CN110345032A - 高压气体势焓循环的发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压气体势焓循环的发电装置，包括热气管、冷气管、汽轮发电机组、热交换器、冷交换器和高压气体工质，所述热气管与所述冷气管在低位端相连通，所述热气管与所述冷气管在高位端与所述汽轮发电机组相连通，所述热气管通过所述热交换器与管外的热海水进行换热，所述冷气管通过所述冷交换器与管外的冷海水进行换热，所述高压气体工质装在所述热气管和冷气管的管道内。实施本发明的高压气体势焓循环的发电装置，具有以下有益效果：降低能量采集成本、集约化较高、能大规模开发降低成本、降低度电成本。

Description

高压气体势焓循环的发电装置

技术领域

本发明涉及温差发电领域，特别涉及一种高压气体势焓循环的发电装置。

背景技术

热带区域的海洋表层与几百至上千米深处之间存在着基本恒定的20～25℃的温差，为发电提供了一个总量巨大并且非常稳定的冷热源，具备500亿千瓦可开发的发电能力，海水吸收太阳能，供应稳定，昼夜可发电，是重要的新能源系统，可提供人类所需的大部分能量。

由于海洋温差能能量密度低，冷海水在几百至上千米深处，目前的发电方式，主要有开放式循环、封闭式循环、混合式循环、液滴提升等，由于温差低，本身热效率不高，存在能量采集成本高，集约化不高，不能大规模开发降低成本的特点，项目投资大，度电成本高，还无法实现商业化运营。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种降低能量采集成本、集约化较高、能大规模开发降低成本、降低度电成本的高压气体势焓循环的发电装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种高压气体势焓循环的发电装置，包括热气管、冷气管、汽轮发电机组、热交换器、冷交换器和高压气体工质，所述热气管与所述冷气管在低位端相连通，所述热气管与所述冷气管在高位端与所述汽轮发电机组相连通，所述热气管通过所述热交换器与管外的热海水进行换热，所述冷气管通过所述冷交换器与管外的冷海水进行换热，所述高压气体工质装在所述热气管和冷气管的管道内。

在本发明所述的高压气体势焓循环的发电装置中，所述高压气体工质采用空气、氮气、二氧化碳、乙烯或混合气体。

本发明还涉及一种高压气体势焓循环的发电装置，包括海上潜浮平台、热海水舱、冷海水舱、热气管、热交换器、冷气管、冷交换器、设备舱、热水泵、冷水泵、汽轮发电机组和冷水管，所述热海水舱和冷海水舱的外壳内安装有成对的所述热气管和冷气管，所述热气管和冷气管在底端相连通，在顶端与所述汽轮发电机组连通，构成封闭循环，所述热气管的管道内和冷气管的管道内装有高压工质气体，所述海上潜浮平台上安装有设备间，所述设备舱、热水泵、冷水泵和汽轮发电机组安装在所述设备间内，通过开启所述热水泵和冷水泵，把热海水和冷海水分别流入所述热海水舱和冷海水舱，通过所述热交换器和冷交换器进行热交换，持续给所述热气管和冷气管提供热量和冷量，形成温差，使得所述热气管的管道内的高压工质气体与所述冷气管的管道内的高压工质气体产生势焓差，所述汽轮发电机组的两边产生压差。

在本发明所述的高压气体势焓循环的发电装置中，所述高压工质气体为氮气+乙烯、空气+二氧化碳或氮气+乙烯+二氧化碳按一定比例混合的混合工质。

在本发明所述的高压气体势焓循环的发电装置中，多根成对的所述热气管和冷气管并联接入一台所述汽轮发电机组，构成一节发电单元。

在本发明所述的高压气体势焓循环的发电装置中，在所述海上潜浮平台上以每一节独立的发电单元为单位，进行扩展组装，在设定的海域范围内形成海洋温差能发电电站。

实施本发明的高压气体势焓循环的发电装置，具有以下有益效果：由于设有热气管、冷气管、汽轮发电机组、热交换器、冷交换器和高压气体工质，热气管和冷气管分别通过热交换器和冷交换器，和管外的热海水和冷海水进行换热，形成温差，从而使高压气体工质在热气管和冷气管形成不同的势焓差，在汽轮发电机组的两边形成压力差，推动汽轮机运转并构成气体循环，带动动汽轮发电机组发电，本发明降低能量采集成本、集约化较高、能大规模开发降低成本、降低度电成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明高压气体势焓循环的发电装置第一实施例中的结构示意图；

