专利名称：功－冷联供的跨寂态正逆耦合热力循环系统及方法
技术领域：
本发明涉及能源技术领域，特别是一种功-冷联供的跨寂态正逆耦合热力循环系统及方法。
背景技术：
热力循环是热机发展的理论基础和能源动力系统的核心，也是热力学学科开拓发展的重要方面和推动力。20世纪70-80年代总能系统概念的提出，使得热力循环研究思路不再局限于单一循环或过程的优劣，而更重视探讨不同循环有机结合起来的各种高性能联合循环，从而把能量转化利用过程提高到系统高度来认识。动力正循环和制冷逆循环运行的温度区间分别位于环境状态(热力学上的寂态)上下，两者具有多方面的互补性，跨寂态正逆耦合循环就是在这一背景下出现的。
目前与本发明相关的技术主要包括氨吸收式制冷循环、氨水工质动力循环、氨水工质正逆耦合循环，其各自的技术的发展状况及系统特征如下1.氨吸收式制冷循环吸收式制冷循环早在19世纪初就在德国投入使用，目前已发展出多种不同的循环形式，如双效吸收式制冷循环、复叠式吸收制冷循环、复合式吸收制冷循环、GAX吸收式制冷循环、辅助制冷剂吸收制冷循环等。而氨水混合物作为传统的吸收式工质被广泛应用于吸收式热力循环中，氨作为一种优良的制冷剂也早已获得了制冷工程界的广泛认可和应用。此外，与众多的人工合成制冷剂不同，氨是一种自然界中存在的物质，这使得包括美国环保局在内的众多权威环保组织等均认可其作为一种可行的替代制冷剂。基于以上优点，氨水混合工质被应用于吸收式制冷循环从而构成了氨吸收式制冷循环。与目前应用广泛的溴化锂吸收式制冷循环相比，氨吸收式制冷循环制冷范围大(10～-50℃)、可靠性高、噪音和震动小(因为除氨泵外无其它转动设备)、系统密封要求低、无结晶问题、除铜及铜合金外对其它金属无腐蚀性、工质价格低、可采用风冷冷却、便于节水。负荷可在10～100％之间任意调节，耗能少。此外，在利用余热的情况下，氨冷水机组的年操作运行费用与R22和R134a冷水机组相比，分别低12％和19％。
2.氨水工质动力循环目前常用的氨水工质动力循环主要为氨水工质Rankine循环和氨吸收式动力循环。相对于单一工质，氨水混合工质变温蒸发的特性可以有效改善动力循环加热过程中工质与显热热源间的温度匹配状况，减小换热过程的火用损失，从而提高系统的热功转换效率。氨水工质Rankine循环以氨水混合工质代替单一工质，充分利用了混合工质在加热过程的优势。薄涵亮等1997年的研究表明使用氨水工质Rankine循环的热效率可达到蒸汽Rankine循环的1.05～1.25倍。但是氨水工质变温相变的特性在动力循环的冷凝过程中又会带来透平排汽压力升高，火用损失增大等不利影响，而氨吸收式动力循环的主要特点就是通过变换混合工质浓度来缓解这一问题。采用氨水工质的吸收式动力循环在1950年代早期由Maloney等提出。目前公认的具有代表性的氨吸收式动力循环是由A.I.Kalina提出并于1984年获得美国专利(U.S.Patent No.4489563)的Kalina循环，该循环在Rankine动力循环的基础上，以由闪蒸装置、分流器和吸收冷凝装置组成的氨水分离吸收系统取代了单纯的乏汽冷凝装置。循环中，氨水溶液分流为两股，一股送入闪蒸器，另一股与闪蒸得到的浓氨蒸汽吸收冷凝后浓度提高做为作功工质，经升压加热后送入透平作功，生成的乏汽与闪蒸得到的稀氨水混合降低浓度后完全冷凝，然后升压后送回分流器。该循环的特点在于通过调节混合工质浓度满足了循环中加热与冷凝过程对工质浓度的不同需求，同时降低透平排汽压力。作为常规燃气轮机的底循环，相对于蒸汽Rankine循环，Kalina循环的火用效率提高了15.6％，热效率提高了30％～60％。根据美国能源部1992年度能源报告中的数据，如在美国推广Kalina循环技术，每年可节省燃料费用60亿美元。总的来说，氨吸收式动力循环的主要技术特点在于采用分离、分流装置和混合吸收装置对混合工质的浓度和流率进行调控，以满足混合工质动力循环对工质浓度的不同需求，从而减小循环不可逆损失，提高透平作功能力。
