利用低溫熱能發(fā)電的冷電設備的制作方法
【專利摘要】利用低溫熱能發(fā)電的冷電設備。本發(fā)明以液空、液氮等作為循環(huán)工質，通過低溫液體泵使低溫工質與低品位熱源進行熱交換，產(chǎn)生中高壓氣體，一部分焓值升高的氣體工質膨脹做功轉化為機械能，驅動發(fā)電機，發(fā)電機將機械能轉換為電能，電能并入本地電網(wǎng)；另一部分焓值相對較低的氣體工質經(jīng)兩級膨脹產(chǎn)生補充冷量，膨脹功回收。利用部分增壓液體循環(huán)工質節(jié)流產(chǎn)生過冷量。通過噴射器回收低壓循環(huán)工質。通過低溫換熱裝置使工質冷凝，循環(huán)工質回收后循環(huán)使用。通過低沸點工質的有機物郎肯循環(huán)利用剩余冷量發(fā)電。參數(shù)檢測、控制和裝置的聯(lián)鎖保護由計算機控制系統(tǒng)完成。
【專利說明】利用低溫熱能發(fā)電的冷電設備
一【技術領域】
[0001]本技術涉及熱能動力、低溫工程、發(fā)電和制冷等【技術領域】。
二【背景技術】
[0002]低溫熱能(低品位熱能、低品質熱能)指溫度低于120°C的低位熱能，包括太陽能、地熱能、地表水熱能、地表及建筑物輻射熱能和工業(yè)廢熱能等，總量巨大，具有可再生性。高效率地利用和回收這部分能源，對改善環(huán)境、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展意義重大。
[0003]低溫熱能發(fā)電技術的研究從上世紀70年代開始，先后研制出基于有機物郎肯循環(huán)(以下簡寫為0RC)、混合工質循環(huán)、Kalinna循環(huán)和氨吸收式動力制冷循環(huán)等的發(fā)電技術，其中ORC發(fā)電技術應用最為廣泛，但機組容量較小。利用太陽池、太陽能熱水鍋爐及熱泵技術等提高低溫熱能的品位，從而提高發(fā)電效率，也是低溫熱能發(fā)電新的發(fā)展方向，但受到熱源穩(wěn)定性、制冷工質的選用等方面的限制。
[0004]本專利申請不同于以往的低溫熱能發(fā)電技術和裝置，主要利用深冷技術和高爐爐頂煤氣余壓發(fā)電技術(TRT)相結合，以“冷電循環(huán)”為基礎，以液空、液氮等深冷工質作為循環(huán)工質，通過低溫液體泵增壓使低溫工質與低品位熱源進行熱交換，產(chǎn)生中高壓氣體，一部分焓值升高的氣體工質膨脹做功轉化為機械能，驅動發(fā)電機，發(fā)電機將機械能轉換為電能，另一部分焓值相對較低的氣體工質經(jīng)膨脹做功產(chǎn)生冷量，通過低溫換熱裝置使冷量回收，循環(huán)工質循環(huán)使用。本發(fā)明可充分高效地利用各種低溫熱能；減少溫室氣體排放；循環(huán)工質的獲取容易，使用不受限制，克服了低溫熱能發(fā)電技術的一個難題；還可與太陽池、太陽能熱水鍋爐及熱泵技術等相結合，提高發(fā)電效率；過剩冷量可用于制冷、發(fā)電等；另外利用的都是成熟的技術，可實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。
[0005]本專利申請不同與其他低溫熱能利用技術，一是低溫熱能利用范圍拓展到環(huán)境溫度以下；二是采用液空、液氮等深冷工質作為循環(huán)工質；三是通過中高壓氣體循環(huán)工質膨脹做功使乏氣溫度低于環(huán)境溫度；四是中高壓氣體工質經(jīng)多級膨脹做功產(chǎn)生補充冷量；五是利用部分增壓液體循環(huán)工質節(jié)流產(chǎn)生過冷量；六是通過低溫換熱裝置使冷量回收，循環(huán)工質循環(huán)使用。本發(fā)明還采用ORC輔助發(fā)電裝置利用剩余冷量。
