CN107916959B - 一种利用低品质热源的无泵发电系统及其发电方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用低品质热源的无泵发电系统及其发电方法。本发明采用多个独立的子系统，每个子系统中连接预热装置与预冷装置的管路中设置涡流机，通过阀门控制每一个子系统独立工作，利用高温热源对预热装置传递热量，低温热源对预冷装置传递冷量，使得产生温度差，从而工质从预热装置流向预冷装置，带动涡轮机做功发电；多个独立的子系统独立轮流，以错开运行时间的方式可实现趋于稳定持续的电能输出；利用高度差实现工质的再次利用，整个过程不需要使用工质泵，一定程度减少了能耗，提高了低品位热源的利用效率，减少了污染物的排放。

Description

一种利用低品质热源的无泵发电系统及其发电方法
技术领域
本发明涉及发电系统，具体涉及一种利用低品质热源的无泵发电系统及其发电方法。
背景技术
低品位热能通常指温度低于200℃的热量。这类能源种类繁多，储量丰富，包括城市余热、工业余(废)热、农业余热、交通运输废热、太阳热能、地热、生物质能、海洋温差能等可再生能源。然而，低品位热能传统利用方式的热利用效率较低，极大地阻碍了低品位热能的利用，以致储量较大的中低温地热能无法开发。此外，一些低品位热能，如工厂废热，在利用过程中一方面需要水进行冷却循环，造成水资源的浪费；另一方面高于环境水域温度的冷却水排入环境后造成热污染，危害生态健康。因此，如果能对低品位热能进行高效利用，则不仅可以节约大量高品位热能，更能对环境产生积极影响。
关于如何高效利用低品位热能，前人做了大量研究，思路以利用低品位热能发电为主。有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，简称ORC)低温余热发电技术是目前低温发电的重要方式。根据部分主流ORC发电设备制造商网站提供的数据，低温工况下ORC发电效率不超过20％，并且在实际工况偏离设计工况时，ORC的效率将显著降低，加之有机工质对环境的潜在危害，都成为限制这项技术推广的重要原因。近年来，日本科学家Yamada等首先提出了一种无泵朗肯循环(Pumpless Rankine-type Cycle，PRC)，以R245fa为工质，利用高低温气缸之间的压力差，推动工质流动，进而带动涡轮机转动发电。这种系统因为采用阀门代替工质泵，故而实现了“无泵”运行，克服了有泵循环的缺陷。在相同工况(高温90℃，低温20℃)下，PRC比ORC热效率高出6％左右。不足之处是，(1)PRC依旧无法实现稳定持续的电能输出；(2)R245fa的分子式为CF3CH2CHF2，无毒，臭氧层破坏指数ODP为0，温室效应指数GWP为950。虽然其对臭氧层不具有破坏力，但却是一种较为严重的温室气体；(3)PRC从压缩角度而言是无泵循环，从换热角度而言却是有泵循环，这是无泵发电设计中的一个局限。
无泵发电循环属于热力学领域新型循环系统中的挑战性课题，对于传热基础研究和热功转换过程的优化等都有着指导意义。若能实现无泵发电系统的大范围推广，无疑将带来可观的经济效益和社会效益。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种利用低品质热源的无泵发电系统，以混合天然流体的工质结合低品位热源进行发电，联合多套这样的独立系统，以错开运行时间的方式可实现趋于稳定持续的电能输出，并且不会污染环境。
本发明的一个目的在于提出一种利用低品质热源的无泵发电系统。
