CN113309678A - 一种双级透平海洋温差能热力循环发电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开公开了一种双级透平海洋温差能热力循环发电系统及方法，包括：温水泵、第一蒸发器、第一气液分离器、第一级透平、第一发电机、第一回热器、第一冷凝器、第二蒸发器、第二气液分离器、第二级透平、第二发电机、第二回热器、第二冷凝器、冷水泵；本公开提高了系统的能量吸收率，减小了发电过程的能量耗散，减小了泵的功率消耗，有利于提高发电效率，进一步降低了海洋温差能的发电成本，有利于海洋温差能发电的产业化推广。

Description

一种双级透平海洋温差能热力循环发电系统及方法

技术领域

本公开属于海洋温差能发电技术领域，尤其涉及一种双级透平海洋温差能热力循环发电系统及方法。

背景技术

海洋温差能发电(OTEC)是利用表面海水和深海水之间的温差,将储存在海洋中的热能转化为电能的一种海洋能发电方式；海洋温差发电的发电温差只有22℃左右，卡诺循环效率仅为7％，实际发电效率约为3％左右，而泵等自身耗功就占总发电量的2％左右，因此系统净输出效率仅为1％左右，存在能量利用率低、实际发电效率低和发电净输出效率低等问题。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种双级透平海洋温差能热力循环发电系统及方法，本公开提高了系统的能量吸收率，减小了发电过程的能量耗散，减小了泵的功率消耗，有利于提高发电效率，进一步降低了海洋温差能的发电成本，有利于海洋温差能发电的产业化推广。

为了实现上述目的，本公开的第一方面提出了一种双级透平海洋温差能热力循环发电系统，采用如下技术方案：

一种双级透平海洋温差能热力循环发电系统，包括：温水泵、第一蒸发器、第一气液分离器、第一级透平、第一发电机、第一回热器、第一冷凝器、第二蒸发器、第二气液分离器、第二级透平、第二发电机、第二回热器、第二冷凝器、冷水泵；

所述第一蒸发器的吸热端出口连接所述第一气液分离器的入口，所述第一气液分离器的气体出口连接所述第一级透平的入口，所述第一气液分离器的液体出口连接所述第一回热器的放热端入口，所述第一回热器的放热端出口连接所述第一冷凝器的制冷端入口，所述第一冷凝器的制冷端出口连接所述第一回热器的吸热端入口，所述第一级透平的动力输出与所述第一发电机连接；

所述第二蒸发器的吸热端入口连接所述第一回热器的吸热端出口，所述第二蒸发器的吸热端出口连接所述第二气液分离器的入口，所述第二气液分离器的气体出口连接所述第二级透平的入口，所述第二气液分离器的液体出口连接所述第二回热器的放热端入口，所述第二回热器的放热端出口连接所述第二冷凝器的制冷端入口，所述第二冷凝器的制冷端出口连接所述第二回热器的吸热端入口，所述第二级透平的动力输出与所述第二发电机连接；

所述温水泵的出口连接所述第一蒸发器的放热端入口，所述冷水泵的出口依次连接所述第二冷凝器的吸热端入口和所述第一冷凝器的吸热端入口。

进一步的，双级透平海洋温差能热力循环发电系统还包括第一引射器；

所述第一回热器的放热端出口连接所述第一引射器的液体入口，所述第一级透平的出口连接所述第一引射器的气体入口，所述第一引射器的气体出口连接所述第一冷凝器的制冷端入口。

进一步的，双级透平海洋温差能热力循环发电系统还包括第二引射器；

所述第二回热器的放热端出口连接所述第二引射器的液体入口，所述第二级透平的出口连接所述第二引射器的气体入口，所述第二引射器的气体出口连接所述第二冷凝器的制冷端入口。

进一步的，所述第一冷凝器的制冷端出口和所述第一回热器的吸热端入口之间设置有第一工质泵；所述第二冷凝器的制冷端出口和所述第二回热器的吸热端入口之间设置有第二工质泵。

