一種利用混合組分工質(zhì)的低溫?zé)嵩礋犭娹D(zhuǎn)換系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低溫?zé)嵩礋犭娹D(zhuǎn)換系統(tǒng)，尤其涉及一種利用混合組分工質(zhì)的低溫?zé)嵩礋犭娹D(zhuǎn)換系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，絕大多數(shù)的熱動(dòng)力系統(tǒng)都是利用具有固定沸點(diǎn)的單一組分工作介質(zhì)，采用朗肯循環(huán)技術(shù)，這種熱動(dòng)力系統(tǒng)的效率受到沸點(diǎn)溫度恒定的限制，因?yàn)槠瘽摕彷^大，熱源在散熱過程中溫度呈線性下降，具有固定沸點(diǎn)的工作介質(zhì)在吸熱過程在達(dá)到沸點(diǎn)之前，其溫升與熱源散熱特性相同也呈線性。但是該工作介質(zhì)在達(dá)到沸點(diǎn)溫度后即繼續(xù)吸收熱量蒸發(fā)汽化，在汽化過程中但是溫度保持不變直至全部液態(tài)工作介質(zhì)變成汽態(tài)工質(zhì)。也就是說，其汽化過程必須從熱源中吸收大量熱能，但是與熱源的溫差不能保持線性關(guān)系，導(dǎo)致整個(gè)熱動(dòng)力系統(tǒng)的效率受到限制。
[0003]在授予Alexander 1.Kalina的美國(guó)專利號(hào)為US4346561的文件中介紹了一種卡琳娜循環(huán)技術(shù)，卡琳娜循環(huán)是在朗肯循環(huán)基礎(chǔ)上的一種“改進(jìn)”，它將“純”的循環(huán)介質(zhì)變成了氨和水的“混合物”。氨-水混合物的物理特性既不同于純水，又不同于純氨，它采用了兩種沸點(diǎn)穩(wěn)定且能形成不固定沸點(diǎn)的相異工作介質(zhì)，該工質(zhì)不但在液態(tài)吸熱過程中能保持與熱源散熱過程線性的溫降特性平行，而且在汽化相變過程中也能使其溫升特性與熱源散熱過程線性的溫降特性近似保持平行，從而提高了整個(gè)熱動(dòng)力系統(tǒng)的效率。
[0004]結(jié)合圖1，卡琳娜循環(huán)的過程大致如下:工質(zhì)從熱井經(jīng)氨泵送入分離式熱交換器，加熱后的工質(zhì)經(jīng)分離器分為富氨氣和貧氨水，富氨氣送入氨汽輪機(jī)做功，排出的乏汽送入冷凝器，貧氨水也輸送至冷凝器，通過冷源降溫后，汽態(tài)工質(zhì)逐漸被液態(tài)工質(zhì)吸收，混合物最終呈液態(tài)送入熱井，完成一個(gè)熱電轉(zhuǎn)換循環(huán)過程。
[0005]由上述循環(huán)過程可知，對(duì)非單一組分循環(huán)工質(zhì)而言，實(shí)現(xiàn)一個(gè)循環(huán)的關(guān)鍵是進(jìn)入凝汽器中的液態(tài)工質(zhì)對(duì)汽態(tài)工質(zhì)的吸收效率。該吸收效率取決于下列因素:
[0006]I)汽輪機(jī)背壓；
[0007]2)汽、液態(tài)工質(zhì)的流量比例；
[0008]3)將汽態(tài)工質(zhì)被液態(tài)工質(zhì)吸收后釋放出的熱量攜離的冷卻水溫度及流量。
[0009]在上列因素中，汽、液態(tài)工質(zhì)的流量比例最為重要。在US434656專利文件實(shí)施“貧氨水一冷凝器”的過程操作時(shí)，僅依靠操作人員經(jīng)驗(yàn)，通過手動(dòng)或電動(dòng)閥門操作實(shí)施，由于對(duì)離開分離器液態(tài)工質(zhì)的真實(shí)流量、溫度和密度不能在線知曉，即使通過熟練運(yùn)行人員操作，手動(dòng)調(diào)節(jié)“貧氨水一冷凝器”過程中液態(tài)和汽態(tài)工作介質(zhì)的實(shí)際流量偏差通常會(huì)超過設(shè)計(jì)值的10%?15%以上，致使工質(zhì)不能按精確比例相混合，導(dǎo)致液、汽態(tài)工質(zhì)不能完全液化，使系統(tǒng)循環(huán)效率下降，汽輪機(jī)背壓無法穩(wěn)定在設(shè)計(jì)值。同時(shí)，也給冷卻水量和冷卻塔工況調(diào)節(jié)帶來困難。
[0010]另外，根據(jù)上述循環(huán)過程又可知:由于待加熱工質(zhì)從離開加壓泵后，陸續(xù)經(jīng)過分離式的各加熱器、汽水分離器以及與各分離設(shè)備相關(guān)的隔離閥、調(diào)節(jié)閥以及連接管道，不但造成了占地和布置的困難，提高了工程成本，而且提高了汽輪機(jī)入口前工質(zhì)的管道沿程和局部阻力損失約8% -10%，減少了汽輪機(jī)的輸出軸功率和發(fā)電機(jī)的有效輸出電功率約7% -9%。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011 ] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何精確控制汽、液態(tài)工質(zhì)的流量比例，使液態(tài)工質(zhì)能夠?qū)ζ麘B(tài)工質(zhì)完全吸收后液化，從而提尚系統(tǒng)循環(huán)效率。
