利用低溫核供熱反應(yīng)堆非供暖季發(fā)電系統(tǒng)與其工作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用低溫核供熱反應(yīng)堆非供暖季發(fā)電的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明利用低溫發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電，設(shè)備包括核反應(yīng)供熱堆提供的熱水源、蒸發(fā)器、預(yù)熱器、儲液罐、冷凝器、膨脹機、發(fā)電機和冷卻塔。所述的發(fā)電系統(tǒng)由三組循環(huán)回路組成，循環(huán)回路一是供熱回路，循環(huán)回路二是發(fā)電及熱循環(huán)回路，循環(huán)回路三是冷卻回路。本發(fā)明使低溫核供熱堆在非供暖季不用停堆，而是將其提供的熱水或蒸汽轉(zhuǎn)化為高品位電能，并電力并網(wǎng)，可以緩解目前生產(chǎn)和生活用電緊張的現(xiàn)狀，由于利用了閑置資源使發(fā)電成本極大降低。
【專利說明】利用低溫核供熱反應(yīng)堆非供暖季發(fā)電系統(tǒng)與其工作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于低溫核供熱反應(yīng)堆非供暖季余熱利用【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種利用雙循環(huán)螺桿機發(fā)電技術(shù)，永磁驅(qū)動，將非供暖季的低溫?zé)崴蛘羝臒崃炕厥?，并轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)電能的技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002]余熱余壓利用工程是我國《節(jié)能中長期發(fā)展專項規(guī)劃》中的十大重點節(jié)能工程之一。目前在我國工業(yè)的各個領(lǐng)域中存在大量的低溫余熱資源(250°C以下，低壓或常壓)，由于缺乏有效的技術(shù)手段而沒有得到充分利用，傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)的工作參數(shù)大多為高參數(shù)、大容量，無法利用這部分極為分散但總量巨大的能源。由于低溫堆的供熱/蒸汽溫度級別較低(I型堆三回路供回水溫度130/65°C，II型堆蒸汽發(fā)生器出口蒸汽溫度201.4°C )，除冬季采暖外，在非供暖的其它季節(jié)其熱能無法得到有效應(yīng)用。如要停堆，則要有大量繁雜的操作流程和復(fù)雜的審批手續(xù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決低溫核供熱反應(yīng)堆利用率低，只能冬季(供暖季)運行，而在非供暖季則要停運的問題，本發(fā)明通過雙循環(huán)螺桿膨脹機發(fā)電技術(shù)對非冬季低溫供熱堆運行期間的熱水或蒸汽進(jìn)行回收利用，產(chǎn)生高品位電能。
[0004]本發(fā)明發(fā)電系統(tǒng)是這樣構(gòu)成的:
[0005]本發(fā)明利用低溫核供熱反應(yīng)堆非供暖季發(fā)電系統(tǒng)，包括核反應(yīng)供熱堆提供的熱水源、蒸發(fā)器、預(yù)熱器、儲液罐、冷凝器、膨脹機、發(fā)電機和冷卻塔；所述的發(fā)電系統(tǒng)由三組循環(huán)回路組成，循環(huán)回路一是供熱回路，循環(huán)回路二是發(fā)電及熱循環(huán)回路，循環(huán)回路二是冷卻回路。
[0006]循環(huán)回路一為:熱水源的出口通過熱水循環(huán)泵和逆止閥連接到蒸發(fā)器和預(yù)熱器中的管路一，管路一的出口再通過閥門連接到熱水源的回路入口形成循環(huán)回路。
[0007]循環(huán)回路二為:蒸發(fā)器和預(yù)熱器中的管路二的出口通過主汽閥連接螺桿膨脹機的入口，膨脹機帶動發(fā)電機運轉(zhuǎn)發(fā)電，膨脹機的出口通過閥門連接冷凝器中的管路一；冷凝器的管路一的出口連接儲液罐，儲液罐的出口通過工質(zhì)泵和逆止閥連接到蒸發(fā)器和預(yù)熱器中的管路二的入口形成循環(huán)回路。
