一種卡諾－有機朗肯雙循環(huán)混合高效發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種卡諾－有機朗肯雙循環(huán)混合高效發(fā)電系統(tǒng)，包括有機朗肯循環(huán)回路和卡諾循環(huán)回路；所述有機朗肯循環(huán)回路包括回熱器以及通過管路依次連接成環(huán)的工質泵、蒸發(fā)器、熱功動力轉換機械、冷凝器、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蒸發(fā)器和熱功動力轉換機械之間；所述有機朗肯循環(huán)回路采用苯類、氫氟烴或烴類作為有機朗肯循環(huán)工質。該設備將低溫有機朗肯循環(huán)與卡諾循環(huán)直接結合，利用卡諾循環(huán)效率高的優(yōu)點，對低效率的有機朗肯循環(huán)加以改進，從而實現(xiàn)了大幅度提高有機朗肯循環(huán)熱效率的效果。
【專利說明】一種卡諾一有機朗肯雙循環(huán)混合高效發(fā)電系統(tǒng)
【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有機朗肯雙循環(huán)混合高效發(fā)電系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]隨著煤炭、石油、天然氣等化石能源消耗量的不斷攀升，以及由于能源消耗帶來的環(huán)境負擔(如霧霾、PM2.5等)，能源和環(huán)境問題已經(jīng)成為全世界共同關注的重大問題。我國雖然是能源大國，人均能源擁有量卻很低，能源利用效率也不高，節(jié)能減排是我國目前的基本國策。在此背景下，使用有機朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle,簡稱“0RC”)將低品位熱量轉換為電能引起了越來越多的關注。有機朗肯循環(huán)發(fā)電技術有別于常規(guī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術，其特點是:不是用水作為工質，而是使用低沸點的有機物作為工質來吸收熱量，汽化膨脹做功發(fā)電?！?RC”發(fā)電系統(tǒng)主要有蒸發(fā)器、有機工質、膨脹機(或汽輪機)、發(fā)電機、冷凝器、工質泵、發(fā)電控制系統(tǒng)和并網(wǎng)系統(tǒng)等組成。有機朗肯循環(huán)，其原理和朗肯循環(huán)完全一樣，只是在朗肯循環(huán)中采用有機工質代替水蒸汽推動膨脹機(或汽輪機)做功。低壓液態(tài)有機工質經(jīng)過工質泵增壓后進入蒸發(fā)器吸收熱量，轉變?yōu)楦邷馗邏赫魵庵?，高溫高壓有機工質蒸氣推動膨脹機(或汽輪機)做功，產(chǎn)生動力輸出；膨脹機(或汽輪機)出口的低壓蒸氣進入冷凝器向低溫熱源放熱而被冷凝為液態(tài)，如此往復循環(huán)。目前，有機朗肯循環(huán)作為回收余熱廢熱的一條有效途徑，廣泛的應用于工業(yè)余熱、地熱、太陽熱等利用，各國工業(yè)界和學術界正積極投入力量進行相關研發(fā)工作。
[0003]朗肯(W.J.M.Rankine，1820 — 1872年)，英國科學家，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)電廠性能的經(jīng)典方法。朗肯循環(huán)的特點是在熱力循環(huán)中存在氣液相變。有機朗肯循環(huán)發(fā)電是通過有機工質在熱力設備中的氣液相變，不斷進行等壓加熱(蒸發(fā))、絕熱膨脹、等壓放熱(冷凝)和絕熱壓縮4個過程，使熱能不斷轉化為機械能，再由發(fā)電機將機械能轉化為人們所需要的電能。有機朗肯循環(huán)有很多優(yōu)點，可利用的熱源溫度低，做功發(fā)電量大，容易各種規(guī)模的發(fā)電，且使用的有機工質，具有熱導率高、沸點低等優(yōu)點，可以廣泛的應用于地熱發(fā)電(80-200 V )，工業(yè)余熱發(fā)電(80-400°C )，生物質發(fā)電(100-350°C )，太陽熱發(fā)電(100-3900C )及各類余熱發(fā)電等領域。但其最大的缺點是發(fā)電效率較低，一般都低于25%。如何提高發(fā)電效率，其途徑有兩個，一個是提高熱源的溫度，蒸發(fā)的溫度越高，其顯熱/冷凝潛熱比例越高，有機朗肯循環(huán)的熱效率就越高，因此提高蒸發(fā)的溫度是提高熱電轉化效率的有效手段。但在實際使用時，由于ORC操作溫度的提高受到低溫熱源溫度的限制，抑制了低溫熱效率的提高。另外，減少冷凝熱的排放也是提高有機朗肯循環(huán)的熱效率的一個有效途徑，但幾乎很少有涉及。
[0004]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及效率?？ㄖZ循環(huán)的特點是氣體工質的動力循環(huán)在熱力循環(huán)中不存在相變，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。這種由兩個等溫過程和兩個絕熱過程所構成的氣體循環(huán)成為卡諾循環(huán)。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，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。
[0005]有機朗肯循環(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。
實用新型內容
[0006]實用新型目的:本實用新型的目的在于提供一種發(fā)電效率高的卡諾一有機朗肯雙循環(huán)混合高效發(fā)電系統(tǒng)，利用卡諾循環(huán)效率高的優(yōu)點，對低效率的有機朗肯循環(huán)加以改進，從而實現(xiàn)大幅度提高有機朗肯循環(huán)熱效率的目的。
