專利名稱：基于能量梯級利用的中低溫?zé)嵩窗l(fā)電裝置及其熱循環(huán)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種能源利用技術(shù)領(lǐng)域的裝置及方法，具體是一種基于能量梯級 利用的中低溫?zé)嵩窗l(fā)電裝置及其熱循環(huán)方法。
背景技術(shù)：
隨著全球能源危機(jī)和氣候變暖問題的加劇，世界各國急需發(fā)展新型的發(fā)電技術(shù)。 全球中低溫?zé)嵩刺N(yùn)藏豐富，而且來源也很廣泛，大量的太陽能、地?zé)崮?、工業(yè)余熱都屬于中 低溫?zé)嵩础Ｄ壳?，中低溫?zé)嵩吹睦弥饕窒抻谥苯永?，如供熱、烘干等，這種利用只能局 限于小規(guī)模的利用，而且利用程度也很低。將這些中低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)換成電力是最好的利用方 式，不僅可以大規(guī)模利用這些蘊(yùn)藏豐富的中低溫?zé)嵩?，還可以減少化石燃料的消耗。目前，已有一些國家在中低溫?zé)嵩吹睦蒙先〉昧撕艽蟮某尚?，如冰島，全國地?zé)?發(fā)電裝機(jī)容量為202MW，占國家裝機(jī)容量的13%以上，地?zé)衢_發(fā)不僅減少了化石能源的消 耗，而且取得了顯著的生態(tài)環(huán)境效益，溫室效應(yīng)的頭號禍?zhǔn)锥趸家延?960年的27萬噸 減少到2000年的3千噸，減少了 98. 9%。然而，中低溫?zé)嵩窗l(fā)電技術(shù)很難在全球得到推廣 的一個(gè)關(guān)鍵問題是熱效率較低，只有10%左右。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，位于美國內(nèi)華達(dá)州北部的斯蒂爾沃特地?zé)犭娬臼怯?七個(gè)相同的發(fā)電機(jī)組組成，每個(gè)發(fā)電機(jī)組是基于由兩個(gè)相同的有機(jī)物朗肯循環(huán)并聯(lián)而成 的循環(huán)，總裝機(jī)容量為12. 4MW，機(jī)組熱效率為8. 9% (Exergy analysis of a dual-level binarygeothermal power plant. Geothermics 31(2002)709-724)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于能量梯級利用的中低溫?zé)嵩?發(fā)電裝置及其熱循環(huán)方法，基于能量梯級利用的原理，由兩個(gè)不同的中低溫?zé)嵩窗l(fā)電循環(huán) 并聯(lián)而成，頂層循環(huán)是有機(jī)物朗肯循環(huán)，底層循環(huán)是卡里納循環(huán)，底層的卡里納循環(huán)在利用 頂層循環(huán)排出的低溫?zé)嵩窗l(fā)電時(shí)的熱效率高于有機(jī)物朗肯循環(huán)，更適合回收較低品位的熱 源，相比原技術(shù)更符合能量梯級利用的原理，因此本發(fā)明機(jī)組熱效率將會(huì)進(jìn)一步得到提高。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明涉及一種基于能量梯級利用的中低溫?zé)嵩窗l(fā)電裝置，包括進(jìn)行有機(jī)物朗 肯循環(huán)的頂部循環(huán)系統(tǒng)組件和與之相連的進(jìn)行卡里納循環(huán)的底部循環(huán)系統(tǒng)組件，其中所述的頂部循環(huán)系統(tǒng)組件包括預(yù)熱器、蒸發(fā)器、過熱器、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、給水泵 和冷凝器，其中預(yù)熱器的出口連接蒸發(fā)器的入口，蒸發(fā)器的出口連接過熱器的入口，過熱 器的出口連接汽輪機(jī)的入口，汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)相連并帶動(dòng)發(fā)電，汽輪機(jī)的出口連接冷凝器 