图2为高压气体势焓循环的发电装置第二实施例中的结构示意图；

图3为所述第二实施例中高压气体势焓循环的发电装置另一视角的结构示意图。

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做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。

在本发明高压气体势焓循环的发电装置第一实施例中，该高压气体势焓循环的发电装置的结构示意图如图1所示。图1中，该高压气体势焓循环的发电装置包括热气管01、冷气管02、汽轮发电机组03、热交换器04、冷交换器05和高压气体工质06，热气管01与冷气管02在低位端相连通，热气管01与冷气管02在高位端与汽轮发电机组03相连通，热气管01通过热交换器04与管外的热海水进行换热，冷气管02通过冷交换器05与管外的冷海水进行换热，高压气体工质装在热气管01和冷气管02的管道内，高压气体工质采用空气、氮气、二氧化碳、乙烯中的任意一种或任意几种组成的混合气体。

热气管01和冷气管02均具有一定高度，热交换器04和冷交换器05是安装在管外面的翅片，起到增大热交换面积、加快热量交换的作用。高压气体工质06在热气管01和冷气管02形成不同的势焓差，在汽轮发电机组03两边形成压力差，推动汽轮机运转并构成气体循环，带动汽轮发电机组03发电。

下面进行原理性阐述：

若高压气体在管内不发生相变，始终保持气态，则热气管01和冷气管02同一高度的两点，其压力差：

F＝mg-T2/T1×mg；其中，F为压力差，T1为热气管温度，T2为冷气管温度，m为物体质量，g为重力加速度。

热气体从低端上升到顶端，做功：

W＝F×S＝(mg-T2/T1*mg)×h＝(T1-T2)/T1×mgh (1)

其中，W为做功，S为距离，h为上升高度。

通过另一种公式推导，也可得到式(1)，如下：

气体在管内的重力场中，遵循波尔兹曼分布，若过程等温，上升高度h，压力由p1-->p2，则满足ln(p1/p2)＝Mgh/RT；其中，M为大气分子的摩尔质量，R为常数，具体为8.314帕.米3/摩尔.K，T为绝对温度。

气体进行等温膨胀做功，压力同样由p1-->p2,则W＝nRTln(p1/p2)＝RT*mMgh/MRT＝mgh，吸收的热能Q＝mgh。

气体的势能变化等同等温过程，气体在热气管01和冷气管02的势能循环过程等同是两个等温过程和两个等容过程组成，是一个特斯林循环，满足卡诺循环热效率，则：

W＝(T1-T2)/T1×Q＝(T1-T2)/T1×mgh (2)

推导的做功公式(1)和(2)式一样。

若高压气体在管内循环过程中发生相变，在冷气管发生液化，在热气管发生气化，过程中输入的热量为Q，Q等于一个循环过程的焓降Δh，理论上做功满足卡诺循环热效率，做功：

W1＝ηQ＝(T1-T2)/T1×Q＝(T1-T2)/T1×Δh (3)

其中，η是热效率，η＝(T1-T2)/T1，T1为热气管温度，T2为冷气管温度；

气体的势焓变化相加，其总做功为：

W＝W+W1＝(T1-T2)/T1×mgh+(T1-T2)/T1×Δh)＝η(Ep+Δh)；

其中，Ep为气体的势能，Δh为相变过程的焓降；

热海水总输入热量：Q＝Ep+Δh。

对输出功W而言，管道气体压力越高，则密度越大，质量就越大，输出功W就越大；管道高度h越高，则Ep越大，输出功W就越大；相变过程吸收的热量越大，则Δh越大，输出功W就越大。做功工质可采用空气、氮气、二氧化碳、乙烯及其混合气体。

在第二实施例中，该高压气体势焓循环的发电装置的结构示意图如图2所示。图2中，该高压气体势焓循环的发电装置包括海上潜浮平台1、热海水舱2、冷海水舱3、热气管4、热交换器5、冷气管6、冷交换器7、设备舱8、热水泵9、冷水泵10、汽轮发电机组11和冷水管12，其中，热海水舱3和冷海水舱3的外壳内安装有成对的热气管4和冷气管6，热气管4和冷气管6在底端相连通，在顶端与汽轮发电机组11连通，构成封闭循环，热气管4的管道内和冷气管6的管道内装有高压工质气体，海上潜浮平台1上安装有设备间，设备舱8、热水泵9、冷水泵10和汽轮发电机组11安装在设备间内。

