CN107906781B - 三压式功冷联供系统及方法 - Google Patents

三压式功冷联供系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种三压式功冷联供系统及方法，包括：第一吸收器、第二吸收器、第一回热器、第二回热器、蒸发器、锅炉、精馏塔、过热器和制冷热交换器；第一吸收器与第一回热器、蒸发器依次连通，所述第二吸收器与第二回热器、锅炉依次连通；所述第一回热器与第二回热器连通，所述第一回热器还与锅炉连通；所述锅炉、精馏塔、过热器、第一透平、制冷热交换器第一吸收器依次串联连通。本发明有益效果：将Goswami循环和氨水动力循环进行耦合集成，增加循环做功量和制冷量，提升联供系统效率；循环结构简单，由于其独特的耦合方式，通过改变分流比(SR2)，可以调整两透平输出功率比。

Description

三压式功冷联供系统及方法
技术领域
本发明涉及功冷联供技术领域，尤其涉及一种三压式功冷联供系统及方法。
背景技术
近些年来，化石能源的过度开发引发了一系列生态问题，实现对中低温热源的合理、高效利用，对减少常规化石燃料的消耗，降低有关污染物和温室气体的排放，调整能源消费结构，保护生态环境，建立资源节约型社会具有重要意义。中低温热源，包括太阳能、地热能以及工业生产中的余热、废热，这类能源具有储量大、分布广、品位低的特点。然而，当热源温度较低时，传统的动力循环很难将低品位热能进行有效地转化和利用。对此，Kalina、Alefeld、Goswami等人提出了以非共沸混合物氨水作为工质的一系列循环。
Kalina动力循环应用吸收方式来解决氨水动力循环中透平排气背压过高问题，提高了此类动力循环的效率。与单一的动力循环相比，功冷联供循环系统不仅可以输出功，还可以输出冷量，这样可以满足多方面的需求。并且，功冷联供复合循环系统具有能量转换利用率高的显著优点。在Goswami功冷联供循环中，利用透平取代吸收式制冷中的节流阀，从精馏器出来的浓氨蒸气进入透平膨胀做功，透平乏气进入制冷热交换器(refrigerationheat exchanger)吸热制冷。Goswami循环结构简单，其与低温热源具有良好的匹配性，然而，当提高热源温度时，精馏装置的设置对系统的不利影响显著增大，且系统可能不具备制冷能力。其他功冷联供循环系统同样存在对热源温度利用范围非常有限的缺点，其低温部分往往只能以废热的形式散失到环境中。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，为此提出了一种三压式功冷联供系统及方法，该新型功冷联供系统及方法通过耦合循环初压较高的氨水动力循环的方式，改善传统功冷联供系统中对热源温度利用范围较小的缺点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明公开了一种三压式功冷联供系统，包括：
第一吸收器、第二吸收器、第一回热器、第二回热器、蒸发器、锅炉、精馏塔、过热器和制冷热交换器；
所述第一吸收器与第一回热器、蒸发器依次连通，所述第二吸收器与第二回热器、锅炉依次连通；所述第一回热器与第二回热器连通，所述第一回热器还与锅炉连通；所述锅炉、精馏塔、过热器、第一透平、制冷热交换器第一吸收器依次串联连通。
进一步地，所述第一吸收器依次经过第一泵、第一回热器、蒸发器、第二透平、第二回热器与第二吸收器连接；所述第一吸收器经过第二泵与第二回热器的输出连接。
进一步地，所述第二吸收器经过第三泵、第二回热器与锅炉连通。
进一步地，所述锅炉底部输出与精馏塔底部输出连通后经过第一回热器和节流阀后分别与第一吸收器和第二吸收器连接。
本发明公开了一种三压式功冷联供系统的工作方法，包括：第一循环回路，具体为：
从第一吸收器出来的基础工作液分为两部分，一部分经第一泵加压到高压状态，另一部分经第二泵加压到中压状态；
从第一泵出来的氨溶液经第一回热器换热后进入蒸汽蒸发器，蒸发出来过热的高温高压气体再进入第二透平膨胀做功，做功后的乏气经回热器换热后进入第二吸收器。
进一步地，还包括：第二循环回路，具体为：
从第二吸收器出来的工作液经第三泵加压到中压状态，经第二回热器与从第二透平做功后的乏气进行换热；从第三泵出来的氨溶液经第二回热器换热后，与从第一回热器出来的工质混合，混合液进入锅炉；
锅炉加热所产生的饱和蒸气进入精馏塔内进行蒸馏；从锅炉底部排出的稀溶液与精馏塔底的稀溶液混合，混合液先与从第一吸收器出来的工质换热，再经节流阀节流，后又分为两路分别进入第一吸收器和第二吸收器。