的入口，冷凝器的出口連接給水泵的入口，給水泵的出口連接預(yù)熱器的入口 ；所述的頂層循環(huán)系統(tǒng)組件內(nèi)充有有機(jī)或無機(jī)工質(zhì)，如氟利昂、烷烴類或氨水混合 物；所述的底部循環(huán)系統(tǒng)組件包括分離器、低壓加熱器、高壓加熱器、減壓閥和混合器，其中蒸發(fā)器的出口連接分離器的入口，分離器的出口連接汽輪機(jī)的入口和高壓加熱器 的入口，汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)相連并帶動(dòng)發(fā)電，汽輪機(jī)的出口連接混合器的入口，高壓加熱器的 出口連接減壓閥的入口，減壓閥的出口連接混合器的入口，混合器的出口連接低壓加熱器 的入口，低壓加熱器的出口連接冷凝器的入口，冷凝器的出口連接給水泵的入口，給水泵的 出口連接低壓加熱器的入口，低壓加熱器的出口連接高壓加熱器的入口，高壓加熱器的出 口連接蒸發(fā)器的入口。所述的底層循環(huán)系統(tǒng)組件內(nèi)充有無機(jī)工質(zhì)，如氨水混合物。本發(fā)明涉及上述裝置的熱循環(huán)方法，包括有機(jī)物朗肯循環(huán)和卡里納循環(huán)，其中所述的有機(jī)物朗肯循環(huán)是指有機(jī)物工質(zhì)或無機(jī)物工質(zhì)經(jīng)給水泵升壓后送入預(yù)熱 器，經(jīng)預(yù)熱器加熱后的飽和液送入蒸發(fā)器被加熱成飽和蒸汽，然后進(jìn)入過熱器，從過熱器出 來的過熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功，做功后的尾氣進(jìn)入冷凝器被凝結(jié)為過冷液，之后進(jìn)入 給水泵完成循環(huán)；所述的卡里納循環(huán)是指無機(jī)物工質(zhì)經(jīng)給水泵升壓后依次經(jīng)過低壓加熱器、高壓 加熱器、蒸發(fā)器，從蒸發(fā)器出來的飽和蒸汽進(jìn)入分離器，被分成富氨溶液和貧氨溶液，富氨 溶液進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功，貧氨溶液進(jìn)入高壓加熱器，然后經(jīng)過減壓閥與做功后的尾氣在 混合器中混合成基本溶液，混合后的基本溶液依次經(jīng)過低壓加熱器、冷凝器，之后進(jìn)入給水 泵完成循環(huán)。本發(fā)明中的熱源首先經(jīng)過頂層有機(jī)物朗肯循環(huán)的過熱器和蒸發(fā)器，降到合適的溫 度后進(jìn)入底層卡里納循環(huán)的蒸發(fā)器，之后進(jìn)入頂層循環(huán)的預(yù)熱器，最后離開整個(gè)發(fā)電裝置。本發(fā)明基于能量梯級利用的原理，火用損失比有機(jī)物朗肯循環(huán)和卡里納循環(huán)單獨(dú) 使用時(shí)要小，使兩個(gè)循環(huán)能夠優(yōu)勢互補(bǔ)并且充分發(fā)揮卡里納循環(huán)利用低溫?zé)嵩吹膬?yōu)勢，達(dá) 到最大限度利用中低溫?zé)嵩吹哪康?，可以使熱效率保持?0%以上，通過對循環(huán)狀態(tài)參數(shù) 及主要設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，可以使其熱效率進(jìn)一步達(dá)到15%左右。由于該中低溫?zé)嵩窗l(fā)電裝置是由兩個(gè)不同的循環(huán)發(fā)電裝置并聯(lián)起來的，每個(gè)裝置 都是一個(gè)獨(dú)立封閉的循環(huán)回路，當(dāng)一個(gè)循環(huán)發(fā)電裝置出現(xiàn)問題或進(jìn)行檢修時(shí)，另一個(gè)循環(huán) 發(fā)電裝置在對運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后仍可照常使用。因此，各裝置具有較好的獨(dú)立性，整體系 統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1第一給水泵、2預(yù)熱器、3第一蒸發(fā)器、4過熱器、5第一汽輪機(jī)、6第一發(fā)電 機(jī)、7第一冷凝器、8第二蒸發(fā)器、9分離器、10第二汽輪機(jī)、11第二發(fā)電機(jī)、12混合器、13低 壓加熱器、14冷凝器、15第二給水泵、16高壓加熱器、17減壓閥。