3.氨水工质正逆耦合循环在以上技术基础上将氨吸收式制冷循环和氨水工质动力循环进行系统集成就构成了氨水工质正逆耦合循环。目前，氨水工质正逆耦合循环主要以太阳能，地热能，工业余热等中低温热源或燃气轮机排烟作为热源；以氨水混合物作为工质；正循环为氨水工质动力循环，逆循环为氨吸收式制冷循环；通过气液分离装置(如精馏塔)、分流装置(如分流器)及混合吸收装置实现对混合工质浓度组分的转换。同时，耦合循环中的制冷逆循环产生的冷量可以全部应用于耦合循环内部动力子循环的冷凝过程以降低透平排汽压力和循环放热温度，从而提高系统效率，如王宇等2003年提出的新型中低温混合工质联合循环，通过将制冷循环产生的冷能用于动力循环冷凝过程，使得与常规的混合工质动力循环相比，新循环透平排汽压力由0.44Mpa降至0.17Mpa，循环平均放热温度由79.2℃降至39.9℃，系统热效率由10.3％提高到13.4％，火用效率由40.8％提高到53.3％。而如果将制冷循环产生的冷量与动力循环的功量同时对外输出则实现了系统的功、冷联供，功、冷联供的正逆耦合热力循环相对于常规的动力循环具有能量输出形式多样，系统有效输出增加，能源利用率高，经济性良好的特点，柏木孝夫等1997年提出了以平衡昼夜电力复合和蓄能为目的的动力/制冷复合循环，但是该循环比较复杂。Goswami等1999年提出的采用太阳能中低温热源的功、冷联供复合循环，该循环主要以太阳能为热源，热源温度相对较低，同时只有约20％的工质用于制冷和作功，影响了系统性能。在现有的氨水工质耦合正逆耦合循环中，以郑丹星等2002年提出的新型氨吸收式动力/制冷复合循环的系统性能更优，该循环在Kalina循环流程的基础上，以精馏分离装置(精馏塔及塔顶冷凝器和塔底再沸器)代替闪蒸器，在精馏装置和高压吸收器之间增设了冷凝器和蒸发器，利用精馏分离得到的浓氨水溶液作为制冷剂，经节流降温后蒸发吸热，实现功冷并供。该循环在继承Kalina循环优点的基础上，将制冷循环与动力循环集成，实现了功、冷联供，与Kalina循环相比，循环热效率由14.5％提高到19.5％，火用效率由31.2％提高到31.6％。
但是目前的功、冷联供的正逆耦合循环还存在以下问题1.热源能量利用不合理在采用外热源加热的换热器(如余热锅炉、再沸器等)中，未能针对工质的不同温度水平要求，根据能量梯级利用的原理对热源的流程进行合理配置，而多为分别采用单一热源对余热锅炉、再沸器中的工质加热后直接排入环境，热源排气温度偏高，未能实现对热源能量的充分合理利用。
2.混合工质特性对动力循环冷凝过程的不利影响相对于单一工质，混合工质的变温冷凝的特性加大了动力循环的冷凝过程的不可逆损失，同时使得透平排汽压力相对升高。尽管现有的正逆耦合循环采用了一些措施在一定程度上缓解了这一问题，但冷凝过程仍是整个循环火用损失的主要来源之一，是制约混合工质耦合循环性能提高的主要原因。
3.系统内压力能(火用)的浪费常规的氨吸收式制冷逆循环中，多处采用节流阀实现所需的压力降，使得相应的压力能(火用)白白损失。
发明内容
为了克服现有正逆耦合循环系统存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种功-冷联供的跨寂态正逆耦合热力循环方法和系统。
为了实现上述目的，本发明提供的一种功-冷联供的跨寂态正逆耦合热力循环方法，将氨水工质加热至饱和液态后分离为浓氨蒸汽和稀氨水；其中浓氨蒸汽冷凝后作为制冷工质实现冷量输出并生成浓氨湿蒸汽；稀氨水质进入动力正循环作功之后，与浓氨湿蒸汽混合冷凝为基本浓度氨水工质。
用于实现上述方法的功-冷联供的跨寂态正逆耦合热力循环系统，主要包括换热器、预热器、回热器均为换热设备，实现冷、热物流间的热量交换；余热锅炉换热设备，使作功工质蒸发过热；蒸汽透平作功装置，高温高压蒸汽工质在其中膨胀实现对外作功；
冷凝器在相应冷凝压力下将工质完全冷凝为饱和液态；精馏塔用于对氨水工质进行精馏分离；塔顶冷凝器主要用于将精馏分离得到的浓氨蒸汽完全冷凝，其中部分回流精馏塔，其余作为制冷工质；精馏分离所需的热量直接自塔底再沸器输入，塔底分离产出的稀氨水溶液在再沸器中吸热部分蒸发，生成的氨水蒸汽送回精馏塔，剩余的稀氨水溶液浓度进一步降低并作为再沸器产品送出；冷却器换热设备，分别连接精馏塔塔顶冷凝器和节流阀，来自塔顶冷凝器的制冷工质溶液在此被蒸发器出口的低温制冷工质过冷冷却；节流阀膨胀降压装置，使制冷工质溶液通过急剧膨胀实现降压、降温的节流过程；蒸发器制冷工质溶液在其中吸热蒸发，实现对环境的冷量输出；吸收器由混合器与冷凝器组成，不同浓度工质物流先在混合器中混合吸收然后在冷凝器中完全冷凝为饱和液态；分流器分流装置，对工质物流进行质量分流，以达到调控关键物流质量浓度的目的；以上所述的制冷工质溶液均为浓氨溶液。
