CN108590779A - 基于Kalina循环及溴化锂制冷的地热能冷热电联产系统 - Google Patents

基于Kalina循环及溴化锂制冷的地热能冷热电联产系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Kalina循环及溴化锂制冷的地热能冷热电联产系统,包括地热能循环系统、Kalina循环发电系统、溴化锂吸收式制冷系统及末端用热系统,利用地热能热源的Kalina循环发电系统分别与溴化锂吸收式制冷系统及末端用热系统连接构成整体冷热电联产系统,将Kalina循环和溴化锂制冷相结合实现了电力供应、冬季供暖、夏季供冷的冷热电联产。使用地热能进行驱动,可以将地热能通过多种途径转化为冷、热、电等能源地热能利用率高;实现能源自给,不使用外供高质量电能,高效绿色环保节能,绿色环保;采用的垂直降膜换热器,提高了换热效果,降低了设备成本,系统效率高。

Description

基于Kalina循环及溴化锂制冷的地热能冷热电联产系统
技术领域
本发明属于可再生能源的冷热电联产技术领域,具体涉及一种基于Kalina循环及溴化锂制冷的地热能冷热电联产系统。
背景技术
地热能是一种清洁的可再生能源,相对于其他可再生能源,地热能的最大优势体现在它的稳定性和连续性。地热能热发电在经济性、技术性及环保性等众多方面具有较大优势。地热能在未来能源结构中发挥的最重要作用就是供应稳定、连续的基础负荷,将在国家未来可再生能源结构中占据重要位置。但是,由于盲目追求经济效益,忽略地热资源的合理开发,使得80℃以上的中低温地热资源浪费严重。而在一些经济落后的偏远地区,地热资源得不到开发,随处可见宝贵的地热水白白流失。上述现象的存在主要是因为技术手段的缺乏,这也正是本文开展中低温地热发电技术研究的初衷。
Kalina循环是由Alex Kalina博士在1983年提出的一种双工质发电技术,立刻引起了国内外学者的关注,大量的研究工作集中在Kalina循环和ORC循环的比较分析上。ORC循环系统蒸发器和冷凝器两大换热部件存在较大传热温差,这主要受限于有机工质在蒸发和冷凝过程均为等温等压过程,使得热源、冷源与有机工质的传热匹配性差,造成较大的热损失。而与ORC循环不同,Kalina循环采用氨水溶液作为工质,换热过程为变温过程,使得热源、冷源和氨水溶液的匹配性更好,从而使系统性能得到提升。
溴化锂吸收式制冷循环不需要压缩机为循环提供动力,也就相应的减少了系统电能的输入,而为循环所需的驱动热能由太阳能提供,并且温度对口,符合能量梯级利用原则。
利用冷热电联产系统可以优化我国的能源结构,节约了能源又保护了环境,具有极高的经济与社会效益,是可持续发展在能源领域的必然选择。但是传统的冷热电联产系统还存在着一些问题。目前的冷热电联产系统多是以燃气轮机与蒸汽朗肯循环及吸收式制冷结合进行冷热电三联供,虽然燃料的燃烧可以得到高品位的能量,但是系统的排热温度仍较高,并不能物尽其用。与此同时,化石燃料的燃烧也对环境造成了一定程度的污染。而利用有机朗肯循环发电则能很好的避免这一问题。中低温热源在生活中常见且易于得到,虽然其品位不高,但是储量巨大,可以作为联产系统的热源。同时由于利用了有机工质,有机朗肯循环对于热源的最低温度的要求降低了很多,通过选用合适的工质,可以将有机朗肯循环很好的与中低温热源比如太阳能相匹配,再结合吸收式制冷,则可以高效的提供冷量、热量和电量,物尽其用的同时又节能环保。
然而现有的余热利用发电技术面临的主要问题是设备要求高,需要消耗大量的高品位能源,且发电效率较低。例如公告号为CN106930827A中国发明专利申请公开说明书公开了一种提供利用燃气轮机余热的有机朗肯循环发电装置,将导热油循环系统和以高温有机介质为工质的有机朗肯循环进行组合。可实现多种场合的应用,但存在耗能较大,对设备要求较高等的问题,必须进行加以改进才能降低能耗。如公告号为CN103953403A中国发明专利申请公开说明书公开了一种回收烟气余热的跨临界与亚临界耦合有机朗肯循环系统,适用于多个不同的温区,但系统整体效率较低。
