CN112880221B - 一种中低温热源驱动的功冷气联供系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中低温热源驱动的功冷气联供系统，其包括中低温热源循环系统、LNG冷能利用循环系统、卡琳娜循环系统、有机朗肯循环系统、外部喷射式制冷循环系统和内部喷射式制冷循环系统；卡琳娜循环系统通过锅炉和过热器与中低温热源循环系统耦合；有机朗肯循环系统通过ORC预热器与中低温热源循环系统相耦合，有机朗肯循环系统通过ORC蒸发器与卡琳娜循环系统耦合；内部喷射式制冷循环系统的喷射器的引射流为卡琳娜循环系统中的透平中间某一位置引出的中高压氨气，被引射流为第一蒸发器出口的两相流；外部喷射式制冷循环系统的喷射器的引射流为卡琳娜循环系统中的冷凝器出口的氨水，被引射流为蒸发器出口的两相混合物。

Description

一种中低温热源驱动的功冷气联供系统
技术领域
本发明属于功冷气联供领域，尤其涉及一种中低温热源驱动的功冷气联供系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着社会的进步，煤、石油、天然气等不可再生能源消耗量也随之逐年上升，并对环境造成严重破坏。在这种情况下将热源能量进行梯级利用，最大化提高能量利用率，就显得尤为重要，它是解决当下能源危机和缓解环境压力的重要途径之一。而中低温的热源在我们生活中比较常见，是热源的重要组成部分之一，包括太阳能、工厂的各种废热、余热等，充分利用这部分能量对于解决当下能源危机和缓解环境压力有着重要作用。
以氨水为工质的卡琳娜循环系统，在中低温热能回收方面具有显著优势，氨水混合物吸热蒸发为变温过程，可以使热源和工质的温度曲线完美匹配，最大限度的降低了换热过程中的不可逆损失，提高其热能利用率。卡琳娜循环系统的热沉多采用冷却水或升温处理后LNG(液化天然气)，用冷却水时，由于温度较高所以需要的流量较大，导致水泵消耗的功率较高；而使用LNG时，通常需要通过海水或工业余热给其加热，然后作为卡琳娜循环系统的热沉，这样的处理方式，一方面造成能量浪费、海洋环境污染和沿海城市热源供需不足等问题，另一方面LNG在汽化时会释放出大量冷能，这部分冷能也往往得不到有效地利用。
有机朗肯循环系统适用于低温余热回收，具有较高的能源利用率。丙烷是有机朗肯循环系统的一种，其冰点温度较低,不用经过任何升温处理就可用于与LNG换热，不会产生凝固的现象，但发明人发现，LNG经过与有机朗肯循环系统丙烷换热后，LNG的温度仍较低，仍可进行冷量回收。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种中低温热源驱动的功冷气联供系统，其采用中低温热源为驱动热源，LNG(-162℃)为热沉，通过耦合卡琳娜循环系统、有机朗肯循环系统和引入双级喷射式制冷循环，能够实现中低温热源和LNG冷能的梯级利用，并可同时满足用户冷、电、气多股能源用能需求。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种中低温热源驱动的功冷气联供系统，包括中低温热源循环系统、LNG冷能利用循环系统、卡琳娜循环系统、有机朗肯循环系统、外部喷射式制冷循环系统和内部喷射式制冷循环系统；
所述卡琳娜循环系统通过锅炉和过热器与中低温热源循环系统耦合；所述有机朗肯循环系统通过ORC预热器与中低温热源循环系统相耦合，有机朗肯循环系统通过ORC蒸发器与卡琳娜循环系统相耦合；内部喷射式制冷循环系统的喷射器的引射流为卡琳娜循环系统中的透平中间某一位置引出的中高压氨气，被引射流为第一蒸发器出口的两相流；外部喷射式制冷循环系统的喷射器的引射流为卡琳娜循环系统中的冷凝器出口的氨水，被引射流为蒸发器出口的两相混合物；外部喷射式制冷循环系统中的冷凝器的冷量由LNG冷能利用循环系统中的LNG提供；最终实现了中低温热源和LNG冷能的梯级利用及冷电气联供。
