CN1993537A - 将热量从热源传递至一热力循环的方法和装置，热力循环采用一包括至少两种非等温蒸发及非等温冷凝物质的工质 - Google Patents

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Abstract

在一使用一种由至少两种物质组成的非等温蒸发及非等温冷凝工质的热力循环(9)中，所述工质在超过某一个温度分解。根据本发明以较低复杂度和较高的工作稳定性来利用温度高于工质分解温度的热源(AG)的热量，在第一步骤中将所述热源(AG)的热量传递至一热液循环(4)，在第二步骤中将所述热量从所述热液循环(4)传递至所述采用上述工质的循环(9)。借助于热液循环(4)的介质，可以降低传递给上述工质的循环(9)的热气的温度，从而确保所述工质不会分解。此外，所述工质的循环(9)可采取适用于各种温度的不同热源的标准化设计，其中，借助热液循环(4)的介质实现其与所述热源(AG)的温度之间的匹配。

Description

将热量从热源传递至一热力循环的方法和装置，热力循环采用一包括至少两种非等温蒸发及非等温冷凝物质的工质
技术领域
本发明涉及一种将热量从一个热源传递至一热力循环的方法和装置，该热力循环使用一种包括至少两种物质的非等温蒸发及非等温冷凝的工质。
背景技术
对于温度为100℃至200℃的热源，近年来已研发出各种各样可将其热量高效转化为机械能或电能的工艺。在这些工艺中主要使用热力循环，该热力循环的工质包括至少两种非等温蒸发及非等温冷凝的物质，例如卡林纳循环(Kalina-Cycle)，以其特别突出的效率而闻名。例如EP 0652 368 B1中公开的卡林纳循环，将氨-水混合物作为工质，其中，利用所述混合物的非等温沸腾过程和非等温冷凝过程来改善循环的效率，使其具有比常规的朗肯循环(Rankine-Cycle)更高的效率。
但由于所用工质从某一个温度(下文中称之为“分解温度”)开始会分解，因此当热源温度高于分解温度时，就很难再使用这种循环。在卡林纳循环使用一氨-水混合物作工质的情况下，该氨-水混合物会在温度达到250℃时开始分解，也就是说，化合物NH3会分解(2NH3→N2+3H2)，释放出氢和氮。因而当超过400℃时，卡林纳循环就不再起效。
但在特殊情况下，使用这种循环对于温度高于400℃的热源而言又是有利的。这一点适用于例如：过去建造的不具有蒸汽发生装置的燃气轮机设备以及燃气轮机与蒸汽轮机的联合装置。鉴于巨大的成本压力，低效的旧装置的使用者不得不采取措施来改善装置的经济效益。
发明内容
本发明的目的是提供一种将热量从一个热源传递至一个热力循环的方法和装置，所述热力循环使用一种包括至少两种非等温蒸发及非等温冷凝的物质的工质。借此，以很低的复杂度和高的工作安全性来利用热源的热量，即使温度高于循环工质的分解温度也是如此。
本发明关于方法的目的是通过一种根据独立权利要求1所述的方法而达成。从属权利要求2至8涉及的是所述方法的有利方案。本发明关于装置的目的通过一种根据独立权利要求9所述的装置而达成。从属权利要求10至16涉及的是所述装置的有利方案。独立权利要求17涉及的是一种具有上述装置的燃气轮机设备。
根据本发明的方法，热源的热量在第一步骤中被传递至一热液循环，在第二步骤中，该热量从所述热液循环传递至工质的循环，该工质包括至少两种非等温蒸发及非等温冷凝的物质。通过在热源与使用上述包括两种非等温蒸发及非等温冷凝的物质的工质的循环之间设置热液循环连接，可以降低热源温度，从而可靠地避免上述包括至少两种物质的非等温蒸发及非等温冷凝的工质被过度加热。
“热液循环”指的是使用一种热液体的循环，例如热水循环。
此外，借助于连接在中间的热液循环，可以通过简单的方式对使用上述工质的循环进行调节(所述工质包括至少两种非等温蒸发及非等温冷凝的物质)，以适应不同温度的热源。这样就可以采用一个标准化的且低价的方案，来实现包括至少两种非等温蒸发及非等温冷凝的物质的工质的循环，广泛地应用于各种场合，即适用于各种不同温度的热源。只需插入连接一个热液循环，就可以调节这种标准化方案适应于不同温度的热源。
所述“使用包括至少两种非等温蒸发及非等温冷凝的物质的工质的循环”优选为一个使用氨与水两种物质的混合物作工质的卡林纳循环。
