CN203783660U - 一种卡诺－朗肯混合循环高效发电设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种卡诺－朗肯混合循环高效发电设备，包括气体通路、液体通路和依次连接的锅炉、热功动力转换机械、冷凝器、气液分离器；所述气体通路和液体通路并联设置，其两端分别和锅炉、气液分离器连接；所述气体通路包括一组串联设置的等温压缩机，所述液体通路设有循环泵和第一流量控制阀；每个等温压缩机的液体入口均通过连接管与液体通路连接，连接管上分别设有控制阀。该设备将朗肯循环与卡诺循环直接混合在一套循环体系中，利用卡诺循环效率高的优点，对低效率的朗肯循环加以改进，从而能够使发电效率相对于传统朗肯循环发电装置提高20%以上。

Description

一种卡诺-朗肯混合循环高效发电设备

技术领域

本实用新型属于电力设备领域，特别涉及一种卡诺－朗肯混合循环高效发电设备。

背景技术

电力行业是我国重点的耗能大户，电力行业能耗约占全国总能耗的1/3，二氧化硫排放占全国一半。全国2011年全国发电量4.7万亿千瓦时，其中火电发电量为3.8万亿千瓦时，由于中国火电基本上是煤电，煤电约占发电总量的80%。2011年火电消耗一次能源（标准煤）19亿吨，全国的煤炭消耗量为35.7亿吨，电力行业的煤炭消耗占全国煤炭消耗总量的50％以上。中国煤电把燃烧的热能转化成电能的效率较低，目前我国每发一千瓦时的电消耗煤炭333克，而丹麦仅为269克。根据国际能源署的统计，2010年中国煤电每发一千瓦时的电排放二氧化碳967克，与世界平均水平958克相比较高。2010年，全球二氧化碳排放量为302.76亿吨，中国（含香港地区）为72.586亿吨，占世界二氧化碳排放总量的24%，名列第一。煤炭火力发电不仅导致了煤炭大量的消耗，更导致了严重的生态问题。目前，我国二氧化硫和二氧化碳排放量均居世界首位，我国东部地区环境承载能力已接近极限。有数据显然，东中部地区PM2.5严重超标，高于安全值5～8倍。如何提高火力发电的效率，减少发电的能源消耗，已经是刻不容缓的课题。

传统的火力发电厂，是以水蒸汽为工质的，利用高温高压的水蒸气把热能转变成机械能，又把机械能转变为电能。发电厂的设备，主要是由锅炉、汽轮机、凝汽器、水泵等设备所组成。其工作原理是:给水先经给水泵加压后送入锅炉，在锅炉中水被加热汽化、形成高温高压的过热蒸汽，过热蒸汽在汽轮机中膨胀做功，变为低温低压的乏汽，最后排入凝汽器凝结为冷凝水，重新经水泵将冷凝水送入锅炉进行新的循环。在汽轮机里作完功的乏气直接进入到凝汽器中，通过直接空冷或水冷方式完成排气的凝结过程。通常汽轮机乏汽为低温（32-55℃）低压（0.005-0.016MPa）的湿饱和蒸汽，冷凝潜热约为2400kJ/kg,乏汽在凝汽器内凝结成水，大量的汽化潜热被冷却水或空气携带，释放到大气环境中。在水蒸汽朗肯循环中，中压机组热效率不超过40%，超临界机组热效率不超过50%，发电效率不高的根本原因是做功部分只能利用水蒸气的显热，而占能源消耗量的50%以上乏气的潜热能（2400kJ/kg）做为低品位热量通过双曲线冷凝塔白白的发散到大气中。由于乏汽的温度在32-55℃，属于低品位余热，现有的技术难以回收和利用，造成电厂的大量的热损失。因此如何有效利用凝汽器中蒸汽凝结时释放的占能源消耗量的50%以上的低品位冷凝潜热，对于提高发电效率，有着决定性的作用。