所述的功-冷联供的跨寂态正逆耦合热力循环系统，其特征是所述的单级氨吸收式制冷循环，采用蒸发器出口工质(低温浓氨湿蒸汽)代替冷却水在冷却器中对来自精馏塔塔顶冷凝器的制冷工质溶液进行过冷冷却。
所述的功-冷联供的跨寂态正逆耦合热力循环系统，其特征是所述的氨水工质动力正循环可采用氨水工质Rankine动力循环或氨吸收式动力循环；其中，氨水工质Rankine动力循环采用氨水混合物作为工质，将在余热锅炉中生成的高温过热氨水蒸汽送入蒸汽透平中膨胀作功，其基本循环装置及流程与常规Rankine动力循环类似；氨吸收式动力循环采用由分流器和吸收器组成的分流吸收装置对工质浓度进行调节；具体的是通过对不同浓度工质物流(基本浓度工质、制冷工质或再沸器产出的稀氨水)进行质量分流，然后将分流得到的不同浓度工质重新混合吸收，冷凝为具有新的浓度的工质，以满足循环不同过程对浓度的不同需求。
所述的功-冷联供的跨寂态正逆耦合热力循环系统，其特征是精馏塔和吸收器为正、逆循环连接点，同时也是正、逆循环共用装置。
所述的功-冷联供的跨寂态正逆耦合热力循环系统，其特征是根据吸热工质温度水平的高低对系统中采用外热源的换热器顺次进行连接布置，依据能量品位的高低对热源能量进行梯级利用。
具体地，本发明提供的功-冷联供的跨寂态正逆耦合热力循环系统包括氨水工质Rankine动力正循环和单级氨吸收式制冷逆循环，由泵、换热器、精馏塔、冷却器、节流阀、蒸发器、吸收器、余热锅炉、蒸汽透平、冷凝器组成；制冷逆循环中，基本浓度氨水工质先经泵升压，然后在换热器中被加热至饱和液态送入精馏塔分离为浓氨蒸汽和稀氨水；其中，浓氨蒸汽经塔顶冷凝器完全冷凝后作为制冷工质送入冷却器过冷冷却，再经节流阀节流降压后送入蒸发器吸热实现冷量输出，蒸发过程生成的浓氨湿蒸汽进入冷却器对来自塔顶冷凝器的制冷工质溶液进行过冷冷却，最后送入吸收器；精馏塔分离得到的稀氨水在塔底再沸器中加热后部分蒸发，浓度进一步降低后作为作功工质送入动力正循环，经泵升压及余热锅炉蒸发过热后送入蒸汽透平作功，透平乏汽送入吸收器与浓氨湿蒸汽混合吸收，冷凝为基本浓度氨水工质；外部热源依次经余热锅炉、再沸器、换热器对循环工质加热。
其中动力正循环和制冷逆循环以再沸器和吸收器为连接点实现并联连接；动力正循环采用氨水工质Rankine循环，并以其取代换热器和节流阀对精馏塔再沸器产出的稀氨水进行换热降压，通过蒸汽透平回收降压过程的压力能；同时采用稀氨水作为作功工质，降低了氨水蒸汽透平的排汽压力。
依据本发明，还提供一种功-冷联供的跨寂态正逆耦合热力循环系统包括氨吸收式动力正循环和单级氨吸收式制冷逆循环，由泵、换热器、精馏塔、冷却器、节流阀、蒸发器、吸收器、余热锅炉、蒸汽透平、分流器组成；制冷逆循环中，基本浓度氨水工质先后经泵升压及低压吸收器、换热器加热至饱和液态送入精馏塔分离为稀氨水和浓氨蒸汽；其中，稀氨水在塔底再沸器中加热后部分蒸发，浓度进一步降低，然后经换热器放热及节流阀节流降压后送入分流器分为两股，分别送入高压吸收器和低压吸收器；精馏塔塔顶产出的浓氨蒸汽经塔顶冷凝器完全冷凝后作为制冷工质送入冷却器过冷冷却，再经节流阀节流降压后送入蒸发器吸热实现冷量输出；蒸发过程生成的浓氨湿蒸汽进入冷却器对来自塔顶冷凝器的制冷工质溶液进行过冷冷却，最后送入高压吸收器与来自分流器的稀氨水混合吸收，冷凝为作功工质送入动力正循环，经泵升压及换热器、余热锅炉蒸发过热后送入蒸汽透平作功，透平乏汽在低压吸收器中与来自分流器的另一股稀氨水混合吸收，完全冷凝为基本浓度工质；外部热源依次经余热锅炉、再沸器、换热器对循环工质加热。
其中动力正循环和制冷逆循环以高压吸收器和精馏塔为连接点实现串联连接；动力正循环采用氨吸收式动力循环，分流吸收装置由一个分流器和两个吸收器(高、低压吸收器)组成。其中，分流器将经节流降压后的稀氨水(即再沸器产品)分流为两股一股送入高压吸收器与来自冷却器的浓氨湿蒸汽混合冷凝为作功工质，提高了吸热过程的工质浓度另一股稀氨水送入低压吸收器与透平乏汽混合冷凝，降低了透平排汽压力。