[0006]參考文獻:
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【發(fā)明內(nèi)容】
[0022]本專利申請以液空、液氮等作為循環(huán)工質，通過低溫液體泵使低溫工質與低品位熱源進行熱交換，產(chǎn)生中高壓氣體，一部分焓值升高的氣體工質膨脹做功轉化為機械能，驅動發(fā)電機，發(fā)電機將機械能轉換為電能，電能并入本地電網(wǎng)。另一部分洽值相對較低的氣體工質經(jīng)膨脹產(chǎn)生補充冷量，利用部分增壓液體循環(huán)工質節(jié)流產(chǎn)生過冷量，通過低溫換熱裝置使工質冷凝液化，循環(huán)工質回收后循環(huán)使用。通過有機物郎肯循環(huán)利用剩余冷量發(fā)電。參數(shù)檢測、控制和聯(lián)鎖保護等由計算機控制系統(tǒng)完成。
四【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]附圖是本專利申請的工藝流程示意簡圖，圖中標記的部分分別為:1_真空絕熱循環(huán)工質液體儲罐，2-帶恒壓控制裝置的循環(huán)工質低溫液體泵，3-氣液分離器，4-低溫節(jié)流閥，5-低溫節(jié)流閥，6-低溫節(jié)流閥，7-噴射器，8-液化器，9-過冷器，10-低溫截止閥，11-低溫放空消音器，12-余冷換熱器，14-熱交換器，15-板式換熱器，16-緩沖罐，17-透平膨脹機-發(fā)電機組(17-1透平膨脹機、17-2發(fā)電機、17-3無刷勵磁系統(tǒng)、17-4減速器)，18-高低壓發(fā)配電裝置，20-主換熱器，21-計算機控制系統(tǒng)，22-低溫截止閥，23-低溫截止閥，24-低溫放空消音器，26-低溫截止閥，27-低溫調節(jié)閥，30-0RC工質泵，31-換熱器，32-低溫節(jié)流閥，33-0RC膨脹機-發(fā)電機組(33-1膨脹機、33-2發(fā)電機)，34-0RC工質液體儲槽，35-0RC工質射流泵，36-低溫截止閥，38-發(fā)配電裝置，43-熱端電機制動膨脹機組(43-1發(fā)電機、43-2熱端透平膨脹機)，44_冷端端電機制動膨脹機組(44-1發(fā)電機、44_2冷端透平膨脹機)，46-低壓配電柜，47-低壓配電柜。
五【具體實施方式】
[0024]I以下結合附圖對實施方式進行說明:
[0025]低溫液體泵2從真空絕熱循環(huán)工質儲罐I中將循環(huán)工質抽出，增至一定壓力(中高壓)并保持穩(wěn)定，通過真空保溫管送至主冷箱中，一路經(jīng)過冷器9、液化器8與正流工質換熱，完成相變，其中一部分經(jīng)低溫截止閥26抽出與從主換熱器20中部經(jīng)低溫調節(jié)閥27抽出的氣體混合后送透平膨脹機43-2 ;其余大部分在主換熱器20中與從透平膨脹機17-1出來的正流氣換熱，進入板式換熱器15，被ORC工質回收冷量，進入余冷換熱器12，充分復熱后(冷量傳遞給其他介質)，進入熱交換器14，吸收熱源I的熱量，在接近熱源入口溫度后，送入緩沖罐16，進入透平膨脹機-發(fā)電機組17。開機預冷或異常時，出板式換熱器15的反流氣體通過低溫截止閥10和低溫放空消音器11放空。
[0026]從低溫液體泵2出來的另一路液體循環(huán)工質，經(jīng)低溫節(jié)流閥5節(jié)流降溫后，進入過冷器9，作為正流循環(huán)工質液體的冷源，出過冷器9后與從透平膨脹機44-2出來的膨脹后的工質混合，冷量在液化器8中被正流工質進一步回收，作為噴射器7的引流介質，被吸入噴射器7中與正流氣混合。