[0012]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種利用混合組分工質(zhì)的低溫?zé)嵩礋犭娹D(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于:包括產(chǎn)汽器，產(chǎn)汽器內(nèi)從上至下依次設(shè)有噴淋器、第一加熱器、第二加熱器，盛有混合組分工質(zhì)的熱井通過帶有加壓輸液泵的管路連接噴淋器；產(chǎn)汽器上部設(shè)有干汽器，干汽器通過管路連接渦輪機(jī)進(jìn)氣端，渦輪機(jī)連接發(fā)電機(jī)，渦輪機(jī)排氣端通過管路連接混合器；產(chǎn)汽器下部設(shè)有回流器，回流器通過管路連接混合器，混合器連接凝汽器。
[0013]優(yōu)選地，所述混合組分工質(zhì)同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件:一、兩種以上化學(xué)成分穩(wěn)定的工作介質(zhì)；二、兩種以上沸點(diǎn)穩(wěn)定且能形成不固定沸點(diǎn)的相異工作介質(zhì)。
[0014]優(yōu)選地，所述第一加熱器與第二加熱器共用同一低溫?zé)嵩?，即低溫?zé)嵩聪冗M(jìn)入第一加熱器，從第一加熱器出來后再進(jìn)入第二加熱器。
[0015]優(yōu)選地，所述第一加熱器與第二加熱器的傳熱面溫度均高于所述混合組分工質(zhì)的沸點(diǎn)溫度。
[0016]優(yōu)選地，所述凝汽器內(nèi)通有冷卻水源。
[0017]優(yōu)選地，所述回流器連接混合器的管路上設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥。
[0018]優(yōu)選地，所述產(chǎn)汽器中的液位線位于第一加熱器以下。
[0019]本發(fā)明還提供一種利用混合組分工質(zhì)的低溫?zé)嵩礋犭娹D(zhuǎn)換方法，采用上述利用混合組分工質(zhì)的低溫?zé)嵩礋犭娹D(zhuǎn)換系統(tǒng)，步驟為:
[0020]步驟1:熱井中的混合組分工質(zhì)經(jīng)由加壓輸液泵送入產(chǎn)汽器內(nèi)的噴淋器，混合組分工質(zhì)經(jīng)由噴淋器先與具有高于混合組分工質(zhì)沸點(diǎn)溫度的第一加熱器表面接觸并使混合組分工質(zhì)中沸點(diǎn)溫度低于第一加熱器表面溫度的工質(zhì)部分汽化；
[0021]步驟2:首批析出的汽態(tài)工質(zhì)流逸至干汽器，未汽化的混合組分工質(zhì)則進(jìn)入產(chǎn)汽器下部并形成液位線；液位線以下的工質(zhì)繼續(xù)被具有高于混合組分工質(zhì)沸點(diǎn)溫度的第二加熱器傳熱面繼續(xù)加熱，并繼續(xù)析出汽態(tài)工質(zhì)流逸往干汽器，汽態(tài)工質(zhì)中的液態(tài)顆粒在干汽器中被去除；
[0022]步驟3:從干汽器出來的干汽態(tài)工質(zhì)被輸導(dǎo)往渦輪機(jī)，該汽態(tài)工質(zhì)在渦輪機(jī)的葉片流道中被膨脹作功轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)以電能形式向電網(wǎng)供電；經(jīng)渦輪機(jī)作過功的乏汽被排往混合器；
[0023]步驟4:位于產(chǎn)汽器中液位線下方的、部分沸點(diǎn)溫度低于第一加熱器表面溫度且已被汽化后剩余的工作介質(zhì)在第二加熱器熱傳導(dǎo)面的加熱下繼續(xù)發(fā)生深度汽化，未被汽化的、密度較高的工作介質(zhì)趨向于停留在產(chǎn)汽器下部，在回流器中形成沸點(diǎn)溫度低于第一加熱器表面溫度的工作介質(zhì)組分濃度最低區(qū)域；
[0024]步驟5:根據(jù)加壓輸液泵送入產(chǎn)汽器的總量和沸點(diǎn)溫度低于第一加熱器表面溫度工作介質(zhì)的組分比例及設(shè)計(jì)液位線，從回流器中取出液態(tài)工質(zhì)，輸送至混合器中與在渦輪機(jī)中作過功排出的乏汽混合；乏汽和未汽化混合組分工作介質(zhì)在混合器中充分混合之后被引往凝汽器中，該汽、液混合物通過凝汽器降溫后，汽、液混合物中的汽態(tài)工作介質(zhì)逐漸被液態(tài)工作介質(zhì)吸收；該混合物最終呈液態(tài)進(jìn)入熱井，完成一個(gè)熱電轉(zhuǎn)換循環(huán)過程