[0008]循環(huán)回路三為:冷凝器中的管路二的出口通過閥門連接到冷卻塔的入口，冷卻塔的出口通過閥門、冷卻水泵與逆止閥連接到冷凝器中的管路二的入口形成循環(huán)回路。
[0009]循環(huán)回路二中，在蒸發(fā)器中的管路二的出口與冷凝器的管路一的入口之間，加設(shè)了一個旁通管及電磁閥。
[0010]螺桿膨脹機上裝有轉(zhuǎn)速測量儀，并設(shè)定自動預(yù)警上下限；膨脹機飛車時控制系統(tǒng)自動打開旁通電磁閥；旁通電磁閥為常開式，當(dāng)斷電時，電磁閥打開使旁通打開。
[0011]在上述所有設(shè)置有管路一和管路二的設(shè)備中，每一設(shè)備中的管路一和管路二中的流體的流動方向都是相反的。
[0012]滿液式蒸發(fā)器、預(yù)熱器、冷凝器均是管殼式的換熱設(shè)備。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點是:適用于具有同類型低溫余熱熱水或蒸汽的領(lǐng)域。適用于各種工作介質(zhì)。螺桿膨脹動力機是當(dāng)今國內(nèi)外唯一能同時適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相濕蒸汽及熱水的熱動力機，它還適用于低溫有機工質(zhì)。本發(fā)明適用于具有同類型低溫余熱熱水或蒸汽的領(lǐng)域。
[0014]本發(fā)明對工作介質(zhì)品質(zhì)要求不高。螺桿膨脹動力機適用于含鹽垢的流體，不怕結(jié)垢和污染介質(zhì)，能除垢自潔；未能除去的剩余污垢可以起到減小間隙、減低泄露損失的作用，從而有利于提高機組效率。適合于熱源參數(shù)大范圍波動。螺桿膨脹動力機在熱源壓力、溫度和流量大范圍波動情況下，內(nèi)效率基本不變，能保持機組穩(wěn)定、安全運行。本發(fā)明運行操作簡單。螺桿膨脹動力機運行時不暖機、不盤車，直接沖轉(zhuǎn)啟動，操作簡單，不會造成飛車等生產(chǎn)安全事故，能保持機組穩(wěn)定、安全運行。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單安裝容易。發(fā)電機組結(jié)構(gòu)簡單、占地小、通用性強、可以整機裝和移動，合適工業(yè)余熱的特點和發(fā)電利用。維護(hù)檢修方便，螺桿膨脹動力機零部件少，維修容易，長期無需大修(十年以上)，正常每年一次小修維護(hù)，檢修簡單方便，不需要專業(yè)維護(hù)技術(shù)人員。由于采用永磁渦流柔性傳動技術(shù)，實現(xiàn)了源動機到負(fù)載之間轉(zhuǎn)矩的無接觸傳遞，因為無物理性連接，由連接精度所造成的機械振動和噪音大大降低。
[0015]本發(fā)明發(fā)電機組的動力設(shè)備為雙螺桿膨脹機，它是一種容積式的全流動力設(shè)備，能適應(yīng)過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相和熱水工質(zhì)。本發(fā)明對于開發(fā)新型、高效的低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，提高我國能源利用率，節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境，都具有重要的意義。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的流程示意圖。
[0017]其中:熱水源1、熱水循環(huán)泵2、蒸發(fā)器3、預(yù)熱器4、工質(zhì)泵5、儲液罐6、冷卻水泵7、冷凝器8、主汽閥9、電磁閥10、膨脹機11、發(fā)電機12、冷卻塔13。