本发明的利用低品质热源的无泵发电系统包括：N个子系统、M个高温热源、L个低温热源、M个高温来流N+1向阀门、M个高温回收N+1向阀门、L个低温来流N+1向阀门以及L个低温回收N+1向阀门；其中，第一至第N子系统的位置由高至低依次放置；第i子系统包括第i预热装置、第i预冷装置和第i涡流机，第i预热装置的位置高于第i预冷装置，二者之间通过管路连接，在连接第i预热装置与第i预冷装置的管路上设置第i涡流机，第i涡轮机连接至发电机，i＝1,……,N；每一个预热装置具有M个端口，每一个预冷装置具有L个端口；第j高温热源通过第j高温来流N+1向阀门分别连接至第一至第N预热装置的第j端口，并且第j高温热源通过第j高温回收N+1向阀门分别连接至第一至第N预热装置的第j端口，j＝1,……,M；第l低温热源通过第l低温来流N+1向阀门分别连接至第一至第N预冷装置的第l端口，并且第l低温热源通过第l低温回收N+1向阀门分别连接至第一至第N预冷装置的第l端口，l＝1,……,L；在第一预热装置中盛放有工质；第k预冷装置的底部通过管道连接至第k+1预热装置的底部，k＝1,……,N-1；第N预冷装置的底部通过管路连接至第一预热装置的底部；通过控制第一至第M高温来流N+1向阀门、第一至第M高温回收N+1向阀门、第一至第L低温来流N+1向阀门以及第一至第L低温回收N+1向阀门，使得第一至第M高温热源与第一预热装置连通，以及第一至第L低温热源与第一预冷装置连通，第一至第M高温热源中的热量分别经过第一至第M高温来流N+1向阀门传输至第一预热装置，第一预热装置中的工质气液分离，同时第一至第L低温热源的冷量分别经过第一至第L低温来流N+1向阀门传输至第一预冷装置，第一预热装置与第一预冷装置之间产生温度差，在温度差的作用下，气态的工质从第一预热装置经过设置有第一涡轮机的管路流向第一预冷装置，带动第一涡轮机做功发电，流至第一预冷装置的工质经第一预冷装置气液分离后，液态的工质借助高度差经由管道流经至第二子系统的第二预热装置；当第一涡流机两端的压差达到临界压差时，第一涡轮机停止做功，第一预热装置内剩余的热量分别经第一至第M高温回收N+1向阀门回流至第一至第M高温热源，并且第一预冷装置内剩余的冷量分别经第一至第L低温回收N+1向阀门回流至第一至第L低温热源；控制第一至第M高温来流N+1向阀门、第一至第M高温回收N+1向阀门、第一至第L低温来流N+1向阀门以及第一至第L低温回收N+1向阀门，使得第一至第M高温热源与第二预热装置连通，以及第一至第L低温热源与第二预冷装置连通，第二子系统重复第一子系统的过程带动第二涡轮机做功发电，如此循环反复，工质从第N预冷装置通过浮生力返回至第一预热装置，N个子系统依次轮流做功发电，N个独立的子系统，以错开运行时间的方式实现趋于稳定持续的电能输出，N、M和L均为≥2的自然数。
预热装置和预冷装置均采用底部具有倾斜面的气缸；预热装置的底部倾角为-15°～-25°或为180～210°，预冷装置的底部倾角为180°～220°，或-20°～-25°。
预热装置内的底部设置有凸面，凸面上设置有单一通孔，根据工质的材料和状态，确定凸面的位置以及通孔的内外半径比，使得预热装置内的工质达到最好的气液分离效率。预冷装置内的底部设置有凸面，凸面上设置有多个通孔，根据工质的材料和状态，确定凸面的位置、通孔的数量以及通孔的半径，使得预冷装置内的工质达到最好的气液分离效率。
预热装置与预冷装置的体积比为1.2～1.5。
工质采用热传导、热膨胀、具有良好的化学稳定性且不可燃烧无毒无味的天然混合物；采用由二氧化碳、二甲醚、异丁烷、氨和葵烷组成的混合物。
涡轮机停止做功的临界压差为0.15～0.25MPa。
本发明的另一个目的在于提供一种利用低品质热源的无泵发电系统的发电方法。
本发明的利用低品质热源的无泵发电系统的发电方法，包括以下步骤：
1)通过控制第一至第M高温来流N+1向阀门、第一至第M高温回收N+1向阀门、第一至第L低温来流N+1向阀门以及第一至第L低温回收N+1向阀门，使得第一至第M高温热源与第一预热装置连通，以及第一至第L低温热源与第一预冷装置连通；
2)第一至第M高温热源中的热量分别经过第一至第M高温来流N+1向阀门传输至第一预热装置，第一预热装置中的工质气液分离，同时第一至第L低温热源的冷量分别经过第一至第L低温来流N+1向阀门传输至第一预冷装置，第一预热装置与第一预冷装置之间产生温度差，在温度差的作用下，气态的工质从第一预热装置经过设置有第一涡轮机的管路流向第一预冷装置，带动第一涡轮机做功发电，流至第一预冷装置的工质经第一预冷装置气液分离后，液态的工质借助高度差经由管道流经至第二子系统的第二预热装置；
