一種卡諾－朗肯雙循環(huán)混合高效發(fā)電設備的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供的一種卡諾－朗肯雙循環(huán)混合發(fā)電設備，包括朗肯循環(huán)回路和卡諾循環(huán)回路；所述朗肯循環(huán)回路包括依次連接成環(huán)的給水泵、高壓蒸汽鍋爐、熱功動力轉(zhuǎn)換機械、冷凝器和氣液分離器；所述卡諾循環(huán)回路包括依次串聯(lián)的一組壓縮機和換熱器，一組壓縮機兩兩之間設有冷卻器；一組壓縮機進口與氣液分離器氣體出口連接，所述換熱器出口設于高壓蒸汽鍋爐和熱功動力轉(zhuǎn)換機械之間。該設備，將朗肯循環(huán)與卡諾循環(huán)直接結(jié)合，利用卡諾循環(huán)效率高的優(yōu)點，對低效率的朗肯循環(huán)加以改進，從而實現(xiàn)了大幅度提高朗肯循環(huán)熱效率的效果。
【專利說明】一種卡諾一朗肯雙循環(huán)混合高效發(fā)電設備
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于電力設備領域，特別涉及一種卡諾一朗肯雙循環(huán)混合發(fā)電設備?！颈尘凹夹g】
[0002]電力行業(yè)是我國重點的耗能大戶，電力行業(yè)能耗約占全國總能耗的1/3，二氧化硫排放占全國一半。全國2011年全國發(fā)電量4.7萬億千瓦時，其中火電發(fā)電量為3.8萬億千瓦時，由于中國火電基本上是煤電，煤電約占發(fā)電總量的80%。2011年火電消耗一次能源(標準煤)19億噸，全國的煤炭消耗量為35.7億噸，電力行業(yè)的煤炭消耗占全國煤炭消耗總量的50%以上。中國煤電把燃燒的熱能轉(zhuǎn)化成電能的效率較低，目前我國每發(fā)一千瓦時的電消耗煤炭333克，而丹麥僅為269克。根據(jù)國際能源署的統(tǒng)計，2010年中國煤電每發(fā)一千瓦時的電排放二氧化碳967克，與世界平均水平958克相比較高。2010年，全球二氧化碳排放量為302.76億噸，中國(含香港地區(qū))為72.586億噸，占世界二氧化碳排放總量的24%，名列第一。煤炭火力發(fā)電不僅導致了煤炭大量的消耗，更導致了嚴重的生態(tài)問題。目前，我國二氧化硫和二氧化碳排放量均居世界首位，我國東部地區(qū)環(huán)境承載能力已接近極限。有數(shù)據(jù)顯然，東中部地區(qū)PM2.5嚴重超標，高于安全值5?8倍。如何提高火力發(fā)電的效率，減少發(fā)電的能源消耗，已經(jīng)是刻不容緩的課題。
[0003]傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠，是以水蒸汽為工質(zhì)的，利用高溫高壓的水蒸氣把熱能轉(zhuǎn)變成機械能，又把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。發(fā)電廠的設備，主要是由鍋爐、汽輪機、凝汽器、水泵等設備所組成。其工作原理是:給水先經(jīng)給水泵加壓后送入鍋爐，在鍋爐中水被加熱汽化、形成高溫高壓的過熱蒸汽，過熱蒸汽在汽輪機中膨脹做功，變?yōu)榈蜏氐蛪旱姆ζ?，最后排入凝汽器凝結(jié)為冷凝水，重新經(jīng)水泵將冷凝水送入鍋爐進行新的循環(huán)。在汽輪機里作完功的乏氣直接進入到凝汽器中，通過直接空冷或水冷方式完成排氣的凝結(jié)過程。通常汽輪機乏汽為低溫(32-55°C)低壓(0.005-0.016MPa)的濕飽和蒸汽，冷凝潛熱約為2400kJ/kg，乏汽在凝汽器內(nèi)凝結(jié)成水，大量的汽化潛熱被冷卻水或空氣攜帶，釋放到大氣環(huán)境中。在水蒸汽朗肯循環(huán)中，中壓機組熱效率不超過40%，超臨界機組熱效率不超過50%，發(fā)電效率不高的根本原因是做功部分只能利用水蒸氣的顯熱，而占能源消耗量的50%以上乏氣的潛熱能(2400kJ/kg)做為低品位熱量通過雙曲線冷凝塔白白的發(fā)散到大氣中。由于乏汽的溫度在32-55°C，屬于低品位余熱，現(xiàn)有的技術難以回收和利用，造成電廠的大量的熱損失。因此如何有效利用凝汽器中蒸汽凝結(jié)時釋放的占能源消耗量的50%以上的低品位冷凝潛熱，對于提高發(fā)電效率，有著決定性的作用。