[0027]透平膨脹機-發(fā)電機組17不帶冷凝器，采用類似于高爐爐頂煤氣余壓透平發(fā)電(TRT)的技術，軸流式透平膨脹機17-1通過減速器17-4與發(fā)電機17-2連接，發(fā)電機側恒定轉速(3000r/min)。發(fā)電機為無刷勵磁同步發(fā)電機，能從電動運行狀態(tài)過渡到發(fā)電機運行狀態(tài)，同時也能滿足在運行中由發(fā)電機狀態(tài)恢復到同步電動機狀態(tài)。從緩沖罐16出來的氣體進入透平膨脹機17-1入口，氣體膨脹做功轉化為機械能，驅動發(fā)電機17-2，發(fā)電機將機械能轉換為電能，逐漸由開機時的靜止狀態(tài)(或電動狀態(tài))過渡到發(fā)電狀態(tài)，電能通過高壓發(fā)配電系統(tǒng)18送入本地電網(wǎng)。發(fā)配電系統(tǒng)18由高低壓開關和控制柜組成，設置有手動準同期并網(wǎng)、自動準同期并網(wǎng)功能和縱聯(lián)差動、過電流、低電壓、失磁、低周波、逆功率等保護功能。透平膨脹機17-1進行絕熱處理，乏氣為中冷中壓氣體，通過過橋冷箱送入主換熱器20中作為正流氣，與反流氣換熱。
[0028]透平膨脹機17-1的乏氣在主換熱器20中與從液化器8出來的循環(huán)工質逆流換熱，降溫后的氣體進入噴射器7中，作為噴射器的工作介質，通過噴嘴高速噴出，在噴嘴附近形成低壓區(qū)，將板式換熱器8出來的引流介質吸入、混合，作為正流氣進入液化器8，與兩路反流的工質換熱，溫度進一步降低，含濕氣體(氣液混合物)從液化器8的冷端流出，在過冷器9熱端側吸收反流的中高壓液體工質的過冷量和反流低壓工質的冷量完成液化，在過冷器9冷端側吸收被節(jié)流的液體工質的冷量實現(xiàn)正流工質液體過冷，再經(jīng)低溫節(jié)流閥6節(jié)流進入氣液分離器3，液體送至真空絕熱循環(huán)工質液體儲罐1，氣體(含濕)經(jīng)低溫節(jié)流閥4和低溫截止閥22減壓并入冷端透平膨脹機44-2膨脹后的工質，混合后作為反流氣。開機和異常時，氣液分離器3中的氣體經(jīng)低溫節(jié)流閥4、低溫截止閥23和低溫放空消音器24放空。
[0029]通過低溫截止閥26和低溫調節(jié)閥27抽出溫度合適的氣體送膨脹機組(根據(jù)需要可并聯(lián)多組增大膨脹量，或串聯(lián)多級增大膨脹比)；進入熱端電機制動膨脹機組43的循環(huán)工質經(jīng)過膨脹機43-2膨脹做功后降溫、降壓，膨脹氣體做功通過發(fā)電機43-1轉換為電能(也即“通過電機制動回收膨脹功并轉化為電能”)，電能通過低壓配電柜46輸出；從熱端電機制動膨脹機組43出來的工質進入冷端電機制動膨脹機組44，膨脹氣體做功通過發(fā)電機44-1轉換為電能，電能通過低壓配電柜47輸出；冷端透平膨脹機44-2膨脹后低溫工質與從氣液分離器3中出來經(jīng)低溫截止閥22的氣體混合作為反流工質用于補充冷量，與從過冷器9熱端出來的經(jīng)低溫節(jié)流閥5節(jié)流的低壓工質混合后，送入液化器8中。
[0030]空分制品企業(yè)眾多，液體循環(huán)工質極易獲取。為保證工質純凈(不含有害雜質和固體顆粒)，循環(huán)工質采用通過空氣吸附凈化技術生產(chǎn)的深冷液體。可以是單一組分，也可以是多組分的混合物(可利用空分液體制品互溶性強的特點混配)。