朗肯（W.J.M.Rankine，1820－1872年)，英国科学家，他计算出的热力学循环（后称为朗肯循环）的热效率被作为计算蒸汽动力发电厂性能的方法。朗肯循环的特点是蒸汽工质的动力循环；朗肯循环发电是通过水在热力设备中不断进行等压加热（水蒸发）、绝热膨胀、等压放热（蒸汽冷凝）和绝热压缩4个过程的气液相变，使热能不断转化为机械能，再由发电机将机械能转化为人们所需要的电能。常规的水蒸气朗肯循环有很多优点，做功发电量大，容易大规模发电，且使用的工质为水，具有热导率高、无毒、无腐蚀等优点，因此广泛应用于火力发电、核电及各类余热发电；然而，水蒸气朗肯循环最大的缺点是发电效率较低。如何提高水蒸气朗肯循环发电效率是一个难题，通常有两个途径：一是提高蒸汽的温度。蒸汽的温度越高，其显热/冷凝潜热比例越高，朗肯循环的热效率就越高，因此提高蒸汽的温度是提高热电转化效率的有效手段；然而，蒸气在高温运行时存在高压问题，在实际使用时由于设备材料强度的原因，蒸气温度的提高受到限制，抑制了朗肯循环热发电设备的热效率的提高。目前，由于金属材料耐热性能的限制，一般初温取在600℃上下。二是降低乏汽冷凝压力及放热温度，因此热效率将提高。但是乏汽压力的选择取决冷凝器内冷却流体的温度，一般冷却流体是自然界中的水。因此，降低受制于环境介质的温度。目前我国大型蒸汽动力装置的设备中采用冷凝压力为0.004MPa左右，其对应的饱和温度在29℃左右，它比天然水体的温度仅略高，所以降低冷凝压力已没有多少潜力。提高蒸汽动力循环热效率的方法，除提高初温、初压及降低终压外，还可从改进循环着手，如采用抽汽回热循环、再热循环等。另外是减少冷凝热的排放，然而该方法仅能从理论上述及，实际鲜有应用。

卡诺循环(Carnot cycle)是由法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年提出的，以分析热机的工作过程。卡诺循环是由两个等温过程和两个绝热过程所构成的气体循环，和朗肯循环不同，卡诺循环是气体工质动力循环，在循环设备中不存在相变，从循环开始倒循环结束，一直是气态，无液化过程，其包括四个步骤：气体等温膨胀、气体绝热膨胀、气体等温压缩、气体绝热压缩。根据热力学第二定律，在相同的高、低温热源温度T₁与T₂之间工作的一切循环中,以卡诺循环的热效率为最高，称为卡诺定理。尽管卡诺循环的热效率高，但完全按照卡诺循环工作的热机在现实中是难以实现的，因为热机的膨胀做功是高压气体在较短的时间内完成的，是绝热膨胀过程，很难通过外部加热来实现等温加热膨胀过程；而低压气体等温压缩，也是在较短的时间内完成的，是绝热压缩过程，也很难通过外部冷凝来实现气体等温压缩过程。此外，卡诺循环是以气体作为传热循环工质，气体的热传导率较小，为水的1/20左右，换热较困难，用于加热及冷凝气体的换热器的体积远大于朗肯循环，造成换热设备的成本大幅度增加。

朗肯循环及卡诺循环都有各自的热力学优势，因此如何发挥其优势，克服缺点，探索新的循环方法及理论，找到大幅度提高热力循环效率的新途径，具有十分重要的意义。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型的目的在于提供一种发电效率高的卡诺－朗肯混合循环高效发电设备，利用卡诺循环效率高的优点，对低效率的朗肯循环加以改进，从而实现大幅度提高朗肯循环热效率的目的。

技术方案：本实用新型提供的一种卡诺－朗肯混合循环高效发电设备，其特征在于：包括气体通路、液体通路和依次连接的锅炉、热功动力转换机械、冷凝器、气液分离器；所述气体通路和液体通路并联设置，其两端分别和锅炉、气液分离器连接；所述气体通路包括一组串联设置的等温压缩机，所述液体通路设有循环泵和第一流量控制阀；每个等温压缩机的液体入口均通过连接管与液体通路连接，连接管上分别设有控制阀。

作为改进，还包括发电机，所述发电机与热功动力转换机械相连接。

作为另一种改进，所述等温压缩机的数量为两个以上。

作为另一种改进，所述等温压缩机为喷液气体压缩机，所述喷液气体压缩机是指转子室内在吸入气体的同时，也吸入液体起冷却及润滑转子和密封的作用，将液体和气体混合在一起压缩，从而很好的实现了较低的排气温度，实现了等温压缩过程。

