CN119508017A - 能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能源与动力工程技术领域，提供一种能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置，包括：蒸汽循环系统、有机工质朗肯循环系统和第一透平机；蒸汽循环系统包括蒸汽发生器、汽轮机、凝汽器和分离装置，分离装置设有第一出口和第二出口；蒸汽发生器的出口、汽轮机、凝汽器、分离装置的进口、第一出口和蒸汽发生器的进口依次连通；热交换器具有水基吸收剂进口和水基吸收剂出口；水基吸收剂出口、凝汽器的进口、分离装置的进口、第二出口、第一透平机和水基吸收剂进口依次连通；分离装置用于将凝汽器排出的混合液分离成水和水基吸收剂溶液；水经第一出口流向蒸汽发生器，水基吸收剂溶液经第二出口、第一透平机进入热交换器。

Description

能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置

技术领域

本发明涉及能源与动力工程技术领域，尤其涉及一种能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置。

背景技术

在能源与动力工程技术领域，蒸汽朗肯循环系统扮演着至关重要的角色。该系统通过将热能转换为机械能，为工业生产提供动力或用于发电，是现代能源转换技术的核心组成部分。蒸汽朗肯循环系统的基本工作原理是利用水作为工质，在锅炉中加热产生蒸汽，蒸汽通过汽轮机做功后，排入凝汽器凝结成水，再由泵送回锅炉，形成一个封闭的循环。

蒸汽朗肯循环系统的热效率反映了系统将热能转换为机械能的能力，是衡量其性能的关键指标。现有的蒸汽朗肯循环系统热效率低，导致大量能源被浪费。

发明内容

本发明提供一种能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置，用以解决现有技术中蒸汽朗肯循环系统热效率低，导致大量能源被浪费的问题。

本发明提供一种能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置，包括：蒸汽循环系统、有机工质朗肯循环系统和第一透平机；所述蒸汽循环系统包括蒸汽发生器、汽轮机、凝汽器和分离装置，所述分离装置设有第一出口和第二出口；所述蒸汽发生器的出口、所述汽轮机、所述凝汽器、所述分离装置的进口、所述第一出口和所述蒸汽发生器的进口依次连通；所述有机工质朗肯循环系统的出口与所述凝汽器的进口连通，用于向所述凝汽器中输入水基吸收剂；所述第二出口通过所述第一透平机与所述有机工质朗肯循环系统的进口连通；所述第一透平机用于将热能转换为机械能或电能；所述分离装置用于将所述凝汽器排出的混合液分离成水和水基吸收剂溶液；其中水经所述第一出口流向所述蒸汽发生器，水基吸收剂溶液经所述第二出口进入所述第一透平机，在所述第一透平机利用后进入到所述有机工质朗肯循环系统。

本发明提供一种能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置，包括：蒸汽循环系统、有机工质朗肯循环系统和第一透平机；所述蒸汽循环系统包括蒸汽发生器、汽轮机、凝汽器和分离装置，所述分离装置设有第一出口和第二出口；所述蒸汽发生器的出口、所述汽轮机、所述凝汽器、所述分离装置的进口、所述第一出口和所述蒸汽发生器的进口依次连通；所述有机工质朗肯循环系统包括热交换器，所述热交换器具有水基吸收剂进口和水基吸收剂出口；所述水基吸收剂出口、所述凝汽器的进口、所述分离装置的进口、所述第二出口、所述第一透平机和所述水基吸收剂进口依次连通；所述第一透平机用于将热能转换为机械能或电能；所述分离装置用于将所述凝汽器排出的混合液分离成水和水基吸收剂溶液；其中水经所述第一出口流向所述蒸汽发生器，水基吸收剂溶液经所述第二出口进入所述第一透平机，在所述第一透平机利用后进入所述热交换器。

根据本发明提供的一种能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置，所述分离装置包括反渗透盐水分离装置。

根据本发明提供的一种能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置，所述凝汽器的出口与所述水基吸收剂进口连通。

根据本发明提供的一种能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置，所述有机工质朗肯循环系统还包括第二透平机，所述热交换器还具有有机工质进口和有机工质出口，所述有机工质出口、所述第二透平机和所述有机工质进口依次连通；所述第二透平机用于将热能转换为机械能或电能。