热海水舱2和冷海水舱3的高度在几百米到上千米之间。通过开启热水泵9和冷水泵10，把热海水和冷海水分别流入热海水舱2和冷海水舱3，通过热交换器5和冷交换器7进行热交换，持续给热气管4和冷气管6提供热量和冷量，形成温差，使得热气管4的管道内的高压工质气体与冷气管6的管道内的高压工质气体产生势焓差，从而在汽轮发电机组11的两边产生压差，推动汽轮发电机组11做功发电。

在海洋中，深层冷海水的冷量远大于表层热海水的热量，若能有效的多利用热海水的热量，提高热海水的利用率，则能有效的降低热能收集成本。基于此目的，在工质的选择上，对热海水而言，若能将高温的热海水热量用于给气体提升势能，而低温的热海水用于提供相变所需的热量，让工质从液态变为气态，则热海水的热能能得到充分利用。

为实现上述目标，可采用混合气体工质来实现。由于氮气和乙烯的分子量接近，混合效果好，乙烯的临界温度是9.2℃，做功工质采用氮气和乙烯混合气体，管道混合气体压力大于乙烯的临界压力，当冷气管6的温度降低到乙烯的临界温度时，会发生相变，由气态变为液态，在临界点附近工质的热容较大，能释放大量的热量；反之，在热气管4则吸收大量的热量。假设流入的热海水温度为29℃，往下流的过程不断被热气管吸收热量温度逐渐降低，假设从冷气管6流入的混合工质温度为6℃，里面含有一定比例的已经被液化的液态乙烯，则下降热海水流经热气管4的底部时，液态乙烯气化需吸收大量热量，热海水降温较快，热海水的低温热能被充分利用。通过氮气和乙烯的混合比例调配和控制热海水的流速，能控制从下面排出的热海水的温度，可使排出的热海水的温度接近冷气管6的冷却温度，热水的热能被充分利用，尽管平均做功温差降低了，热效率降低了，但提高了热能收集效率，降低成本，大幅度提高了发电功率。

该高压气体势焓循环的发电装置的做功工质可采用氮气+乙烯按一定比例混合的混合工质，也可采用空气+二氧化碳或氮气+乙烯+二氧化碳按一定比例混合的混合工质，工质成本较低，安全环保，形成对高温的热海水热能和低温的热海水热能的收集利用。

若冷海水舱3的高度小于500米，比如只有300米，则需要冷水管12延伸到500多米水下抽取冷水；则若冷海水舱3的高度超过500米，因500米以下海水的温度达到4℃到5℃，则在500米下可取消冷水舱的隔热外壳，冷水管12也一同取消，在500米以下采用开放结构，让冷气管6完全暴露在深海的冷海水中。假设冷海水舱3的高度达到1千米，则有500米长的冷气管直接和深海的冷海水进行热交换，冷海水受热会上升，周围的冷海水流入补充，开放结构可有效减少冷水泵抽取冷海水的耗能，增大冷量交换，加快工质气体做功循环速度。

热海水在热海水舱2从顶端流向底端过程中，由于温度不断降低，海水密度也稍微变大，有下沉的运动力，也可减少热水泵的耗能。

该设备结构简单，以1米的管径、每秒20米流速计算，每个装置大约可产生2万到4万KW发电量。

本发明利用海洋温差能表层海水温度高，深层几百米以下温度低的特点，通过建设一个海上潜浮平台1，海上潜浮平台1包含二个具有一定高度的垂直舱，由抽水泵抽水分别流入大流量热海水和冷海水，称为热海水舱2和冷海水舱3，热海水舱2和冷海水舱3内分别安装若干垂直管道，里面装入高压气体工质，分别称为热气管4和冷气管6，热气管4和冷气管6在底部通过管道连通，顶部在海上潜浮平台1的设备间，通过管道接入汽轮发电机组11，形成回路循环。热气管4和冷气管6外部安装热交换翅片，作为热交换器5增加与海水的换热面积，加快热交换过程。热气管4和冷气管6分别在热海水舱2和冷海水舱3进行加热和冷却，产生很大的势焓变化，经计算，管径600CM到1米、管长500到1000米的管道，每根可产生1万到5万KW发电量，通过把多根管道并联成一组进行统一发电的方式，每组大约可以产生20万KW的大功率发电，通过海上平台的统一规划，在海上可形成分布式的海洋温差能发电站。经测算，这种海洋温差能发电站，投入少，产出大，具有很强的生态和经济效益，是一种很有发展前景的海洋温差能发电方式。