作为一种实施方式，中低温热源循环系统内的中低温热源为驱动热能。
作为一种实施方式，换热工质被中低温热源循环系统加热后，通过过热器与饱和氨气发生热交换使其从饱和状态变为过热状态，换热工质通过锅炉与氨水发生热交换，使其变为饱和气体；换热工质通过ORC预热器与丙烷发生热交换给其预热，换热工质通过LNG-换热工质换热器与天然气发生热交换，天然气被加热至过热状态，获得最大输出功，最后，换热工质被换热工质泵送回中低温热源循环系统，完成一个循环。
作为一种实施方式，LNG冷能利用循环系统中的LNG被LNG泵从LNG储罐抽出。
作为一种实施方式，从LNG储罐抽出的LNG被送入ORC冷凝器，在ORC冷凝器中与丙烷发生热交换使其冷凝。
作为一种实施方式，从ORC冷凝器出来的LNG，通过LNG分流器分成两路，一路被依次被送入吸收器，第一冷凝器给其提供冷量，自身被加热；另一路，被送入外部喷射式制冷循环系统的第二冷凝器中，给其提供冷量，自身被加热。
作为一种实施方式，两路被加热的LNG在LNG混合器混合，再送至LNG-换热工质换热器中被换热工质加热至过热状态，之后过热工质进入天然气透平膨胀机对外做功，带动发电机发电；最后做功膨胀后常温常压的天然气被供给用户。
作为一种实施方式，有机朗肯循环系统的工质为丙烷。
作为一种实施方式，丙烷经ORC预热器被预热后送入ORC蒸发器吸收闪蒸罐出口气体的热量蒸发变为过热气体后送至ORC透平膨胀机，推动透平对外做功，带动发电机发电；随后透平排气进入ORC回热器被来自ORC冷凝器的液体预冷，接着丙烷进入ORC冷凝器被冷凝；再接着被ORC工质泵送入ORC回热器，被透平排气加热；随后丙烷被流入ORC预热器被换热工质预热，从而完成一个循环。
作为一种实施方式，卡琳娜循环系统与外部喷射式制冷循环系统和内部喷射式制冷循环系统耦合的循环工质为氨水。
本发明的有益效果是：
(1)本发明为了回收中低温热源被卡琳娜循环系统的锅炉和过热器利用后的热量以及卡琳娜循环系统闪蒸罐出口的热量这两部分能量，提高发电效率，该系统引入有机朗肯循环系统，有机朗肯循环系统以这部分能量作为它的驱动热源，其中，中低温热源循环系统与有机朗肯循环系统通过ORC预热器耦合；卡琳娜循环系统和有机朗肯循环系统通过ORC蒸发器耦合。
(2)本发明引入了外部喷射式制冷循环系统和内部喷射式制冷循环系统两个喷射式制冷循环，不仅可以实现功率输出，还可实现较大的冷量输出，通过调节相应分流器分流比，还可实现冷功比的调节。
(3)本发明利用卡琳娜循环系统、有机朗肯循环系统、喷射式制冷循环和天然气膨胀机对LNG冷能实现了能量梯级利用，并具有较好的温度匹配,将最终常温常压的天然气送至用户，可实现冷电气联供。
(4)本发明通过卡琳娜循环系统、有机朗肯循环系统、LNG冷能循环相耦合，既实现中低温热源的梯级利用，又提高了系统联合效率。
(5)本发明把卡琳娜循环系统透平膨胀机中间某一位置引出的高压氨气作为喷射器的引射流，具有制冷效率更高。
(6)本发明以中低温热源作为驱动热源，以LNG冷能作为热沉的多循环融合冷电气联供系统，包括中低温热源循环系统、LNG冷能利用循环系统、卡琳娜循环系统、有机朗肯循环系统和氨喷射式制冷循环。本发明对中低温热源和LNG冷能实现高效回收利用，实现了能量的梯级利用，并可同时满足用户冷、电、气多股能源用能需求，具有较大的经济效益和生态效益。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的中低温热源驱动的功冷气联供系统结构示意图。
