CN1175663A - 利用低温工质制冷发电的方法及制冷发电站 - Google Patents

Abstract

一种用低温工质制冷发电的方法和设备,利用汽化点低于常温的低温工质与具有低品位(t< 250℃)热能的载热体之间的能量转换,提供低温载冷剂供冷量用户使用。利用被载热体所加热了的高压气态工质在背压汽轮机中的绝热膨胀,带动发电机发电,对外输出电能。利用冷却介质将绝热膨胀后的汽态工质冷凝成液态工质,使循环得以继续。本发明的方法和设备大大提高低品位(t< 250℃)热能的利用率,可在需要电能与冷量的场所使用。

Description

利用低温工质制冷发电的 方法及制冷发电站

本发明涉及一种以低品位(t＜250℃)热能为热源，以低温工质为循环工质来进行制冷发电的方法及制冷发电站。

目前，应用最广泛的制冷方法是蒸汽压缩式制冷，其原理如图1。在制冷循环时，常温高压液态制冷剂，经节流阀2节流，成为低温低压液态制冷剂，进入蒸发器1与常温载冷剂进行热交换。常温载冷剂放出热量，温度降低成为低温载冷剂，供冷量用户使用。低温低压液态制冷剂，吸收热量蒸发汽化，成为常温低压气态制冷剂。该常温低压气态制冷剂进入压缩机3，被压缩成高温高压气态制冷剂，进入冷凝器4与冷却介质进行热交换，放出热量，被冷凝成常温高压液态制冷剂，再经节流阀2节流，循环制冷。

用于传统制冷发电的方法是气体压缩式制冷发电循环。其原理如图2。该循环以空气为制冷作功工质。在制冷发电时，压缩机4吸入来自换热器1的常温低压空气，把它压缩成高温高压空气，进入冷却器5与冷却介质进行热交换。高温高压空气放出热量，成为常温高压空气，进入膨胀机2绝热膨胀，带动发电机3发电，对外输出电能。常温高压空气，经绝热膨胀后内能减少，压力降低，成为低温低压空气。进入换热器1与常温载冷剂进行热交换，常温载冷剂放出热量，温度降低成为低温载冷剂供冷量用户使用。低温低压空气吸收热量成为常温低压空气，再进入压缩机4，循环运行。

应用最广泛的发电站是凝汽式燃煤火力发是站。其发电原理如图3。煤炭在锅炉1中燃烧，水在锅炉1内被加热。水吸收煤炭燃烧释放的热，成为高温高压水蒸汽，进入汽轮机2绝热膨胀，带动发电机3发电，对外输出电能。乏汽从汽轮机2尾部排出，成为低温低压水蒸汽，进入冷凝器4与冷却水进行热交换，放出热量，温度降低，被冷凝成凝结水。经凝结水泵5加压进入除氧器6除氧，再经锅炉给水泵7送入锅炉，循环运行。

本发明的目的在于，运用上述三种传统的制冷与发电的方法，创建以低温工质为循环制冷作功工质，以低品位(t＜250℃)热能为热源的制冷发电方法及制冷发电站设备，为人类提供电能与冷量。

人类拥有取之不尽，用之不完的太阳能与贮量巨大的地热能，又拥有大规模合成低温液态工质的能力。人类能够凭借手中的技术和资金，采用再生资原，保护生态，改善环境的方式来发展生产。

本发明的制冷发电方法及其设备，能大规模地利用低品位(t＜250℃)的洁净能源-太阳能、地热能与工业余热，来进行制冷与发电。

本发明的制冷发电方法及其设备，能以高效除尘的高温烟气(t＜250℃)具备的热能为热源，以低温工质为制冷作功工质，通过各工质间的能量转换，在不消耗外部电能的条件下，回收烟气中的SO₂，使其用于工业生产，以减少酸雨对生态环境的危害。