具體實(shí)施例方式下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。如圖1所示，本實(shí)施例包括第一給水泵1、預(yù)熱器2、第一蒸發(fā)器3、過熱器4、第一汽輪機(jī)5、第一發(fā)電機(jī)6、第一冷凝器7、第二蒸發(fā)器8、分離器9、第二汽輪機(jī)10、第二發(fā)電機(jī) 11、混合器12、低壓加熱器13、第二冷凝器14、第二給水泵15、高壓加熱器16和減壓閥17。 上述組件的安裝連接關(guān)系如下第一給水泵1的出口連接預(yù)熱器2的入口，預(yù)熱器2的出口 連接第一蒸發(fā)器3的入口，第一蒸發(fā)器3的出口連接過熱器4的入口，過熱器4的出口連接 第一汽輪機(jī)5的入口，第一汽輪機(jī)5帶動(dòng)第一發(fā)電機(jī)6發(fā)電，第一汽輪機(jī)5的出口連接第一 冷凝器7的入口，第一冷凝器7的出口連接第一給水泵1的入口而完成頂層循環(huán)系統(tǒng)組件 的連接；第二蒸發(fā)器8的出口連接分離器9的入口，分離器9的出口分別連接第二汽輪機(jī)10 的入口和高壓加熱器16的入口，第二汽輪機(jī)10帶動(dòng)第二發(fā)電機(jī)11發(fā)電，第二汽輪機(jī)10的 出口連接混合器12的入口，高壓加熱器16的出口連接減壓閥17的入口，減壓閥17的出口 連接混合器12的入口，混合器12的出口連接低壓加熱器13的入口，低壓加熱器13的出口 連接第二冷凝器14的入口，第二冷凝器14的出口連接第二給水泵15的入口，第二給水泵 15的出口連接低壓加熱器13的入口，低壓加熱器13的出口連接高壓加熱器16的入口，高 壓加熱器16的出口連接第二蒸發(fā)器8的入口而完成底層循環(huán)系統(tǒng)組件的連接。該中低溫?zé)嵩窗l(fā)電裝置由頂層有機(jī)物朗肯循環(huán)發(fā)電裝置和底層卡里納循環(huán)發(fā)電 裝置并聯(lián)組成。頂層有機(jī)物朗肯循環(huán)發(fā)電裝置利用中低溫?zé)嵩?如太陽能、地?zé)崮?、工業(yè)余 熱等)及底層發(fā)電裝置排出的熱源，輸出機(jī)械功，或帶動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出電能；底層卡里納循環(huán) 發(fā)電裝置利用頂層發(fā)電裝置排出的低溫?zé)嵩矗敵鰴C(jī)械功，或帶動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出電能。頂層發(fā)電裝置通過預(yù)熱器2利用底層發(fā)電裝置排出的熱源，加熱經(jīng)過第一給水泵 1升壓后的工質(zhì)，從預(yù)熱器2出來的飽和液經(jīng)過第一蒸發(fā)器3變成飽和蒸汽，接著進(jìn)入過熱 器4被加熱成過熱蒸汽，過熱蒸汽進(jìn)入第一汽輪機(jī)5膨脹做功，第一汽輪機(jī)5帶動(dòng)第一發(fā)電 機(jī)6產(chǎn)生電能，從第一汽輪機(jī)5出來的蒸汽進(jìn)入第一冷凝器7被凝結(jié)成過冷液，然后進(jìn)入第 一給水泵1，完成一個(gè)循環(huán)。底層發(fā)電裝置通過第一蒸發(fā)器8利用頂層發(fā)電裝置排出的低溫?zé)嵩?，將從高壓?