进一步的，所述第一蒸发器的放热端出口连接所述第二蒸发器的放热端入口。

进一步的，所述第二回热器的吸热端出口连接所述第一蒸发器的吸热端入口。

进一步的，所述温水泵的入口连接海洋表面海水，所述冷水泵的入口连接海洋深海水。

为了实现上述目的，本公开的第二方面提出了一种基于第一方面所述的双级透平海洋温差能热力循环发电系统的工作方法，采用如下技术方案。

一种双级透平海洋温差能热力循环发电系统的工作方法，包括：

温海水流入所述第一蒸发器内；

通过所述第一蒸发器完成换热过程，将部分热量传递给热力循环系统中的工质，工质经过加热发生气液分离生成高压高浓度气体和低浓度溶液；

所述第一气液分离器将高压高浓度气体与低浓度溶液分离，高压高浓度气体流过所述第一级透平推动透平转动，带动所述第一发电机发电；

工质在所述第一回热器中初步加热后流向所述第二蒸发器，工质与温海水在所述第二蒸发器中完成换热；

工质经过加热再次发生气液分离生成高压高浓度气体和低浓度溶液；经过所述第二气液分离器将高压高浓度气体与低浓度溶液分离，高压高浓度气体流过所述第二级透平推动透平转动，带动所述第二发电机发电。

进一步的，低浓度溶液通向所述第一回热器，完成换热过程和余热回收；高压高浓度气体在流过所述第一级透平后输出低压乏气，低压乏气流向所述第一引射器的气体入口端，在所述第一回热器中完成余热回收后的低浓度溶液流向所述第一引射器的液体入口，低浓度溶液与低压乏气在所述第一引射器中混合加速引射；

低浓度溶液通向所述第二回热器，完成换热过程和余热回收；高压高浓度气体在流过所述第二级透平后输出低压乏气，低压乏气流向所述第二引射器的气体入口端，在所述第二回热器中完成余热回收后的低浓度溶液流向所述第二引射器的液体入口，低浓度溶液与低压乏气在所述第二引射器中混合加速引射。

进一步的，冷海水依次流向所述第二冷凝器和所述第一冷凝器；

从所述第一引射器中引射后的低压乏气与低浓度溶液流向所述第一冷凝器，与冷海水发生换热过程，低压乏气重新液化、溶解到低浓度溶液中形成高浓度过冷溶液，经所述第一工质泵加压泵送至所述第一回热器中；

从所述第二引射器中引射后的低压乏气与低浓度溶液流向所述第二冷凝器，与冷海水发生换热过程，低压乏气重新液化、溶解到低浓度溶液中形成高浓度过冷溶液，经所述第二工质泵加压泵送至所述第二回热器中。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

1.本公开采用两级透平(两级循环)吸收温海水中的热量，有利于提高能量利用率，减小温海水的流量，进而降低温海泵的耗能，提高整体发电效率；

2.本公开将含有余热的低浓度溶液工质利用回热器进行热量回收，减小工质与冷海水之间的温度差，降低了换热过程中的能量耗散；同时余热可加热经过冷海水冷却后的过冷工质，降低过冷工质与温海水之间的温度差，降低换热过程中的能量耗散；

3.本公开在透平出口处设置有引射器，用于加速透平出口处的乏气，有利于减小透平进出口的压差，提高透平的发电效率。

附图说明

构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。

图1为本公开实施例1的工作原理图。

图中，1.温水泵；2.第一蒸发器；3.第一气液分离器；4.第一级透平；5.第一发电机；6.第一引射器；7.第一回热器；8.第一工质泵；9.第一冷凝器；10.第二蒸发器；11.第二气液分离器；12.第二级透平；13.第二发电机；14.第二回热器；15.第二引射器；16.第二冷凝器；17.第二工质泵；18.冷水泵。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例提出了一种双级透平海洋温差能热力循环发电系统，包括：温水泵1、第一蒸发器2、第一气液分离器3、第一级透平4、第一发电机5、第一回热器7、第一冷凝器9、第二蒸发器10、第二气液分离器11、第二级透平12、第二发电机13、第二回热器14、第二冷凝器16、冷水泵18。

在本实施例中，所述第一蒸发器2的吸热端出口连接所述第一气液分离器3的入口，所述第一气液分离器3的气体出口连接所述第一级透平4的入口，所述第一气液分离器3的液体出口连接所述第一回热器7的放热端入口，所述第一回热器7的放热端出口连接所述第一冷凝器9的制冷端入口，所述第一冷凝器9的制冷端出口连接所述第一回热器7的吸热端入口，所述第一级透平4的动力输出与所述第一发电机5连接；实现第一级发电。

