專利名稱：基于能量梯級利用的中低溫熱源發(fā)電裝置及其熱循環(huán)方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種能源利用技術領域的裝置及方法，具體是一種基于能量梯級 利用的中低溫熱源發(fā)電裝置及其熱循環(huán)方法。
背景技術：
隨著全球能源危機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。 全球中低溫熱源蘊藏豐富，而且來源也很廣泛，大量的太陽能、地熱能、工業(yè)余熱都屬于中 低溫熱源。目前，中低溫熱源的利用主要局限于直接利用，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。將這些中低溫熱源轉(zhuǎn)換成電力是最好的利用方 式，不僅可以大規(guī)模利用這些蘊藏豐富的中低溫熱源，還可以減少化石燃料的消耗。目前，已有一些國家在中低溫熱源的利用上取得了很大的成效，如冰島，全國地熱 發(fā)電裝機容量為202MW，占國家裝機容量的13%以上，地熱開發(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，溫室效應的頭號禍首二氧化碳已由1960年的27萬噸 減少到2000年的3千噸，減少了 98. 9%。然而，中低溫熱源發(fā)電技術很難在全球得到推廣 的一個關鍵問題是熱效率較低，只有10%左右。經(jīng)過對現(xiàn)有技術的檢索發(fā)現(xiàn)，位于美國內(nèi)華達州北部的斯蒂爾沃特地熱電站是由 七個相同的發(fā)電機組組成，每個發(fā)電機組是基于由兩個相同的有機物朗肯循環(huán)并聯(lián)而成 的循環(huán)，總裝機容量為12. 4MW，機組熱效率為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)有技術存在的上述不足，提供一種基于能量梯級利用的中低溫熱源 發(fā)電裝置及其熱循環(huán)方法，基于能量梯級利用的原理，由兩個不同的中低溫熱源發(fā)電循環(huán) 并聯(lián)而成，頂層循環(huán)是有機物朗肯循環(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)排出的低溫熱源發(fā)電時的熱效率高于有機物朗肯循環(huán)，更適合回收較低品位的熱 源，相比原技術更符合能量梯級利用的原理，因此本發(fā)明機組熱效率將會進一步得到提高。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的本發(fā)明涉及一種基于能量梯級利用的中低溫熱源發(fā)電裝置，包括進行有機物朗 肯循環(huán)的頂部循環(huán)系統(tǒng)組件和與之相連的進行卡里納循環(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)組件包括預熱器、蒸發(fā)器、過熱器、汽輪機、發(fā)電機、給水泵 和冷凝器，其中預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的入口，汽輪機與發(fā)電機相連并帶動發(fā)電，汽輪機的出口連接冷凝器 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熱器的入口 ；所述的頂層循環(huán)系統(tǒng)組件內(nèi)充有有機或無機工質(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的入口和高壓加熱器 的入口，汽輪機與發(fā)電機相連并帶動發(fā)電，汽輪機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，包括有機物朗肯循環(huán)和卡里納循環(huán)，其中所述的有機物朗肯循環(huán)是指有機物工質(zhì)或無機物工質(zhì)經(jīng)給水泵升壓后送入預熱 器，經(jīng)預熱器加熱后的飽和液送入蒸發(fā)器被加熱成飽和蒸汽，然后進入過熱器，從過熱器出 來的過熱蒸汽進入汽輪機膨脹做功，做功后的尾氣進入冷凝器被凝結(jié)為過冷液，之后進入 給水泵完成循環(huán)；所述的卡里納循環(huán)是指無機物工質(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入分離器，被分成富氨溶液和貧氨溶液，富氨 溶液進入汽輪機膨脹做功，貧氨溶液進入高壓加熱器，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)過頂層有機物朗肯循環(huán)的過熱器和蒸發(fā)器，降到合適的溫 度后進入底層卡里納循環(huán)的蒸發(fā)器，之后進入頂層循環(huán)的預熱器，最后離開整個發(fā)電裝置。