3)当第一涡流机两端的压差达到临界压差时，第一涡轮机停止做功，第一预热装置内剩余的热量分别经第一至第M高温回收N+1向阀门回流至第一至第M高温热源，并且第一预冷装置内剩余的冷量分别经第一至第L低温回收N+1向阀门回流至第一至第L低温热源；控制第一至第M高温来流N+1向阀门、第一至第M高温回收N+1向阀门、第一至第L低温来流N+1向阀门以及第一至第L低温回收N+1向阀门，使得第一至第M高温热源与第二预热装置连通，以及第一至第L低温热源与第二预冷装置连通；
4)第二子系统重复第一子系统步骤1)～2)的过程带动第二涡轮机做功发电；
5)如此循环反复，工质从第N预冷装置通过浮生力返回至第一预热装置，N个子系统依次轮流做功发电，N个独立的子系统，以错开运行时间的方式实现趋于稳定持续的电能输出。
本发明的优点：
本发明采用N个独立的子系统，每个子系统中连接预热装置与预冷装置的管路中设置涡流机，通过阀门控制每一个子系统独立工作，利用高温热源对预热装置传递热量，低温热源对预冷装置传递冷量，使得产生温度差，从而工质从预热装置流向预冷装置，带动涡轮机做功发电；多个独立的子系统独立轮流，以错开运行时间的方式可实现趋于稳定持续的电能输出；利用高度差实现工质的再次利用，整个过程不需要使用工质泵，一定程度减少了能耗，提高了低品位热源的利用效率，减少了污染物的排放。
附图说明
图1为本发明的利用低品质热源的无泵发电系统的一个实施例的示意图；
图2为本发明的利用低品质热源的无泵发电系统的一个实施例的预热装置和预冷装置内的凸面的示意图，其中，(a)为预热装置内的凸面的投影示意图，(b)为预冷装置内的凸面的投影示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
本实施例中包括两个子系统、两个高温热源、两个低温热源、两个高温来流三向阀门、两个高温回收三向阀门、两个低温来流三向阀门以及两个低温回收三向阀门。
如图1所示，本实施例的利用低品质热源的无泵发电系统包括：第一和第二子系统、第一高温热源HTS1、第二高温热源HTS2、第一低温热源LTS1和第二低温热源LTS2；其中，第一子系统和第二子系统成中心对称放置，并且第一子系统位于第二子系统至上；第一子系统包括第一预热装置PH1、第一预冷装置PC1和第一涡流机T1，第一预热装置PH1的位置高于第一预冷装置PC1，二者之间通过管路连接，在连接第一预热装置与第二预冷装置的管路上设置第一涡流机T1，第一涡轮机T1连接至发电机；第二子系统包括第二预热装置PH2、第二预冷装置PC2和第二涡流机T2，第二预热装置PH2的位置高于第二预冷装置PC2，二者之间通过管路连接，在连接第二预热装置与第二预冷装置的管路上设置第二涡流机T2，第二涡轮机T2连接至发电机；第一高温热源HTS1通过第一高温来流三向阀门V1分别连接至第一和第二预热装置的第一端口，并且第一高温热源通过第一高温回收三向阀门V2分别连接至第一和第二预热装置的第一端口；第二高温热源通过第二高温来流三向阀门V3分别连接至第一和第二预热装置的第二端口，并且第二高温热源通过第二高温回收三向阀门V4分别连接至第一和第二预热装置的第二端口；第一低温热源通过第一低温来流三向阀门V5分别连接至第一和第二预冷装置的第一端口，并且第一低温热源通过第一低温回收三向阀门V6分别连接至第一和第二预冷装置的第一端口；第二低温热源通过第二低温来流三向阀门V7分别连接至第一和第二预冷装置的第二端口，并且第二低温热源通过第二低温回收三向阀门V8分别连接至第一和第二预冷装置的第二端口；在第一预热装置中盛放有工质；第一预冷装置的底部通过管道连接至第二预热装置的底部；第二预冷装置的底部通过管道连接至第一预热装置的底部。