熱器16出來的基本溶液加熱成飽和蒸汽，飽和蒸汽進(jìn)入分離器9被分離成富氨溶液和貧氨 溶液，富氨溶液進(jìn)入第二汽輪機(jī)10膨脹做功，第二汽輪機(jī)10帶動(dòng)第二發(fā)電機(jī)11產(chǎn)生電能， 貧氨溶液經(jīng)過高壓加熱器16被冷卻，進(jìn)而進(jìn)入減壓閥17減壓，減壓后的貧氨溶液與第二汽 輪機(jī)10排出的富氨溶液在混合器12中混合，生成基本溶液，基本溶液經(jīng)過低壓加熱器13 被冷卻，進(jìn)而進(jìn)入冷凝器14被凝結(jié)成過冷液，然后經(jīng)過第二給水泵15被升壓，升壓后進(jìn)入 低壓加熱器13被加熱，之后進(jìn)入高壓加熱器16，完成一個(gè)循環(huán)。兩裝置所配置的換熱工質(zhì)，與其熱源相匹配。頂層換熱工質(zhì)包括氟利昂、烷烴類等 有機(jī)工質(zhì)以及氨水混合物等無機(jī)工質(zhì)，底層換熱工質(zhì)為氨水混合物無機(jī)工質(zhì)。本發(fā)明的頂層有機(jī)物朗肯循環(huán)發(fā)電裝置采用預(yù)熱器，即用底層卡里納循環(huán)發(fā)電裝 置排出的熱源對第一給水泵1輸出的工質(zhì)進(jìn)行預(yù)熱，提高了進(jìn)入第一蒸發(fā)器3工質(zhì)的溫度， 減小了工質(zhì)與熱源的溫差，進(jìn)而減少了不可逆?zhèn)鳠釗p失，提高了整個(gè)裝置的火用效率。該中低溫?zé)嵩窗l(fā)電裝置中的底層卡里納循環(huán)發(fā)電裝置適合低溫?zé)嵩窗l(fā)電，能夠最 大限度的利用頂層發(fā)電裝置排出的低溫?zé)嵩?，進(jìn)而提高整個(gè)發(fā)電裝置的熱效率。為了避免 汽輪機(jī)尾部蒸汽凝結(jié)而影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，要求富氨溶液的濃度大于97 %。本發(fā)明是在國外相關(guān)技術(shù)理念的基礎(chǔ)上，將原技術(shù)基于有機(jī)物朗肯循環(huán)的底層循 環(huán)替換為基于卡里納循環(huán)的底層循環(huán)，充分發(fā)揮卡里納循環(huán)在利用較低品位熱源進(jìn)行發(fā)電
5時(shí)的優(yōu)越性，更加符合能量梯級利用的原理。原技術(shù)機(jī)組熱效率為8.9%，改進(jìn)后機(jī)組熱 效率為11.6%，機(jī)組熱效率比原技術(shù)提高30. 3 %，通過對循環(huán)狀態(tài)參數(shù)及主要設(shè)備進(jìn)行優(yōu) 化，機(jī)組的熱效率還可以進(jìn)一步提高，可以達(dá)到15%左右。
權(quán)利要求
一種基于能量梯級利用的中低溫?zé)嵩窗l(fā)電裝置，其特征在于，包括進(jìn)行有機(jī)物朗肯循環(huán)的頂部循環(huán)系統(tǒng)組件和與之相連的進(jìn)行卡里納循環(huán)的底部循環(huán)系統(tǒng)組件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于能量梯級利用的中低溫?zé)嵩窗l(fā)電裝置，其特征是，所述 的頂部循環(huán)系統(tǒng)組件包括預(yù)熱器、蒸發(fā)器、過熱器、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、給水泵和冷凝器，其 中預(yù)熱器的出口連接蒸發(fā)器的入口，蒸發(fā)器的出口連接過熱器的入口，過熱器的出口連接 汽輪機(jī)的入口，汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)相連并帶動(dòng)發(fā)電，汽輪機(jī)的出口連接冷凝器的入口，冷凝器 的出口連接給水泵的入口，給水泵的出口連接預(yù)熱器的入口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于能量梯級利用的中低溫?zé)嵩窗l(fā)電裝置，其特征是，所述 的底部循環(huán)系統(tǒng)組件包括分離器、低壓加熱器、高壓加熱器、減壓閥和混合器，其中蒸發(fā) 器的出口連接分離器的入口，分離器的出口連接汽輪機(jī)的入口和高壓加熱器的入口，汽輪 機(jī)與發(fā)電機(jī)相連并帶動(dòng)發(fā)電，汽輪機(jī)的出口連接混合器的入口，高壓加熱器的出口連接減 