所述第二蒸发器10的吸热端入口连接所述第一回热器7的吸热端出口，所述第二蒸发器10的吸热端出口连接所述第二气液分离器11的入口，所述第二气液分离器11的气体出口连接所述第二级透平12的入口，所述第二气液分离器11的液体出口连接所述第二回热器14的放热端入口，所述第二回热器14的放热端出口连接所述第二冷凝器16的制冷端入口，所述第二冷凝器16的制冷端出口连接所述第二回热器14的吸热端入口，所述第二级透平12的动力输出与所述第二发电机13连接；实现第二级发电

所述温水泵1的出口连接所述第一蒸发器2的放热端入口，所述冷水泵18的出口依次连接所述第二冷凝器1的吸热端入口和所述第一冷凝器9的吸热端入口。

在本实施例中，所述双级透平海洋温差能热力循环发电系统还包括第一引射器6和第二引射器15；具体的，所述第一回热器7的放热端出口连接所述第一引射器6的液体入口，所述第一级透平4的出口连接所述第一引射器6的气体入口，所述第一引射器6的气体出口连接所述第一冷凝器9的制冷端入口；所述第二回热器14的放热端出口连接所述第二引射器15的液体入口，所述第二级透12平的出口连接所述第二引射器15的气体入口，所述第二引射器15的气体出口连接所述第二冷凝器16的制冷端入口；透平出口处设置有引射器，用于加速透平出口处的乏气，有利于减小透平进出口的压差，提高透平的发电效率。

在本实施例中，所述第一冷凝器9的制冷端出口和所述第一回热器7的吸热端入口之间设置有第一工质泵8；所述第二冷凝器16的制冷端出口和所述第二回热器14的吸热端入口之间设置有第二工质泵17；所述第一工质泵8和所述第二工质泵17的设置为工质的循环提供动力。

在本实施例中，所述第一蒸发器2的放热端出口连接所述第二蒸发器10的放热端入口；所述第二回热器14的吸热端出口连接所述第一蒸发器2的吸热端入口；提高了对系统内热量的利用率。

在本实施例中，所述温水泵的入口连接海洋表面海水，所述冷水泵的入口连接海洋深海水。

实施例2：

本实施例提出了一种双级透平海洋温差能热力循环发电系统的工作方法，包括：

温海水流入所述第一蒸发器2内；

通过所述第一蒸发器2完成换热过程，将部分热量传递给热力循环系统中的工质，工质经过加热发生气液分离生成高压高浓度气体和低浓度溶液；

所述第一气液分离器3将高压高浓度气体与低浓度溶液分离，高压高浓度气体流过所述第一级透平4推动透平转动，带动所述第一发电机5发电；

工质在所述第一回热器7中初步加热后流向所述第二蒸发器10，工质与温海水在所述第二蒸发器10中完成换热；

工质经过加热再次发生气液分离生成高压高浓度气体和低浓度溶液；经过所述第二气液分离器11将高压高浓度气体与低浓度溶液分离，高压高浓度气体流过所述第二级透平12推动透平转动，带动所述第二发电机13发电。

在本实施例中，低浓度溶液通向所述第一回热器7，完成换热过程和余热回收；高压高浓度气体在流过所述第一级透平4后输出低压乏气，低压乏气流向所述第一引射器6的气体入口端，在所述第一回热器7中完成余热回收后的低浓度溶液流向所述第一引射器6的液体入口，低浓度溶液与低压乏气在所述第一引射器6中混合加速引射；

低浓度溶液通向所述第二回热器14，完成换热过程和余热回收；高压高浓度气体在流过所述第二级透平12后输出低压乏气，低压乏气流向所述第二引射器15的气体入口端，在所述第二回热器14中完成余热回收后的低浓度溶液流向所述第二引射器15的液体入口，低浓度溶液与低压乏气在所述第二引射器15中混合加速引射。

在本实施例中，冷海水依次流向所述第二冷凝器16和所述第一冷凝器9；

从所述第一引射器6中引射后的低压乏气与低浓度溶液流向所述第一冷凝器9，与冷海水发生换热过程，低压乏气重新液化、溶解到低浓度溶液中形成高浓度过冷溶液，经所述第一工质泵8加压泵送至所述第一回热器中7；

从所述第二引射器15中引射后的低压乏气与低浓度溶液流向所述第二冷凝器16，与冷海水发生换热过程，低压乏气重新液化、溶解到低浓度溶液中形成高浓度过冷溶液，经所述第二工质泵17加压泵送至所述第二回热器14中。