依据本发明，还提供一种功-冷联供的跨寂态正逆耦合热力循环系统包括氨吸收式动力正循环和单级氨吸收式制冷逆循环，由泵、换热器、预热器、回热器、精馏塔、冷却器、节流阀、蒸发器、吸收器、余热锅炉、蒸汽透平、分流器组成；其中，制冷逆循环中，基本浓度氨水工质经第一分流器分为两股，一股送入中压吸收器，另一股经泵升压及换热器加热至饱和液态后送入精馏塔分离为稀氨水和浓氨蒸汽；其中，稀氨水在塔底再沸器中加热后部分蒸发，浓度进一步降低，然后经放热节流后送入低压吸收器；塔顶产出的浓氨蒸汽经塔顶冷凝器完全冷凝后作为制冷工质经冷却器过冷冷却，再经节流阀节流降压后送入蒸发器吸热实现冷量输出，蒸发过程生成的浓氨湿蒸汽进入冷却器对来自塔顶冷凝器的制冷工质溶液进行过冷冷却后送入第二分流器分流为两股，一股送入高压吸收器，另一股经节流降压后送入中压吸收器与来自第一分流器的基本浓度氨水工质混合为作功工质送入动力循环，先后经泵升压及回热器、预热器加热，再进入余热锅炉蒸发过热后送入蒸汽透平膨胀作功；透平乏汽经回热器放热后送入低压吸收器与稀氨水混合吸收完全冷凝，升压后送入高压吸收器与来自第二分流器的浓氨湿蒸汽混合为基本浓度工质；外部热源依次经余热锅炉、再沸器、换热器对循环工质加热。
其中动力正循环和制冷逆循环以中压吸收器和高压吸收器为连接点实现串联连接；动力正循环采用氨吸收式动力循环，分流吸收装置由两个分流器、三个吸收器(高、中、低压吸收器)组成，通过对循环工质进行分流和重新混合实现对工质浓度的调控。其中，两个分流器分别对基本浓度工质和来自冷却器的浓氨湿蒸汽进行分流，并将二者分流所得的支流股在中压吸收器中混合为作功工质，提高了作功工质浓度；同时，将透平乏汽与经换热节流后的稀氨水溶液(即再沸器产品)在低压吸收器中混合，降低了冷凝过程中氨水工质浓度，完全冷凝的作功工质与来自制冷循环的经分流后的浓氨湿蒸汽在高压吸收器中混合为基本浓度氨水工质。
本发明的有益效果是，利用系统集成的原理对热源能量进行梯级利用，提高了能量的有效利用率；提高了动力循环加热过程的混合工质浓度，改善了加热过程工质与热源间的温度匹配状况；降低了动力循环冷凝过程混合工质的浓度，减小了能量的不可逆损失，提高了透平作功能力；回收了吸收式制冷循环中稀氨水膨胀降压过程的压力能，将其转化为功；通过以上改进使系统与氨水工质功冷分供系统相比热力性能获得提高。
图1为本发明的功-冷联供的跨寂态正逆耦合循环系统的第一实施例。
图2为本发明的功-冷联供的跨寂态正逆耦合循环系统的第二实施例。
图3为本发明的功-冷联供的跨寂态正逆耦合循环系统的第三实施例。
具体实施例方式
本发明提出了三种具体的实施例，实施例1的具体流程如图1所示，为氨水工质Rankine循环与单级氨吸收式制冷循环并联连接组成的功、冷联供的跨寂态正逆耦合循环系统；实施例2的具体流程如图2所示，为氨吸收式动力循环与单级氨吸收式制冷循环串联连接组成的功、冷联供的跨寂态正逆耦合循环系统，系统的分流吸收装置包括一个分流器和两个吸收器；实施例3的具体流程如图3所示，为氨吸收式动力循环与单级氨吸收式制冷循环串联连接组成的功、冷联供的跨寂态正逆耦合循环系统，系统的分流吸收装置包括两个分流器和三个吸收器。下面对这三种实施例进行详细说明。
实施例1本实施例系统由泵1、5、9，换热器2，精馏塔3(含塔底再沸器4和塔顶冷凝器10)，余热锅炉6，蒸汽透平7，冷凝器8，冷却器11，节流阀12，蒸发器13，吸收器14组成。其具体流程为制冷逆循环中，基本浓度的氨水工质S1经泵1升压，换热器2加热至饱和液态S3送入精馏塔3分流为稀氨水溶液S4和浓氨蒸汽S12。
浓氨蒸汽S12经塔顶冷凝器10完全冷凝后，S13回流精馏塔，S14作为制冷工质溶液经冷却器11过冷冷却和节流阀12节流降压后得到低温浓氨溶液S16，然后送入蒸发器13从环境吸热实现制冷，生成的浓氨湿蒸汽S17在冷却器11中对S16冷却吸热后，S18送入吸收器14。
精馏塔塔底产出的稀氨水溶液S4在再沸器4中吸热生成的氨水蒸汽S5回流精馏塔，其余的稀氨水溶液S6送入动力正循环，经泵5升压为高压工质S7，然后送入余热锅炉6中吸热生成高压过热蒸汽S8，进入蒸汽透平7中膨胀作功。透平乏汽S9经冷凝器8冷凝及泵9升压后，S11送入吸收器14。
热源热流S19依次经余热锅炉6、再沸器4、换热器2对工质进行加热后排入环境。
实施例2本实施例系统由泵1、5，换热器2、15，精馏塔3(含塔底再沸器4和塔顶冷凝器10)，余热锅炉6，蒸汽透平7，冷却器11，节流阀12、16、18，蒸发器13，高压吸收器14，分流器17，低压吸收器19组成。其具体流程为制冷逆循环中，基本浓度氨水工质S1经泵1升压后，先后经低压吸收器19和换热器2吸热至饱和液态S4后送入精馏塔3分流为稀氨水溶液S5和浓氨蒸汽S13。
