其特点是温度较低，已经难以继续使用。大量低温热的排放不仅造成能源的极大浪费，也是对环境造成热污染的主要来源。在自然界中，低温热量也是巨大的，如太阳能和地热能等。

当前对于低温热的利用方式较为单一，使用热交换技术实现低温热的梯级直接利用是主要的利用方式。在发电技术的发展中，直接以水蒸气为发电工质的单循环发电技术已经成熟，但由于对热源温度要求较高，低于150℃的热源无法得以发电利用。利用发电工质的双循环发电可适合于150℃以下的低温热源，受到了人们的重视。但是利用低温热源发电的能量转化效率低，热能的利用率有限，因此如何提高其转换效率是当前的技术难点。如利用单一发电工质的双循环发电系统，很难实现低温热大温降发电的高效率。目前单一发电工质的技术水平仅能满足低温热在150-90℃的间实施发电，且一般可实现的发电温区降约30℃。如果发电温降区过大，则会使发电工质的压力工况过大，致使机械强度要求过高，同时亦可能使发电效率趋于零值。其结果是低温热可利用的温区有限，难以对低温热实现最大量化的发电利用，这将直接影响低温热的发电量，同时发电后的低温热的理论排放温度为90℃以上，热污染程度仍然较强。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够充分高效利用低温热资源，提高低温热发电的转化效率的低温热大温降双循环梯级发电系统。

本发明所采用的技术方案是：一种低温热大温降双循环梯级发电系统，其特征在于,包括有N组由依次连接的冷凝器、温区蒸发器和发电组件构成的低温热大温降双循环发电机组，其中N为大于或等于2的整数，所述的第一组至第N组低温热大温降双循环发电机组的冷凝器的冷却通道为并联连接的结构，所述的第一组至N组低温热大温降双循环发电机组的温区蒸发器的低温热通道为依次首尾相连构成串联结构，所述的每一组低温热大温降双循环发电机组的发电介质通道为独立循环结构。

所述的每一组低温热大温降双循环发电机组包括有：内装有发电介质的冷凝器、温区蒸发器、膨胀机和由膨胀机驱动的发电机，所述的冷凝器内设置有冷却通道，所述冷却通道的流入口通过冷却流入管路连接冷却载体，所述冷却通道的流出口通过冷却回流管路连接冷却载体，所述冷凝器上还设置有发电介质输出口和发电介质回流口，所述的发电介质输出口通过介质管路和介质泵连接温区蒸发器的发电介质流入口，所述温区蒸发器上还设置有发电介质流出口，所述发电介质流出口通过介质管路连接膨胀机的发电介质流入口，膨胀机的发电介质流出口通过管路连接冷凝器上的发电介质回流口，所述的温区蒸发器内设置有具有低温热流入口和低温热流出口的低温热通道。

首组低温热大温降双循环发电机组中的温区蒸发器的低温热流入口连接低温热输入管路，第一组至第N-1组低温热大温降双循环发电机组中任一个温区蒸发器的低温热流出口连接相邻的低温热大温降双循环发电机组中温区蒸发器的低温热流入口，最后一组低温热大温降双循环发电机组中的温区蒸发器的低温热流出口连接剩余热排放管。

N组低温热大温降双循环发电机组中的冷凝器内设置的发电介质不相同。

N组低温热大温降双循环发电机组中的冷凝器内设置的发电介质与该冷凝器所处的低温热大温降双循环发电机组的温降区相对应。

所述的低温热大温降双循环发电机组至少设置有两组。

所述的温区蒸发器为满液式蒸发器。

本发明的低温热大温降双循环梯级发电系统，充分高效利用低温热资源，提高低温热发电的转化效率，如利用工业余热、地热、太阳热等低温能源进行高效发电方法。本发明可同时实现发电机组的对低温热的大温降性质、热力转换性质、机械强度性能和发电工质的输运性质都能够得到满足。由此克服了单一发电工质难以同时解决的种种弊端。采用梯度发电技术，不仅仅可以提高综合的发电效率，同时也可实现低温热大温降发电，从而获得更大的发电量。本发明：（1）梯级发电的模式保证最大程度的开发利用低温热资源，增大发电量，并使排出的剩余热温度低；（2）各级发电机组采用不同的单元/多元发电工质，同时能够保证发电工质在不同温区中能量转化效率高，以最大化整体的热转化效率；（3）可通过不同发电工质的膨胀性质调节膨胀机的转速，以适应膨胀机所需的最佳流通量条件。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图中