作为另一种改进，所述等温压缩机为涡旋式等温压缩机、螺杆式等温压缩机、离心式等温压缩机、活塞式等温压缩机、滑片等温压缩机或轴流式等温压缩机。

作为另一种改进，还包括调压阀，所述调压阀设于锅炉和热功动力转换机械之间。

作为另一种改进，所述气体通路内包括二氧化碳、空气、氮气、氦气、氢气或氧气。

作为另一种改进，所述液体通路内包括水。

作为另一种改进，所述的热功动力转换机械为汽轮机或膨胀机。

作为进一步改进，所述膨胀机为涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、离心式膨胀机或活塞式膨胀机。

有益效果：本实用新型提供的卡诺－朗肯混合循环高效发电设备将朗肯循环与卡诺循环直接混合在一套循环体系中，利用卡诺循环效率高的优点，对低效率的朗肯循环加以改进，从而能够使发电效率相对于传统朗肯循环发电装置提高20%以上。

本实用新型设备既可对现有火力、核电、各种余热电站及太阳热电站的大、中、小的发电机组加以改造，以提高其发电效率，也可用于新建卡诺－朗肯混合循环高效发电设备用于高效发电机组的设计、建造；该设备可大幅度节约能源消耗，具有发电效率高、发电量大等优点。

附图说明

图1为本实用新型卡诺－朗肯混合循环高效发电设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做出进一步说明。

卡诺－朗肯混合循环高效发电设备，见图1，包括气体通路1、液体通路2、发电机7和依次连接的锅炉3、调压阀8、热功动力转换机械4、冷凝器5、气液分离器6；气体通路1和液体通路2并联设置，其两端分别和锅炉3、气液分离器6连接；气体通路1包括一组串联设置的等温压缩机11，液体通路2设有循环泵21和第一流量控制阀22；每个等温压缩机11的液体入口均通过连接管23与液体通路2连接，连接管上分别设有控制阀24；发电机7与热功动力转换机械4相连接。

本实用新型中，气体通路1内包括二氧化碳、空气、氮气、氦气、氢气或氧气，液体通路2内包括水。

本实用新型中，热功转换机械4为汽轮机；可选地，也可以选择任意合适的热功转换机械；优选地，可选用汽轮机或膨胀机，其中，膨胀机包括但不限于涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、离心式膨胀机和活塞式膨胀机。

本实用新型中，等温压缩机11为水润滑无油螺杆式等温压缩机水润滑无油螺杆式等温压缩机，也被称为喷水气体压缩机，是等温压缩机中的一种，喷水气体压缩机指转子室内在吸入气体的同时，也吸入水起冷却及润滑转子和密封的作用，将水和气体混合在一起压缩，在喷水气体压缩机中，由于向压缩腔内注水，起到了冷却、密封的作用，提高了压缩机的效率，同时也很好的控制了排气温度，实现了等温压缩过程。可选地，也可以选择任意合适的等温压缩机；优选地，可选用涡旋式等温压缩机、离心式等温压缩机、活塞式等温压缩机、滑片等温压缩机或轴流式等温压缩机。等温压缩机，其动力驱动方式可以是电力驱动，也可以是变速箱驱动，还可以是和热功动力转换机械4同轴的驱动方式。例如，当20℃的空气以绝热过程压缩至0.7Mpa，由于没有冷却介质参与压缩，排出的空气将高于250℃，而用具有冷却效用的润滑水注入压缩室，排气温度将会降至40℃，达到高效率的等温压缩。

本实用新型中，等温压缩机11的数量为三个；可选地，等温压缩机11的数量也可以根据需要合理设置，只要是在一个以上均可实现本实用新型的目的，然而，使用两个以上的等温压缩机串联，能够大大提高发电效率。

该装置的工作原理为：

低压气体在气体通路1中经等温压缩机11数级喷水冷却压缩后，产生高压气体，与循环泵的高压水混合，进入锅炉6中加热形成高温高压的饱和蒸汽，经调压阀8进入热功动力转换机械4中带动发电机7发电，乏汽经冷凝器5冷凝后进入气液分离器6形成凝结水和低压气体，气液分离器6将凝结水分离，并分别进入气体通路1和液体通路2，完成一次朗肯循环。