根据本发明提供的一种能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置，所述有机工质朗肯循环系统还包括冷却器，所述冷却器的进口与所述第二透平机的出口连通，所述冷却器的出口与所述有机工质进口连通。

根据本发明提供的一种能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置，所述有机工质朗肯循环系统还包括第一泵送件，所述第一泵送件设于所述冷却器的出口与所述有机工质进口之间。

根据本发明提供的一种能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置，所述蒸汽循环系统还包括第二泵送件，所述第二泵送件的进口与所述凝汽器的出口连通，所述第二泵送件的出口与所述分离装置的进口和所述水基吸收剂进口分别连通。

根据本发明提供的一种能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置，所述蒸汽循环系统还包括第三泵送件，所述第三泵送件的进口与所述第二泵送件的出口连通，所述第三泵送件的出口与所述分离装置的进口连通。

根据本发明提供的一种能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置，所述凝汽器的出口与所述水基吸收剂进口之间或所述分离装置的进口之间设有调节件。

根据本发明提供的一种能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置，所述水基吸收剂包括盐溶液。

本发明提供的能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置，在凝汽器内蒸汽压力一定、汽轮机做功不变的情况下，通过热交换器的水基吸收剂出口向凝汽器内输入水基吸收剂，可大幅度提高凝汽器的出口温度；凝汽器出口处的混合液经分离装置分离后，进入到第一透平机中膨胀做功将热能转换为机械能或电能；之后进入到热交换器中与有机工质进行换热，热能传递至有机工质循环系统中再次转换为机械能或电能，从而提高系统的热效率，提高能源的利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明提供的能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置的结构示意图；

附图标记：

100、蒸汽循环系统；

110、蒸汽发生器；120、汽轮机；130、凝汽器；140、分离装置；141、第一出口；142、第二出口；150、第二泵送件；160、第三泵送件；

200、有机工质朗肯循环系统；210、热交换器；220、第二透平机；230、冷却器；240、第一泵送件；

300、第一透平机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用性和/或其他材料的使用。

为了提升蒸汽朗肯循环系统的热效率，最直接的方式是提升循环系统的最高温度或降低循环系统中的最低压力，其中循环系统中最高温度受限于热源温度和材料的耐温水平，提升难度大。而，循环系统中最低压力位于凝汽器130，由于汽轮机120排入凝汽器130的介质为饱和蒸汽，最低压力与最低温度之间关联，因此降低介质压力意味着降低温度，而介质温度的降低受限于环境冷源温度。基于此，本发明实施例提出在循环系统最高温度、最低压力不变的情况下，利用循环系统最低温度和环境温度之间的温度差来发电，从而提升循环系统的热效率。

下面结合图1描述本发明的能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置。

本发明实施例提供的能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置包括蒸汽循环系统100、有机工质朗肯循环系统200和第一透平机300。

蒸汽循环系统100是一种热力循环系统，其工作原理基于将热能转换为机械能，进而可以用于发电或提供动力。蒸汽循环系统100包括蒸汽发生器110、汽轮机120和凝汽器130，蒸汽发生器110的出口与汽轮机120的进口连通，汽轮机120的出口与凝汽器130的进口连通，凝汽器130的出口与蒸汽发生器110的进口连通。蒸汽发生器110将水加热，变成高温高压的蒸汽，并将其输入至汽轮机120。高温高压蒸汽进入到汽轮机120内通过膨胀做功，并驱动汽轮机120转动，产生器械能，从而驱动连接在汽轮机120轴上的发电机或其它机械装置。在蒸汽通过汽轮机120的过程中，其压力和温度逐渐降低。汽轮机120排出的低压蒸汽进入到凝汽器130内，被冷却水或空气冷却，形成冷凝水。冷凝水被重新送回蒸汽发生器110，完成循环。