[0007]技術方案:本實用新型提供的一種卡諾一有機朗肯雙循環(huán)混合高效發(fā)電系統(tǒng)，包括有機朗肯循環(huán)回路和卡諾循環(huán)回路；所述有機朗肯循環(huán)回路包括回熱器以及通過管路依次連接成環(huán)的工質泵、蒸發(fā)器、熱功動力轉換機械、冷凝器、氣液分離器，工質泵、蒸發(fā)器之間的管路以及熱功動力轉換機械、冷凝器之間的管路均設于回熱器內；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蒸發(fā)器和熱功動力轉換機械之間；所述有機朗肯循環(huán)回路采用苯類、氫氟烴或烴類作為有機朗肯循環(huán)工質。
[0008]作為優(yōu)選，所述有機朗肯循環(huán)工質為苯類、R23、R32、R41、R116、R125、R134a、R143a、R152a、R218、R227ea、R236ea、R236fa、R245fa、R318、R404A、R407A、R407B、R407C、R407D、R407E、R410A、R410B、R413A、R417A、R419A、R421A、R421B、R422A、R422B、R422C、R422D、R423A、R424A、R425A、R427A、R428A、R507A、Rl 150、R170、R1270、R290 或 R744。
[0009]作為另一種優(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)電機與熱功動力轉換機械連接。
[0012]作為另一種優(yōu)選，還包括第一調節(jié)閥，所述第一調節(jié)閥設于蒸發(fā)器和熱功動力轉換機械之間。
[0013]作為另一種優(yōu)選，還包括第二調壓閥，所述第二調壓閥設于換熱器和熱功動力轉換機械之間。
[0014]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。
[0015]作為另一種優(yōu)選，所述的熱功動力轉換機械為汽輪機或膨脹機。
[0016]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。[0017]有益效果:本實用新型提供的卡諾一有機朗肯雙循環(huán)混合高效發(fā)電系統(tǒng)，將低溫有機朗肯循環(huán)與卡諾循環(huán)直接結合，利用卡諾循環(huán)效率高的優(yōu)點，對低效率的有機朗肯循環(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。
[0018]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)結合，把兩者有機的結合起來，能夠實現(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。
[0019]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有機朗肯雙循環(huán)混合高效發(fā)電系統(tǒng)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】
[0020]圖1為本實用新型卡諾一有機朗肯雙循環(huán)混合高效發(fā)電系統(tǒng)的結構示意圖?！揪唧w實施方式】
[0021]下面結合附圖對本實用新型做出進一步說明。
[0022]卡諾一有機朗肯雙循環(huán)混合高效發(fā)電系統(tǒng)，見圖1，包括有機朗肯循環(huán)回路1、卡諾循環(huán)回路2和發(fā)電機3 ;有機朗肯循環(huán)回路I包括回熱器17以及通過管路依次連接成環(huán)的工質泵11、蒸發(fā)器12、第一調節(jié)閥16、熱功動力轉換機械13、冷凝器14和氣液分離器15，工質泵11、蒸發(fā)器12之間的管路以及熱功動力轉換機械13、冷凝器14之間的管路均設于回熱器17內；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，第二調壓閥23出口設于第一調節(jié)閥16和熱功動力轉換機械13之間；發(fā)電機3與熱功動力轉換機械13連接。
[0023]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。
[0024]本實用新型中，熱功轉換機械13為汽輪機；可選地，也可以選擇任意合適的熱功轉換機械；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。
[0025]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。
[0026]該裝置的工作原理為:
[0027]氣液分離器15分離的液體工質被工質泵11泵入回熱器17中預熱、蒸發(fā)器12中加熱形成高溫高壓的飽和蒸汽，進入熱功動力轉換機械13中帶動發(fā)電機3發(fā)電，乏汽經(jīng)冷凝器14經(jīng)回熱器17預冷后進入氣液分離器15形成凝結的液體工質和低壓氣體，氣液分離器15將凝結的液體工質分離至有機朗肯循環(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，進入熱功動力轉換機械13內，帶動發(fā)電機3發(fā)電。
[0028]工質蒸氣膨脹時，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有機工質，在膨脹做功時，其溫度降低幅度將會大于有機工質飽和蒸汽溫度的降低幅度，迫使高壓氣體吸收有機工質飽和蒸汽釋放的冷凝熱，通過在熱機內部加熱高壓氣體，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。
[0029]將上述卡諾一有機朗肯雙循環(huán)混合高效發(fā)電系統(tǒng)用于不同條件下發(fā)電。
[0030]應用實例一，蒸發(fā)器12及換熱器22的加熱溫度為300°C，有機朗肯循環(huán)回路I采用苯作為工作介質，其飽和蒸汽的壓力為4.8Mpa，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，冷凝采用水冷方式，兩個循環(huán)高壓側的流量及壓力相同。