[0004]朗肯(W.J.M.Rankine，1820 — 1872年)，英國科學家，他計算出的熱力學循環(huán)(后稱為朗肯循環(huán))的熱效率被作為計算蒸汽動力發(fā)電廠性能的方法。朗肯循環(huán)的特點是蒸汽工質(zhì)的動力循環(huán)；朗肯循環(huán)發(fā)電是通過水在熱力設備中不斷進行等壓加熱(水蒸發(fā))、絕熱膨脹、等壓放熱(蒸汽冷凝)和絕熱壓縮4個過程的氣液相變，使熱能不斷轉(zhuǎn)化為機械能，再由發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為人們所需要的電能。常規(guī)的水蒸氣朗肯循環(huán)有很多優(yōu)點，做功發(fā)電量大，容易大規(guī)模發(fā)電，且使用的工質(zhì)為水，具有熱導率高、無毒、無腐蝕等優(yōu)點，因此廣泛應用于火力發(fā)電、核電及各類余熱發(fā)電；然而，水蒸氣朗肯循環(huán)最大的缺點是發(fā)電效率較低。如何提高水蒸氣朗肯循環(huán)發(fā)電效率是一個難題，通常有兩個途徑:一是提高蒸汽的溫度。蒸汽的溫度越高，其顯熱/冷凝潛熱比例越高，朗肯循環(huán)的熱效率就越高，因此提高蒸汽的溫度是提高熱電轉(zhuǎn)化效率的有效手段；然而，蒸氣在高溫運行時存在高壓問題，在實際使用時由于設備材料強度的原因，蒸氣溫度的提高受到限制，抑制了朗肯循環(huán)熱發(fā)電設備的熱效率的提高。二是減少冷凝熱的排放，然而該方法僅能從理論上述及，實際鮮有應用。
[0005]卡諾循環(huán)(Carnot cycle)是由法國工程師尼古拉.萊昂納爾.薩迪.卡諾于1824年提出的，以分析熱機的工作過程?？ㄖZ循環(huán)是由兩個等溫過程和兩個絕熱過程所構(gòu)成的氣體循環(huán)，其特點是氣體工質(zhì)的動力循環(huán)在循環(huán)設備中不存在相變，其包括四個步驟:氣體等溫膨脹、氣體絕熱膨脹、氣體等溫壓縮、氣體絕熱壓縮。根據(jù)熱力學第二定律，在相同的高、低溫熱源溫度T1與T2之間工作的一切循環(huán)中，以卡諾循環(huán)的熱效率為最高，稱為卡諾定理。盡管卡諾循環(huán)的熱效率高，但完全按照卡諾循環(huán)工作的熱機在現(xiàn)實中是難以實現(xiàn)的，因為熱機的膨脹做功是高壓氣體在較短的時間內(nèi)完成的，是絕熱膨脹過程，很難通過外部加熱來實現(xiàn)等溫膨脹過程；而低壓氣體等溫壓縮，也是在較短的時間內(nèi)完成的，是絕熱壓縮過程，也很難通過外部冷凝來實現(xiàn)氣體等溫壓縮過程。此外，卡諾循環(huán)是以氣體作為傳熱循環(huán)工質(zhì)，氣體的熱傳導率較小，為水的1/20左右，換熱較困難，用于加熱及冷凝氣體的換熱器的體積遠大于朗肯循環(huán)，造成換熱設備的成本大幅度增加。
[0006]朗肯循環(huán)及卡諾循環(huán)都有各自的熱力學優(yōu)勢，因此如何發(fā)揮其優(yōu)勢，克服缺點，探索新的循環(huán)方法及理論，找到大幅度提高熱力循環(huán)效率的新途徑，無疑具有十分重要的意義。
實用新型內(nèi)容
[0007]實用新型目的:本實用新型的目的在于提供一種發(fā)電效率高的卡諾一朗肯雙循環(huán)混合發(fā)電設備，利用卡諾循環(huán)效率高的優(yōu)點，對低效率的朗肯循環(huán)加以改進，從而實現(xiàn)大幅度提高朗肯循環(huán)熱效率的目的。