根据本发明的方法的一有利方案，热液循环内的液体的温度“实质上”具有所述包括至少两种非等温蒸发及非等温冷凝的物质的工质的蒸发温度。所谓“实质上”指的是所述液体温度与所述蒸发温度最多相差5％。
根据本发明的用于将热量从一个热源传递至一个热力循环的装置，该热力循环使用一包括至少两种物质的非等温蒸发及非等温冷凝的工质，该装置包括：一个热液循环，所述热液循环具有第一换热器，用于将热源热量传递至所述热液循环，以及第二换热器，用于将热量从所述热液循环的工质传递至使用所述包括两种非等温蒸发及非等温冷凝物质的工质的循环。
本发明的方法所具有的优点相应地也适于本发明的装置。
一种特别有利的方式是，将本发明的方法和装置应用于一燃气轮机设备。由此将燃气轮机废气内的余热传递至一热力循环，它使用一包括至少两种非等温蒸发及非等温冷凝物质组成的工质，从而使这部分余热得到利用。本发明可以阻隔直接来自燃气轮机废气中的温度介于400℃-650℃的热气，在确保工质不会有过度加热的危险。借此提供新的可能途径，以改进新、旧燃气轮机设备以及燃气轮机与蒸汽轮机的联合装置的效率。
为达到改善现有设备效率的目的，只需为其额外配备例如一热水循环与一卡林纳循环。对开放式燃气轮机设备，可以直接为其额外配备热水循环和卡林纳循环。现有的燃气轮机与蒸汽轮机的联合装置中，蒸汽循环可以换成热水循环和卡林纳循环。这样就可以将燃气轮机烟气的热量高效地转化为电能。此外，热水循环的热量可用于远程供热。在燃料用量相同的情况下，借此可提高燃气轮机设备的电功率输出或机械功率输出，从而改善其效率。此外还可以减少每产生1kWh电能伴随的CO2排出量。
对于燃气轮机设备而言，增效措施并不会对主设备造成影响，这是因为热水循环的换热器只须安装在废气侧，即燃气轮机设备的废气管路内。因此在主装置的检查框架内，可以简单地给燃气轮机设备额外配备换热器、热水循环和卡林纳循环。
热水的温度例如可以为200-220℃，热水循环内的压力例如可以为15至25巴，其所在范围远小于通常实际蒸汽条件下的温度和压力范围(例如在压力为100巴时温度为500℃)。由此可降低对所用材料的要求，从而显著降低所需成本。
附图说明
下面借助附图所示的实施例对本发明和本发明符合从属权利要求所述特征的其他有利方案作进一步说明，其中：
图1为本发明的装置的基本原理图，其中，燃气轮机的热废气用作热源；
图2为一简化线路图，用于说明热量通过一热水循环从燃气轮机废气转移至一卡林纳循环。
具体实施方式
图1以简化的原理图形式显示一燃气轮机设备1，其具有一个工作在一开放式燃气轮机过程中的燃气轮机2，及第一换热器3，其布置在燃气轮机2的一废气管路AG中，即来自于燃气轮机2的热废气AG会流过所述第一换热器，用于将废气AG的热量转移到一闭合热水循环4的水中。借助于这一传热过程，所述热水循环中的水会被加热。
此外还有第二换热器5与热水循环4相连，所述第二换热器用于将热水循环的热量转移至一卡林纳循环9。
当然也可以象图2所示的那样，设置多个用于从热水循环4向卡林纳循环9传热的换热器，而不只是设置一单个的换热器5。所述卡林纳循环的工质为一氨与水的混合物，其中，水用作溶剂。通过从热水循环4到卡林纳循环9的传热，卡林纳循环9的工质在换热器5中至少部分被蒸发，如图2中将详细图示的那样。
这样，燃气轮机2的废气AG的至少部分热量在第一步骤中通过换热器3被传递到热水循环4的水中，并在第二步骤中该热量通过换热器5从热水循环4的水中传递到卡林纳循环9的工质中，在此，这部分热量可转化为机械能或电能。
在此热传递过程中，废气AG的温度为400℃至650℃，这一温度高于卡林纳循环9的氨-水混合物的分解温度，所述分解温度约为250℃。
在压力为15-25巴的情况下，所述热水循环中的水温度为200℃-220℃，这一温度与所述卡林纳循环的工质的蒸发温度近似。
热水循环4可以是一为家用设备或公共设施远程供热的远程供热系统的组成部分，借此可进一步提高燃气轮机设备1的效率。
在这种热传递过程中，卡林纳循环9可采取标准化设计，即在换热器5内调节成为一预定温度。借助热水循环4，卡林纳循环9适应于废气AG的温度。通过确定热水循环的规模和/或其工作方式，例如改变压力和水的体积流量，可调节换热器5的期望的预定温度。
