CN110513167B - 一种热质混合多级发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热质混合多级发电系统，包括热水池、水泵、一次分离罐、一级汽轮机、一级发电机、二级水轮机、二级发电机、二次分离罐、冷凝器、工质泵和循环泵；一次分离罐的入口通过水泵与热水池相连，还通过工质泵与冷凝器的液体出口相连，冷凝器与一次分离罐之间的管道中设有不溶于水的低沸点工质；一次分离罐的气体出口经一级汽轮机与冷凝器的气体入口相连；一次分离罐的液体出口经二级水轮机与二次分离罐的入口相连；二次分离罐的气体出口与冷凝器的气体入口相连；二次分离罐的液体出口通过循环泵与热水池相连。本发明通过直接接触换热和多级发电，在提高发电效率的同时，降低了系统成本，有利于低温余热的回收利用。

Description

一种热质混合多级发电系统
技术领域
本发明涉及低温余热发电技术，具体涉及一种热质混合多级发电系统。
背景技术
高炉冲渣是炼铁冶炼过程中最末端的工艺，高炉炼铁后产生的大量高温炉渣通过冲渣水进行冷却，这一过程中能够产生大量热水和蒸汽。为保证冲渣水的循环利用效果，需将冲渣水降温再次循环冲渣。
现在的冲渣余热利用主要集中在冲渣水余热利用领域，其研究和利用方式主要集中在采暖、泳池、发电等领域。冲渣水中杂质和固体颗粒物多，浊度大，含盐量高，降温易结垢，因而高炉冲渣水利用对于预处理和换热器要求高。现在钢铁行业对于冲渣余热利用的实际应用案例非常少，大部分钢铁企业都放任自流，不但浪费了大量的余热，而且不得不通过冷却塔冷却的方式额外消耗一部分电力和淡水来保证生产工艺的正常运作。在少有的几个实际应用案例中，也仅仅是利用了项目冲渣余热的一部分且间歇或者季节性应用，仅为采暖、泳池加热供热。冲渣余热较少利用的原因在于其距离需求侧较远，供暖和泳池加热需热量小且不能持续利用，对生产的连续性不利。
而采用发电方式，因其温度较低，现阶段发电技术应用效率低，且占地和造价大。考虑到冲渣水的杂质多、水质差，现阶段的发电思路是通过蒸发器换热后闪蒸发电(ORC发电)，换热温差的存在大大降低了发电效率和发电量。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种热质混合多级发电系统，通过直接接触换热和多级发电，在提高发电量的同时降低成本，实现更好的经济性，进而提高低温余热回收利用的推广价值。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种热质混合多级发电系统，包括热水池、水泵、一次分离罐、一级汽轮机、一级发电机、二级水轮机、二级发电机、二次分离罐、冷凝器、工质泵和循环泵；
一次分离罐的入口在通过水泵与热水池相连的同时，还通过工质泵与冷凝器的液体出口相连，冷凝器与一次分离罐之间的管道中设有不溶于水的低沸点工质；一次分离罐的气体出口经一级汽轮机与冷凝器的气体入口相连；一次分离罐的液体出口经二级水轮机与二次分离罐的入口相连；
二次分离罐的气体出口与冷凝器的气体入口相连；二次分离罐的液体出口通过循环泵与热水池相连；
一级发电机与一级汽轮机连接，二级发电机与二级水轮机连接。
本发明的热质混合多级发电系统，将不溶于水的低温低沸点工质加压后直接与加压后的热水混合，低沸点工质温度迅速升高，并变为气态后进入一级汽轮机膨胀发电，液态水(含有少量的工质)则通过二级水轮机发电，发电后的低沸点工质乏气在冷凝器中冷凝，重新与热水混合，实现循环发电。
作为本发明的一种改进，所述的一级汽轮机为中间补气型汽轮机，一次分离罐的气体出口与一级汽轮机的蒸气入口相连，二次分离罐的气体出口与一级汽轮机的补气口相连，一级汽轮机的乏气出口与冷凝器的气体入口相连。如此，从二次分离罐降压闪蒸分离出的蒸气可进入一次汽轮机中部进行补气，从而提高发电量。
作为本发明的一种改进，还包括三级汽轮机和三级发电机，二次分离罐的气体出口经三级汽轮机与冷凝器的气体入口相连，三级发电机与三级汽轮机连接。如此，从二次分离罐降压闪蒸分离出的蒸气可再次利用，进而提高发电量。
作为本发明的一种改进，所述的一次分离罐内部设有一次喷淋设备和一次填料层；一次喷淋设备设置在一次分离罐顶部并与一次分离罐的入口相连；一次填料层设置在一次分离罐中部，用于提升热水与低沸点工质的接触面积。
作为本发明的一种改进，所述的二次分离罐内部设有二次喷淋设备和二次填料层；二次喷淋设备设置在二次分离罐顶部并与二次分离罐的入口相连；二次填料层设置在二次分离罐中部，用于提升热水与低沸点工质的接触面积。