【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合圖1對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0019]本發(fā)明是一種利用低溫核供熱反應(yīng)堆非供暖季發(fā)電系統(tǒng)與其工作方法，該系統(tǒng)包括核反應(yīng)供熱堆提供的熱水源1、蒸發(fā)器3、預(yù)熱器4、儲液罐6、冷凝器8、膨脹機11、發(fā)電機12和冷卻塔13。所述的發(fā)電系統(tǒng)由三組循環(huán)回路組成。循環(huán)回路一是供熱回路，循環(huán)回路二是發(fā)電及熱循環(huán)回路，循環(huán)回路三是冷卻回路。其中，循環(huán)回路一為:熱水源1的出口通過熱水循環(huán)泵2和逆止閥連接到蒸發(fā)器3和預(yù)熱器4中的管路一，管路一的出口再通過閥門連接到熱水源1的回路入口形成循環(huán)回路。循環(huán)回路二為:蒸發(fā)器3和預(yù)熱器4中的管路二的出口通過主汽閥9連接螺桿膨脹機11的入口，膨脹機11帶動發(fā)電機12運轉(zhuǎn)發(fā)電，膨脹機11的出口通過閥門連接冷凝器8中的管路一。冷凝器8的管路一的出口連接儲液罐6，儲液罐6的出口通過工質(zhì)泵5和逆止閥連接到蒸發(fā)器3和預(yù)熱器4中的管路二的入口形成循環(huán)回路。蒸發(fā)器3出口蒸汽接近飽和狀態(tài)。冷凝器8下的儲液罐6能夠保證冷凝液及時排走，不占有換熱空間。在蒸發(fā)器3中的管路二的出口與冷凝器8的管路一的入口之間，加設(shè)了一個旁通管及電磁閥10，其作用是旁通螺桿膨脹機11，能迅速減少膨脹機11兩端壓差，為機組的安全運行提供保證。螺桿膨脹機11上裝有轉(zhuǎn)速測量儀，并設(shè)定自動預(yù)警上下限，上限設(shè)為1700r/min，下限設(shè)為lOOOr/min。膨脹機11飛車時控制系統(tǒng)自動打開旁通電磁閥10。旁通電磁閥10為常開式，與工質(zhì)泵5—起接入用電接口，當(dāng)斷電時，電磁閥10打開使旁通打開。循環(huán)回路三為:冷凝器8中的管路二的出口通過閥門連接到冷卻塔13的入口，冷卻塔13的出口通過閥門、冷卻水泵7與逆止閥連接到冷凝器8中的管路二的入口形成循環(huán)回路。
[0020]其中:
[0021]在上述所有設(shè)置有管路一和管路二的設(shè)備中，每一設(shè)備中的管路一和管路二中的流體的流動方向都是相反的。
[0022]該系統(tǒng)有三個管殼式的換熱設(shè)備，分別是滿液式蒸發(fā)器3、預(yù)熱器4、冷凝器8。其中預(yù)熱器4能夠保證液態(tài)工質(zhì)有足夠的顯熱吸收，而滿液式的蒸發(fā)器3換熱效率高，具有較高的蒸發(fā)溫度，工質(zhì)壓降較小且蒸發(fā)溫度均勻。
[0023]工質(zhì)泵5、冷卻水泵7、熱水循環(huán)泵2均采用變頻控制，通過調(diào)整泵的頻率，改變出力。
[0024]本發(fā)明的工作方法是:
[0025]熱水源I輸出的高溫余熱熱水通過熱水循環(huán)泵2，依次進(jìn)入蒸發(fā)器3和預(yù)熱器4，與有機工質(zhì)進(jìn)行換熱，將熱量傳遞給有機工質(zhì)；蒸發(fā)器3產(chǎn)生的高壓氣態(tài)有機質(zhì)進(jìn)入低溫發(fā)電機組的雙螺桿膨脹機11的進(jìn)口，推動膨脹機11高速旋轉(zhuǎn)，膨脹作功并推動發(fā)電機12運轉(zhuǎn)發(fā)電。做功之后排出的低壓氣液兩相有機工質(zhì)進(jìn)入冷凝器8，在冷卻水泵7的作用下，低溫冷卻水進(jìn)入冷凝器8、冷卻塔13冷卻后循環(huán)使用。冷凝器8中的有機工質(zhì)被冷卻為低溫液態(tài)，之后經(jīng)過工質(zhì)泵5加壓，將液態(tài)發(fā)電介質(zhì)送入到預(yù)熱器4和蒸發(fā)器3中，繼續(xù)吸取余熱的熱量，蒸發(fā)器3蒸發(fā)循環(huán)使用。冷凝器8由于充分回收膨脹機11的乏汽熱量，進(jìn)入預(yù)熱器4前的工質(zhì)溫度可以提高6°C以上。冷凝器8排出的較高溫冷卻水經(jīng)冷卻水泵7送至冷卻塔13冷卻后循環(huán)使用。