废气AG内含有的剩余热量可借助另一卡林纳循环9′加以利用。为此，燃气轮机设备1的一排气立管6内还布置有一用于将废气AG内的余热传递到卡林纳循环9′中的换热器5′。由于废气AG在排气立管6中的温度只有100至200℃，因此无需在中间连接一热水循环就可直接将热量从换热器5′传递到卡林纳循环9′。由此可将废气内的余热转化为机械能或电能，从而将烟气温度降低至50-70℃。
下面借助图2进一步说明燃气轮机2的废气AG的热量传递到卡林纳循环9中的过程，以及在卡林纳循环9中将所述热量转化为电能的过程作。
热水循环4包括：一个热水泵37，一个构造为热水产生装置的换热器3，和两个连接在热水循环4中的换热器HE4、HE5。燃气轮机的废气(烟气)AG从换热器3中流过，换热器3一方面与热水泵37相连，另一方面与换热器HE5相连。换热器HE5的初级侧与换热器HE4相连，而换热器HE4又通过一连接管24依次与热水泵37相连。
热水泵37将水压入换热器3内，水在换热器中在15至25巴的压力下由热废气AG加热至200-220℃。随后，热水以热水流21或22的形式流过换热器HE5和HE4的初级侧，在此处被冷却后，以冷却了的热水流24的形式离开换热器HE4，重新流回至热水泵37。
卡林纳循环9包括：上述的换热器HE5，热水循环4的热水流21流过换热器HE5的初级侧，该换热器HE5的次级侧一方面与一混合器38相连，另一方面换热器HE5通过一分离器8与一透平32相连。透平32的输出端与一换热器HE2的次级侧相连，换热器HE2又依次与一换热器(冷凝器)HE1的初级侧相连。冷凝器HE1在其初级侧的输出端与一分配器34相连，可有选择地借助一冷凝液槽、一泵33进行连接。分配器34一方面经换热器HE2的初级侧与混合器38相连，另一方面经换热器HE4的次级侧与混合器38相连。
卡林纳循环9中所用的工质为一氨-水混合物。在冷凝器HE1下游的工质为液态的工质流13。借助泵33增大液态工质流13的压力，从而产生加压液态工质流14，所述加压液态工质流被分配器34分成第一分流16与第二分流17。
换热器HE4的次级侧接收第一分流16，该第一分流16被部分蒸发，从而产生一个部分蒸发的第一分流16a，用于部分蒸发第一分流16的热量来自对热水循环4的热水22的冷却，而热水22已经在换热器HE5中经过冷却了。换热器HE2的初级侧接收第二分流17，该第二分流17被部分蒸发，从而产生一个被部分蒸发的第二分流17a，用于部分蒸发第二分流17的热量来自减压的工质流11的部分冷凝，工质流11是换热器HE2次级侧接收的。随后，部分蒸发的第一和第二分流16a、17a在混合器38中合并成一部分蒸发的工质流18。如果换热器HE2和HE4所采用的尺寸能使部分蒸发的第一和第二分流16a、17a具有大致相同的温度和蒸汽含量，是有利的。
随后，部分蒸发的工质流18流过换热器HE5的次级侧，对热水循环4的初级侧的热水21进行冷却，工质流18被进一步蒸发，产生至少部分蒸发的工质流10。
部分蒸发的工质流10被送入分离器8，在此，部分蒸发的工质流10被分离成一汽相10a与一液相10b。汽相10a在汽轮机32中减压，其能量通过发电机7转化为电能，同时产生减压的工质流11。减压工质流11和由一混合器35提供的液相10b一起在换热器HE2中被部分冷凝，从而产生一个部分冷凝的减压的工质流12。部分冷凝的减压工质流12在换热器(冷凝器)HE1中在冷水泵36提供的冷水流25的作用下被继续冷凝，从而产生液态工质流13。减压工质流12冷凝时释放到冷水流25中的热量由冷水流26逐渐导散。
上文借助优选实施例对本发明进行了说明，但不能就此认为本发明仅限于这些实施例。更确切地说，存在大量可实现本发明或上述实施例的方案和改进方案。举例而言，可以改变循环4和9中的换热器的数量，可以在线路中接入附加的阀和分离器。此外还可以例如通过一个以上的步骤(例如借助两个串联汽轮机)对气态工质流10进行减压处理。除此之外，在本发明范围内，也可以借助多个循环，而不只是通过一个循环，来将热量从热源传递到使用一由至少两种物质组成的非等温蒸发及非等温冷凝工质的循环中。

Claims (17)