[0031]應用實例二，蒸發(fā)器12及換熱器22的加熱溫度為200°C，有機朗肯循環(huán)回路I采用R245fa作為工作介質，其飽和蒸汽的壓力為3.38Mpa，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，冷凝采用風冷方式，兩個循環(huán)高壓側的流量及壓力相同。
[0032]應用實例三，蒸發(fā)器12及換熱器22的加熱溫度為100°C，有機朗肯循環(huán)回路I采用R134a作為工作介質，其飽和蒸汽的壓力為3.97Mpa，冷凝器14冷凝溫度為30°C，卡諾循環(huán)回路2采用氮氣作為工作介質，冷凝采用風冷方式，兩個循環(huán)高壓側的流量及壓力相同。
[0033]應用實例四，蒸發(fā)器12及換熱器22的加熱溫度為75°C，有機朗肯循環(huán)回路I采用R32作為工作介質，其飽和蒸汽的壓力為5.41Mpa，冷凝器14冷凝溫度為30°C，卡諾循環(huán)回路2采用氮氣作為工作介質，冷凝采用風冷方式，兩個循環(huán)高壓側的流量及壓力相同。
[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，調整各循環(huán)的流量及壓力，以達到最高的熱功轉換效率。應用實例中的等流量的卡諾一有機朗肯循環(huán)設備的熱效率比較如表1。
[0035]表1卡諾一有機朗肯雙循環(huán)混合高效發(fā)電系統(tǒng)的熱效率比較
【權利要求】
1.一種卡諾一有機朗肯雙循環(huán)混合高效發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:包括有機朗肯循環(huán)回路(I)和卡諾循環(huán)回路(2);所述有機朗肯循環(huán)回路(I)包括回熱器(17)以及通過管路依次連接成環(huán)的工質泵(11)、蒸發(fā)器(12)、熱功動力轉換機械(13)、冷凝器(14)、氣液分離器(15)，工質泵(11)、蒸發(fā)器(12)之間的管路以及熱功動力轉換機械(13)、冷凝器(14)之間的管路均設于回熱器(17)內；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 )出口設于蒸發(fā)器(12 )和熱功動力轉換機械(13 )之間；所述有機朗肯循環(huán)回路(I)采用苯類、氫氟烴或烴類作為有機朗肯循環(huán)工質。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種卡諾一有機朗肯雙循環(huán)混合高效發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述朗肯循環(huán)工質為苯類、R23、R32、R41、R116、R125、R134a、R143a、R152a、R218、R227ea、R236ea、R236fa、R245fa、R318、R404A、R407A、R407B、R407C、R407D、R407E、R410A、R410B、R413A、R417A、R419A、R421A、R421B、R422A、R422B、R422C、R422D、R423A、R424A、R425A、R427A、R428A、R507A、Rl 150、R170、R1270、R290 或 R744。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種卡諾一有機朗肯雙循環(huán)混合高效發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述壓縮機(21)的數(shù)量為兩個以上。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種卡諾一有機朗肯雙循環(huán)混合高效發(fā)電系統(tǒng)，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。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種卡諾一有機朗肯雙循環(huán)混合高效發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:還包括發(fā)電機(3)，所述發(fā)電機(3)與熱功動力轉換機械(13)連接。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種卡諾一有機朗肯雙循環(huán)混合高效發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:還包括第一調節(jié)閥(16)，所述第一調節(jié)閥(16)設于蒸發(fā)器(12)和熱功動力轉換機械(13)之間。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種卡諾一有機朗肯雙循環(huán)混合高效發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:還包括第二調壓閥(23)，所述第二調壓閥(23)設于換熱器(22)和熱功動力轉換機械(13)之間。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種卡諾一有機朗肯雙循環(huán)混合高效發(fā)電系統(tǒng)，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。
9.根據(jù)權利要求1所述的一種卡諾一有機朗肯雙循環(huán)混合高效發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述的熱功動力轉換機械(13)為汽輪機或膨脹機。
10.根據(jù)權利要求9所述的一種卡諾一有機朗肯雙循環(huán)混合高效發(fā)電系統(tǒng)，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】F01K21/04GK203655370SQ201320743999
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2013年11月21日 優(yōu)先權日:2013年11月21日
【發(fā)明者】孟寧 申請人:孟寧