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的低温热大温降双循环梯级发电系统做出详细说明。

本发明的低温热大温降双循环梯级发电系统，利用梯级温区实施不同发电工质的双循环发电，以使每级温区中的发电效率达到最佳效果，同时实现了低温热的大温降发电效果，从而大大增加了低温热的产电量。如针对150℃低温热源，可分为150-100℃和100-50℃两个温区，或者分为150-120℃、120-80℃和80-50℃三个温区，而针对不同的温区，选用最为合适的发电工质实施发电，这样即可保证每个温区中的发电效率达到最佳，同时也可保证低温热的大温降发电效果，其结果是不仅提高了综合发电效率，还可以大大提高低温热的发电量，由于发电后的低温热的理论排放热温度为50℃；致使其热污染程度大大地降低。

如图1所示，本发明的低温热大温降双循环梯级发电系统，包括有N组由依次连接的冷凝器、温区蒸发器和发电组件和管路构成的低温热大温降双循环发电机组，其中N为大于或等于2的整数，所述的低温热大温降双循环发电机组至少设置有两组。所述的第一组至第N组低温热大温降双循环发电机组的冷凝器的冷却通道为并联连接的结构，所述的第一组至N组低温热大温降双循环发电机组的温区蒸发器的低温热通道为依次首尾相连构成串联结构，所述的每一组低温热大温降双循环发电机组的发电介质通道为独立循环结构。

所述的每一组低温热大温降双循环发电机组包括有：内装有发电介质的冷凝器4、温区蒸发器3、膨胀机1和由膨胀机1驱动的发电机2，所述的冷凝器4内设置有冷却通道5，所述冷却通道5的流入口a通过冷却流入管路6连接冷却载体，所述冷却通道5的流出口b通过冷却回流管路7连接冷却载体，所述冷凝器4上还设置有发电介质输出口c和发电介质回流口d，所述的发电介质输出口c通过介质管路和介质泵8连接温区蒸发器3的发电介质流入口e，所述温区蒸发器3上还设置有发电介质流出口f，所述发电介质流出口f通过介质管路连接膨胀机1的发电介质流入口10，膨胀机1的发电介质流出口11通过管路连接冷凝器4上的发电介质回流口d，所述的温区蒸发器3内设置有具有低温热流入口h和低温热流出口l的低温热通道9。

首组低温热大温降双循环发电机组中的温区蒸发器3的低温热流入口h连接低温热输入管路12，第一组至第N-1组低温热大温降双循环发电机组中任一个温区蒸发器3的低温热流出口l连接相邻的低温热大温降双循环发电机组中温区蒸发器3的低温热流入口h，最后一组低温热大温降双循环发电机组中的温区蒸发器3的低温热流出口l连接剩余热排放管13。

N组低温热大温降双循环发电机组中的冷凝器4内设置的发电介质与该冷凝器4所处的低温热大温降双循环发电机组的温降区相对应。本发明的低温热大温降双循环梯级发电系统，发电机组的级数与低温热温降区数是相等的，即每级发电机组对应一个温降区，针对每级温降区选择最适合的发电工质，使其在此温降区中，发电工质的发电效率最高，压力工况最佳，相应的热力学参数最适合。在本发明中各级发电机组采用不同的发电工质，选择的依据包括：温区中的运行压力、换热效果及膨胀效果。选择的发电工质可以是单一组元工质，也可以是混合组元工质。后者可通过调节混合组元的比例使系统运行压力合理，并使整体能量转化效率最大化。

在本发明中，低温热依次通过串联方式连接的各级发电机组的满液式蒸发器，每级蒸发器的温降区对应所选取的发电工质压力工况的要求，以最大限度的开发利用其热能，同时确保每个蒸发器的最高蒸发压力均能达到设备机械强度的要求；为保证各级发电机组较低的膨胀背压，冷凝水以并联方式通过各级发电机组的冷凝器，提高机组的发电效率。由于各级机组的发电工质不同，故各级机组的工质循环管路相互独立。

本发明的低温热大温降双循环梯级发电系统的工作原理是：(1）使冷源载体以并联方式通过各级发电机组的冷凝器循环，并且使低温热载体依次通过串联设置的各级发电机组的满液式蒸发器；（2）各温区蒸发器产生的相应气态发电工质逐次启动各级膨胀机，并拖带相应的发电机运行发电；（3）每级膨胀机排出的气液两相发电工质分别进入各自的冷凝器，在冷源载体的作用下冷凝成为液体；（4）每级冷凝的液体发电工质经各自的工质泵加压，送到相应级的满液式蒸发器中继续实现各自温区的再蒸发，并开始下一次循环。