浓氨蒸汽S13经塔顶冷凝器10完全冷凝，部分浓氨液S14回流精馏塔，其余浓氨液S15作为制冷工质经冷却器11冷却和节流阀12节流降压为低温浓氨溶液S17，然后送入蒸发器13从环境吸热实现制冷，生成的浓氨湿蒸汽S18在冷却器11中对S15冷却吸热后，S19送入高压吸收器14。
精馏塔塔底分离出的稀氨水溶液S5在再沸器4中吸热，生成的氨水蒸汽S6回流精馏塔，其余稀氨水S7经换热器15放热及节流阀16节流降压后送入分流器17分流为S10和S11，其中S10送入高压吸收器14，S11经节流阀18降压为S12送入低压吸收器19。
动力正循环中，冷剂蒸汽S19与稀氨水S10在高压吸收器14中混合冷凝为作功工质S20，经泵5升压，然后在换热器15和余热锅炉6中吸热蒸发生成高压过热蒸汽S23，送入蒸汽透平7膨胀作功，透平乏汽S24在低压吸收器19中与经放热节流后的稀氨水S12混合吸收冷凝为基本浓度工质S1。
热源热流S25依次经余热锅炉6、再沸器4、换热器2对工质进行加热后排入环境。
实施例3本实施例系统由泵1、5、9，换热器2、15，精馏塔3(含塔底再沸器4和塔顶冷凝器10)，余热锅炉6，蒸汽透平7，冷却器11，节流阀12、16、18，蒸发器13，高压吸收器14，分流器17、20，低压吸收器19，预热器21，回热器22，中压吸收器23组成。其具体流程为制冷逆循环中，基本浓度氨水工质S1经分流器17分流为S2和S3，其中S2作为精馏塔进料经泵1升压，然后在换热器15、2中加热至饱和液态S6送入精馏塔3分流为稀氨水溶液S7和浓氨蒸汽S13。
精馏塔塔底产出的稀氨水溶液S7在再沸器4中吸热，生成的氨水蒸汽S8回流精馏塔，其余的稀氨水溶液S9依次经预热器21、换热器15放热及节流阀16降压为S12送入低压吸收器19。
浓氨蒸汽S13经塔顶冷凝器10完全冷凝后，生成的部分浓氨溶液S14回流精馏塔，其余浓氨溶液液S15作为制冷工质经冷却器11过冷冷却及节流阀12节流降压为低温浓氨液S17，然后送入蒸发器13从环境吸热实现制冷，生成的浓氨湿蒸汽S18在冷却器11中对S15冷却吸热得到S19，然后送入分流器20分流为S20和S21，S20送入高压吸收器14，S21经节流阀18节流降压为S22送入中压吸收器23。
动力子循环中，S3和S22在中压吸收器23中混合冷凝为作功工质S23，经泵5升压，然后依次经回热器22、预热器21及余热锅炉6中吸热，最后生成高压过热蒸汽S27送入蒸汽透平7膨胀作功，透平乏汽S28经回热器22放热后送入中压吸收器19与经换热节流后的稀氨水S12混合冷凝为S30，再经泵9升压为S31送入高压吸收器14与S20混合冷凝为基本浓度工质S1。
热源热流S32依次经余热锅炉6、再沸器4、换热器2对工质进行加热后排入环境。
以上各实施例均采用ASPEN PLUS软件进行了模拟计算，基本参数及平衡工况状态参数和热力性能参数见表1至表7，并在采用实施例的基本循环参数条件(见表1)下，分别与由Kalina动力循环和单级氨吸收式制冷循环组成的典型氨水工质功、冷分供系统和目前性能最优的氨水工质功、冷联供正逆耦合循环系统(郑丹星等2002年提出的新型氨吸收式动力/制冷复合循环)进行了热力性能方面的比较，以上模拟计算过程中系统换热过程的温度匹配状况均达到允许范围内的最佳状态。
对于实施例1的循环流程，当氨水基本工质质量浓度为0.3、质量流率为1kg/s，透平进气参数为450℃/5.1Mpa，蒸发器制冷温度上限为-15℃时。循环的净输出功为719kW，制冷量为266.2kW，循环热效率为28.2％，火用效率为55.8％。相同基本循环参数条件下，功、冷分供系统及郑丹星等提出的联供系统的透平进气参数为450℃/15.7Mpa，蒸发器制冷温度上限为-15℃，分供系统热效率为19.8％，火用效率为39.5％，与之相比，本发明的系统热效率提高了42.4％，火用效率提高了41.3％；郑丹星等提出的联供系统热效率为19.8％，火用效率为46.4％，与之相比，本发明的系统热效率相对提高了42.4％，火用效率相对提高了20.3％。
对于实施例2的循环流程，当氨水基本工质质量浓度为0.25、质量流率为1kg/s，透平进气参数为450℃/15.25Mpa，蒸发器制冷温度上限为-15℃，分流器17的分流比(流股S11与S9的质量流率之比)为0.4时。循环的净输出功为561.6kW，制冷量为171.8kW，循环热效率为26.4％，火用效率为54.1％。相同基本循环参数条件下，功、冷分供系统及郑丹星等的联供系统的透平进气参数为450℃/17.3Mpa，蒸发器制冷温度上限为-15℃，分供系统热效率为19.2％，火用效率为39.9％，与之相比，本发明的系统热效率提高了37.5％，火用效率提高了35.6％；郑丹星等提出的联供系统热效率为20.2％，火用效率为48.3％，与之相比，本发明的系统热效率相对提高了30.7％，火用效率相对提高了12％。