[0026]本發(fā)明結(jié)合核供熱反應(yīng)堆的目前只能冬季(供暖季)運行，而在非供暖季則要停運實際運行情況，及低溫堆的供熱/蒸汽溫度級別較低的情況，采用有機工質(zhì)作為熱力循環(huán)的工質(zhì)與低溫余熱換熱，有機工質(zhì)吸熱后產(chǎn)生高壓蒸汽，推動雙工質(zhì)膨脹機帶動發(fā)電機發(fā)電。這是常規(guī)發(fā)電技術(shù)不能做到的(常規(guī)發(fā)電要求熱源溫度在350°C以上)，從而極大的拓寬了可以回收發(fā)電的余熱資源范圍，為建材、冶金、化工等行業(yè)的低溫余熱資源回收提供了很好的技術(shù)手段和設(shè)備。同時，這項技術(shù)還可以推廣到可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中，(如地?zé)?、太陽能和生物質(zhì)能)為可再生能源發(fā)電提供關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備。在火力發(fā)電領(lǐng)域，大型發(fā)電機組均采用回?zé)峒夹g(shù)，用于提高機組的效率，這一技術(shù)也同樣可以應(yīng)用于低溫膨脹螺桿發(fā)電領(lǐng)域中。
[0027]機組采用工業(yè)級控制系統(tǒng)，多通道控制方式，可實現(xiàn)機組全天候、無人值守穩(wěn)定安全運行。同時采用了最先進(jìn)的PMW逆變器并網(wǎng)技術(shù)，具有自動并網(wǎng)，自動下網(wǎng)，故障自動監(jiān)視功能，實現(xiàn)了對于公共電網(wǎng)零諧波污染。
[0028]機組的使用壽命為15?20年，每連續(xù)使用一年(8仟小時)應(yīng)更換工質(zhì)泵密封件，連續(xù)使用兩年(1.6萬小時)應(yīng)更換雙螺桿膨脹機的密封件。
[0029]機組采用特殊的內(nèi)潤滑循環(huán)方式，更換發(fā)電介質(zhì)時須同時更換潤滑油。
[0030]熱源進(jìn)入蒸發(fā)器以后，可以通過調(diào)節(jié)工質(zhì)泵頻率或旁通開度調(diào)節(jié)螺桿機轉(zhuǎn)速，使其從小到大逐漸提速，防止升速過快造成飛車而致使發(fā)電機損壞。
[0031]并網(wǎng)前，運行轉(zhuǎn)速控制程序，以保證發(fā)電機并網(wǎng)時安全。轉(zhuǎn)速信號取自螺桿出軸測速傳感器作為調(diào)節(jié)參數(shù)，采用并聯(lián)？10調(diào)節(jié)模式，控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，從而保證螺桿膨脹發(fā)電機組按設(shè)定的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行。
[0032]并網(wǎng)后，電機轉(zhuǎn)速隨電網(wǎng)頻率波動，流體作功對機組的影響表現(xiàn)為功率輸出的大小?？刂葡到y(tǒng)采集發(fā)電機運行工況參數(shù)，以發(fā)電機功率輸出反饋作為調(diào)節(jié)參數(shù)。采用并聯(lián)？10調(diào)節(jié)模式，控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，從而保證機組功率的輸出。采用83-485通訊方式將數(shù)據(jù)傳送到中央管理站，并預(yù)留有遠(yuǎn)程無線傳送功能。便于實現(xiàn)在任何地點的對機組運行狀態(tài)監(jiān)測。
【權(quán)利要求】
1.利用低溫核供熱反應(yīng)堆非供暖季發(fā)電系統(tǒng)，包括核反應(yīng)供熱堆提供的熱水源(I)、蒸發(fā)器(3)、預(yù)熱器(4)、儲液罐(6)、冷凝器(8)、膨脹機(11)、發(fā)電機(12)和冷卻塔(13)；其特征在于:所述的發(fā)電系統(tǒng)由三組循環(huán)回路組成，循環(huán)回路一是供熱回路，循環(huán)回路二是發(fā)電及熱循環(huán)回路，循環(huán)回路三是冷卻回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:循環(huán)回路一為:熱水源⑴的出口通過熱水循環(huán)泵(2)和逆止閥連接到蒸發(fā)器(3)和預(yù)熱器(4)中的管