不对生态环境构成危害，可在需要冷量与电能的场所使用。因而，本发明的制冷发电方法及其设备，寻求的不仅仅是几个地方，几年内的发展，而是广大地区，永远的可持续发展。

本发明的目的是这样来实现的：

1、利用汽化点低于常温的低温液态工质与具有低品位(t＜250℃)热能的载热体之间的能量转换，载热体放出热量，温度降低，成为载冷剂供冷量用户使用。低温液态(或气态)工质吸收具有低品位(t＜250℃)热能的载热体的热量、蒸发汽化、成为具有一定温度(t＜250℃)的高压(P≤4.0MPa)气态工质。

2、将具有一定温度(t＜250℃)的高压(P≤4.0MPa)气态工质，导入背压汽轮机绝热膨胀，带动发电机发电，对外输出电能。具有一定温度(t＜250℃)的高压(P≤4.0MPa)气态工质，通过背压汽轮机绝热膨胀后，成为低温低压汽态工质。

3、利用冷却介质冷却低温低压汽态工质，使其降温冷凝成再生低温液态工质，导入液态工质贮罐，循环使用。冷却介质温度有所升高后，从系统排出。

4、利用气体压缩技术，将运行中因闪蒸产生的汽态工质进行处理，并使其液化成再生低温液态工质，循环使用。

为实现目的，本发明运用能量转换技术，使低温液态工质具备的冷量，通过与载热体之间的能量转换，提供载冷剂对外输出冷量。利用气体压缩式制冷发电的方法，让其具有一定温度(t＜250℃)的高压(P≤4.0MPa)气体，通过背压汽轮机绝热膨胀，带动发电机发电，对外输出电能。用其产生的冷量，处理绝热膨胀后的汽体，使其降温并将部分汽态工质液化。另一部分没液化的汽态工质，利用冷却介质使其继续降温，并使其达到液化条件而液化，使循环得以继续。

制冷发电站运行时，液态工质经节流阀节流回到液态工质贮罐时，因闪蒸产生少量低温汽态工质并聚集于液态工质贮罐顶部。为处理这部分汽态工质，本发明运用气体压缩技术，用气态工质压缩机压缩这部分汽态工质，并使其压力达到背压汽轮机的排汽压力，再一起进入冷凝器与冷却介质进行热交换，一起被冷却并达到液化条件液化，回到液态工质贮罐，继续在系统中运行。

本发明的制冷发电站设备包括有一低温液态工质贮存装置，-低温液态工质输送装置，一背压汽轮机，一发电机，一蒸发装置，一冷凝装置，一过热器，一节流装置和一气态工质压缩装置。

本发明的制冷发电站设备在运行中，低温液态工质贮存装置中的低温工质经低温液态工质输送装置加压以后泵入蒸发装置与具有低品位(t＜250℃)热能的载热体进行热交换。低温工质吸收载热体的热量后蒸发汽化，成为有一定温度(t＜250℃)的高压(P≤4.0MPa)气态工质，进入背压汽轮机绝热膨胀，带动发电机发电，有一定温度(t＜250℃)的高压(P≤4.0MPa)气态工质在绝热膨胀，对外作功之后成为低温低压汽态工质，进入冷凝装置与冷却介质进行热交换。低温低压汽态工质放出热量，温度降低，被冷却成液态工质再进入过热器与低温汽态工质进行热交换，温度有所降低后经节流装置节流后回到低温液态工质贮存装置、继续在系统中循环运行。

下面借助本发明的附图所示的具体实施例对本发明作详细说明。

图1为现有技术中的蒸汽压缩式制冷原理图；

图2为现有技术中的气体压缩式制冷发电原理图；

图3为现有技术中的凝汽式燃煤火力发电站热力循环原理图；

图4为本发明的制冷发电站设备的第一个实施例；

图5为本发明的制冷发电站设备的第二个实施例；

图6为本发明的制冷发电站设备的第三个实施例。

图4为本发明的制冷发电站设备的第一个实施例。其中标号为1的液态工质贮罐有一出口端与液态工质输送泵2的入口端相接，液态工质输送泵2的出口端与蒸发器5的内腔相接。液态工质输送泵2将液态工质贮罐1中的低温液态工质泵入蒸发器5的内腔。