因此,需要提出一种更加适用的基于Kalina循环及溴化锂制冷的地热能冷热电联产系统,以解决上述问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足,本发明提供一种对地热能的深度利用且绿色节能环保的基于Kalina循环及溴化锂制冷的冷热电联产系统系统,可以有效利用中低温型热源,适用于地热能较丰富且对供电供冷供热要求灵活的地区;又可以实现冬季供暖,夏季供冷以及全年电力供应和提供生活热水,实现了能量的对口匹配及能量的梯级利用。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
本发明一种基于Kalina循环及溴化锂制冷的地热能冷热电联产系统,包括地热能循环系统、Kalina循环发电系统、溴化锂吸收式制冷系统及末端用热系统;
所述地热能循环系统包括地热水抽取管和热水泵,所述地热水抽取管的出口与热水泵的入口连接;
所述Kalina循环发电系统包括第一发生器、第一吸收器、汽轮机、发电机、第一换热器和第一溶液泵,所述第一发生器的热水侧入口与地热能循环系统的热水泵的出口通过管道连接,其热水侧出口与末端用热系统连接,所述第一发生器的工质侧入口与第一换热器的管程出口通过管道连接,其工质蒸汽侧出口与汽轮机的入口通过管道连接,所述第一换热器的管程入口与所述第一溶液泵的出口通过管道连接,且所述第一换热器的壳程出口与第一吸收器的溶液侧通过管道连接,其壳程入口与第一发生器的溶液出口通过管道连接,所述第一吸收器的工质侧入口与所述汽轮机的出口通过管道连接,其工质侧出口与第一溶液泵的入口通过管道连接;
所述溴化锂吸收式制冷系统包括第二发生器、蒸发器、第二吸收器、冷凝器、第二溶液泵及冷剂循环泵,所述第二发生器的热水侧入口与地热能循环系统的热水泵的出口通过管道连接,其热水侧出口与末端用热系统连接,所述第二发生器的工质侧入口与第二换热器的管程出口通过管道连接,其工质蒸汽侧出口与冷凝器的入口通过管道连接,所述冷凝器的出口与蒸发器的入口通过管道连接,所述冷剂循环泵的出口与所述蒸发器的溶液侧通过管道连接,其入口与所述蒸发器的溶液出口通过管道连接,所述第二换热器的管程入口与所述第二溶液泵的出口通过管道连接,且所述第二换热器的壳程出口与第二吸收器的溶液侧通过管道连接,其壳程入口与第二发生器的溶液出口通过管道连接,所述第二吸收器的工质侧入口与所述蒸发器的蒸汽出口通过管道连接,其工质侧出口与第二溶液泵的入口连接;
所述末端用热系统连接通过回灌管回灌至地下。
所述第一吸收器内部还设置有第三换热器,所述第三换热器的冷却水入口和冷却水出口外接冷却水源,向所述第三换热器中提供循环冷却水。
所述第一发生器内部还设置有第四换热器,所述第四换热器的热水侧出口与末端热用户系统通过管道连接,其热水侧入口与地热能循环系统的热水泵的出口通过管道连接。
所述第三换热器和第四换热器均为垂直降膜换热器。
所述第一换热器与第一吸收器之间还设置有第一节流阀。
所述汽轮机与发电机同轴连接。
所述第二吸收器内部还设置有第五换热器,所述冷凝器内部还设置有第六换热器,所述第五换热器的冷却水入口外接冷却水源,所述第五换热器的冷却水出口与所述第六换热器的冷却水入口通过管道连接,所述第五换热器的冷却水出口外接冷却水源。
所述蒸发器内部还设置有第七换热器,所述第七换热器的冷却水入口和冷却水出口外接冷却水源,向所述第七换热器中提供循环冷却水。
所述第二发生器内部还设置有第八换热器,所述第八换热器的热水侧出口与末端热用户系统通过管道连接,其热水侧入口与地热能循环系统的热水泵的出口通过管道连接。
所述第二换热器与第二吸收器之间还设置有第二节流阀。
所述冷凝器和所述蒸发器之间还设置有减压阀。