进一步地，还包括：第三回路，具体为：
从精馏塔塔顶出来的高纯度饱和蒸气经过热器加热后，进入第一透平膨胀做功，从第一透平出来的乏气经制冷热交换器吸热制冷，然后回到第一吸收器。
本发明进一步公开了一种内燃机余热三压式功冷联供系统，包括上述三压式功冷联供系统，或者采用三压式功冷联供系统的工作方法。
本发明进一步公开了一种燃气轮机余热三压式功冷联供系统，包括上述三压式功冷联供系统，或者采用三压式功冷联供系统的工作方法。
本发明进一步公开了一种太阳能等热源三压式功冷联供系统，包括上述三压式功冷联供系统，或者采用三压式功冷联供系统的工作方法。
本发明有益效果：
1)将Goswami循环和氨水动力循环进行耦合集成，增加循环做功量和制冷量，提升联供系统效率；
2)循环结构简单，由于其独特的耦合方式，通过改变分流比(SR2)，可以调整两透平输出功率比及制冷量的多少；
3)该循环系统中，高压动力子循环由于其循环初压较高，故可以由中温热源驱动，联供系统的输出功主要由其完成；基础循环部分为Goswami循环，故其可由低温热源驱动。该新型功冷联供系统可为低温余热的高效转化与充分利用提供新的解决途径；
4)该联供系统的适用范围广，对于内燃机余热、燃气轮机余热、太阳能等热源都适用。
说明书附图
图1为本发明新型功冷联供系统结构示意图；
其中，A1—第一吸收器；A2—第二吸收器；P1—第一泵；P2—第二泵；P3—第三泵；V—节流阀；R1—第一回热器；R2—第二回热器；B—锅炉；Rec—精馏塔；S—过热器；T1—第一透平；T2—第二透平；RHE—制冷热交换器；E—蒸发器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步介绍。
本发明所提出的功冷联供循环系统如图1所示，包括：第一吸收器(A1)、第二吸收器(A2)、第一回热器(R1)、第二回热器(R2)、蒸发器(E)、锅炉(B)、精馏塔(Rec)、过热器(S)和制冷热交换器(RHE)；
第一吸收器(A1)与第一回热器(R1)、蒸发器(E)依次连通，第二吸收器(A2)与第二回热器(R2)、锅炉(B)依次连通；第一回热器(R1)与第二回热器(R2)连通，第一回热器(R1)还与锅炉(B)连通；锅炉(B)、精馏塔(Rec)、过热器(S)、第一透平(T1)、制冷热交换器(RHE)、第一吸收器(A1)依次串联连通。
第一吸收器(A1)依次经过第一泵(P1)、第一回热器(R1)、蒸发器(E)、第二透平(T2)、第二回热器(R2)与第二吸收器连接；所述第一吸收器(A1)经过第二泵(P2)与第二回热器(R2)的输出连接。
第二吸收器(A2)经过第三泵(P3)、第二回热器(R2)与锅炉连通。
锅炉(B)底部输出与精馏塔(Rec)底部输出连通后经过第一回热器(R1)和节流阀(V)后分别与第一吸收器(A1)和第二吸收器(A2)连接。
本发明系统的工作方法如下：
第一循环：
从第一吸收器(A1)出来的基础工作液(1)分为两部分，一部分经第一泵(P1)加压到高压状态(2)，另一部分经第二泵(P2)加压到中压状态(3)。从第一泵(P1)出来的氨溶液(2)经第一回热器(R1)换热后(3”)进入蒸汽蒸发器(E)，蒸发出来过热的高温高压气体(4)，再进入第二透平(T2)膨胀做功，做功后的乏气(5)经第二回热器(R2)换热后(6)进入第二吸收器(A2)。
第二循环：
从第二吸收器(A2)出来的工作液(14)经第三泵(P3)加压到中压状态(15)，经第二回热器(R2)与从第二透平(T2)做功后的乏气进行换热；从第三泵(P3)出来的氨溶液经第二回热器(R2)换热后(16)，与从第一回热器(R1)出来的工质(3’)混合，混合液(17)进入锅炉(B)。
锅炉加热所产生的饱和蒸气(18)进入精馏塔(Rec)内进行蒸馏，塔顶得到浓度较高的氨饱和蒸气，塔底得到稀饱和溶液；从锅炉底部排出的稀溶液(20)与精馏塔底的稀溶液(19)混合，混合液(11)先与从第一吸收器(A1)出来的工质换热后(12)，再经节流阀(V)节流(13)，后又分为两股(13’、13”)分别进入第一吸收器(A1)和第二吸收器(A2)。
第三循环：
从精馏塔塔顶出来的高纯度饱和蒸汽(7)经过热器(S)加热后(8)，进入第一透平(T1)膨胀做功，从透平出来的乏气(9)经制冷热交换器(RHE)吸热制冷(10)，然后回到第一吸收器(A1)，从而完成整个循环。
需要说明的是，本发明系统和方法对于内燃机余热、燃气轮机余热、太阳能等热源都适用。