蒸发器5的内腔的另一端与背压汽轮机3相接，其外腔的入口端系载热体(热源)入口，另一端系载冷剂出口。经背压汽轮机3绝热膨胀，对外作功、内能减少，成为低温低压的汽态工质进入冷凝器9的内腔，受到外腔冷却介质的冷却并被冷凝成液态工质。液态工质导入过热器7的内腔，受到外腔低温汽态工质的冷却，温度有所降低后进入节流阀6。液态工质流经节流阀6被节流成低温低压液态工质，导入液态工质贮罐1，完成工质的制冷发电一次循环。

所说的制冷发电站设备进一步还有一气态工质压缩机8。该气态工质压缩机8，把液态工质流经节流阀6节流时，因闪蒸而产生的聚集在液态工质贮罐1顶部的汽态工质，压缩成与背压汽轮机3排出的乏汽压力相似后，通向冷凝器9内腔入口端，与背压汽轮机3排出的乏汽一起循环运行。冷凝器9外腔的入口端系冷却介质入口，出口端系冷却介质出口。

简言之，在本发明的制冷发电站设备中，液态工质贮罐1中的低温液态工质，经液态工质输送泵2加压，进入蒸发器5与具有低品位(t＜250℃)热能的载热体进行热交换。在蒸发器5里，液态(或气态)工质吸收载热体的热量后蒸发汽化，变成具有一定温度(t＜250℃)和压力(P≤4.0 MPa)的气态工质。载热体则放出热量，温度降低，成为低温载冷剂，供冷量用户使用。从蒸发器5出来的具有一定温度与压力的气态工质，进入背压汽轮机3绝热膨胀，对外作功后成为低温低压汽态工质。背压汽轮机3带动发电机4发电，对外输出电能。背压汽轮机3排出的乏汽进入冷凝器9，在那里被冷却介质冷却，液化成液态工质，流经过热器7温度有所降低后，经节流阀6节流成为低温低压液态工质，回到流态工质贮罐1，继续在系统中循环运行。

液态工质流经节流阀6节流时，因闪蒸产生少量的聚集在液态工质贮罐1顶部的汽态工质，经气态工质压缩机8压缩，其压力达到与背压汽轮机3排出的乏汽态压力相似后，再与背压汽轮机3排出的乏汽汇合，一起进冷凝器9，一起循环运行。

图5是应用本发明的烟气回收SO₂发电站的一个应用实例。它以高效除尘的高温(t＜250℃)烟气为热源。高温送风机把烟气从C处送入蒸发器5-II与液态(或气态)低温工质进行热交换，放出热量，温度降低，成为中温烟气，从蒸发器5-II的出口端流出。中温烟气再从E处导入蒸发器5-I与流态低温工质进行热交换，放出热量，温度降低，成为温度为-10℃的低温烟气，从蒸发器5-I的出口端F处流出，导入SO₂回收装置。

低温工质吸收高温(t＜250℃)烟气的热量，蒸发汽化，成为具有一定温度与压力的作功气体，导入背压汽轮机3绝热膨胀，带动发电机4发电，为烟气回收SO₂发电站提供自用电。

图6是应用本发明的制冷发电站的又一个应用实例。它以95℃的洁净热水为热源载热体。载热体从C处泵入蒸发器5-II与液态(或气态)低温工质进行热交换，放出热量，温度降低，成为低温载热体从蒸发器5-II的D处流出。从冷量用户10流出的常温载冷剂从E处泵入蒸发器5-I，与液态低温工质进行热交换，放出热量，温度降低，成为低温载冷剂，达到冷量用户10要求的参数后，从蒸发器5-I的F处流出，导入冷量用户10。

低温工质吸收载热体(热水)的热量，蒸发汽化，成为具有一定温度与压力的气态工质，导入背压汽轮机3绝热膨胀，带动发电机4发电，对外输出电能。

Claims (10)