水基吸收剂，在同等温度下，饱和蒸汽压低于纯水：同等饱和蒸汽压下水基吸收剂的温度高于纯水。为了提高凝汽器130出口处的温度，本发明实施例向凝汽器130内输入水基吸收剂，水基吸收剂与汽轮机120排出的低压蒸汽混合，在凝汽器130内蒸汽压力一定的情况下，可大幅度提高凝汽器130内的水温，形成高于环境温度的水基吸收剂溶液与水的混合液。可以理解的是，凝汽器130中是存在低压水蒸气。本发明实施例中的水基吸收剂可由一定浓度的盐均匀溶解于水中形成，该盐溶液具有吸收特性，即同等温度下饱和蒸汽压低于纯水，同等饱和蒸汽压下温度高于纯水。盐可采用溴化锂或其它具有类似特性的盐。

有机工质朗肯循环系统200包括热交换器210，热交换器210具有水基吸收剂进口和水基吸收剂出口，水基吸收剂与有机工质朗肯循环系统中的有机工质在热交换器210中进行换热，换热后的水基吸收剂进入到凝汽器130中。

蒸汽循环系统100中包括蒸汽和水基吸收剂两个循环回路，为了避免水基吸收剂进入到蒸汽回路，本发明实施例在凝汽器130和蒸汽发生器110之间设置有分离装置140。分离装置140用于将凝汽器130排出的混合液分离成水和水基吸收剂溶液。具体的，分离装置140具有进口、第一出口141和第二出口142，水基吸收剂的出口、凝汽器130的进口、分离装置140的进口、第二出口142、第一透平机300和水基吸收剂进口依次连通，水基吸收剂与有机工质朗肯循环系统中的有机工质在热交换器210中进行换热，换热后的水基吸收剂进入到凝汽器130中，水基吸收剂与汽轮机120排出的低压蒸汽混合，形成高于环境温度的水基吸收剂溶液与水的混合液。混合液进入到分离装置140中进行分离，分离装置140分离出的水经第一出口141流向蒸汽发生器110，进入下一个循环；分离装置140分离出的水基吸收剂溶液经第二出口142进入到第一透平机300中，第一透平机300膨胀做功，将部分热能转换位机械能或电能，水基吸收剂溶液在第一透平机300中做功后进入到热交换器210中，与有机工质进行换热后再次进入到凝汽器130中。需要说明的是，分离装置140分离出的水与凝汽器130内形成的水参数不变。在一个实施例中，分离装置140为反渗透分离装置140。反渗透分离装置140是利用压力差为动力的膜分离过滤技术。

本发明中的第一透平机300不仅可降低分离装置140分离出的水基吸收剂的压力，还可实现再利用，进而提升系统的热效率。本发明实施例中的第一透平机300可为多个，多个第一透平机300形成透平机组。

本发明实施例提供的能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置，在凝汽器130内蒸汽压力一定、汽轮机120做功不变的情况下，通过热交换器210的水基吸收剂出口向凝汽器130内输入水基吸收剂，可大幅度提高凝汽器130的出口温度；凝汽器130出口处的混合液经分离装置140分离后，进入到第一透平机300中膨胀做功将热能转换为机械能或电能；之后进入到热交换器210中与有机工质进行换热，热能传递至有机工质循环系统中再次转换为机械能或电能，从而提高系统的热效率，提高能源的利用率。

本发明实施例中凝汽器130的出口与分离装置140的进口和热交换器210的水基吸收剂进口分别连通。具体地，凝汽器130中形成的高于环境温度的水基吸收剂溶液，水基吸收剂溶液一部分直接经水基吸收剂进口进入到热交换器210中与有机工质进行换热，一部分进入到分离装置140进行分离，分离装置140将混合液分离，经分离装置140（反渗透分离装置）分离出的水基吸收剂进入到第一透平机300中膨胀做功，将热能转换为机械能或电能，消耗部分热量后经水基吸收剂进口进入到热交换器210中与有机工质进行换热；分离出的水进入到蒸汽发生器110中进入下一次循环中。

本发明实施例通过分流降低分离装置140的分离压力，同时也可调整蒸汽循环系统中的介质流量。需要说明的是，从凝汽器130出口排出的水基吸收剂溶液和第一透平机300排出的水基吸收剂溶液可进行混合后进入热交换器210中与有机工质进行换热。