本发明运用EES软件建立了功冷联供系统的热力学模型，为了方便分析与讨论，本发明选定吸收器出口1点氨溶液的质量流量为10kg·s-1，压力为0.23MPa，透平1进口压力为2.50MPa，热源温度为135℃，透平2进口压力为4.00MPa，热源温度为300℃，其他输入参数值如表1所示。
表1系统输入参数
参数 取值
环境温度/K 288.15
环境压力/MPa 0.1
精馏器出口氨浓度(x<sub>7</sub>) 0.996
锅炉温度/K 390.15
吸收器温度/K 293.15
分流比SR2 0.25
透平等熵效率 0.85
泵等熵效率 0.8
根据建立的热力学模型和工质的物性参数，计算得出系统各状态点的热力学参数值，如表2所示。该新型功冷联供系统的性能计算结果如表3所示，计算结果表明，在设计工况下，本文所提出的功冷联供系统联供热效率为17.11％。
表2循环中各点的计算结果
表3联供系统性能参数
参数 运算值
联供系统热效率/％ 17.11％
联供系统净输出功/kW 1761
透平1输出功/kW 275.3
透平2输出功/kW 1546
泵耗功/kW 61.23
透平2与透平1的输出功比 5.618
透平1乏气制冷量/kW 56.24
锅炉热负荷/kW 3139
过热器热负荷/kW 169.4
蒸汽蒸发器热负荷/kW 7309
吸收器热负荷/kW 8366
分流比SR1 0.6725
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种三压式功冷联供系统，其特征在于，包括：
第一吸收器、第二吸收器、第一回热器、第二回热器、蒸发器、锅炉、精馏塔、过热器和制冷热交换器；
所述第一吸收器与第一回热器、蒸发器依次连通，所述第二吸收器与第二回热器、锅炉依次连通；所述第一回热器与第二回热器连通，所述第一回热器还与锅炉连通；所述锅炉、精馏塔、过热器、第一透平、制冷热交换器第一吸收器依次串联连通。
2.如权利要求1所述的一种三压式功冷联供系统，其特征在于，所述第一吸收器依次经过第一泵、第一回热器、蒸发器、第二透平、第二回热器与第二吸收器连接；所述第一吸收器经过第二泵与第二回热器的输出连接。
3.如权利要求1所述的一种三压式功冷联供系统，其特征在于，所述第二吸收器经过第三泵、第二回热器与锅炉连通。
4.如权利要求1所述的一种三压式功冷联供系统，其特征在于，所述锅炉底部输出与精馏塔底部输出连通后经过第一回热器和节流阀后分别与第一吸收器和第二吸收器连接。
5.一种如权利要求1所述的三压式功冷联供系统的工作方法，其特征在于，包括：第一循环回路，具体为：
从第一吸收器出来的基础工作液分为两部分，一部分经第一泵加压到高压状态，另一部分经第二泵加压到中压状态；
从第一泵出来的氨溶液经第一回热器换热后进入蒸发器，蒸发出来过热的高温高压气体再进入第二透平膨胀做功，做功后的乏气经回热器换热后进入第二吸收器。
6.如权利要求5所述的一种三压式功冷联供系统的工作方法，其特征在于，包括：第二循环回路，具体为：
从第二吸收器出来的工作液经第三泵加压到中压状态，经第二回热器与从第二透平做功后的乏气进行换热；从第三泵出来的氨溶液经第二回热器换热后，与从第一回热器出来的工质混合，混合液进入锅炉；
锅炉加热所产生的饱和蒸气进入精馏塔内进行蒸馏；从锅炉底部排出的稀溶液与精馏塔底的稀溶液混合，混合液先与从第一吸收器出来的工质换热，再经节流阀节流，后又分为两路分别进入第一吸收器和第二吸收器。
7.如权利要求5所述的一种三压式功冷联供系统的工作方法，其特征在于，包括：第三回路，具体为：
从精馏塔塔顶出来的高纯度饱和蒸气经过热器加热后，进入第一透平膨胀做功，从第一透平出来的乏气经制冷热交换器吸热制冷，然后回到第一吸收器。
8.一种内燃机余热三压式功冷联供系统，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的系统，或者采用权利要求5-7任一项所述的工作方法。
9.一种燃气轮机余热三压式功冷联供系统，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的系统，或者采用权利要求5-7任一项所述的工作方法。
10.一种太阳能热源三压式功冷联供系统，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的系统，或者采用权利要求5-7任一项所述的工作方法。
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