[0008]技術方案:本實用新型提供的一種卡諾一朗肯雙循環(huán)混合發(fā)電設備，包括朗肯循環(huán)回路和卡諾循環(huán)回路；所述朗肯循環(huán)回路包括依次連接成環(huán)的給水泵、高壓蒸汽鍋爐、熱功動力轉(zhuǎn)換機械、冷凝器和氣液分離器；所述卡諾循環(huán)回路包括依次串聯(lián)的一組壓縮機和換熱器，一組壓縮機兩兩之間設有冷卻器；一組壓縮機進口與氣液分離器氣體出口連接，所述換熱器出口設于高壓蒸汽鍋爐和熱功動力轉(zhuǎn)換機械之間。
[0009]作為優(yōu)選，所述壓縮機的數(shù)量為兩個以上。
[0010]作為另一種優(yōu)選，壓縮機為渦旋式壓縮機、螺桿式壓縮機、離心式壓縮機或活塞式壓縮機。
[0011]作為另一種優(yōu)選，還包括發(fā)電機，所述發(fā)電機與熱功動力轉(zhuǎn)換機械連接。
[0012]作為另一種優(yōu)選，還包括第一調(diào)節(jié)閥，所述第一調(diào)節(jié)閥設于高壓蒸汽鍋爐和熱功動力轉(zhuǎn)換機械之間。
[0013]作為另一種優(yōu)選，還包括第二調(diào)壓閥，所述第二調(diào)壓閥設于換熱器和熱功動力轉(zhuǎn)換機械之間。
[0014]作為另一種優(yōu)選，所述朗肯循環(huán)回路采用水作為朗肯循環(huán)工質(zhì)。[0015]作為另一種優(yōu)選，所述卡諾循環(huán)回路采用二氧化碳、空氣、氮氣、氦氣、氫氣、氧氣中的一種或幾種的混合作為卡諾循環(huán)工質(zhì)。
[0016]作為另一種優(yōu)選，所述的熱功動力轉(zhuǎn)換機械為汽輪機或膨脹機。
[0017]作為進一步優(yōu)選，所述膨脹機為渦旋式膨脹機、螺桿式膨脹機、離心式膨脹機或活塞式膨脹機。
[0018]有益效果:本實用新型提供的卡諾一朗肯雙循環(huán)混合發(fā)電設備，將朗肯循環(huán)與卡諾循環(huán)直接結(jié)合，利用卡諾循環(huán)效率高的優(yōu)點，對低效率的朗肯循環(huán)加以改進，從而實現(xiàn)了大幅度提高朗肯循環(huán)熱效率的效果。
[0019]具體而言，本實用新型將低效率的朗肯循環(huán)與高效率的卡諾循環(huán)結(jié)合，把兩者有機的結(jié)合起來，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)揮各自的優(yōu)勢，形成一個雙循環(huán)動力設備，從而大幅度提高了設備的熱效率，該發(fā)電設備能夠比傳統(tǒng)的朗肯循環(huán)發(fā)電裝置效率提高20%以上。
[0020]本實用新型設備既可對現(xiàn)有火力、核電、各種余熱電站及太陽熱電站的大、中、小的發(fā)電機組加以改造，以提高其發(fā)電效率，也可用于新建卡諾一朗肯雙循環(huán)混合發(fā)電設備用于高效發(fā)電機組的設計、建造；該設備可大幅度節(jié)約能源消耗，具有發(fā)電效率高、發(fā)電量大等優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本實用新型卡諾一朗肯雙循環(huán)混合發(fā)電設備的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本實用新型做出進一步說明。
[0023]卡諾一朗肯雙循環(huán)混合發(fā)電設備，見圖1，包括朗肯循環(huán)回路1、卡諾循環(huán)回路2和發(fā)電機3 ;朗肯循環(huán)回路I包括依次連接成環(huán)的給水泵11、高壓蒸汽鍋爐12、第一調(diào)節(jié)閥16、熱功動力轉(zhuǎn)換機械13、冷凝器14和氣液分離器15 ;卡諾循環(huán)回路2包括依次串聯(lián)的一組壓縮機21、換熱器22和第二調(diào)壓閥23，一組壓縮機21兩兩之間設有冷卻器，即卡諾循環(huán)回路2包括依次串聯(lián)的第一級壓縮機24、第一冷卻器25、第二級壓縮機26、第二冷卻器27、第三級壓縮機28、換熱器22和第二調(diào)壓閥23 ;第一級壓縮機24進口與氣液分離器15氣體出口連接，第二調(diào)壓閥23出口設于第一調(diào)節(jié)閥16和熱功動力轉(zhuǎn)換機械13之間；發(fā)電機3與熱功動力轉(zhuǎn)換機械13連接。