本公开的工作原理或过程为：

第一级透平工作过程：温水泵从海洋表面抽取温海水，温海水首先流向所述第一蒸发器内2；通过所述第一蒸发器2完成换热过程，将所含部分热量传递给热力循环系统中的工质，工质经过加热发生气液分离生成高压高浓度气体和低浓度溶液；经过所述第一气液分离器3将高压高浓度气体与低浓度溶液分离，其中高压高浓度气体流过所述第一级透平4推动透平转动，带动所述第一发电机发电5，而低浓度溶液由于自身比热容相对较大，因此低浓度溶液还有很多余热，将带有余热的低浓度溶液通向所述第一回热器7，完成换热过程和余热回收。高压高浓度气体在流过所述第一级透平4后输出低压乏气，低压乏气流向所述第一引射器6的气体入口端，在所述第一回热器7中完成余热回收后的低浓度溶液流向所述第一引射器6的液体入口端，低浓度溶液与低压乏气在所述第一引射器6中混合加速引射，引射过程可使得所述第一级透平4出口处的压力降低，有利于增大透平入口侧与出口侧的压差，提高发电效率。冷水泵从海洋深处抽取冷海水，冷海水首先流向所述第二冷凝器16中完成换热过程，之后冷海水从所述第二冷凝器16中流向所述第一冷凝器9中；同时，从引射器中引射后的低压乏气与低浓度溶液流向所述第一冷凝器9中，与冷海水发生换热过程，低压乏气重新液化、溶解到低浓度溶液中形成高浓度过冷溶液，经所述第一工质泵8加压泵送至所述第一回热器7中，吸收低浓度溶液的余热，至此完成所述第一级透平4工作过程。

第二级透平工作过程：温海水所述从第一蒸发器2流出后，温度依然很高，为充分利用温海水热量，工质从所述第一回热器7流出后流向所述第二蒸发器10，同时工质在第一回热器7中初步加热后流向所述第二蒸发器10，工质与温海水在所述第二蒸发器10中完成换热过程，工质经过加热再次发生气液分离生成高压高浓度气体和低浓度溶液；经过所述第二气液分离器11将高压高浓度气体与低浓度溶液分离，其中高压高浓度气体流过所述第二级透平12推动透平转动，带动所述第二发电机13发电，而低浓度溶液由于自身比热容相对较大，因此低浓度溶液还有很多余热，将带有余热的低浓度溶液通向所述第二回热器14，完成换热过程和余热回收。高压高浓度气体在流过所述第二级透平12后输出低压乏气，低压乏气流向所述第二引射器15的气体入口端，在所述第二回热器14中完成余热回收后的低浓度溶液流向所述第二引射器15的液体入口端，低浓度溶液与低压乏气在所述第二引射器15中混合加速引射，引射过程可使得所述第二级透平12出口处的压力降低，有利于增大透平入口侧与出口侧的压差，提高发电效率。冷水泵从海洋深处抽取冷海水，冷海水首先流向所述第二冷凝器中16，同时，从所述第二引射器15中引射后的低压乏气与低浓度溶液流向所述第二冷凝器16中，与冷海水发生换热过程，低压乏气重新液化、溶解到低浓度溶液中形成高浓度过冷溶液，经所述第二工质泵17加压泵送至所述第二回热器14中，吸收低浓度溶液的余热，然后工质从所述第二回热器14流向第一蒸发器中，重新开启新的工作循环，至此完成所述第二级透平12工作过程。

以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种双级透平海洋温差能热力循环发电系统，其特征在于，包括：温水泵、第一蒸发器、第一气液分离器、第一级透平、第一发电机、第一回热器、第一冷凝器、第二蒸发器、第二气液分离器、第二级透平、第二发电机、第二回热器、第二冷凝器、冷水泵；

所述第一蒸发器的吸热端出口连接所述第一气液分离器的入口，所述第一气液分离器的气体出口连接所述第一级透平的入口，所述第一气液分离器的液体出口连接所述第一回热器的放热端入口，所述第一回热器的放热端出口连接所述第一冷凝器的制冷端入口，所述第一冷凝器的制冷端出口连接所述第一回热器的吸热端入口，所述第一级透平的动力输出与所述第一发电机连接；

所述第二蒸发器的吸热端入口连接所述第一回热器的吸热端出口，所述第二蒸发器的吸热端出口连接所述第二气液分离器的入口，所述第二气液分离器的气体出口连接所述第二级透平的入口，所述第二气液分离器的液体出口连接所述第二回热器的放热端入口，所述第二回热器的放热端出口连接所述第二冷凝器的制冷端入口，所述第二冷凝器的制冷端出口连接所述第二回热器的吸热端入口，所述第二级透平的动力输出与所述第二发电机连接；