其中，1.锅炉；2.过热器；3.氨透平膨胀机；4.回热器；5.混合器；6.吸收器；7.第一工质泵；8.闪蒸罐预热器；9.闪蒸罐；10.第一分流器；11.引射节流阀；12.第一蒸发器；13.第一喷射器；14.回流节流阀；15.ORC蒸发器；16.锅炉预热器；17.第一冷凝器；18.第二分流器；19.第二工质泵；20.第二喷射器；21.第二冷凝器；22.节流阀；23.第二蒸发器；24.ORC预热器；25.ORC透平膨胀机；26.ORC回热器；27.ORC冷凝器；28.ORC工质泵；29.LNG储罐；30.LNG泵；31.LNG混合器；32.LNG-换热工质换热器；33.天然气透平膨胀机；34.用户；35.LNG分流器；36.换热工质泵；37.中低温热源循环系统。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
参照图1，本实施例提供了一种中低温热源驱动的功冷气联供系统，包括中低温热源循环系统、LNG冷能利用循环系统、卡琳娜循环系统、有机朗肯循环系统、外部喷射式制冷循环系统和内部喷射式制冷循环系统。
具体地，所述卡琳娜循环系统通过锅炉和过热器与中低温热源循环系统耦合；所述有机朗肯循环系统通过ORC预热器与中低温热源循环系统相耦合，有机朗肯循环系统通过ORC蒸发器与卡琳娜循环系统相耦合；内部喷射式制冷循环系统的喷射器的引射流为卡琳娜循环系统中的透平中间某一位置引出的中高压氨气，被引射流为第一蒸发器出口的两相流；外部喷射式制冷循环系统的喷射器的引射流为卡琳娜循环系统中的冷凝器出口的氨水，被引射流为蒸发器出口的两相混合物；外部喷射式制冷循环系统中的冷凝器的冷量由LNG冷能利用循环系统中的LNG提供；最终实现了中低温热源和LNG冷能的梯级利用及冷电气联供。
本实施例采用中低温热源为驱动热源，LNG(-162℃)为热沉，通过耦合卡琳娜循环系统、有机朗肯循环系统和引入双级喷射式制冷循环，实现中低温热源和LNG冷能的梯级利用，并可同时满足用户冷、电、气多股能源用能需求。
在具体实施中，中低温热源处于中低温热源循环系统中。在本实施例中，将中低温热源循环系统的工质简称为换热工质。如图1所示，首先换热工质通过中低温热源循环系统被加热后，通过过热器2与饱和氨气发生热交换使其从饱和状态变为过热状态。随后，换热工质通过锅炉1，与氨水发生热交换，使其变为饱和气体；接着，换热工质通过ORC预热器24，与丙烷发生热交换给其预热。随后，换热工质通过LNG-换热工质换热器32与天然气发生热交换，天然气被加热至过热状态，获得最大输出功。最后，换热工质被换热工质泵36送回中低温热源循环系统37，完成一个循环。
在具体实施中，LNG处于热沉循环中。具体地在热沉循环中，LNG被LNG泵30从LNG储罐29抽出，送入ORC冷凝器27，在ORC冷凝器27中与丙烷发生热交换使其冷凝。随后，通过LNG分流器35分成两路，一路被依次被送入吸收器6，第一冷凝器17给其提供冷量，自身被加热；另一路，被送入外部喷射式制冷循环系统的第二冷凝器21中，给其提供冷量，自身被加热；接着二者在LNG混合器31混合后，被送至LNG-换热工质换热器32中被换热工质加热至过热状态，之后过热工质进入天然气透平膨胀机33对外做功，带动发电机发电；最后做功膨胀后常温常压的天然气被供给用户34。
在本实施例中，有机朗肯循环系统的工质为丙烷。丙烷经ORC预热器24被预热后送入ORC蒸发器15吸收闪蒸罐9出口气体的热量蒸发变为过热气体后送至ORC透平膨胀机25，推动透平对外做功，带动发电机发电；随后透平排气进入ORC回热器26被来自ORC冷凝器27的液体预冷，接着丙烷进入ORC冷凝器27被冷凝；再接着被ORC工质泵28送入ORC回热器26，被透平排气加热；随后丙烷被流入ORC预热器24被换热工质预热，从而完成一个循环。
此处还需要说明的是，有机朗肯循环系统的工质也可根据实际情况来设置为其他工质，此处不再详述。