壓閥的入口，減壓閥的出口連接混合器的入口，混合器的出口連接低壓加熱器的入口，低壓 加熱器的出口連接冷凝器的入口，冷凝器的出口連接給水泵的入口，給水泵的出口連接低 壓加熱器的入口，低壓加熱器的出口連接高壓加熱器的入口，高壓加熱器的出口連接蒸發(fā) 器的入口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于能量梯級利用的中低溫?zé)嵩窗l(fā)電裝置，其特征是，所 述的頂層循環(huán)系統(tǒng)組件內(nèi)充有有機(jī)或無機(jī)工質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于能量梯級利用的中低溫?zé)嵩窗l(fā)電裝置，其特征是，所 述的頂層循環(huán)系統(tǒng)組件內(nèi)充有氟利昂、烷烴類或氨水混合物；
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于能量梯級利用的中低溫?zé)嵩窗l(fā)電裝置，其特征是，所 述的底層循環(huán)系統(tǒng)組件內(nèi)充有無機(jī)工質(zhì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于能量梯級利用的中低溫?zé)嵩窗l(fā)電裝置，其特征是，所 述的底層循環(huán)系統(tǒng)組件內(nèi)充有氨水混合物。
8.一種根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的裝置的熱循環(huán)方法，包括有機(jī)物朗肯循環(huán)和卡 里納循環(huán)，其特征在于所述的有機(jī)物朗肯循環(huán)是指有機(jī)物工質(zhì)或無機(jī)物工質(zhì)經(jīng)給水泵升壓后送入預(yù)熱器， 經(jīng)預(yù)熱器加熱后的飽和液送入蒸發(fā)器被加熱成飽和蒸汽，然后進(jìn)入過熱器，從過熱器出來 的過熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功，做功后的尾氣進(jìn)入冷凝器被凝結(jié)為過冷液，之后進(jìn)入給 水泵完成循環(huán)；所述的底層卡里納循環(huán)是指無機(jī)物工質(zhì)經(jīng)給水泵升壓后依次經(jīng)過低壓加熱器、高壓 加熱器、蒸發(fā)器，從蒸發(fā)器出來的飽和蒸汽進(jìn)入分離器，被分成富氨溶液和貧氨溶液，富氨 溶液進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功，貧氨溶液進(jìn)入高壓加熱器，然后經(jīng)過減壓閥與做功后的尾氣在 混合器中混合成基本溶液，混合后的基本溶液依次經(jīng)過低壓加熱器、冷凝器，之后進(jìn)入給水 泵完成循環(huán)。
全文摘要
一種能源利用技術(shù)領(lǐng)域的基于能量梯級利用的中低溫?zé)嵩窗l(fā)電裝置及其熱循環(huán)方法，包括頂部循環(huán)系統(tǒng)組件和與之相連的底部循環(huán)系統(tǒng)組件。基于能量梯級利用的原理，由兩個(gè)不同的中低溫?zé)嵩窗l(fā)電循環(huán)并聯(lián)而成，頂層循環(huán)是有機(jī)物朗肯循環(huán)，底層循環(huán)是卡里納循環(huán)，底層的卡里納循環(huán)在利用頂層循環(huán)排出的低溫?zé)嵩窗l(fā)電時(shí)的熱效率高于有機(jī)物朗肯循環(huán)，更適合回收較低品位的熱源，相比原技術(shù)更符合能量梯級利用的原理，因此本發(fā)明機(jī)組熱效率將會(huì)進(jìn)一步得到提高。
文檔編號F01K25/10GK101929360SQ201010270569
公開日2010年12月29日 申請日期2010年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月2日
發(fā)明者于立軍, 馮馴, 徐建 申請人:上海交通大學(xué)