作为本发明的一种改进，所述的低沸点工质为无毒无害的低沸点工质，且其沸点温度低于二次分离罐中液体的温度。
本发明的热质混合多级发电系统，采用直接接触换热方式，与传统ORC发电系统相比，避免了蒸发换热器，不但减少了设备投资，而且减少了换热温差提高了汽轮机进气温度，同时采用多级发电方式，进一步提高了发电效率，经济性、节能环保性大大提高。
本发明的热质混合多级发电系统，不仅可用于钢铁行业的冲渣水余热回收利用，同时还适合应用在地热、太阳能等低温余热领域，可提高在这些应用领域应用的能量回收利用效果，提高经济性。
附图说明
图1为本发明实施例一的热质混合多级发电系统的原理图；
图2为本发明实施例二的热质混合多级发电系统的原理图；
图3为本发明实施例三的热质混合多级发电系统的原理图；
附图标记说明：1-热水池；2-一次分离罐；3-一级汽轮机；4-冷凝器；5-二次分离罐；6-过滤器；7-二级水轮机；8-三级汽轮机；11-一级发电机；12-二级发电机；13-三级发电机；21、水泵；22-工质泵；23-循环泵；31-一次喷淋设备；32-一次填料层；41-二次喷淋设备；42-二次填料层。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，本实施例的一种热质混合多级发电系统，包括热水池1、过滤器6、水泵21、一次分离罐2、一级汽轮机3、一级发电机11、二级水轮机7、二级发电机12、二次分离罐5、冷凝器4、工质泵22、循环泵23以及配套的连接管道。
一次分离罐2的入口通过水泵21与热水池相连，同时还通过工质泵22与冷凝器4的液体出口相连。冷凝器4与一次分离罐2之间的管道中设有不溶于水的低沸点工质，低沸点工质需无毒无害，且其沸点温度低于二次分离罐5中液体的温度。一次分离罐2的气体出口经一级汽轮机3与冷凝器4的气体入口相连；一次分离罐2的液体出口经二级水轮机7与二次分离罐的入口相连。二次分离罐5的气体出口与冷凝器4的气体入口相连；二次分离罐5的液体出口则通过循环泵23与热水池1相连。
一级发电机11安装在一级汽轮机3的转轴上，可在一级汽轮机3的驱动下发电，二级发电机12安装在二级水轮机7的转轴上，可在二级水轮机7的驱动下发电。
一次分离罐2内部设有一次喷淋设备31和一次填料层32，一次喷淋设备32设置在一次分离罐2顶部并与一次分离罐2的入口相连，一次填料层32设置在一次分离罐2中部，用于提升热水与低沸点工质的接触面积。一次喷淋设备31采用常规的喷淋装置即可，一次填料层32为具有空隙或网格的层状结构，二者均可商购获得。
二次分离罐5内部设有二次喷淋设备41和二次填料层42，二次喷淋设备41设置在二次分离罐5顶部并与二次分离罐5的入口相连，二次填料层42设置在二次分离罐5中部，用于提升热水与低沸点工质的接触面积。二次喷淋设备41采用常规的喷淋装置即可，二次填料层42为具有空隙或网格的层状结构，二者均可商购获得。
运行时，被工质泵22加压的低温不溶于水(或者难溶于水)的液态低沸点工质和被水泵21加压的并经过滤器6过滤后的热水混合进入一次分离罐2中，由于为低沸点工质，因此混合后被热水加热升温变为气态，液态热水则降温。混合后的夹带不溶于水的低沸点工质的液体进入一次分离罐2时首先进入其中的一次喷淋设备31被喷出，帮助热水与低沸点工质更好的换热和传质。喷淋出的液体下降到一次填料层32中，填料层的存在大大提升了换热面积和接触面积，进一步帮助低沸点工质和热水接触以进行充分换热，进而低沸点工质升温变为气态，同时气态工质的上升会进一步帮助填料层中的低沸点工质与热水扰动接触换热，而热水则降温后下降到一次分离罐2底部。
在一次分离罐2中的低沸点工质和热水分为两路：
a.气态工质(包含部分蒸发的水蒸气)进入一级汽轮机3中，膨胀发电带动一级发电机11发电，降温降压后的乏气进入冷凝器4中；
b.液态降温水(溶解有微量低沸点工质)进入二级水轮机7中，带动二级发电机12发电，降压后进入二次分离罐5中。二次分离罐5的结构与一次分离罐2类似，降压后的液体首先经过二次喷淋设备41后被分流，并在二次填料层42中充分接触换热，进而降压后溶解在水中的微量低沸点工质经过充分接触换热后析出变为气态，然后通过管路进入冷凝器4中，而液态水则通过循环泵23进入热水池1中与其中的冲渣水混合降温后冷却钢渣，进而被加热升温重新由水泵21加压与低沸点工质混合。
气态的低沸点工质在冷凝器4中被冷却为液态后，由工质泵22加压后重新与被水泵21加压后的热水混合进入一次分离罐2，完成一个循环。