[0031]ORC膨脹機-發(fā)電機組33是一套輔助發(fā)電系統(tǒng)(可與主發(fā)電系統(tǒng)利用不同的熱源)，將板式換熱器15作為其冷凝器，利用熱源2和換熱器20出來的剩余冷量發(fā)電。ORC工質液體儲槽34中的液體工質經(jīng)ORC工質泵30增壓，一路經(jīng)換熱器31增焓后，進入ORC膨脹機19-1膨脹做功，發(fā)電機19-2再將機械能轉換為電能，通過發(fā)配電裝置38送出或自用。一路經(jīng)低溫截止閥36至ORC工質射流泵35，作為工作介質，將ORC工質液體儲槽中氣化的ORC工質氣體吸入混合，經(jīng)低溫節(jié)流閥32節(jié)流減壓后與ORC膨脹機33-1的乏氣混合，送入板式換熱器15中冷凝、過冷，ORC工質液體靠自重流回ORC工質液體儲槽34中。為提高ORC膨脹機-發(fā)電機組33的效率，ORC工質的沸點溫度應接近冷源溫度(即板式換熱器15冷端溫度)。ORC膨脹機33-1進行絕熱處理，乏氣輸送管道做絕熱處理。
[0032]可根據(jù)溫度的差異程度、維修的需要等分割為不同的冷箱，冷箱用珠光砂等材料絕熱，冷箱之間通過隔板或珠光砂絕熱過橋冷箱連接、隔離。噴射器7冷箱、余冷換熱器12冷箱、43-2透平膨脹機冷箱、44-2透平膨脹機冷箱、板式換熱器15冷箱、冷閥冷箱、ORC膨脹機33-1冷箱和透平膨脹機17-1冷箱相對獨立，其他換熱裝置可置于同一冷箱內(nèi)。ORC工質儲槽34、0RC膨脹機19和透平膨脹機17-1不同其它設備和裝置采用珠光砂絕熱，而采用包覆、真空等方式絕熱。液體管道采用真空絕熱保溫管，循環(huán)工質液體儲罐I采用真空和絕熱材料復合絕熱。
[0033]成套裝置的參數(shù)檢測、報警、控制、運算、記錄、通訊和聯(lián)鎖保護等由計算機控制系統(tǒng)完成。
[0034]2通過冷量平衡和能功轉換計算示例進一步說明實施方式和效果
[0035](I)冷量平衡
[0036]設:循環(huán)工質為液氮,氮氣密度rdl.2507kg/m3(標況),液氮密度rdl810kg/m3(沸點)，液氮沸點77.35K(0.1OlMPa);透平膨脹機-發(fā)電機組17入口壓力P12.5MPa，入口溫度T1SO0C (303K)，出口壓力P20.6MPa，透平膨脹機內(nèi)效率70% ;低溫液體泵2的流量QJOOm3/h，揚程H320m;主換熱器20的熱端溫差Atkl3°C (3K);節(jié)流過冷液體量占比為k210 % ;熱端膨脹機43-2入口介質壓力Ρ32.55MPa，溫度T3_80 V (193Κ)，熱端膨脹機43_2出口介質壓力P40.6MPa，膨脹機等熵效率85% ;冷端膨脹機44_2入口介質壓力P40.6MPa，溫度T4-137°C (136K)，冷端膨脹機44-2出口介質壓力P50.13MPa，膨脹機等熵效率85%。本例壓力均為絕對壓力，摩爾體積為22.4m3/kmoL.[0037]A冷量獲得:
[0038]Q1?膨脹機組制冷量(簡化計算)[0039]查氮氣T-S圖，熱端膨脹機入口 h3為10049kJ/kmol ;出口 h4為8625kJ/kmol。冷端端膨脹機入口 h4S8625kJ/kmol ;理想等熵膨脹至？5時，h5'為7327kJ/kmol，實際匕為:
[0040]h5=h4-0.85 (h4-h5' ) =7520kJ/kmol (對應于 0.13MPa, 92K)
[0041]單位氣體焓降為:
[0042]h3-h6=2529kJ/kmol=113kJ/m3
[0043]設膨脹量占循環(huán)工質(折合為氣體)比為kp則單位循環(huán)工質氣體制冷量為:
[0044]Q1=Ic1 (h3_h5) =IUk1 (kj/m3)
[0045]B冷量損失:
[0046]q2=裝置跑冷冷量q3+液體帶走冷量q4+不完全換熱帶走冷量q5
[0047]參照同等規(guī)模加工空氣量的空分裝置，跑冷損失取4.18kJ/m3 (折合氣態(tài))，則單位循環(huán)工質跑冷損失:
[0048]q3=4.18kJ/m3
[0049]系統(tǒng)過冷平衡后，儲罐液體維持一定的過冷，這里僅考慮液體存儲和輸送裝置的跑冷帶走的冷量(液體泵按絕熱壓縮考慮)，由于散熱面積遠小于冷箱，跑冷損失取
2.09kJ/m3(折合氣態(tài)),則單位循環(huán)工質液體冷量損失:
[0050]q4=2.09kJ/m3
[0051]以主換熱器20的熱端溫差作為裝置不完全換熱的基準，熱端溫差Atkl3°C (3K)，氮氣比定壓熱容取29.99J/(mol.K)，主換熱器20出口氣體量占循環(huán)工質比為，則單位循環(huán)工質不完全換熱損失::
[0052]q5=29.99 + 22.4X3X (l-krk2)=4.02(l-kr0.l)kj/m3
[0053]q2=q3+q4+q5=9.89-4.02klkJ/m3
[0054]C冷量平衡計算:
[0055]qi=q2
[0056]113kl=9.89-4.02^
[0057]^=0.085
[0058](2)能功轉換
[0059]當透平膨脹機-發(fā)電機組17入口工質壓力Pf.SMPa，入口溫度！\301: (303K)時其焓值4135661^/1^01 ;出口壓力P20.6MPa，透平膨脹機內(nèi)效率70%，則:
[0060]查氮氣T-S圖，理想等熵膨脹至P2時，h2'為10551kJ/kmol，實際h2為[0061 ] Ii2=Ii1-0.70 Qifh2' ) =11489kJ/kmol (對應于 0.6MPa, 228K)
[0062]單位氣體焓降為:
[0063]h1-h2=2077kj/kmol=92.7kJ/m3
[0064]IOOmVh液體循環(huán)工質折合單位時間氣量:
[0065]Q=IOO X 648=64800m3/h (標況)(rdl/rd ^ 648)
[0066]單位時間內(nèi)`轉換做功的熱量為:
[0067]q6= (hrh2) XQX (l-krk2) =92.7X64800X (1-0.085-0.1) =4895672 (kj/h)
[0068]功熱當量為3600(lkW*h = 3600kJ)，減速器的效率取0.95，發(fā)電機的效率取
0.95，則有效發(fā)電功率為:
[0069]W1=4895672 + 3600X0.95X0.95=1227 (kW)[0070](3)功效(為簡化計算，僅考慮透平膨脹機-發(fā)電機組17發(fā)電獲得的功和液體泵2消耗的功)
[0071]低溫液體泵2的效率η:取0.65，則功率為:
[0072]W2=rdlXQLXH+ (102X 11)=810.9X (100 + 3600) X320+ (102X0.65)=103 (kW)
[0073]功效系數(shù)為:
[0074]ε =W1+W2=1227 + 103=11.9。
【權利要求】
1.一種利用低溫熱能發(fā)電的設備，其特征在于:它包括真空絕熱循環(huán)工質液體儲罐(I)，帶恒壓控制裝置的循環(huán)工質低溫液體泵(2)，氣液分離器(3)，低溫節(jié)流閥(4)，低溫節(jié)流閥(5)，低溫節(jié)流閥(6)，噴射器(7)，液化器(8)，過冷器(9)，低溫截止閥(10)，低溫放空消音器(11)，余冷換熱器(12)，熱交換器(14)，板式換熱器(15)，緩沖罐(16)，透平膨脹機-發(fā)電機組(17)，高低壓發(fā)配電裝置(18)，主換熱器(20)，計算機控制系統(tǒng)(21)，低溫截止閥(22)，低溫截止閥(23)，低溫放空消音器(24)，低溫截止閥(26)，低溫調節(jié)閥(27)，ORC工質泵(30)，換熱器(31)，低溫節(jié)流閥(32)，ORC膨脹