1、一利用低温工质制冷发电的方法，其特征在于，该方法包括以下几个环节：

1)利用其汽化点低于常温的液态低温工质与具有低品位(t＜250℃)热能的载热体间的能量转换，载热体放出热量，温度降低，成为低温载冷剂，供冷量用户使用，液态低温工质吸收载热体的热量，蒸发汽化，成为具有一定温度(t＜250℃)和压力(P≤4.0MPa)的气态工质，

2)将具有一定温度与压力的气态工质导入背压汽轮机绝热膨胀，带动发电机发电，对外输出电能，具有一定温度与压力的气态工质经绝热膨胀后成为低温低压汽态工质，

3)利用冷却介质冷却低温低压汽态工质、使其达到液化条件而液化成再生低温工质，而冷却介质温度会有所升高，

4)利用气体压缩技术，将运行中没有液化的汽态工质进行处理，并使其达到液化条件而液化成再生低温工质。

2、根据权利要求1的制冷发电方法，其特征在于：

所说的气体压缩技术是：利用一台气态工质压缩机，把制冷发电过程中没有液化的汽态工质，压缩成具有一定压力的气态工质，与背压汽轮机排汽汇合一起导入冷凝器，一起与冷却介质进行热交换，一起被冷凝成再生低温工质。

3、根据权利要求2的制冷发电方法，其特征在于：

在制冷发电过程中，制冷发电站设备所消耗的能量为外界具有低品位(t＜250℃)热能的载热体输入的能量，输出的是电能和冷量。

4、根据权利要求3的制冷发电方法，其特征在于：

在制冷发电过程中，冷却介质携带热量对外排出。

5、根据权利要求4的制冷发电方法，其特征在于：

在制冷发电过程中，所用的低温工质循环使用，其汽化点低于常温。

6、根据权利要求1-5任一制冷发电方法，其特征在于：

在制冷发电过程中，所用的载热体是具有低品位(t＜250℃)热能的液体(蒸汽)、气体或工业余热。

7、一制冷发电站设备，其特征在于：

该设备包括：一液态工质贮罐，一液态工质输送泵，一蒸发器，一背压汽轮机，一发电机，一冷凝器，一过热器，一节流阀和一气态工质压缩机。

8、根据权利要求7的制冷发电站设备，其特征在于：

所说的液态工质贮罐有一出口端与一液态工质输送泵的入口端相接。液态工质输送泵的出口端与蒸发器的内腔相接，

所说的蒸发器，其内腔的另一端与背压汽轮机的入口端相接，其外腔的入口端与载热体相接，具有低品位(t＜250℃)热能的载热体从C处进入蒸发器，与内腔的低温工质进行热交换，放出热量，温度降低，成为低温载冷剂，从出口端D流出，

所说的背压汽轮机的另一端与冷凝器的内腔相接，在背压汽轮机上接有一对外输出电能的发电机，

所说的冷凝器，其内腔的另一端与过热器的内腔相接，其外腔的入口端与冷却介质相接。低于常温(t≤30℃)的冷却介质从A处进入冷凝器，与内腔的低温工质进行热交换，吸收热量，温度升高，从出口端B流出，

所说的过热器，其内腔的另一端与节流阀相接，其外腔的入口端与液态工质贮罐相接，系制冷发电过程中没有液化的汽态工质的入口，其外腔的出口端与气态工质压缩机相接，

所说的节流阀的另一端与流态工质贮罐相接，

所说的气态工质压缩机入口端与过热器相接，其出口端与冷凝器相接。

9、根据权利要求8的制冷发电站设备，其特征在于：

在制冷发电过程中，所用的低温工质循环使用，其汽化点低于常温。所用的载热体是具有低品位(t＜250℃)热能的液体(蒸汽)、气体或工业余热。

10、根据权利要求7-9任一制冷发电站设备，其特征在于：

该设备在输出电能的同时也可满足不同的冷量用户，例如：空调用户、冷冻用户或从烟气(t＜250℃)回收SO₂用户对不同品位冷量的要求。

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