多根成对的热气管4和冷气管6可以并联接入一台汽轮发电机组，构成一节发电单元。在海上潜浮平台1上以每一节独立的发电单元为单位，进行扩展组装，在设定的海域范围(一定的海域范围)内形成一定规模的海洋温差能发电电站。

图3为第二实施例中高压气体势焓循环的发电装置另一视角的结构示意图。图3中，海上潜浮平台浮动在海洋深度超过1千5百米的热带海面上。海上潜浮平台布置三节独立的发电单元，每一节发电单元的热海水舱和冷海水舱的深度为1千米，各安装有5根管径1米的热气管和冷气管，5根管道并联接入一台汽轮发电机组，驱动一台汽轮发电机组发电，发电机组的功率为10万到20万KW。每一节发电单元，生产时，可定制成10段，每段100米，安装时进行垂直拼接，一段接一段的沉入海里，最终形成一个发电单元。通过多节发电单元和多海上潜浮平台的分布式发电组织，在一定范围内的海域里，建设大功率的电站，电站可通过电解水制氢输送回陆地，开启氢能源应用，并建设海上生产、生活配套平台。

总之，由于海上潜浮平台建设技术成熟，发电设备结构简单。经核算，建设一个海上大规模温差能发电站的度电成本不高，100万KW的温差能发电站，建设成本大约是8--10亿人民币，其中，管长1千米，直径1米的热气管或冷气管，建设成本在1千万人民币左右，从经济性上讲，本发明具有良好的应用前景。另外，本发明的海洋温差能发电电站，在赤道带的大规模应用，可有效的吸收热带海洋表面海水的热量，减弱台风的生成等级。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (6)

1.一种高压气体势焓循环的发电装置，其特征在于，包括热气管、冷气管、汽轮发电机组、热交换器、冷交换器和高压气体工质，所述热气管与所述冷气管在低位端相连通，所述热气管与所述冷气管在高位端与所述汽轮发电机组相连通，所述热气管通过所述热交换器与管外的热海水进行换热，所述冷气管通过所述冷交换器与管外的冷海水进行换热，所述高压气体工质装在所述热气管和冷气管的管道内。

2.根据权利要求1所述的高压气体势焓循环的发电装置，其特征在于，所述高压气体工质采用空气、氮气、二氧化碳、乙烯中的任意一种或任意几种组成的混合气体。

3.一种高压气体势焓循环的发电装置，其特征在于，包括海上潜浮平台、热海水舱、冷海水舱、热气管、热交换器、冷气管、冷交换器、设备舱、热水泵、冷水泵、汽轮发电机组和冷水管，所述热海水舱和冷海水舱的外壳内安装有成对的所述热气管和冷气管，所述热气管和冷气管在底端相连通，在顶端与所述汽轮发电机组连通，构成封闭循环，所述热气管的管道内和冷气管的管道内装有高压工质气体，所述海上潜浮平台上安装有设备间，所述设备舱、热水泵、冷水泵和汽轮发电机组安装在所述设备间内，通过开启所述热水泵和冷水泵，把热海水和冷海水分别流入所述热海水舱和冷海水舱，通过所述热交换器和冷交换器进行热交换，持续给所述热气管和冷气管提供热量和冷量，形成温差，使得所述热气管的管道内的高压工质气体与所述冷气管的管道内的高压工质气体产生势焓差，所述汽轮发电机组的两边产生压差。

4.根据权利要求3所述的高压气体势焓循环的发电装置，其特征在于，所述高压工质气体为氮气+乙烯、空气+二氧化碳或氮气+乙烯+二氧化碳按一定比例混合的混合工质。

5.根据权利要求3所述的高压气体势焓循环的发电装置，其特征在于，多根成对的所述热气管和冷气管并联接入一台所述汽轮发电机组，构成一节发电单元。

6.根据权利要求3所述的高压气体势焓循环的发电装置，其特征在于，在所述海上潜浮平台上以每一节独立的发电单元为单位，进行扩展组装，在设定的海域范围内形成海洋温差能发电电站。