对于实施例3的循环流程，当氨水基本工质质量浓度为0.23、质量流率为2kg/s，透平进气参数为450℃/11.1Mpa，蒸发器制冷温度上限为-15℃，分流器17的分流比(流股S2与S1的质量流率之比)为0.6、分流器20的分流比(流股S20与S19的质量流率之比)为0.96时，循环的净输出功为737.3kW，制冷量为203.8kW，循环热效率为27.3％，火用效率为57.6％。相同基本循环参数条件下，功、冷分供系统及郑丹星等的联供系统的透平进气参数为450℃/16Mpa，蒸发器制冷温度上限为-15℃，分供系统热效率为18.6％，火用效率为39.2％，与之相比，本发明的系统热效率提高了46.8％，火用效率提高了46.9％；郑丹星等提出的联供系统热效率为20.1％，火用效率为48.5％，与之相比，本发明的系统热效率相对提高了35.8％，火用效率相对提高了18.8％。
可见于典型的氨水工质功、冷分供系统相比，本发明的系统热效率提高了37.5％以上，火用效率提高了35.6％以上。与目前性能最优的氨水工质功、冷联供正逆耦合循环系统相比，本发明的系统热效率提高了30.7％以上，火用效率提高了12％以上。
本发明系统效率高的根本原因在于1.热源能量的梯级利用高温段热源热流的热量用于在余热锅炉中对透平进气加热，使其蒸发过热；中温段热源热流的热量用于在再沸器中对混合工质的加热，使其精馏分离；低温段热源热流的热量用于对精馏塔进料的加热，减少了再沸器耗能，同时使得热源的最终排放温度降低至90℃左右，从而减少热源的排放过程能量损失和对环境的污染。
2.根据动力循环加热过程和冷凝过程的不同需求对氨水工质浓度进行调控为了提高加热过程的氨水工质浓度，实施例2、3将稀氨水与浓氨湿蒸汽混合作为作功工质，同时在混合前对稀氨水进行分流，减少了混合过程中的稀氨水的流率，从而进一步提高了作功工质的浓度；为了降低冷凝过程中氨水工质的浓度，实施例1采用精馏塔塔底再沸器产出的稀氨水溶液作为作功工质，这部分氨水溶液是整个循环中所能达到的最低氨水溶液浓度。实施例2、3以吸收器代替透平后所接的冷凝器，利用来自再沸器的稀氨水溶液混合吸收透平乏汽，降低了冷凝溶液的浓度，不同之处在于实施例2利用了经分流器分流所得的部分稀氨水溶液，实施例3则利用了再沸器产出的全部稀氨水作为吸收器中的吸收剂。
3.系统内压力能的有效回收利用常规氨吸收式制冷循环中，通常采用节流阀对精馏塔底再沸器产出的稀氨水工质进行膨胀降压，使得工质的这部分压力能白白损失。实施例1以透平代替节流阀实现对稀氨水的膨胀降压，同时将相应的压力能转化为功输出。
需要特别指出的是实施例3在具有以上所述的梯级利用热源能量和减小冷凝过程氨水工质浓度这两个特点的同时，还利用两个分流器分别对基本浓度氨水工质和制冷逆循环中的高浓度氨水工质进行了分流，并将分流后的流股混合为动力循环的作功工质，提高了加热过程的工质浓度，进一步改善了动力循环加热过程的温度匹配状况。同时通过调节两个分流器的分流比还能实现对作功工质和制冷工质流率的调节，在一定程度上减小了由于一种输出(功或冷)变化而对另一种输出所造成的影响。
表1系统基本循环参数(适用于实施例1、2、3)
表2实施例1循环平衡工况状态参数(基本工质氨水浓度为0.3)
表3实施1循环热力性能参数(基本工质氨水浓度为0.3)
表4实施例2循环平衡工况状态参数(基本工质氨水浓度为0.25)
表5实施例2循环热力性能参数(基本工质氨水浓度为0.25)
表6实施3循环平衡工况状态参数表(基本工质氨水浓度为0.23)
表7实施例3循环热力性能参数(基本工质氨水浓度为0.23)
注表5中分流比是指分流器17的出口流股S11与进口流股S9的质量流率之比；表7中分流比分别指分流器17的出口流股S2与进口流股S1的质量流率之比，分流器20的出口流股S20与进口流股S19的质量流率之比；表3、5、7中的效率的计算公式热效率＝(净输出功率+输出冷量)/输入热量火用效率＝(净输出功率+输出冷火用)/输入热火用以上公式中，输出冷火用＝制冷工质流率×(蒸发器出、入口工质焓差+环境温度×蒸发器出、入口工质熵差)输入热量＝热源物流流率×热源初、末状态焓差输入热火用＝热源物流流率×(热源初、末状态焓差+环境温度×热源初、末状态熵差)其中，热源末状态是指热源物流在环境温度、压力下的热力学状态。