在具体实施中，卡琳娜循环系统与外部喷射式制冷循环系统和内部喷射式制冷循环系统相耦合的循环工质为氨水。卡琳娜循环系统中的氨水经锅炉1加热变成饱和蒸汽，后经过过热器2加热变成过热蒸汽后送至氨透平膨胀机3对外做功，带动发电机发电；在氨透平膨胀机3某一位置引出部分流体作为第一喷射器13的引射流，被引射流为第一蒸发器12出口的两相流，来自闪蒸罐9的液体通过闪蒸罐预热器8被降温后，经过第一分流器10分流后，经过引射节流阀11节流降压后送至第一蒸发器12吸热蒸发后作为被引射流进入第一喷射器13；引射流和被引射流在第一喷射器13混合排出后与来自氨透平膨胀机3的排气在混合器5中混合后被送入吸收器，被来自闪蒸罐9的溶液所吸收。随后基本溶液从吸收器6被第一工质泵7抽出，先后经过回热器4和闪蒸罐预热器8被加热后送入闪蒸罐9，在闪蒸罐9中实现气液分离。其中液体从闪蒸罐9下部引出经闪蒸罐预热器8降温后通过第一分流器10分成两路，一路经过回流节流阀14，送入吸收器6吸收氨蒸汽，另一路被送入内部喷射式制冷循环系统，最终被送入吸收器6；气体从闪蒸罐9上部引出，经过ORC蒸发器15被降温后，接着又经过锅炉预热器16被降温，随后送入第一冷凝器17冷凝。冷凝后的液体经第二分流器18分成两路，一路被第二工质泵19送入锅炉预热器16预热，最后被送入锅炉1加热；另一路，作为第二喷射器20引射流，流经第二冷凝器21冷凝后，通过节流阀22节流降压，之后被送入第二蒸发器23，吸热蒸发后的氨蒸汽又被分成两路，一路作为被引射流送入第二喷射器20，另一路直接送入吸收器6被吸收。
本实施例为了回收中低温热源被卡琳娜循环系统的锅炉和过热器利用后的热量以及卡琳娜循环系统闪蒸罐出口的热量这两部分能量，提高发电效率，引入了有机朗肯循环系统，有机朗肯循环系统以这部分能量作为它的驱动热源，其中，中低温热源循环系统与有机朗肯循环系统通过ORC预热器耦合；卡琳娜循环系统和有机朗肯循环系统通过ORC蒸发器耦合，以中低温热源作为驱动热源，以LNG冷能作为热沉的多循环融合冷电气联供系统，包括中低温热源循环系统、LNG冷能利用循环系统、卡琳娜循环系统、有机朗肯循环系统和氨喷射式制冷循环。本发明对中低温热源和LNG冷能实现高效回收利用，实现了能量的梯级利用，并可同时满足用户冷、电、气多股能源用能需求，具有较大的经济效益和生态效益。
本实施例引入了外部喷射式制冷循环系统和内部喷射式制冷循环系统两个喷射式制冷循环，不仅可以实现功率输出，还可实现较大的冷量输出，通过调节相应分流器分流比，还可实现冷功比的调节。
本实施例利用卡琳娜循环系统、有机朗肯循环系统、喷射式制冷循环和天然气膨胀机对LNG冷能实现了能量梯级利用，并具有较好的温度匹配,将最终常温常压的天然气送至用户，可实现冷电气联供。
本实施例通过卡琳娜循环系统、有机朗肯循环系统、LNG冷能循环相耦合，既实现中低温热源的梯级利用，又提高了系统联合效率。
本实施例把卡琳娜循环系统透平膨胀机中间某一位置引出的高压氨气作为引射器的引射流，具有制冷效率更高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (9)

1.一种中低温热源驱动的功冷气联供系统，其特征在于，包括中低温热源循环系统、LNG冷能利用循环系统、卡琳娜循环系统、有机朗肯循环系统、外部喷射式制冷循环系统和内部喷射式制冷循环系统；
所述卡琳娜循环系统通过锅炉和过热器与中低温热源循环系统耦合；所述有机朗肯循环系统通过ORC预热器与中低温热源循环系统相耦合，有机朗肯循环系统通过ORC蒸发器与卡琳娜循环系统相耦合；