路一，管路一的出口再通過閥門連接到熱水源(I)的回路入口形成循環(huán)回路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:循環(huán)回路二為:蒸發(fā)器(3)和預(yù)熱器(4)中的管路二的出口通過主汽閥(9)連接螺桿膨脹機(11)的入口，膨脹機(11)帶動發(fā)電機(12)運轉(zhuǎn)發(fā)電，膨脹機(11)的出口通過閥門連接冷凝器(8)中的管路一；冷凝器(8)的管路一的出口連接儲液罐￠)，儲液罐(6)的出口通過工質(zhì)泵(5)和逆止閥連接到蒸發(fā)器(3)和預(yù)熱器(4)中的管路二的入口形成循環(huán)回路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:循環(huán)回路三為:冷凝器⑶中的管路二的出口通過閥門連接到冷卻塔(13)的入口，冷卻塔(13)的出口通過閥門、冷卻水泵(7)與逆止閥連接到冷凝器(8)中的管路二的入口形成循環(huán)回路。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:循環(huán)回路二中，在蒸發(fā)器(3)中的管路二的出口與冷凝器(8)的管路一的入口之間，加設(shè)了一個旁通管及電磁閥(10)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:螺桿膨脹機(11)上裝有轉(zhuǎn)速測量儀，并設(shè)定自動預(yù)警上下限；膨脹機(11)飛車時控制系統(tǒng)自動打開旁通電磁閥(10);旁通電磁閥(10)為常開式，當(dāng)斷電時，電磁閥(10)打開使旁通打開。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:在上述所有設(shè)置有管路一和管路二的設(shè)備中，每一設(shè)備中的管路一和管路二中的流體的流動方向都是相反的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:滿液式蒸發(fā)器(3)、預(yù)熱器(4)、冷凝器(8)均是管殼式的換熱設(shè)備。
9.利用低溫核供熱反應(yīng)堆非供暖季發(fā)電系統(tǒng)的工作方法，其工作過程是: 核反應(yīng)供熱堆提供的熱水源(I)輸出的高溫余熱熱水通過熱水循環(huán)泵(2)，依次進(jìn)入蒸發(fā)器(3)和預(yù)熱器(4)，與有機工質(zhì)進(jìn)行換熱，將熱量傳遞給有機工質(zhì)；蒸發(fā)器(3)產(chǎn)生的高壓氣態(tài)有機質(zhì)進(jìn)入低溫發(fā)電機組的雙螺桿膨脹機(11)的進(jìn)口，推動膨脹機(11)高速旋轉(zhuǎn)，膨脹作功并推動發(fā)電機(12)運轉(zhuǎn)發(fā)電。做功之后排出的低壓氣液兩相有機工質(zhì)進(jìn)入冷凝器(8)，在冷卻水泵(7)的作用下，低溫冷卻水進(jìn)入冷凝器(8)、冷卻塔(13)冷卻后循環(huán)使用；冷凝器(8)中的有機工質(zhì)被冷卻為低溫液態(tài)，之后經(jīng)過工質(zhì)泵(5)加壓，將液態(tài)發(fā)電介質(zhì)送入到預(yù)熱器(4)和蒸發(fā)器(3)中，繼續(xù)吸取余熱的熱量，蒸發(fā)器(3)蒸發(fā)循環(huán)使用；冷凝器(8)由于充分回收膨脹機(11)的乏汽熱量，使進(jìn)入預(yù)熱器(4)前的工質(zhì)溫度提高；冷凝器(8)排出的較高溫冷卻水經(jīng)冷卻水泵(7)送至冷卻塔(13)冷卻后循環(huán)使用。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的工作方法，其特征在于:進(jìn)入預(yù)熱器(4)前的工質(zhì)溫度可以提局6 C以上。
【文檔編號】F01K27/02GK104314631SQ201410400728
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月15日
【發(fā)明者】張于峰, 夏東培, 薄云航, 羅凱, 賈希存 申請人:國核柏斯頓新能源科技(北京)有限公司