一种低温工质发电系统及动力系统的制作方法

本发明涉及余热利用技术领域，具体而言，涉及一种低温工质发电系统及动力系统。

背景技术

传统的发电系统和余热发电系统，大部分都是采用水作为发电工质，水通过水泵加压输送到余热锅炉中，吸收余热和工业废热后气化形成高压蒸汽，然后输入汽轮机驱动汽轮机高速旋转，并带动发电机高速旋转输出电能。汽轮机排出的乏汽，通过冷却塔与环境中的冷水或者冷空气换热，将乏汽中的潜热能量释放掉，形成冷凝水再通过水泵输送给余热锅炉重新加热成为蒸汽，驱动汽轮机并带动发电机输出电能，汽轮机排出的乏汽再通过冷却塔将乏汽中的潜热能量释放到环境中的冷水或环境中的冷空气中，乏汽冷凝成水再继续循环，如此不断的发电输出。

用水作为发电工质的发电技术和余热发电可对中高品位余热资源进行吸收和发电，由于废余热资源是工业生产过程中多余和免费的热源，同时国家对这种环保的余热发电项目扶持，所以在工业市场中应用比较多。

缺点是发电效率低，通常只有10％左右的发电效率，对于温度相对较高的高品位余热，发电效率也就20％左右，近80～90％能量通过环境中的冷水和冷空气被释放掉，造成巨大的浪费，并且还对环境形成热污染。

市场上除了采用水作为发电工质，还有一种低温有机朗肯循环发电，该发电应用沸点温度约为15℃左右的有机工质，可以实现对80℃以上热水和蒸汽进行余热发电，该技术与采用水作为发电工质的原理相同，螺杆膨胀机排出的乏汽，也采用环境中的冷水或冷空气实现冷凝。工作原理与采用水作为发电工质的发电技术相同，采用螺杆膨胀机替代汽轮机，同时由于有机朗肯循环发电采用沸点为15℃左右的低沸点工质，因此能够对80℃以上的热水和蒸汽进行余热发电。

该技术的优势是能够对80℃左右的低品位余热进行发电。缺点是需要采用冷却塔将乏汽潜热释放到环境中的冷水和冷空气中，不但在环境中造成了热污染，同时还导致发电效率低，一般只有10％左右的发电效率，最高也就20％左右的发电效率，近80～90％的能量被白白的浪费和释放到环境中。同时该余热发电技术，采用了每吨价格约10万元左右的昂贵有机工质，因此这种余热发电产品不但效率低，同时发电工质价格昂贵。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种低温工质发电系统及动力系统，其能够改善上述问题。

本发明的实施例是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供一种低温工质发电系统，所述低温工质发电系统包括乏汽回收装置和低温发电装置，所述乏汽回收装置与所述低温发电装置连通，所述低温发电装置包括依次连通的低温工质存储器、低温液体泵、乏汽换热器、主换热器、低温工质汽轮机，所述乏汽回收装置包括依次连通的所述低温工质汽轮机、所述乏汽换热器、节流装置和所述低温工质存储器。

可选地，所述低温发电装置的液态低温发电工质放置于所述低温工质存储器中，通过低温液体泵加压，使所述液态低温发电工质输送到所述乏汽换热器中，吸收所述乏汽回收装置产生的热能使所述液态低温发电工质的温度升高，然后输送到所述主换热器中，所述液态低温发电工质在主换热器中吸热形成高压气体，输送到所述低温工质汽轮机中，所述低温工质汽轮机与发电机连接，所述高压气体驱动所述低温工质汽轮机进行高速旋转和做功，以使所述发电机输出电能和/或所述低温工质汽轮机驱动机械设备，输出机械能。

可选地，所述主换热器设置于所述乏汽换热器与所述低温工质汽轮机之间，所述主换热器包括凝汽器、空气换热器、高温烟气热交换器、热水废液换热器、设备冷却系统、余热回收器、锅炉、余热锅炉中的任意一种或多种组合。

可选地，所述低温工质发电系统还包括液体载冷剂循环，所述液体载冷剂循环包括热载冷剂液体管道、载冷剂循环泵、所述低温发电装置、所述主换热器、低温载冷剂管道和待冷却设备，外部设备产生的热载冷剂液体输送至所述热载冷剂液体管道，通过所述载冷剂循环泵加压，输送到低温发电装置的所述主换热器进行换热，以使所述热载冷剂液体失去热能，形成载冷剂的低温液体，进入所述低温载冷剂管道，通过阀门输送给所述待冷却设备，所述低温的载冷剂吸热后形成热载冷剂返回所述热载冷剂液体管道；