[0025]優(yōu)選地，所述步驟5中，利用對(duì)產(chǎn)汽器的液位線的多沖量控制精確調(diào)節(jié)從回流器中取出的液態(tài)工質(zhì)的量。
[0026]優(yōu)選地，所述對(duì)產(chǎn)汽器的液位線的多沖量控制的測(cè)量參數(shù)包括:渦輪機(jī)進(jìn)口汽態(tài)工質(zhì)的流量、溫度和密度，加壓輸液泵出口液態(tài)工作介質(zhì)的流量、溫度、密度，回流器出口至混合器入口管道上的液態(tài)工作介質(zhì)的流量、溫度、密度。
[0027]相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0028]1、將傳統(tǒng)技術(shù)中使用的分離式混合工質(zhì)加熱器、分離器、液態(tài)工質(zhì)回流裝置組合成為一體式裝置，優(yōu)化了系統(tǒng)功能，減少了項(xiàng)目投資，減少了渦輪機(jī)入口前工質(zhì)的流動(dòng)阻力，提高了熱源的熱電轉(zhuǎn)換效率；
[0029]2、循環(huán)凝汽過程效率提高，相應(yīng)提高了循環(huán)效率；
[0030]3、兩級(jí)加熱器的使用提高了汽液分離效率；
[0031]4、汽液分離效率的提高，改善了渦輪機(jī)工作條件和效率；
[0032]5、在凝汽器中設(shè)計(jì)布置了混合器，使得來自回流器的液態(tài)工質(zhì)和渦輪機(jī)排出的汽態(tài)工質(zhì)在重量流量上實(shí)現(xiàn)了按精確比例進(jìn)入，還能實(shí)現(xiàn)汽-液態(tài)工質(zhì)的均勻分布；
[0033]6、將熱井和凝汽器組合成一體，簡(jiǎn)化了流程，降低了渦輪機(jī)背壓，有利于提高熱源的熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換效率；
[0034]7、設(shè)備部件減少，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，運(yùn)行操作方便。
【附圖說明】
[0035]圖1為卡琳娜循環(huán)過程示意圖；
[0036]圖2為本發(fā)明提供的利用混合組分工質(zhì)的低溫?zé)嵩礋犭娹D(zhuǎn)換系統(tǒng)示意圖；
[0037]圖3為本發(fā)明提供的系統(tǒng)循環(huán)過程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以一優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說明如下。
[0039]本發(fā)明提供了一種利用混合組分工質(zhì)的低溫?zé)嵩礋犭娹D(zhuǎn)換系統(tǒng)，混合組分工質(zhì)滿足以下兩個(gè)條件:(I)兩種以上化學(xué)成分穩(wěn)定的工作介質(zhì)；(2)兩種以上沸點(diǎn)穩(wěn)定且能形成不固定沸點(diǎn)的相異工作介質(zhì)。其中，第(I)條是指兩種以上相互不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的機(jī)械混合物，如:氨、水比例任意的氨-水混合物，氨、水及其它工質(zhì)組成的混合物。低溫?zé)嵩词侵笩嵩礈囟雀哂诠べ|(zhì)沸點(diǎn)溫度的熱源，含各種工業(yè)工藝廢熱、太陽(yáng)能及地?zé)岬?。熱電轉(zhuǎn)換是指低溫?zé)嵩吹推肺粺崮苻D(zhuǎn)換成向電網(wǎng)輸出的電能。
[0040]圖2為本發(fā)明提供的利用混合組分工質(zhì)的低溫?zé)嵩礋犭娹D(zhuǎn)換系統(tǒng)示意圖，所述的利用混合組分工質(zhì)的低溫?zé)嵩礋犭娹D(zhuǎn)換系統(tǒng)包括盛有混合組分工作介質(zhì)的熱井1，加壓輸液泵11 一端通過管路連接熱井1，另一端通過管路連接產(chǎn)汽器8，產(chǎn)汽器8上部裝有干汽器6，干汽器6通過管路連接渦輪機(jī)5進(jìn)氣端，渦輪機(jī)5連接發(fā)電機(jī)4，渦輪機(jī)5排氣端通過管路連接混合器3，產(chǎn)汽器8下部裝有回流器10，回流器10通過管路連接混合器3，混合器3連接凝汽器2，凝汽器2內(nèi)通有冷卻水源12。
[0041]產(chǎn)汽器8內(nèi)從上至下依次設(shè)有噴淋器7、第一加熱器9-1、第二加熱器9-2，噴淋器7位于產(chǎn)汽器8