与现有的技术相比,本发明基于Kalina循环及溴化锂制冷的地热能冷热电联产系统具有如下有益效果:
1、地热能利用率高,由于本发明使用地热能进行驱动,可以将地热能通过多种途径转化为冷、热、电等能源;
2、绿色环保,由于本发明可以实现能源自给,不使用外供高质量电能,高效绿色环保节能;
3、系统效率高,Kalina发电循环采用的是垂直降膜换热器,提高了换热效果,降低了设备成本,在同等条件下比有机朗肯发电循环的效率可提高10—20%。
附图说明
图1为本发明的基于Kalina循环及溴化锂制冷的地热能冷热电联产系统的结构示意图;
附图中:1—地热能循环系统;2—Kalina循环发电系统;3—溴化锂吸收式制冷系统;4—末端用热系统;5—地热水抽取管;6—热水泵;7—回灌管;8—第一发生器;9—第一吸收器;10—汽轮机和发电机;11—第一换热器;12—第一溶液泵;13—第一节流阀;14—第三换热器;15—第四换热器;16—第二发生器;17—蒸发器;18—第二换热器;19—第二吸收器;20—冷凝器;21—第二溶液泵;22—冷剂循环泵;23—第二节流阀;24—减压阀;25—第五换热器;26—第六换热器;27—第七换热器;28—第八换热器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明,本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等,如果该特定姿态发生改变时,则该方向性指示也相应地随之改变。
另外,在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外,各个实施例之间的技术方案可以相互结合,但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础,当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在,也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明一种基于Kalina循环及溴化锂制冷的地热能冷热电联产系统,包括地热能循环系统1、Kalina循环发电系统2、溴化锂吸收式制冷系统3及末端用热系统4。利用地热能中低温型能源将Kalina循环发电系统2和溴化锂吸收式制冷系统3相结合,既达到了温度对口、梯级利用、以热制冷的目的,又实现了电力供应、冬季供暖、夏季供冷的冷热电联产。
所述地热能循环系统1包括地热水抽取管5和热水泵6,所述地热水抽取管5的出口与热水泵6的入口连接,所述Kalina循环发电系统2和溴化锂吸收式制冷系统3的热水侧出口均与末端用热系统4后,通过回灌管7回灌至地下。
所述Kalina循环发电系统2包括第一发生器8、第一吸收器9、汽轮机和发电机10、第一换热器11和第一溶液泵12,所述汽轮机和发电机10为同轴连接,所述第一发生器8的热水侧入口与地热能循环系统1的热水泵6的出口通过管道连接,其热水侧出口与末端用热系统4连接,所述第一发生器8的工质侧入口与第一换热器11的管程出口通过管道连接,其工质蒸汽侧出口与汽轮机的入口通过管道连接,所述第一换热器11的管程入口与所述第一溶液泵12的出口通过管道连接,且所述第一换热器11的壳程出口与第一吸收器9的溶液侧通过管道连接,其壳程入口与第一发生器8的溶液出口通过管道连接,且在所述第一换热器11与第一吸收器9之间还设置有第一节流阀13,所述第一吸收器9的工质侧入口与所述汽轮机的出口通过管道连接,其工质侧出口与第一溶液泵12的入口通过管道连接。
进一步地,所述第一吸收器9内部还设置有第三换热器14,所述第三换热器14的冷却水入口和冷却水出口外接冷却水源,向所述第三换热器14中提供循环冷却水。
进一步地,所述第一发生器8内部还设置有第四换热器15,所述第四换热器15的热水侧出口与末端热用户系统4通过管道连接,其热水侧入口与地热能循环系统1的热水泵6的出口通过管道连接。