权利要求
1.一种功-冷联供的跨寂态正逆耦合热力循环方法，将氨水工质加热至饱和液态后分离为浓氨蒸汽和稀氨水；其中浓氨蒸汽冷凝后作为制冷工质实现冷量输出并生成浓氨湿蒸汽；稀氨水质进入动力正循环作功之后，与浓氨湿蒸汽混合冷凝为基本浓度氨水工质。
2.用于实现权利要求1所述方法的功-冷联供的跨寂态正逆耦合热力循环系统，主要包括换热器、预热器、回热器均为换热设备，实现冷、热物流间的热量交换；余热锅炉换热设备，使作功工质蒸发过热；蒸汽透平作功装置，高温高压蒸汽工质在其中膨胀实现对外作功；冷凝器在相应冷凝压力下将工质完全冷凝为饱和液态；精馏塔用于对氨水工质进行精馏分离；塔顶冷凝器主要用于将精馏分离得到的浓氨蒸汽完全冷凝，其中部分回流精馏塔，其余作为制冷工质；精馏分离所需的热量直接自塔底再沸器输入，塔底分离产出的稀氨水溶液在再沸器中吸热部分蒸发，生成的氨水蒸汽送回精馏塔，剩余的稀氨水溶液浓度进一步降低并作为再沸器产品送出；冷却器换热设备，分别连接精馏塔塔顶冷凝器和节流阀，来自塔顶冷凝器的制冷工质溶液在此被蒸发器出口的低温制冷工质过冷冷却；节流阀膨胀降压装置，使制冷工质溶液通过急剧膨胀实现降压、降温的节流过程；蒸发器制冷工质溶液在其中吸热蒸发，实现对环境的冷量输出；吸收器由混合器与冷凝器组成，不同浓度工质物流先在混合器中混合吸收然后在冷凝器中完全冷凝为饱和液态；分流器分流装置，对工质物流进行质量分流，以达到调控关键物流质量浓度的目的；以上所述的制冷工质溶液均为浓氨溶液。
3.如权利要求2所述的功-冷联供的跨寂态正逆耦合热力循环系统，其特征是所述的单级氨吸收式制冷循环，采用蒸发器出口工质(低温浓氨湿蒸汽)代替冷却水在冷却器中对来自精馏塔塔顶冷凝器的制冷工质溶液进行过冷冷却。
4.如权利要求2所述的功-冷联供的跨寂态正逆耦合热力循环系统，其特征是所述的氨水工质动力正循环可采用氨水工质Rankine动力循环或氨吸收式动力循环；其中，氨水工质Rankine动力循环采用氨水混合物作为工质，将在余热锅炉中生成的高温过热氨水蒸汽送入蒸汽透平中膨胀作功，其基本循环装置及流程与常规Rankine动力循环类似；氨吸收式动力循环采用由分流器和吸收器组成的分流吸收装置对工质浓度进行调节；具体的是通过对不同浓度工质物流(基本浓度工质、制冷工质或再沸器产出的稀氨水)进行质量分流，然后将分流得到的不同浓度工质重新混合吸收，冷凝为具有新的浓度的工质，以满足循环不同过程对浓度的不同需求。
5.如权利要求2所述的功-冷联供的跨寂态正逆耦合热力循环系统，其特征是精馏塔和吸收器为正、逆循环连接点，同时也是正、逆循环共用装置。
6.如权利要求2所述的功-冷联供的跨寂态正逆耦合热力循环系统，其特征是根据吸热工质温度水平的高低对系统中采用外热源的换热器顺次进行连接布置，依据能量品位的高低对热源能量进行梯级利用。
7.一种功-冷联供的跨寂态正逆耦合热力循环系统包括氨水工质Rankine动力正循环和单级氨吸收式制冷逆循环，由泵、换热器、精馏塔、冷却器、节流阀、蒸发器、吸收器、余热锅炉、蒸汽透平、冷凝器组成；制冷逆循环中，基本浓度氨水工质先经泵升压，然后在换热器中被加热至饱和液态送入精馏塔分离为浓氨蒸汽和稀氨水；其中，浓氨蒸汽经塔顶冷凝器完全冷凝后作为制冷工质送入冷却器过冷冷却，再经节流阀节流降压后送入蒸发器吸热实现冷量输出，蒸发过程生成的浓氨湿蒸汽进入冷却器对来自塔顶冷凝器的制冷工质溶液进行过冷冷却，最后送入吸收器；精馏塔分离得到的稀氨水在塔底再沸器中加热后部分蒸发，浓度进一步降低后作为作功工质送入动力正循环，经泵升压及余热锅炉蒸发过热后送入蒸汽透平作功，透平乏汽送入吸收器与浓氨湿蒸汽混合吸收，冷凝为基本浓度氨水工质；外部热源依次经余热锅炉、再沸器、换热器对循环工质加热。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于动力正循环和制冷逆循环以再沸器和吸收器为连接点实现并联连接；动力正循环采用氨水工质Rankine循环，并以其取代换热器和节流阀对精馏塔再沸器产出的稀氨水进行换热降压，通过蒸汽透平回收降压过程的压力能；同时采用稀氨水作为作功工质，降低了氨水蒸汽透平的排汽压力。