本实用新型用等温压缩机取代绝热压缩机，形成气体和蒸汽的混合高压气体，并将气体膨胀与蒸汽扩膨作功两个工程环节在一个热机中进行，回收利用蒸汽的冷凝热，由此能够显著提高热机的热效率。饱和水蒸气在膨胀时，将由汽相冷凝为液相；由于卡诺循环回路产生的高压气体的热容远小于水，在膨胀做功时，其温度降低幅度将会大于饱和蒸汽的温度的降低幅度，迫使高压气体吸收饱和蒸汽释放的冷凝热，通过在热机内部加热高压气体，巧妙的实现了气体加热膨胀的过程。而卡诺循环回路中低压气体的等温压缩，是通过边压缩及边用喷水冷凝来实现的等温压缩的过程。根据热力学理论，热机膨胀过程中，等温膨胀做功最大，而在压缩过程中等温压缩最省功。但要实现等温压缩，必须使气体的热量随时与外界交换，气体温度与外界相等，边加热边膨胀，这在实际工作中是很难实现的。为降低压缩后的气体温度和减小压缩机功耗，尽可能向定温压缩过程靠近，压缩的同时用喷水冷却是有效的方法。分级压缩后必须经过压缩冷却，使进入到第二级的压缩空气进气温度，等于或接近于第一级的进气温度，才能降低排气温度和压缩机功耗。

将上述卡诺－朗肯混合循环高效发电设备用于不同条件下发电。

应用实例一，加热锅炉6的加热温度为400℃，卡诺－朗肯混合循环回路1采用水及空气作为工作介质，其混合蒸汽的压力为21Mpa，冷凝器5冷凝温度为30℃，冷凝采用水冷方式。

应用实例二，加热锅炉6的加热温度为300℃，卡诺－朗肯混合循环回路1采用水及二氧化碳作为工作介质，其混合蒸汽的压力为9Mpa，冷凝器5冷凝温度为30℃，冷凝采用风冷方式。

应用实例三，加热锅炉6的加热温度为200℃，卡诺－朗肯混合循环回路1采用水及氮气作为工作介质，混合蒸汽的压力为1.6Mpa，冷凝器5冷凝温度为30℃，冷凝采用风冷方式。

以上的仅为本实用新型的具体实施例，除此之外的温度范围，可根据热源温度的高低对设备进行优化设计，调整各循环的流量及压力，以达到最高的热功转换效率。应用实例中的卡诺－朗肯混合循环设备的热效率比较如表1。

表1卡诺－朗肯混合循环的热效率比较

以上公开的仅为本实用新型的具体实施例，但是本实用新型并非局限于此，除此之外，本实用新型还可以其他方式实现，在不脱离本实用新型构思及实用新型精神的前提下，任何显而易见的修改及替换均在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种卡诺－朗肯混合循环高效发电设备，其特征在于：包括气体通路（1）、液体通路（2）和依次连接的锅炉（3）、热功动力转换机械（4）、冷凝器（5）、气液分离器（6）；所述气体通路（1）和液体通路（2）并联设置，其两端分别和锅炉（3）、气液分离器（6）连接；所述气体通路（1）包括一组串联设置的等温压缩机（11），所述液体通路（2）设有循环泵（21）和第一流量控制阀（22）；每个等温压缩机（11）的液体入口均通过连接管（23）与液体通路（2）连接，连接管上分别设有控制阀（24）。

2.根据权利要求1所述的一种卡诺－朗肯混合循环高效发电设备，其特征在于：还包括发电机（7），所述发电机（7）与热功动力转换机械（4）相连接。

3.根据权利要求1所述的一种卡诺－朗肯混合循环高效发电设备，其特征在于：所述等温压缩机（11）的数量为两个以上。

4.根据权利要求1所述的一种卡诺－朗肯混合循环高效发电设备，其特征在于：所述等温压缩机（11）为涡旋式等温压缩机、螺杆式等温压缩机、离心式等温压缩机、活塞式等温压缩机、滑片等温压缩机或轴流式等温压缩机。

5.根据权利要求1所述的一种卡诺－朗肯混合循环高效发电设备，其特征在于：还包括调压阀（8），所述调压阀（8）设于锅炉（3）和热功动力转换机械（4）之间。

6.根据权利要求1所述的一种卡诺－朗肯混合循环高效发电设备，其特征在于：所述气体通路（1）内包括二氧化碳、空气、氮气、氦气、氢气或氧气。

7.根据权利要求1所述的一种卡诺－朗肯混合循环高效发电设备，其特征在于：所述液体通路（2）内包括水。

8.根据权利要求1所述的一种卡诺－朗肯混合循环高效发电设备，其特征在于：所述的热功动力转换机械（4）为汽轮机或膨胀机。

9.根据权利要求8所述的一种卡诺－朗肯混合循环高效发电设备，其特征在于：所述膨胀机为涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、离心式膨胀机或活塞式膨胀机。