进一步地,所述第三换热器14和第四换热器15均为垂直降膜换热器。
在所述Kalina循环发电系统作业时,地热水进入第一发生器8,加热第一发生器8内的氨水溶液,含有少量水蒸汽的氨蒸气从第一发生器8的出口进入汽轮机做功产生电力;其中,发电后的低压低温氨蒸气进入第一吸收器9中,被第一发生器8中出来的稀溶液吸收,放出的热量被冷却水带走,完成整个循环过程,在上述过程中,第一发生器8和第一吸收器9之间形成一个氨水溶液循环环路,第一吸收器9出来的浓溶液通过第一溶液泵12加压后,进入第一换热器11中,热溶液发生热量的交换,回收一部分能量后再进入第一发生器8。
所述溴化锂吸收式制冷系统3包括第二发生器16、蒸发器17、第二换热器18,第二吸收器19、冷凝器20、第二溶液泵21及冷剂循环泵22,所述第二发生器16的热水侧入口与地热能循环系统1的热水泵6的出口通过管道连接,其热水侧出口与末端用热系统4连接,所述第二发生器16的工质侧入口与第二换热器18的管程出口通过管道连接,其工质蒸汽侧出口与冷凝器20的入口通过管道连接,所述冷凝器20的出口与蒸发器17的入口通过管道连接,所述冷剂循环泵22的出口与所述蒸发器17的溶液侧通过管道连接,其入口与所述蒸发器17的溶液出口通过管道连接,且在所述冷凝器20和所述蒸发器17之间还设置有减压阀24,所述第二换热器18的管程入口与所述第二溶液泵21的出口通过管道连接,且所述第二换热器18的壳程出口与第二吸收器19的溶液侧通过管道连接,其壳程入口与第二发生器16的溶液出口通过管道连接,且在所述第二换热器18与第二吸收器19之间还设置有第二节流阀23,所述第二吸收器19的工质侧入口与所述蒸发器17的蒸汽出口通过管道连接,其工质侧出口与第二溶液泵21的入口连接。
进一步地,所述第二吸收器19内部还设置有第五换热器25,所述冷凝器20内部还设置有第六换热器26,所述第五换热器25的冷却水入口外接冷却水源,所述第五换热器25的冷却水出口与所述第六换热器26的冷却水入口通过管道连接,所述第五换热器25的冷却水出口外接冷却水源。
进一步地,所述蒸发器17内部还设置有第七换热器27,所述第七换热器27的冷却水入口和冷却水出口外接冷却水源,向所述第七换热器27中提供循环冷却水。
进一步地,所述第二发生器16内部还设置有第八换热器28,所述第八换热器28的热水侧出口与末端热用户系统4通过管道连接,其热水侧入口与地热能循环系统1的热水泵6的出口通过管道连接。
在所述溴化锂吸收式制冷系统作业时,由蒸发器出来的低压制冷剂(冷剂水)蒸汽先进人第二吸收器19,在第二吸收器19中用吸收剂液态(溴化锂溶液)吸收剂来吸收,以维持蒸发器内的低压,并放出大量的溶解热;其中,热量由第二吸收器19管内冷却介质(冷却水)带走,然后用第二溶液泵21将这由吸收剂与制冷剂混合而成的溶液送入第二发生器16,然后,溶液在第二发生器16中,被管内蒸汽或其他热源加热,提高了温度,制冷剂蒸汽又重新蒸发析出,此时,压力显然比第二吸收器19中的压力高,成为高压蒸汽进入冷凝器冷凝,冷凝液经节流减压后,进入蒸发器进行蒸发吸热,而蒸发器内的冷媒水降温实现了制冷,而第二发生器16中剩下的吸收剂又回到第二吸收器19,继续循环。
本发明利用地热能热源的Kalina循环发电系统分别与溴化锂吸收式制冷系统及末端用热系统连接构成整体冷热电联产系统,利用地热能中低温型能源将Kalina循环和溴化锂制冷相结合,既达到了温度对口、梯级利用、以热制冷的目的,又实现了电力供应、冬季供暖、夏季供冷的冷热电联产。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种基于Kalina循环及溴化锂制冷的地热能冷热电联产系统,其特征在于:包括地热能循环系统、Kalina循环发电系统、溴化锂吸收式制冷系统及末端用热系统;