下面给出具体的实例：

实施例1

采用三级发电机组，采用上述的工作流程，实验测试数据见下表。

发电级

发电工质

热源温区

工作压力

冷源温度

有功功率

热效率

第一级

R142b

76-69℃

10.5bar

11.2℃

9kW

6%

第二级

R152a

69-65℃

15.4bar

12℃

9kW

6%

第三级

R134a

65-55℃

15bar

13℃

8kW

5%

合计

76-55℃

26kW

实施例2

采用二级发电机组，采用上述的工作流程，实验测试数据见下表。

发电级

发电工质

热源温区

工作压力

冷源温度

有功功率

热效率

第一级

R142b

75-65℃

10.0bar

11.3℃

5.6kW

3.6%

第二级

R134a

65.7-55℃

15bar

11.9℃

9.2kW

5%

合计

75-55℃

14.8kW

实施例3

采用单级发电机组，采用上述的工作流程，实验测试数据见下表。

发电级

发电工质

热源温区

工作压力

冷源温度

有功功率

热效率

第一级

R142b

75-65.7℃

10.0bar

11.3℃

5.6kW

3.6%

合计

75-65.7℃

5.6kW

实验测试数据显示，采用梯级发电技术，可实现低温热大温降发电，并且获得更多的发电量；实施例2中将实施例1中的两级并为单级发电，尽管发电工质相同，低温热温降相当，但是发电效率降低，发电量也减少；实施例3的测试数据表明，仅仅采用单级发电，则无法实现低温热大温降效果，致使发电量更加减少。

实验测试数据证明，采用梯度发电技术，不仅仅可以提高综合的发电效率，同时也可实现低温热大温降发电，从而获得更大的发电量。

Claims (7)

1.一种低温热大温降双循环梯级发电系统，其特征在于,包括有N组由依次连接的冷凝器、温区蒸发器和发电组件构成的低温热大温降双循环发电机组，其中N为大于或等于2的整数，所述的第一组至第N组低温热大温降双循环发电机组的冷凝器的冷却通道为并联连接的结构，所述的第一组至N组低温热大温降双循环发电机组的温区蒸发器的低温热通道为依次首尾相连构成串联结构，所述的每一组低温热大温降双循环发电机组的发电介质通道为独立循环结构。

2.根据权利要求1所述的低温热大温降双循环梯级发电系统，其特征在于，所述的每一组低温热大温降双循环发电机组包括有：内装有发电介质的冷凝器（4）、温区蒸发器（3）、膨胀机（1）和由膨胀机（1）驱动的发电机（2），所述的冷凝器（4）内设置有冷却通道（5），所述冷却通道（5）的流入口（a）通过冷却流入管路（6）连接冷却载体，所述冷却通道（5）的流出口（b）通过冷却回流管路（7）连接冷却载体，所述冷凝器（4）上还设置有发电介质输出口（c）和发电介质回流口（d），所述的发电介质输出口（c）通过介质管路和介质泵（8）连接温区蒸发器（3）的发电介质流入口（e），所述温区蒸发器（3）上还设置有发电介质流出口（f），所述发电介质流出口（f）通过介质管路连接膨胀机（1）的发电介质流入口（10），膨胀机（1）的发电介质流出口（11）通过管路连接冷凝器（4）上的发电介质回流口（d），所述的温区蒸发器（3）内设置有具有低温热流入口（h）和低温热流出口（l）的低温热通道（9）。

3.根据权利要求2所述的低温热大温降双循环梯级发电系统，其特征在于，首组低温热大温降双循环发电机组中的温区蒸发器（3）的低温热流入口（h）连接低温热输入管路（12），第一组至第N-1组低温热大温降双循环发电机组中任一个温区蒸发器（3）的低温热流出口（l）连接相邻的低温热大温降双循环发电机组中温区蒸发器（3）的低温热流入口（h），最后一组低温热大温降双循环发电机组中的温区蒸发器（3）的低温热流出口（l）连接剩余热排放管（13）。

4.根据权利要求2所述的低温热大温降双循环梯级发电系统，其特征在于，N组低温热大温降双循环发电机组中的冷凝器（4）内设置的发电介质不相同。

5.根据权利要求2所述的低温热大温降双循环梯级发电系统，其特征在于，N组低温热大温降双循环发电机组中的冷凝器（4）内设置的发电介质与该冷凝器（4）所处的低温热大温降双循环发电机组的温降区相对应。

6.根据权利要求2所述的低温热大温降双循环梯级发电系统，其特征在于，所述的低温热大温降双循环发电机组至少设置有两组。

7.根据权利要求2所述的低温热大温降双循环梯级发电系统，其特征在于，所述的温区蒸发器（3）为满液式蒸发器。