所述温水泵的出口连接所述第一蒸发器的放热端入口，所述冷水泵的出口依次连接所述第二冷凝器的吸热端入口和所述第一冷凝器的吸热端入口。

2.如权利要求1所述的一种双级透平海洋温差能热力循环发电系统，其特征在于，还包括第一引射器；

所述第一回热器的放热端出口连接所述第一引射器的液体入口，所述第一级透平的出口连接所述第一引射器的气体入口，所述第一引射器的气体出口连接所述第一冷凝器的制冷端入口。

3.如权利要求1所述的一种双级透平海洋温差能热力循环发电系统，其特征在于，还包括第二引射器；

所述第二回热器的放热端出口连接所述第二引射器的液体入口，所述第二级透平的出口连接所述第二引射器的气体入口，所述第二引射器的气体出口连接所述第二冷凝器的制冷端入口。

4.如权利要求1所述的一种双级透平海洋温差能热力循环发电系统，其特征在于，所述第一冷凝器的制冷端出口和所述第一回热器的吸热端入口之间设置有第一工质泵；所述第二冷凝器的制冷端出口和所述第二回热器的吸热端入口之间设置有第二工质泵。

5.如权利要求1所述的一种双级透平海洋温差能热力循环发电系统，其特征在于，所述第一蒸发器的放热端出口连接所述第二蒸发器的放热端入口。

6.如权利要求1所述的一种双级透平海洋温差能热力循环发电系统，其特征在于，所述第二回热器的吸热端出口连接所述第一蒸发器的吸热端入口。

7.如权利要求1所述的一种双级透平海洋温差能热力循环发电系统，其特征在于，所述温水泵的入口连接海洋表面海水，所述冷水泵的入口连接海洋深海水。

8.一种基于权利要求1-7任一项所述的双级透平海洋温差能热力循环发电系统的工作方法，其特征在于，包括：

温海水流入所述第一蒸发器内；

通过所述第一蒸发器完成换热过程，将部分热量传递给热力循环系统中的工质，工质经过加热发生气液分离生成高压高浓度气体和低浓度溶液；

所述第一气液分离器将高压高浓度气体与低浓度溶液分离，高压高浓度气体流过所述第一级透平推动透平转动，带动所述第一发电机发电；

工质在所述第一回热器中初步加热后流向所述第二蒸发器，工质与温海水在所述第二蒸发器中完成换热；

工质经过加热再次发生气液分离生成高压高浓度气体和低浓度溶液；经过所述第二气液分离器将高压高浓度气体与低浓度溶液分离，高压高浓度气体流过所述第二级透平推动透平转动，带动所述第二发电机发电。

9.如权利要求8所述的一种双级透平海洋温差能热力循环发电系统的工作方法，其特征在于，

低浓度溶液通向所述第一回热器，完成换热过程和余热回收；高压高浓度气体在流过所述第一级透平后输出低压乏气，低压乏气流向所述第一引射器的气体入口端，在所述第一回热器中完成余热回收后的低浓度溶液流向所述第一引射器的液体入口，低浓度溶液与低压乏气在所述第一引射器中混合加速引射；

低浓度溶液通向所述第二回热器，完成换热过程和余热回收；高压高浓度气体在流过所述第二级透平后输出低压乏气，低压乏气流向所述第二引射器的气体入口端，在所述第二回热器中完成余热回收后的低浓度溶液流向所述第二引射器的液体入口，低浓度溶液与低压乏气在所述第二引射器中混合加速引射。

10.如权利要求8所述的一种双级透平海洋温差能热力循环发电系统的工作方法，其特征在于，

冷海水依次流向所述第二冷凝器和所述第一冷凝器；

从所述第一引射器中引射后的低压乏气与低浓度溶液流向所述第一冷凝器，与冷海水发生换热过程，低压乏气重新液化、溶解到低浓度溶液中形成高浓度过冷溶液，经所述第一工质泵加压泵送至所述第一回热器中；

从所述第二引射器中引射后的低压乏气与低浓度溶液流向所述第二冷凝器，与冷海水发生换热过程，低压乏气重新液化、溶解到低浓度溶液中形成高浓度过冷溶液，经所述第二工质泵加压泵送至所述第二回热器中。

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