所述地热能循环系统包括地热水抽取管和热水泵,所述地热水抽取管的出口与热水泵的入口连接;
所述Kalina循环发电系统包括第一发生器、第一吸收器、汽轮机、发电机、第一换热器和第一溶液泵,所述第一发生器的热水侧入口与地热能循环系统的热水泵的出口通过管道连接,其热水侧出口与末端用热系统连接,所述第一发生器的工质侧入口与第一换热器的管程出口通过管道连接,其工质蒸汽侧出口与汽轮机的入口通过管道连接,所述第一换热器的管程入口与所述第一溶液泵的出口通过管道连接,且所述第一换热器的壳程出口与第一吸收器的溶液侧通过管道连接,其壳程入口与第一发生器的溶液出口通过管道连接,所述第一吸收器的工质侧入口与所述汽轮机的出口通过管道连接,其工质侧出口与第一溶液泵的入口通过管道连接;
所述溴化锂吸收式制冷系统包括第二发生器、蒸发器、第二吸收器、冷凝器、第二溶液泵及冷剂循环泵,所述第二发生器的热水侧入口与地热能循环系统的热水泵的出口通过管道连接,其热水侧出口与末端用热系统连接,所述第二发生器的工质侧入口与第二换热器的管程出口通过管道连接,其工质蒸汽侧出口与冷凝器的入口通过管道连接,所述冷凝器的出口与蒸发器的入口通过管道连接,所述冷剂循环泵的出口与所述蒸发器的溶液侧通过管道连接,其入口与所述蒸发器的溶液出口通过管道连接,所述第二换热器的管程入口与所述第二溶液泵的出口通过管道连接,且所述第二换热器的壳程出口与第二吸收器的溶液侧通过管道连接,其壳程入口与第二发生器的溶液出口通过管道连接,所述第二吸收器的工质侧入口与所述蒸发器的蒸汽出口通过管道连接,其工质侧出口与第二溶液泵的入口连接;
所述末端用热系统连接通过回灌管回灌至地下。
2.根据权利要求1所述的基于Kalina循环及溴化锂制冷的地热能冷热电联产系统,其特征在于:所述第一吸收器内部还设置有第三换热器,所述第三换热器的冷却水入口和冷却水出口外接冷却水源,向所述第三换热器中提供循环冷却水。
3.根据权利要求2所述的基于Kalina循环及溴化锂制冷的地热能冷热电联产系统,其特征在于:所述第一发生器内部还设置有第四换热器,所述第四换热器的热水侧出口与末端热用户系统通过管道连接,其热水侧入口与地热能循环系统的热水泵的出口通过管道连接。
4.根据权利要求3所述的基于Kalina循环及溴化锂制冷的地热能冷热电联产系统,其特征在于:所述第三换热器和第四换热器均为垂直降膜换热器。
5.根据权利要求1所述的基于Kalina循环及溴化锂制冷的地热能冷热电联产系统,其特征在于:所述第一换热器与第一吸收器之间还设置有第一节流阀。
6.根据权利要求1所述的基于Kalina循环及溴化锂制冷的地热能冷热电联产系统,其特征在于:所述第二吸收器内部还设置有第五换热器,所述冷凝器内部还设置有第六换热器,所述第五换热器的冷却水入口外接冷却水源,所述第五换热器的冷却水出口与所述第六换热器的冷却水入口通过管道连接,所述第五换热器的冷却水出口外接冷却水源。
7.根据权利要求1所述的基于Kalina循环及溴化锂制冷的地热能冷热电联产系统,其特征在于:所述蒸发器内部还设置有第七换热器,所述第七换热器的冷却水入口和冷却水出口外接冷却水源,向所述第七换热器中提供循环冷却水。
8.根据权利要求1所述的基于Kalina循环及溴化锂制冷的地热能冷热电联产系统,其特征在于:所述第二发生器内部还设置有第八换热器,所述第八换热器的热水侧出口与末端热用户系统通过管道连接,其热水侧入口与地热能循环系统的热水泵的出口通过管道连接。
9.根据权利要求1所述的基于Kalina循环及溴化锂制冷的地热能冷热电联产系统,其特征在于:所述第二换热器与第二吸收器之间还设置有第二节流阀。
10.根据权利要求1所述的基于Kalina循环及溴化锂制冷的地热能冷热电联产系统,其特征在于:所述冷凝器和所述蒸发器之间还设置有减压阀。
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