機-發(fā)電機組(33)，ORC工質液體儲槽(34)，0RC工質射流泵(35)，低溫截止閥(36)，發(fā)配電裝置(38)，熱端電機制動膨脹機組(43)，冷端端電機制動膨脹機組(44)，低壓配電柜(46)，低壓配電柜(47)，前述部分組成的低溫熱能發(fā)電裝置以液空、液氮、液氬作為循環(huán)工質，經(jīng)低溫液體泵增壓后，與低品位熱源進行熱交換，產(chǎn)生中高壓氣體，一部分焓值升高的氣體工質膨脹做功轉化為機械能，驅動發(fā)電機，發(fā)電機將機械能轉換為電能，電能并入本地電網(wǎng)，另一部分焓值相對較低的氣體工質經(jīng)膨脹做功產(chǎn)生冷量，補充冷量損失，利用部分增壓液體循環(huán)工質節(jié)流產(chǎn)生過冷量，通過低溫換熱裝置使循環(huán)工質冷量回收、循環(huán)使用，通過有機物郎肯循環(huán)利用剩余冷量發(fā)電，參數(shù)檢測、控制由計算機控制系統(tǒng)完成。
2.根據(jù)權利要求1所述的利用低溫熱能發(fā)電的設備，其特征在于:以大氣中存在的自然物質轉換為液空、液氮、液氬作為循環(huán)工質。
3.根據(jù)權利要求1所述的利用低溫熱能發(fā)電的設備，其特征在于:循環(huán)工質通過低溫液體泵(2)增壓，經(jīng)換熱后產(chǎn)生中高壓氣體。
4.根據(jù)權利要求1所述的利用低溫熱能發(fā)電的設備，其特征在于:從透平膨脹機-發(fā)電機組(17)中膨脹輸出的循環(huán)工質為中冷溫度氣體。
5.根據(jù)權利要求1所述的利用低溫熱能發(fā)電的設備，其特征在于:增壓、增焓的循環(huán)氣體工質經(jīng)兩級膨脹做功產(chǎn)生冷量，補充冷量損失。`
6.根據(jù)權利要求1所述的利用低溫熱能發(fā)電的設備，其特征在于:通過噴射器(7)回收低壓循環(huán)工質。
7.根據(jù)權利要求1所述的利用低溫熱能發(fā)電的設備，其特征在于:通過低溫節(jié)流閥(5)對增壓后的低溫液體循環(huán)工質節(jié)流，通過換熱使正流循環(huán)工質實現(xiàn)過冷。
8.根據(jù)權利要求1所述的利用低溫熱能發(fā)電的設備，其特征在于:軸流式透平膨脹機(17-1)通過減速器(17-4)與發(fā)電機(17-2)連接，發(fā)電機側恒定轉速3000r/min。
9.根據(jù)權利要求1所述的利用低溫熱能發(fā)電的設備，其特征在于:循環(huán)液體工質可利用空分液體制品互溶性強的特點混配成多組分的混合物。
10.根據(jù)權利要求1所述的利用低溫熱能發(fā)電的設備，其特征在于:0RC膨脹機-發(fā)電機組(33)是一套輔助發(fā)電系統(tǒng)，將板式換熱器(15)作為其冷凝器，利用主換熱器(20)出來的剩余冷量和熱源2的低溫熱能發(fā)電。
11.根據(jù)權利要求1所述的利用低溫熱能發(fā)電的設備，其特征在于:0RC膨脹機(33-1)、透平膨脹機(17-1)設置相對獨立的絕熱冷箱。
12.根據(jù)權利要求1或8所述的利用低溫熱能發(fā)電的設備，其特征在于:通過ORC工質射流泵(35)回收ORC氣體工質。
13.根據(jù)權利要求1或8所述的利用低溫熱能發(fā)電的設備，其特征在于:0RC工質的沸點溫度接近 板式換熱器15冷端的中冷溫度。
【文檔編號】F01K27/00GK103775149SQ201410028354
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月14日 優(yōu)先權日:2014年1月14日
【發(fā)明者】墻新奇 申請人:墻新奇