本發(fā)明基于能量梯級利用的原理，火用損失比有機物朗肯循環(huán)和卡里納循環(huán)單獨 使用時要小，使兩個循環(huán)能夠優(yōu)勢互補并且充分發(fā)揮卡里納循環(huán)利用低溫熱源的優(yōu)勢，達 到最大限度利用中低溫熱源的目的，可以使熱效率保持在10%以上，通過對循環(huán)狀態(tài)參數(shù) 及主要設備進行優(yōu)化，可以使其熱效率進一步達到15%左右。由于該中低溫熱源發(fā)電裝置是由兩個不同的循環(huán)發(fā)電裝置并聯(lián)起來的，每個裝置 都是一個獨立封閉的循環(huán)回路，當一個循環(huán)發(fā)電裝置出現(xiàn)問題或進行檢修時，另一個循環(huán) 發(fā)電裝置在對運行參數(shù)進行調(diào)整后仍可照常使用。因此，各裝置具有較好的獨立性，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預熱器、3第一蒸發(fā)器、4過熱器、5第一汽輪機、6第一發(fā)電 機、7第一冷凝器、8第二蒸發(fā)器、9分離器、10第二汽輪機、11第二發(fā)電機、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。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。如圖1所示，本實施例包括第一給水泵1、預熱器2、第一蒸發(fā)器3、過熱器4、第一汽輪機5、第一發(fā)電機6、第一冷凝器7、第二蒸發(fā)器8、分離器9、第二汽輪機10、第二發(fā)電機 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系如下第一給水泵1的出口連接預熱器2的入口，預熱器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5的入口，第一汽輪機5帶動第一發(fā)電機6發(fā)電，第一汽輪機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10 的入口和高壓加熱器16的入口，第二汽輪機10帶動第二發(fā)電機11發(fā)電，第二汽輪機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。該中低溫熱源發(fā)電裝置由頂層有機物朗肯循環(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。頂層有機物朗肯循環(huán)發(fā)電裝置利用中低溫熱源(如太陽能、地熱能、工業(yè)余 熱等)及底層發(fā)電裝置排出的熱源，輸出機械功，或帶動發(fā)電機輸出電能；底層卡里納循環(huán) 發(fā)電裝置利用頂層發(fā)電裝置排出的低溫熱源，輸出機械功，或帶動發(fā)電機輸出電能。頂層發(fā)電裝置通過預熱器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，接著進入過熱 器4被加熱成過熱蒸汽，過熱蒸汽進入第一汽輪機5膨脹做功，第一汽輪機5帶動第一發(fā)電 機6產(chǎn)生電能，從第一汽輪機5出來的蒸汽進入第一冷凝器7被凝結(jié)成過冷液，然后進入第 一給水泵1，完成一個循環(huán)。底層發(fā)電裝置通過第一蒸發(fā)器8利用頂層發(fā)電裝置排出的低溫熱源，將從高壓加 熱器16出來的基本溶液加熱成飽和蒸汽，飽和蒸汽進入分離器9被分離成富氨溶液和貧氨 溶液，富氨溶液進入第二汽輪機10膨脹做功，第二汽輪機10帶動第二發(fā)電機11產(chǎn)生電能， 貧氨溶液經(jīng)過高壓加熱器16被冷卻，進而進入減壓閥17減壓，減壓后的貧氨溶液與第二汽 輪機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，進而進入冷凝器14被凝結(jié)成過冷液，然后經(jīng)過第二給水泵15被升壓，升壓后進入 低壓加熱器13被加熱，之后進入高壓加熱器16，完成一個循環(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 有機工質(zhì)以及氨水混合物等無機工質(zhì)，底層換熱工質(zhì)為氨水混合物無機工質(zhì)。本發(fā)明的頂層有機物朗肯循環(huán)發(fā)電裝置采用預熱器，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)進行預熱，提高了進入第一蒸發(fā)器3工質(zhì)的溫度， 減小了工質(zhì)與熱源的溫差，進而減少了不可逆?zhèn)鳠釗p失，提高了整個裝置的火用效率。該中低溫熱源發(fā)電裝置中的底層卡里納循環(huán)發(fā)電裝置適合低溫熱源發(fā)電，能夠最 大限度的利用頂層發(fā)電裝置排出的低溫熱源，進而提高整個發(fā)電裝置的熱效率。為了避免 汽輪機尾部蒸汽凝結(jié)而影響汽輪機的安全運行，要求富氨溶液的濃度大于97 %。本發(fā)明是在國外相關技術理念的基礎上，將原技術基于有機物朗肯循環(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行發(fā)電