通过控制第一和第二高温来流三向阀门V1和V3、第一和第二高温回收三向阀门V2和V4、第一和第二低温来流三向阀门V5和V7以及第一和第二低温回收三向阀门V6和V8，使得第一和第二高温热源与第一预热装置连通，以及第一和第二低温热源与第一预冷装置连通，第一和第二高温热源中的热量分别经过第一和第二高温来流三向阀门传输至第一预热装置，同时第一和第二低温热源的冷量分别经过第一和第二低温来流三向阀门传输至第一预冷装置，第一预热装置与第一预冷装置之间产生温度差，在温度差的作用下，气态的工质从第一预热装置经过设置有第一涡轮机的管路流向第一预冷装置，带动第一涡轮机做功发电，工质流至第一预冷装置，借助高度差经由管道流经至第二子系统的第二预热装置；当第一涡流机两端的压差达到临界压差时，第一涡轮机停止做功，第一预热装置内剩余的热量回流至第一和第二高温热源，并且第一预冷装置内剩余的冷量回流至第一和第二低温热源，控制第一和第二高温来流三向阀门V1和V3、第一和第二高温回收三向阀门V2和V4、第一和第二低温来流三向阀门V5和V7以及第一和第二低温回收三向阀门V6和V8，使得第一和第二高温热源与第二预热装置连通，以及第一和第二低温热源与第二预冷装置连通，第二子系统重复上述过程带动第二涡轮机做功发电，工质从第二预冷装置通过浮生力返回至第一预热装置。
在本实施例中，预热装置的底部倾角为-18°或198°，预冷装置的底部倾角为202.5°，或-22.5°。预热装置内部的1/3处设置凸面，凸面上设置有一个通孔；预冷装置内部1/4处设有一个凸面，该凸面边缘处有9个通孔(对应底部出口的部分没有孔)，内部有8个通孔，边缘孔的投影面积是预冷装置的横截面面积的0.02倍，内部通孔的投影半径是预冷装置的横截面半径的1/6；预热装置与预冷装置的体积比是4:3；工质是由二氧化碳(95％)、二甲醚(2.0％)、异丁烷(0.5％)、氨(1.2％)和葵烷(1.3％)组成的混合物；涡轮机停止做功的两端临界压差为0.2MPa。
如图2所示，预热装置和预冷装置内的凸面的设计图，(a)为预热装置内凸面在平面上的投影图，内半径r1是外半径R1的1/3；(b)为预冷装置内的凸面在平面上的投影图，投影图边缘有9个通孔(对应底部出口的部分没有孔)，半径为r2，内部有8个通孔，内部通孔的半径r3是凸面外半径R3的1/6，边缘孔的面积是大圆面积的0.02倍。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种利用低品质热源的无泵发电系统，其特征在于，所述无泵发电系统包括：N个子系统、M个高温热源、L个低温热源、M个高温来流N+1向阀门、M个高温回收N+1向阀门、L个低温来流N+1向阀门以及L个低温回收N+1向阀门；其中，第一至第N子系统的位置由高至低依次放置；第i子系统包括第i预热装置、第i预冷装置和第i涡流机，所述第i预热装置的位置高于第i预冷装置，二者之间通过管路连接，在连接第i预热装置与第i预冷装置的管路上设置第i涡流机，所述第i涡轮机连接至发电机，i＝1,……,N；每一个预热装置具有M个端口，每一个预冷装置具有L个端口；第j高温热源通过第j高温来流N+1向阀门分别连接至第一至第N预热装置的第j端口，并且第j高温热源通过第j高温回收N+1向阀门分别连接至第一至第N预热装置的第j端口，j＝1,……,M；第l低温热源通过第l低温来流N+1向阀门分别连接至第一至第N预冷装置的第l端口，并且第l低温热源通过第l低温回收N+1向阀门分别连接至第一至第N预冷装置的第l端口，l＝1,……,L；在第一预热装置中盛放有工质；第k预冷装置的底部通过管道连接至第k+1预热装置的底部，k＝1,……,N-1；第N预冷装置的底部通过管路连接至第一预热装置的底部；通过控制第一至第M高温来流N+1向阀门、第一至第M高温回收N+1向阀门、第一至第L低温来流N+1向阀门以及第一至第L低温回收N+1向阀门，使得第一至第M高温热源与第一预热装置连通，以及第一至第L低温热源与第一预冷装置连通，第一至第M高温热源中的热量分别经过第一至第M高温来流N+1向阀门传输至第一预热装置，第一预热装置中的工质气液分离，同时第一至第L低温热源的冷量分别经过第一至第L低温来流N+1向阀门传输至第一预冷装置，第一预热装置与第一预冷装置之间产生温度差，在温度差的作用下，气态的工质从第一预热装置经过设置有第一涡轮机的管路流向第一预冷装置，带动第一涡轮机做功发电，流至第一预冷装置的工质经第一预冷装置气液分