可以看出，本实施例的热质混合多级发电系统，采用直接接触换热，对比传统的ORC发电系统，省却了蒸发换热器设备，其造价低、占地小、换热效率高，有利于钢铁行业和其他行业的低温余热利用。相对于蒸发器换热闪蒸方式，本发明的这种直接接触换热方式，蒸气温度可以提高5-10℃，结合多级发电，发电效率大幅度提高。以10万kW冲渣水冷却功率计算，如果采用传统的蒸发器换热闪蒸方式，其闪蒸后的饱和蒸汽温度为70℃，其发电效率为5.3％，其自耗电按照2％估算，则其发电功率和净输出分别为5.3MW和3.3MW；如果使用本发明的热质混合多级发电系统，其饱和蒸汽温度可达80℃，第一级发电效率为6.9％，自耗电仍然按照2％计算，第二级发电按照自耗电的30％计算，则总发电功率和净输出分别为7.5MW和5.5MW，本发明的热质混合多级发电系统的电力净输出提高了接近67％，经济性和节能环保价值大大提高，具体如表1所示。
表1饱和蒸气温度、压力与发电效率的对应关系
饱和蒸气温度℃ 饱和蒸气压力MPa 发电效率％
60 0.020 3.57
70 0.031 5.30
80 0.047 6.90
90 0.070 8.40
另外，我国的地热资源以中低温地热为主，通过本发明技术的实施，可以降低地热发电建设成本和提高发电效率，有助于我国地热能的推广利用。
同时，我国也是太阳能集热器推广面积最多的国家，特别是很多工商业用户，考虑到冬季用热量大而安装大面积的集热器，在夏季阶段太阳能的热不能利用，造成很大浪费且对太阳能集热器的性能、寿命产生很大影响，通过本发明技术的实施，可以有效提高太阳能热利用效率，有助于太阳能的推广利用。
实施例二
如图2所示，与实施例1大部分类似，不同点在于，一级汽轮机3为中间补气型汽轮机，一次分离罐2的气体出口与一级汽轮机3的蒸气入口相连，二次分离罐5的气体出口与一级汽轮机3的补气口相连，一级汽轮机3的乏气出口与冷凝器4的气体入口相连。这样设计是为了更好的利用工质进而产生更多的电力，二次分离罐5分离出的气态工质不进入冷凝器4中，而是以中间补气的方式进入一级汽轮机3中，进而发电机11产生更多的电力。
实施例三
如图3所示，与实施例1大部分类似，不同点在于，增加了三级汽轮机8和三级发电机13，二次分离罐5的气体出口经三级汽轮机8与冷凝器4的气体入口相连，三级发电机13安装在三级汽轮机8的转轴上，可在三级汽轮机8的驱动下发电。由于二次分离罐5中的压力降低，因此不但溶解其中的低沸点工质变为气态析出，而且液态水也因为降压而闪蒸出蒸气，这些气体工质和低压水蒸气进入三级汽轮机8中，膨胀降压降温带动发电机13发电，进一步提高发电量，乏气则进入冷凝器4中。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种热质混合多级发电系统，其特征在于：包括热水池、水泵、一次分离罐、一级汽轮机、一级发电机、二级水轮机、二级发电机、二次分离罐、冷凝器、工质泵和循环泵；
一次分离罐的入口在通过水泵与热水池相连的同时，还通过工质泵与冷凝器的液体出口相连，冷凝器与一次分离罐之间的管道中设有不溶于水的低沸点工质；一次分离罐的气体出口经一级汽轮机与冷凝器的气体入口相连；一次分离罐的液体出口经二级水轮机与二次分离罐的入口相连；
一次分离罐内部设有一次喷淋设备和一次填料层；一次喷淋设备设置在一次分离罐顶部并与一次分离罐的入口相连；一次填料层设置在一次分离罐中部，用于提升热水与低沸点工质的接触面积；
二次分离罐的气体出口与冷凝器的气体入口相连；二次分离罐的液体出口通过循环泵与热水池相连；
二次分离罐内部设有二次喷淋设备和二次填料层；二次喷淋设备设置在二次分离罐顶部并与二次分离罐的入口相连；二次填料层设置在二次分离罐中部，用于提升热水与低沸点工质的接触面积；
一级发电机与一级汽轮机连接，二级发电机与二级水轮机连接。
2.根据权利要求1所述的一种热质混合多级发电系统，其特征在于：所述的一级汽轮机为中间补气型汽轮机，一次分离罐的气体出口与一级汽轮机的蒸气入口相连，二次分离罐的气体出口与一级汽轮机的补气口相连，一级汽轮机的乏气出口与冷凝器的气体入口相连。
3.根据权利要求1所述的一种热质混合多级发电系统，其特征在于：还包括三级汽轮机和三级发电机，二次分离罐的气体出口经三级汽轮机与冷凝器的气体入口相连，三级发电机与三级汽轮机连接。
4.根据权利要求1所述的一种热质混合多级发电系统，其特征在于：所述的低沸点工质为无毒无害的低沸点工质，且其沸点温度低于二次分离罐中液体的温度。
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