所述液体载冷剂循环为设备冷却系统、空调系统、气体液体冷却系统、凝汽器、热水废液换热器系统，设置在所述低温发电装置的所述主换热器的低温端，所述主换热器的高温端为高温烟气热交换器、余热回收器、锅炉、余热锅炉，输出连接所述低温工质汽轮机。

可选地，所述主换热器吸收外部热能后形成高压气体，输送至所述低温工质汽轮机中，所述低温工质汽轮机连接发电机，所述高压气体驱动所述低温工质汽轮机高速旋转，带动发电机高速旋转输出电能和/或所述低温工质汽轮机驱动机械设备，输出机械能。

可选地，所述低温工质汽轮机产生的低温乏汽进入到所述乏汽换热器中，所述乏汽与所述乏汽换热器内的所述液态低温发电工质进行换热，以降低所述乏汽的温度并实现乏汽冷凝。

可选地，所述乏汽换热器出口设置有节流设备，所述节流设备节流降压，呈低压的冷凝液体返回到所述低温发电装置的所述低温工质存储器中，形成循环；

所述节流设备为具有节流减压的节流阀、截止阀、减压阀、膨胀阀或膨胀机；

所述乏汽回收装置的所述节流设备的出口与所述低温发电装置的所述低温工质存储器连接，将所述乏汽回收装置冷凝的低温液体，返回给所述低温发电装置的所述低温工质存储器，形成循环。

可选地，所述低温工质存储器中存储的液体低温发电工质为天然气、甲烷、乙烷、空气、氧气、氮气、氩气、氢气，氦气、普通简单气体、烃类气体物质、气体制冷剂纯净物、气体制冷剂混合物、其他气体有机物或其他混合气体中的任意一种或多种组合。

可选地，所述乏汽回收装置与所述低温发电装置均设有保温层、真空隔热、或者其他的绝热保温技术。

第二方面，本发明实施例提供一种动力系统，包括上述第一方面所述的低温工质发电系统。

本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例提供一种低温工质发电系统及动力系统，该低温工质发电系统包括乏汽回收装置和低温发电装置，所述乏汽回收装置与所述低温发电装置连通，所述低温发电装置包括依次连通的低温工质存储器、低温液体泵、乏汽换热器、主换热器、低温工质汽轮机，所述乏汽回收装置包括依次连通的所述低温工质汽轮机、所述乏汽换热器、节流装置和所述低温工质存储器。

本方案中，可以将低温发电装置产生的高温高压气体释放热能后形成的乏汽中的潜热通过乏汽回收装置进行回收，从而实现了利用低品位余热高效发电的目的，有效地避免了乏汽的潜热能量的浪费，传统火力发电、生物质发电、余热发电系统，其冷却塔系统约占总成本的三分之一，由于低温工质发电系统及动力系统没有冷却塔系统，该低温工质发电系统不但效率非常高，相对传统发电系统建设低成本也低，因此该低温工质发电系统同时具有高效率和低成本的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种低温工质发电系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种低温工质发电系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种液体载冷剂循环的结构示意图。

图标：100-低温工质发电系统；111-低温工质存储器；112-低温液体泵；113-乏汽换热器；114-主换热器；115-低温工质汽轮机；121-节流装置；130-发电机；140-液体载冷剂循环；141-热载冷剂液体管道；142-载冷剂循环泵；143-低温载冷剂管道；144-待冷却设备。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

请参照图1，图1为本发明实施例提供的一种低温工质发电系统100的结构示意图，所述低温工质发电系统100包括乏汽回收装置和低温发电装置，所述乏汽回收装置与所述低温发电装置连通，所述低温发电装置包括依次连通的低温工质存储器111、低温液体泵112、乏汽换热器113、主换热器114、低温工质汽轮机115，所述乏汽回收装置包括依次连通的所述低温工质汽轮机115、所述乏汽换热器113、节流装置121和所述低温工质存储器111。