本发明实施例中，经凝汽器130进入热交换器210中的流量与进入分离装置140中的流量不做具体限定，可根据实际工况进行调整。在一个实施例中，在凝汽器130出口与热交换器210的水基吸收剂进口之间设置调节件，用于调节凝汽器130的出口流入热交换器210中的流量。或，在凝汽器130的出口与分离装置140的进口之间设置调节件，用于调节凝汽器130出口进入到分离装置140内的流量。

如图1所示，本发明实施例中的有机工质朗肯循环系统200包括第二透平机220。热交换器210还具有有机工质进口和有机工质出口。有机工质出口、第二透平机220和有机工质进口依次连通，形成有机工质朗肯循环系统200，其循环介质为有机工质。水基吸收剂出口、凝汽器130、分离装置140的进口和第二出口142、第一透平机300、水基吸收剂进口依次连通，其循环介质为水基吸收剂。水基吸收剂经水基吸收剂进口、凝汽器130的进口进入到凝汽器130内与水进行混合，形成混合溶液，温度升高；经凝汽器130的出口或分离装置140的第二出口142、第一透平机300进入到热交换器210内，并与有机工质进行换热转换为高温高压的蒸汽。高温高压蒸汽进入第二透平机220中膨胀做功，将高温高压的有机工质携带的热能转换为机械能或电能，有效利用温度差，提高系统热效率。经第二透平机220做功后的有机工质转化为低温低压的气体进入下一个循环。与有机工质换热后的水基吸收剂再次进入到凝汽器130中进入下一个循环。本发明实施例中的第二透平机220可为多个，多个第二透平机220形成透平机组。

本发明实施例通过在分离装置140的第二出口142处设置第一透平机300，不仅可降低分离装置140出口处的压力，还将水基吸收剂中的热能转换为机械能或电能。水基吸收剂中的热能可与有机工质进行热交换，通过第二透平机220转换为机械能或电能，热效率高。

进一步地，有机工质朗肯循环系统200还包括冷却器230，冷却器230的进口与第二透平机220的出口连通，冷却器230的出口与有机工质进口连通，冷却器230用于冷却从第二透平机220出来的有机工质，形成低温低压的有机工质，然后通过有机工质进口进入到热交换器210内与水基吸收剂换热后进行下一个循环。冷却器230包括空气冷却器、水冷却器等。

本发明通过热交换器210向凝汽器130中输入水基吸收剂，水基吸收剂在凝汽器130内与汽轮机120排出的低压蒸汽混合，提高了凝汽器130内的水温，形成高于环境温度的水基吸收剂溶液，形成能量梯级；通过分离装置140进入到第一透平机300，膨胀做功后或直接通过热交换器210将热能传递至有机工质朗肯循环系统200中，转换为机械能或电能，从而提高系统的热效率。

本发明实施例有机工质朗肯循环系统200还包括第一泵送件240，第一泵送件240设于冷却器230的出口与热交换器210的有机工质进口之间，增大流体的流速，减少流体的热阻，使冷却器230出口处的液态有机工质快速进入到热交换器210中，提高热交换器210的热交换效率。第一泵送件240可为有机工质泵。

本发明实施例中的蒸汽循环系统100还包括第二泵送件150，第二泵送件150的进口与凝汽器130的出口连通，第二泵送件150的出口与分离装置140的进口和热交换器210的水基吸收剂进口分别连通，第二泵送件150可实现增压，推动凝汽器130出口处的水基吸收剂溶液进入到分离装置140进行分离，还可以使水基吸收剂溶液快速进入到热交换器210内与有机工质进行换热，从而提高系统的热效率。第二泵送件150可为凝水泵。

蒸汽循环系统100还包括第三泵送件160，第三泵送件160的进口和第二泵送件150的出口连通，第三泵送件160的出口与分离装置140的进口连通，进一步提升分离装置140进口处的压力，使水基吸收剂快速通过分离装置140进行分离，提升分离效果。第三泵送件160可为给水泵。