9.一种功-冷联供的跨寂态正逆耦合热力循环系统包括氨吸收式动力正循环和单级氨吸收式制冷逆循环，由泵、换热器、精馏塔、冷却器、节流阀、蒸发器、吸收器、余热锅炉、蒸汽透平、分流器组成；制冷逆循环中，基本浓度氨水工质先后经泵升压及低压吸收器、换热器加热至饱和液态送入精馏塔分离为稀氨水和浓氨蒸汽；其中，稀氨水在塔底再沸器中加热后部分蒸发，浓度进一步降低，然后经换热器放热及节流阀节流降压后送入分流器分为两股，分别送入高压吸收器和低压吸收器；精馏塔塔顶产出的浓氨蒸汽经塔顶冷凝器完全冷凝后作为制冷工质送入冷却器过冷冷却，再经节流阀节流降压后送入蒸发器吸热实现冷量输出；蒸发过程生成的浓氨湿蒸汽进入冷却器对来自塔顶冷凝器的制冷工质溶液进行过冷冷却，最后送入高压吸收器与来自分流器的稀氨水混合吸收，冷凝为作功工质送入动力正循环，经泵升压及换热器、余热锅炉蒸发过热后送入蒸汽透平作功，透平乏汽在低压吸收器中与来自分流器的另一股稀氨水混合吸收，完全冷凝为基本浓度工质；外部热源依次经余热锅炉、再沸器、换热器对循环工质加热。
10.如权利要求9所述的系统，其特征是动力正循环和制冷逆循环以高压吸收器和精馏塔为连接点实现串联连接；动力正循环采用氨吸收式动力循环，分流吸收装置由一个分流器和两个吸收器(高、低压吸收器)组成。其中，分流器将经节流降压后的稀氨水(即再沸器产品)分流为两股一股送入高压吸收器与来自冷却器的浓氨湿蒸汽混合冷凝为作功工质，提高了吸热过程的工质浓度另一股稀氨水送入低压吸收器与透平乏汽混合冷凝，降低了透平排汽压力。
11.一种功-冷联供的跨寂态正逆耦合热力循环系统包括氨吸收式动力正循环和单级氨吸收式制冷逆循环，由泵、换热器、预热器、回热器、精馏塔、冷却器、节流阀、蒸发器、吸收器、余热锅炉、蒸汽透平、分流器组成；其中，制冷逆循环中，基本浓度氨水工质经第一分流器分为两股，一股送入中压吸收器，另一股经泵升压及换热器加热至饱和液态后送入精馏塔分离为稀氨水和浓氨蒸汽；其中，稀氨水在塔底再沸器中加热后部分蒸发，浓度进一步降低，然后经放热节流后送入低压吸收器；塔顶产出的浓氨蒸汽经塔顶冷凝器完全冷凝后作为制冷工质经冷却器过冷冷却，再经节流阀节流降压后送入蒸发器吸热实现冷量输出，蒸发过程生成的浓氨湿蒸汽进入冷却器对来自塔顶冷凝器的制冷工质溶液进行过冷冷却后送入第二分流器分流为两股，一股送入高压吸收器，另一股经节流降压后送入中压吸收器与来自第一分流器的基本浓度氨水工质混合为作功工质送入动力循环，先后经泵升压及回热器、预热器加热，再进入余热锅炉蒸发过热后送入蒸汽透平膨胀作功；透平乏汽经回热器放热后送入低压吸收器与稀氨水混合吸收完全冷凝，升压后送入高压吸收器与来自第二分流器的浓氨湿蒸汽混合为基本浓度工质；外部热源依次经余热锅炉、再沸器、换热器对循环工质加热。
12.如权利要求11所述的系统，其特征是动力正循环和制冷逆循环以中压吸收器和高压吸收器为连接点实现串联连接；动力正循环采用氨吸收式动力循环，分流吸收装置由两个分流器、三个吸收器(高、中、低压吸收器)组成，通过对循环工质进行分流和重新混合实现对工质浓度的调控。其中，两个分流器分别对基本浓度工质和来自冷却器的浓氨湿蒸汽进行分流，并将二者分流所得的支流股在中压吸收器中混合为作功工质，提高了作功工质浓度；同时，将透平乏汽与经换热节流后的稀氨水溶液(即再沸器产品)在低压吸收器中混合，降低了冷凝过程中氨水工质浓度，完全冷凝的作功工质与来自制冷循环的经分流后的浓氨湿蒸汽在高压吸收器中混合为基本浓度氨水工质。
全文摘要
一种功－冷联供的跨寂态正逆耦合热力循环系统及方法，将氨水工质加热至饱和液态后分离为浓氨蒸汽和稀氨水；其中浓氨蒸汽冷凝后作为制冷工质实现冷量输出并生成浓氨湿蒸汽；稀氨水质进入动力正循环作功之后，与浓氨湿蒸汽混合冷凝为基本浓度氨水工质。与典型的功冷分供系统相比，本发明热效率提高37.5％以上，火用效率提高了35.6％以上；与现有功－冷联供正逆耦合热力循环相比，本发明热效率提高30.7％以上，火用效率提高了12％以上；同时，本发明还可以作为底循环与燃气轮机循环组成联合循环。本发明具有良好的经济性和应用前景。
文档编号F01K7/00GK1948864SQ200510109329
公开日2007年4月18日 申请日期2005年10月13日 优先权日2005年10月13日
发明者张娜, 刘猛, 蔡睿贤, 诺姆·里奥 申请人:中国科学院工程热物理研究所