离后，液态的工质借助高度差经由管道流经至第二子系统的第二预热装置；当第一涡流机两端的压差达到临界压差时，第一涡轮机停止做功，第一预热装置内剩余的热量分别经第一至第M高温回收N+1向阀门回流至第一至第M高温热源，并且第一预冷装置内剩余的冷量分别经第一至第L低温回收N+1向阀门回流至第一至第L低温热源；控制第一至第M高温来流N+1向阀门、第一至第M高温回收N+1向阀门、第一至第L低温来流N+1向阀门以及第一至第L低温回收N+1向阀门，使得第一至第M高温热源与第二预热装置连通，以及第一至第L低温热源与第二预冷装置连通，第二子系统重复第一子系统的过程带动第二涡轮机做功发电，如此循环反复，工质从第N预冷装置通过浮生力返回至第一预热装置，N个子系统依次轮流做功发电，N个独立的子系统，以错开运行时间的方式实现趋于稳定持续的电能输出，N、M和L均为≥2的自然数，且N＝M＝L。
2.如权利要求1所述的无泵发电系统，其特征在于，所述预热装置和预冷装置均采用底部具有倾斜面的气缸。
3.如权利要求2所述的无泵发电系统，其特征在于，所述预热装置的底部倾角为-15°～-25°或为180～210°；所述预冷装置的底部倾角为180°～220°，或-20°～-25°。
4.如权利要求1所述的无泵发电系统，其特征在于，所述预热装置内的底部设置有凸面，凸面上设置有单一通孔，根据工质的材料和状态，确定凸面的位置以及通孔的内外半径比。
5.如权利要求1所述的无泵发电系统，其特征在于，所述预冷装置内的底部设置有凸面，凸面上设置有多个通孔，根据工质的材料和状态，确定凸面的位置、通孔的数量以及通孔的半径。
6.如权利要求1所述的无泵发电系统，其特征在于，所述预热装置与预冷装置的体积比为1.2～1.5。
7.如权利要求1所述的无泵发电系统，其特征在于，所述工质采用热传导、热膨胀、具有良好的化学稳定性且不可燃烧无毒无味的天然混合物。
8.如权利要求7所述的无泵发电系统，其特征在于，所述工质采用由二氧化碳、二甲醚、异丁烷、氨和葵烷组成的混合物。
9.如权利要求1所述的无泵发电系统，其特征在于，所述涡轮机停止做功的临界压差为0.15～0.25MPa。
10.一种如权利要求1所述的利用低品质热源的无泵发电系统的发电方法，其特征在于，所述发电方法包括以下步骤：
1)通过控制第一至第M高温来流N+1向阀门、第一至第M高温回收N+1向阀门、第一至第L低温来流N+1向阀门以及第一至第L低温回收N+1向阀门，使得第一至第M高温热源与第一预热装置连通，以及第一至第L低温热源与第一预冷装置连通；
2)第一至第M高温热源中的热量分别经过第一至第M高温来流N+1向阀门传输至第一预热装置，第一预热装置中的工质气液分离，同时第一至第L低温热源的冷量分别经过第一至第L低温来流N+1向阀门传输至第一预冷装置，第一预热装置与第一预冷装置之间产生温度差，在温度差的作用下，气态的工质从第一预热装置经过设置有第一涡轮机的管路流向第一预冷装置，带动第一涡轮机做功发电，流至第一预冷装置的工质经第一预冷装置气液分离后，液态的工质借助高度差经由管道流经至第二子系统的第二预热装置；
3)当第一涡流机两端的压差达到临界压差时，第一涡轮机停止做功，第一预热装置内剩余的热量分别经第一至第M高温回收N+1向阀门回流至第一至第M高温热源，并且第一预冷装置内剩余的冷量分别经第一至第L低温回收N+1向阀门回流至第一至第L低温热源；控制第一至第M高温来流N+1向阀门、第一至第M高温回收N+1向阀门、第一至第L低温来流N+1向阀门以及第一至第L低温回收N+1向阀门，使得第一至第M高温热源与第二预热装置连通，以及第一至第L低温热源与第二预冷装置连通；
4)第二子系统重复第一子系统步骤1)～2)的过程带动第二涡轮机做功发电；
5)如此循环反复，工质从第N预冷装置通过浮生力返回至第一预热装置，N个子系统依次轮流做功发电，N个独立的子系统，以错开运行时间的方式实现趋于稳定持续的电能输出，N、M和L均为≥2的自然数，且N＝M＝L。
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