[0024]本實用新型中，壓縮機21的數(shù)量為3個，可選地，壓縮機21的數(shù)量也可以根據(jù)需要合理設置，只要是在一個以上均可實現(xiàn)本實用新型的目的，然而，使用兩個以上的壓縮機串聯(lián)，能夠大大提聞發(fā)電效率。
[0025]本實用新型中，熱功轉(zhuǎn)換機械13為汽輪機；可選地，也可以選擇任意合適的熱功轉(zhuǎn)換機械；優(yōu)選地，可選用汽輪機或膨脹機，其中，膨脹機包括但不限于渦旋式膨脹機、螺桿式膨脹機、離心式膨脹機和活塞式膨脹機。
[0026]本實用新型中，壓縮機21為渦旋式壓縮機；可選地，也可以選擇任意合適的，壓縮機；優(yōu)選地，可選用渦旋式壓縮機、螺桿式壓縮機、離心式壓縮機或活塞式壓縮機。
[0027]該裝置的工作原理為:
[0028]氣液分離器15分離的水被給水泵11泵入高壓蒸汽鍋爐12中加熱形成高溫高壓的飽和蒸汽，進入熱功動力轉(zhuǎn)換機械13中帶動發(fā)電機3發(fā)電，乏汽經(jīng)冷凝器14進入氣液分離器15形成凝結(jié)水和低壓氣體，氣液分離器15將凝結(jié)水分離至朗肯循環(huán)回路I中，完成一次朗肯循環(huán)；氣液分離器15將低壓氣體分離至卡諾循環(huán)回路2中，低壓氣體經(jīng)壓縮機21和冷卻器，經(jīng)數(shù)級冷卻壓縮后，產(chǎn)生高壓氣體，與高壓鍋爐I的高溫高壓的飽和蒸汽混合，形成高壓混合蒸汽，進入熱功動力轉(zhuǎn)換機械13內(nèi)，帶動發(fā)電機3發(fā)電。
[0029]飽和水蒸氣膨脹時，將由汽相冷凝為液相；由于卡諾循環(huán)回路產(chǎn)生的高壓氣體的熱容遠小于水，在膨脹做功時，其溫度降低幅度將會大于飽和蒸汽的溫度的降低幅度，迫使高壓氣體吸收飽和蒸汽釋放的冷凝熱，通過在熱機內(nèi)部加熱高壓氣體，巧妙的實現(xiàn)了氣體等溫膨脹的過程。而卡諾循環(huán)回路中低壓氣體的等溫壓縮，是通過多極壓縮及多極外部環(huán)境冷凝來實現(xiàn)等溫壓縮的過程。根據(jù)熱力學理論，熱機膨脹過程中等溫膨脹做功最大，而在壓縮過程中等溫壓縮最省功。但要實現(xiàn)等溫壓縮，必須使氣體的熱量隨時與外界交換，氣體溫度與外界相等，這在實際工作中是不可能實現(xiàn)的。為降低壓縮后的氣體溫度和減小壓縮機功耗，盡可能向定溫壓縮過程靠近，分級壓縮加中間冷卻是有效的方法。分級壓縮后必須經(jīng)過中間冷卻，使進入到第二級的壓縮空氣進氣溫度，等于或接近于第一級的進氣溫度，這樣才能降低排氣溫度和壓縮機功耗。
[0030]將上述卡諾一朗肯雙循環(huán)混合發(fā)電設備用于不同條件下發(fā)電。 [0031]應用實例一，高壓蒸汽鍋爐12及換熱器22的加熱溫度為400°C，朗肯循環(huán)回路I采用水作為工作介質(zhì)，其飽和蒸汽的壓力為21Mpa，冷凝器14冷凝溫度為30°C，卡諾循環(huán)回路2采用氦氣作為工作介質(zhì)，冷凝采用水冷方式，兩個循環(huán)高壓側(cè)的流量及壓力相同。
[0032]應用實例二，高壓蒸汽鍋爐12及換熱器22的加熱溫度為300°C，朗肯循環(huán)回路I采用水作為工作介質(zhì)，其飽和蒸汽的壓力為9Mpa，冷凝器14冷凝溫度為30°C，卡諾循環(huán)回路2采用二氧化碳作為工作介質(zhì)，冷凝采用風冷方式，兩個循環(huán)高壓側(cè)的流量及壓力相同。
[0033]應用實例三，高壓蒸汽鍋爐12及換熱器22的加熱溫度為200°C，朗肯循環(huán)回路I采用水作為工作介質(zhì)，其飽和蒸汽的壓力為1.6Mpa，冷凝器14冷凝溫度為30°C，卡諾循環(huán)回路2采用空氣作為工作介質(zhì)，冷凝采用風冷方式，兩個循環(huán)高壓側(cè)的流量及壓力相同。