1.一种将热量从一热源(AG)传递至一热力循环(9)的方法，所述热力循环使用一种包括至少两种非等温蒸发及非等温冷凝的物质的工质，
其特征在于，
所述热源(AG)的热量在第一步骤中被传递至一热液循环(4)，并且在第二步骤中从所述热液循环(4)传递至所述循环(9)，其使用上述包括至少两种非等温蒸发及非等温冷凝物质的工质。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述热源(AG)的温度高于所述工质的分解温度，该工质包括至少两种非等温蒸发及非等温冷凝的物质。
3.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
将一燃气轮机(2)的热废气(AG)用作热源。
4.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
所述热液循环(4)的液体实质上具有所述工质的蒸发温度，上述工质包括至少两种非等温蒸发及非等温冷凝物质。
5.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
所述循环(9)为一卡林纳循环，采用上述的包括至少两种非等温蒸发及非等温冷凝物质的工质。
6.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
所述工质为一氨与水的混合物。
7.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，
所述热液循环(4)为一热水循环。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
所述热水循环(4)用于远程供热。
9.一种用于将热量从一热源(AG)传递至一热力循环(9)的装置，所述热力循环使用一种包括至少两种非等温蒸发及非等温冷凝的物质的工质，所述装置的特征在于：
一热液循环(4)，所述热液循环具有第一换热器(3)，用于将所述热源(AG)的热量传递至所述热液循环(4)，以及第二换热器(5)，用于将所述热量从所述热液循环(4)传递至所述循环(9)，其使用上述包括至少两种非等温蒸发及非等温冷凝的物质的工质。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，
所述热源(AG)的温度高于所述工质的分解温度，所述工质包括至少两种非等温蒸发及非等温冷凝的物质。
11.根据权利要求9或10中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，
所述第一换热器(3)布置在一燃气轮机(2)的一废气流(AG)内。
12.根据权利要求9至11中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，
所述热液循环(4)的液体实质上具有所述工质的蒸发温度，上述工质包括至少两种非等温蒸发及非等温冷凝的物质。
13.根据权利要求9至12中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，
所述循环(9)为一卡林纳循环，使用上述包括至少两种非等温蒸发及非等温冷凝物质的工质。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，
所述工质为氨与水的混合物。
15.根据权利要求9至14中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，
所述热液循环(4)为一热水循环。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，
所述热水循环(4)为一远程供热设备的组成部分。
17.一种燃气轮机设备(1)，具有一根据权利要求9至16中任一项权利要求所述装置，用于将热量从一燃气轮机(2)的废气(AG)传递至一热力循环(9)，其采用一种包括至少两种非等温蒸发及非等温冷凝的物质的工质。
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