本发明实施例采用水基吸收剂而非纯水作为蒸汽动力循环装置的介质，该水基吸收剂可由一定浓度的盐均匀溶解于水中形成，该盐溶液具有吸收特性，即同等温度下饱和蒸汽压低于纯水，同等饱和蒸汽压下温度高于纯水。凝汽器130采用混合式直接冷凝结构，将浓盐水喷入凝汽器130，与汽轮机120排入的蒸汽直接接触冷凝，形成淡盐水，凝汽器130排出的淡盐水经增压后一部分通过反渗透分离装置产生浓盐水和纯水，其中纯水进入蒸汽发生器110产生高温蒸汽，随后进入汽轮机120膨胀做功。浓盐水进入到第一透平机300中膨胀做功，将热能转换为机械能或电能；膨胀做功的盐水与另一部分由凝汽器130排出的淡盐水混合，形成浓盐水，经热交换器210冷却后喷入凝汽器130，同时热量经热交换器210传递给有机朗肯循环系统的有机工质，用于发电。

在凝汽器130内蒸汽压力一定、汽轮机120出功不变的情况下，可大幅提升凝汽器130内水温，通过有机工质朗肯循环系统200对高温水的能量进行梯级利用，增加蒸汽动力循环装置总的热效率。本发明实施例充分利用成熟蒸汽朗肯循环系统和有机工质朗肯循环系统200，基于现有电站蒸汽朗肯循环系统仅需进行少量改造即可实施，其中汽轮机120、蒸汽发生器110、第三泵送件160等设备无需任何改动，凝汽器130、第二泵送件150等设备仅需针对介质由水替换为水基吸收剂（如盐溶液）进行部件级材料替换，新增一套有机工质朗肯循环系统200以及一套反渗透分离装置即可实现。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置，其特征在于，包括：蒸汽循环系统、有机工质朗肯循环系统和第一透平机；

所述蒸汽循环系统包括蒸汽发生器、汽轮机、凝汽器和分离装置，所述分离装置设有第一出口和第二出口；所述蒸汽发生器的出口、所述汽轮机、所述凝汽器、所述分离装置的进口、所述第一出口和所述蒸汽发生器的进口依次连通；

所述有机工质朗肯循环系统包括热交换器，所述热交换器具有水基吸收剂进口和水基吸收剂出口；所述水基吸收剂出口、所述凝汽器的进口、所述分离装置的进口、所述第二出口、所述第一透平机和所述水基吸收剂进口依次连通；所述第一透平机用于将热能转换为机械能或电能；

所述分离装置用于将所述凝汽器排出的混合液分离成水和水基吸收剂溶液；其中水经所述第一出口流向所述蒸汽发生器，水基吸收剂溶液经所述第二出口进入所述第一透平机，在所述第一透平机利用后进入所述热交换器。

2.根据权利要求1所述的能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置，其特征在于，所述分离装置包括反渗透盐水分离装置。

3.根据权利要求1所述的能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置，其特征在于，所述凝汽器的出口与所述水基吸收剂进口连通。

4.根据权利要求3所述的能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置，其特征在于，所述有机工质朗肯循环系统还包括第二透平机，所述热交换器还具有有机工质进口和有机工质出口，所述有机工质出口、所述第二透平机和所述有机工质进口依次连通；所述第二透平机用于将热能转换为机械能或电能。

5.根据权利要求4所述的能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置，其特征在于，所述有机工质朗肯循环系统还包括冷却器，所述冷却器的进口与所述第二透平机的出口连通，所述冷却器的出口与所述有机工质进口连通。

6.根据权利要求5所述的能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置，其特征在于，所述有机工质朗肯循环系统还包括第一泵送件，所述第一泵送件设于所述冷却器的出口与所述有机工质进口之间。

7.根据权利要求1所述的能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置，其特征在于，所述蒸汽循环系统还包括第二泵送件，所述第二泵送件的进口与所述凝汽器的出口连通，所述第二泵送件的出口与所述分离装置的进口和所述水基吸收剂进口分别连通。

8.根据权利要求7所述的能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置，其特征在于，所述蒸汽循环系统还包括第三泵送件，所述第三泵送件的进口与所述第二泵送件的出口连通，所述第三泵送件的出口与所述分离装置的进口连通。

9.根据权利要求1所述的能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置，其特征在于，所述凝汽器的出口与所述水基吸收剂进口之间或所述分离装置的进口之间设有调节件。

10.根据权利要求1所述的能量梯级利用的高效蒸汽动力循环装置，其特征在于，所述水基吸收剂包括盐溶液。