其中，所述低温发电装置，用于提供液态低温发电工质，液态低温发电工质用于吸热后形成高温高压气体驱动低温工质汽轮机115转动。

所述乏汽回收装置用于吸收乏汽的潜热，并将潜热传递给低温发电装置进行再利用。

需要说明的是，本实施例提供的低温工质发电系统100，可适用于回收现有化工厂、建材、水泥、造纸、印染、纺织、糖业、食品、酒业、药厂的冷却水和制冷系统中的低品质热能余热，以及轧钢厂的冲渣水、油井的地下水、连排水、炼钢、炼铁、焦炉的余热，还有锅炉炉体冷却水余热，锅炉烟气，柴油机尾气，燃气轮机尾气的余热，适用于利用空气或者海水中蕴藏的大量热能等。

其中，所述低温发电装置的液态低温发电工质放置于所述低温工质存储器111中，通过低温液体泵112加压，使所述液态低温发电工质输送到所述乏汽换热器113中，吸收所述乏汽回收装置产生的热能使所述液态低温发电工质的温度升高，然后输送到所述主换热器114中，所述液态低温发电工质在主换热器114中吸热形成高压气体，输送到所述低温工质汽轮机115中，所述低温工质汽轮机115与发电机130连接，所述高压气体驱动所述低温工质汽轮机115做功，以使所述发电机130输出电能和/或所述低温工质汽轮机115驱动机械设备，输出机械能。

所述低温工质存储器111中存储的液体低温发电工质为天然气、甲烷、乙烷、空气、氧气、氮气、氩气、氢气，氦气、普通简单气体、烃类气体物质、气体制冷剂纯净物、气体制冷剂混合物、其他气体有机物或其他混合气体中的任意一种或多种组合。

所述主换热器114设置于所述乏汽换热器113与所述低温工质汽轮机115之间，所述主换热器114包括凝汽器、空气换热器、高温烟气热交换器、热水废液换热器、设备冷却系统、余热回收器、锅炉、余热锅炉中的任意一种或多种组合。

凝汽器用于发电厂汽轮机进行乏汽冷凝，空气换热器包括钢铁厂、焦化厂、加热炉等等高温的热空气源，高温烟气热交换器用于吸收烟道中高温余热，热水废液换热器用于吸收工业热水或高温液体余热等。

上述热交换器中的各个设备还可以是多种设备，多种设备之间可以串联或并联。

可选地，当主交换器包括空气海水换热器时，空气海水换热器设置有出冰霜装置和风扇装置，除冰霜装置能够给空气海水换热器的外壳提供热量，风扇装置用于使流经空气海水换热器的海水或者空气加速。通过除冰霜装置，以便空气海水换热器上存在冰霜时，可以快速去除。例如，空气海水换热器的外壳设置有除冰霜装置，或者，空气海水换热器的内部设置有除冰霜装置，或者，空气海水换热器的气体部位设置有除冰霜装置。优选地，除冰霜装置包括电加热丝，优选地，空气海水换热器具有多个翅片等等结构，以提供空气海水换热器的换热效率。通过风扇装置，以能够迫使空气或海水加速和增量经过空气海水换热器，以提供空气海水换热器的换热效率。可选地，风扇装置的数量为一套或者多套。

其中，所述主换热器114吸收外部热能后形成高压气体，输送至所述低温工质汽轮机115中，所述低温工质汽轮机115连接发电机130，所述高压气体驱动所述低温工质汽轮机115高速旋转，带动发电机130高速旋转输出电能和/或所述低温工质汽轮机115驱动机械设备，输出机械能。

所述低温工质汽轮机115为耐低温的材料，符合低温工质特性的专用汽轮机。

所述低温工质汽轮机115还可以替换为耐低温材料的膨胀机和气动机等原动机。

所述低温工质汽轮机115产生的低温乏汽进入到所述乏汽换热器113中，所述乏汽与所述乏汽换热器113内的所述液态低温发电工质进行换热，以降低所述乏汽的温度并实现乏汽冷凝。

所述乏汽换热器113的外壳需高效绝热保冷，其作用和目的是使液态低温发电工质能够充分吸收乏汽热能，为实现乏汽的充分冷凝，所述乏汽热器的底部还设置有气液分离，乏汽经过换热全部冷凝成液态，通过所述节流装置121降压节流，返回所述低温工质存储器111中，形成循环。