5時的優(yōu)越性，更加符合能量梯級利用的原理。原技術機組熱效率為8.9%，改進后機組熱 效率為11.6%，機組熱效率比原技術提高30. 3 %，通過對循環(huán)狀態(tài)參數(shù)及主要設備進行優(yōu) 化，機組的熱效率還可以進一步提高，可以達到15%左右。
權利要求
一種基于能量梯級利用的中低溫熱源發(fā)電裝置，其特征在于，包括進行有機物朗肯循環(huán)的頂部循環(huán)系統(tǒng)組件和與之相連的進行卡里納循環(huán)的底部循環(huán)系統(tǒng)組件。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于能量梯級利用的中低溫熱源發(fā)電裝置，其特征是，所述 的頂部循環(huán)系統(tǒng)組件包括預熱器、蒸發(fā)器、過熱器、汽輪機、發(fā)電機、給水泵和冷凝器，其 中預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 汽輪機的入口，汽輪機與發(fā)電機相連并帶動發(fā)電，汽輪機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熱器的入口。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于能量梯級利用的中低溫熱源發(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的入口和高壓加熱器的入口，汽輪 機與發(fā)電機相連并帶動發(fā)電，汽輪機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)權利要求1或2所述的基于能量梯級利用的中低溫熱源發(fā)電裝置，其特征是，所 述的頂層循環(huán)系統(tǒng)組件內(nèi)充有有機或無機工質(zhì)。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的基于能量梯級利用的中低溫熱源發(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)權利要求1或3所述的基于能量梯級利用的中低溫熱源發(fā)電裝置，其特征是，所 述的底層循環(huán)系統(tǒng)組件內(nèi)充有無機工質(zhì)。
7.根據(jù)權利要求1或3所述的基于能量梯級利用的中低溫熱源發(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)上述任一權利要求所述的裝置的熱循環(huán)方法，包括有機物朗肯循環(huán)和卡 里納循環(huán)，其特征在于所述的有機物朗肯循環(huán)是指有機物工質(zhì)或無機物工質(zhì)經(jīng)給水泵升壓后送入預熱器， 經(jīng)預熱器加熱后的飽和液送入蒸發(fā)器被加熱成飽和蒸汽，然后進入過熱器，從過熱器出來 的過熱蒸汽進入汽輪機膨脹做功，做功后的尾氣進入冷凝器被凝結(jié)為過冷液，之后進入給 水泵完成循環(huán)；所述的底層卡里納循環(huán)是指無機物工質(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入分離器，被分成富氨溶液和貧氨溶液，富氨 溶液進入汽輪機膨脹做功，貧氨溶液進入高壓加熱器，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，之后進入給水 泵完成循環(huán)。
全文摘要
一種能源利用技術領域的基于能量梯級利用的中低溫熱源發(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?；谀芰刻菁壚玫脑?，由兩個不同的中低溫熱源發(fā)電循環(huán)并聯(lián)而成，頂層循環(huán)是有機物朗肯循環(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)排出的低溫熱源發(fā)電時的熱效率高于有機物朗肯循環(huán)，更適合回收較低品位的熱源，相比原技術更符合能量梯級利用的原理，因此本發(fā)明機組熱效率將會進一步得到提高。
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