[0034]以上的僅為本實用新型的具體實施例，除此之外的溫度范圍，可根據(jù)熱源溫度的高低對設備進行優(yōu)化設計，調(diào)整各循環(huán)的流量及壓力，以達到最高的熱功轉(zhuǎn)換效率。應用實例中的等流量的卡諾一蒸汽朗肯循環(huán)設備的熱效率比較如表1。
[0035]表1卡諾一蒸汽朗肯雙循環(huán)混合設備的熱效率比較
[0036]
【權利要求】
1.一種卡諾一朗肯雙循環(huán)混合發(fā)電設備，其特征在于:包括朗肯循環(huán)回路(I)和卡諾循環(huán)回路(2);所述朗肯循環(huán)回路(I)包括依次連接成環(huán)的給水泵(11)、高壓蒸汽鍋爐(12)、熱功動力轉(zhuǎn)換機械(13)、冷凝器(14)和氣液分離器(15);所述卡諾循環(huán)回路(2)包括依次串聯(lián)的一組壓縮機(21)和換熱器(22)，一組壓縮機(21)兩兩之間設有冷卻器；一組壓縮機(21)進口與氣液分離器(15)氣體出口連接，所述換熱器(22)出口設于高壓蒸汽鍋爐(12)和熱功動力轉(zhuǎn)換機械(13)之間。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種卡諾一朗肯雙循環(huán)混合發(fā)電設備，其特征在于:所述壓縮機(21)的數(shù)量為兩個以上。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種卡諾一朗肯雙循環(huán)混合發(fā)電設備，其特征在于:壓縮機(21)為渦旋式壓縮機、螺桿式壓縮機、離心式壓縮機或活塞式壓縮機。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種卡諾一朗肯雙循環(huán)混合發(fā)電設備，其特征在于:還包括發(fā)電機(3)，所述發(fā)電機(3)與熱功動力轉(zhuǎn)換機械(13)連接。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種卡諾一朗肯雙循環(huán)混合發(fā)電設備，其特征在于:還包括第一調(diào)節(jié)閥(16)，所述第一調(diào)節(jié)閥(16)設于高壓蒸汽鍋爐(12)和熱功動力轉(zhuǎn)換機械(13)之間。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種卡諾一朗肯雙循環(huán)混合發(fā)電設備，其特征在于:還包括第二調(diào)壓閥(23)，所述第二調(diào)壓閥(23)設于換熱器(22)和熱功動力轉(zhuǎn)換機械(13)之間。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種卡諾一朗肯雙循環(huán)混合發(fā)電設備，其特征在于:所述朗肯循環(huán)回路(I)采用水作為朗肯循環(huán)工質(zhì)。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種卡諾一朗肯雙循環(huán)混合發(fā)電設備，其特征在于:所述卡諾循環(huán)回路(2)采用二氧化碳、空氣、氮氣、氦氣、氫氣、氧氣中的一種或幾種的混合作為卡諾循環(huán)工質(zhì)。
9.根據(jù)權利要求1所述的一種卡諾一朗肯雙循環(huán)混合發(fā)電設備，其特征在于:所述的熱功動力轉(zhuǎn)換機械(13)為汽輪機或膨脹機。
10.根據(jù)權利要求9所述的一種卡諾一朗肯雙循環(huán)混合發(fā)電設備，其特征在于:所述膨脹機為渦旋式膨脹機、螺桿式膨脹機、離心式膨脹機或活塞式膨脹機。
【文檔編號】F01K23/02GK203655368SQ201320732973
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2013年11月19日 優(yōu)先權日:2013年11月19日
【發(fā)明者】孟寧 申請人:孟寧