优选的，所述乏汽换热器113的低温发电工质管道，设置于乏汽冷凝管道的内部，所述乏汽管道外壳设置高效绝热保冷层，乏汽管道的底部设置有气液分离和储存低温液体的空间。

另外，所述乏汽换热器113出口设置有节流设备，所述节流设备节流降压，呈低压的冷凝液体返回到所述低温发电装置的所述低温工质存储器111中，形成循环；所述节流设备为具有节流减压的节流阀、截止阀、减压阀、膨胀阀或膨胀机；所述乏汽回收装置的所述节流设备的出口与所述低温发电装置的所述低温工质存储器111连接，将所述乏汽回收装置冷凝的低温液体，返回给所述低温发电装置的所述低温工质存储器111，形成循环。

所述低温发电管路与所述乏汽回收管路均设有保温层，真空隔热、或者其他的绝热保温技术。

作为一种实施方式，请参照图2和图3，所述低温工质发电系统100还包括液体载冷剂循环140，所述液体载冷剂循环140包括热载冷剂液体管道141、载冷剂循环泵142、所述低温发电装置的所述主换热器114、低温载冷剂管道143和待冷却设备144，外部设备产生的热载冷剂液体输送至所述热载冷剂液体管道141，通过所述载冷剂循环泵142加压，输送到所述主换热器114进行换热，以使所述热载冷剂液体失去热能，形成载冷剂的低温液体，进入所述低温载冷剂管道143，通过阀门输送给所述待冷却设备144，所述低温的载冷剂吸热后形成热载冷剂返回所述热载冷剂液体管道141。

所述液体载冷剂循环140为设备冷却系统、空调系统、气体液体冷却系统、凝汽器、热水废液换热器系统，设置在所述主换热器114的低温端，所述主换热器114的高温端为高温烟气热交换器、余热回收器、锅炉、余热锅炉，输出连接所述低温工质汽轮机115。

其中，所述热载冷剂液体包括但不限于有水、盐水、乙二醇或丙二醇溶液、二氯甲烷和三氯乙烷等等。

本发明实施例中，采用低温工质进行发电(例如液空、液氮)，低温液氮通过低温液体泵112对低温工质加压，输入换热器与热源进行换热，由于低温工质沸点极低，即使温度为10℃左右的水和空气，都能够让该低温液氮发电工质气化形成高压气体，驱动低温工质汽轮机115高速旋转和带动发电机130发电，将吸收的热能转为动能和发电输出，排出的乏汽潜热被低温液体泵112输出的低温发电工质吸收，乏汽冷凝成为液态，通过节流装置121节流减压，输入低温工质存储器111。低温发电工质重新被低温液体泵112加压，输送到换热器中吸热汽化，形成高压驱动低温工质汽轮机115高速旋转并带动发电机130发电输出，如此不断的循环。

该技术采用沸点温度0摄氏度以下的低沸点低温发电工质，如温度极低的液氮，沸点温度为零下-196℃，通过低温液体泵112加压到换热器中，与热水和热气换热，迅速吸热气化形成高压，驱动低温工质汽轮机115发电输出电能。该低温工质发电系统100采用0摄氏度以下的低沸点低温发电工质，可以对低品位热能进行吸热和发电，同时该低温工质发电系统100采用低温液体工质冷凝乏汽，乏汽中热能重新进入发电系统，没有将能量排放到环境中，也没有冷却塔系统，因此该低温工质发电系统100发电效率非常高，是一项高效率的节能环保的发电系统和动力系统。

另外，本发明实施例还提供一种动力系统，包括上述的低温工质发电系统100。

综上所述，本发明实施例提供一种低温工质发电系统100及动力系统，该低温工质发电系统100包括乏汽回收装置和低温发电装置，所述乏汽回收装置与所述低温发电装置连通，所述低温发电装置包括依次连通的低温工质存储器111、低温液体泵112、乏汽换热器113、主换热器114、低温工质汽轮机115，所述乏汽回收装置包括依次连通的所述低温工质汽轮机115、所述乏汽换热器113、节流装置121和所述低温工质存储器111。

本方案中，可以将低温发电装置产生的高温高压气体释放热能后形成的乏汽中的潜热通过乏汽回收装置进行回收，从而实现了利用低品位余热高效发电的目的，有效地避免了乏汽的潜热能量的浪费，传统火力发电、生物质发电、余热发电系统，其冷却塔系统约占总成本的三分之一，由于低温工质发电系统100及动力系统没有冷却塔系统，该低温工质发电系统100不但效率非常高，相对传统发电系统建设低成本也低，因此该低温工质发电系统100同时具有高效率和低成本的优点。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。