所述卡琳娜循环系统与外部喷射式制冷循环系统和内部喷射式制冷循环系统相耦合的循环工质为氨水；卡琳娜循环系统中的氨水经锅炉加热变成饱和蒸汽，后经过过热器加热变成过热蒸汽后送至氨透平膨胀机对外做功，带动发电机发电；在氨透平膨胀机某一位置引出部分流体作为第一喷射器的引射流，被引射流为第一蒸发器出口的两相流，来自闪蒸罐的液体通过闪蒸罐预热器被降温后，经过第一分流器分流后，经过引射节流阀流降压后送至第一蒸发器吸热蒸发后作为被引射流进入第一喷射器；引射流和被引射流在第一喷射器混合排出后与来自氨透平膨胀机的排气在混合器中混合后被送入吸收器，被来自闪蒸罐的溶液所吸收；随后基本溶液从吸收器被第一工质泵抽出，先后经过回热器和闪蒸罐预热器被加热后送入闪蒸罐，在闪蒸罐中实现气液分离；其中液体从闪蒸罐下部引出经闪蒸罐预热器降温后通过第一分流器分成两路，一路经过回流节流阀，送入吸收器吸收氨蒸汽，另一路被送入内部喷射式制冷循环系统，最终被送入吸收器；气体从闪蒸罐上部引出，经过ORC蒸发器被降温后，接着又经过锅炉预热器被降温，随后送入第一冷凝器冷凝；冷凝后的液体经第二分流器分成两路，一路被第二工质泵送入锅炉预热器预热，最后被送入锅炉加热；另一路，作为第二喷射器引射流，流经第二冷凝器冷凝后，通过节流阀节流降压，之后被送入第二蒸发器，吸热蒸发后的氨蒸汽又被分成两路，一路作为被引射流送入第二喷射器，另一路直接送入吸收器被吸收；
LNG冷能利用循环系统与内部喷射式制冷循环系统、中低温热源循环系统通过中间换热器进行换热，外部喷射式制冷循环系统中的冷凝器的冷量由LNG冷能利用循环系统中的LNG提供，实现中低温热源和LNG冷能的梯级利用及冷电气联供。
2.如权利要求1所述的中低温热源驱动的功冷气联供系统，其特征在于，中低温热源循环系统内的中低温热源为驱动热能。
3.如权利要求2所述的中低温热源驱动的功冷气联供系统，其特征在于，换热工质被中低温热源循环系统加热后，通过过热器与饱和氨气发生热交换使其从饱和状态变为过热状态，换热工质通过锅炉与氨水发生热交换，使其变为饱和气体；换热工质通过ORC预热器与丙烷发生热交换给其预热，换热工质通过LNG-换热工质换热器与天然气发生热交换，天然气被加热至过热状态，获得最大输出功，最后，换热工质被换热工质泵送回中低温热源循环系统，完成一个循环。
4.如权利要求1所述的中低温热源驱动的功冷气联供系统，其特征在于，LNG冷能利用循环系统中的LNG被LNG泵从LNG储罐抽出。
5.如权利要求4所述的中低温热源驱动的功冷气联供系统，其特征在于，从LNG储罐抽出的LNG被送入ORC冷凝器，在ORC冷凝器中与丙烷发生热交换使其冷凝。
6.如权利要求5所述的中低温热源驱动的功冷气联供系统，其特征在于，从ORC冷凝器出来的LNG，通过LNG分流器分成两路，一路被依次被送入吸收器，第一冷凝器给其提供冷量，自身被加热；另一路，被送入外部喷射式制冷循环系统的第二冷凝器中，给其提供冷量，自身被加热。
7.如权利要求6所述的中低温热源驱动的功冷气联供系统，其特征在于，两路被加热的LNG在LNG混合器混合，再送至LNG-换热工质换热器中被换热工质加热至过热状态，之后过热工质进入天然气透平膨胀机对外做功，带动发电机发电；最后做功膨胀后常温常压的天然气被供给用户。
8.如权利要求1所述的中低温热源驱动的功冷气联供系统，其特征在于，有机朗肯循环系统的工质为丙烷。
9.如权利要求8所述的中低温热源驱动的功冷气联供系统，其特征在于，丙烷经ORC预热器被预热后送入ORC蒸发器吸收闪蒸罐出口气体的热量蒸发变为过热气体后送至ORC透平膨胀机，推动透平对外做功，带动发电机发电；随后透平排气进入ORC回热器被来自ORC冷凝器的液体预冷，接着丙烷进入ORC冷凝器被冷凝；再接着被ORC工质泵送入ORC回热器，被透平排气加热；随后丙烷被流入ORC预热器被换热工质预热，从而完成一个循环。
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