专利名称：基于能量梯级利用的中低温热源发电装置及其热循环方法
技术领域：
本发明涉及的是一种能源利用技术领域的装置及方法，具体是一种基于能量梯级 利用的中低温热源发电装置及其热循环方法。
背景技术：
随着全球能源危机和气候变暖问题的加剧，世界各国急需发展新型的发电技术。 全球中低温热源蕴藏丰富，而且来源也很广泛，大量的太阳能、地热能、工业余热都属于中 低温热源。目前，中低温热源的利用主要局限于直接利用，如供热、烘干等，这种利用只能局 限于小规模的利用，而且利用程度也很低。将这些中低温热源转换成电力是最好的利用方 式，不仅可以大规模利用这些蕴藏丰富的中低温热源，还可以减少化石燃料的消耗。目前，已有一些国家在中低温热源的利用上取得了很大的成效，如冰岛，全国地热 发电装机容量为202MW，占国家装机容量的13%以上，地热开发不仅减少了化石能源的消 耗，而且取得了显著的生态环境效益，温室效应的头号祸首二氧化碳已由1960年的27万吨 减少到2000年的3千吨，减少了 98. 9%。然而，中低温热源发电技术很难在全球得到推广 的一个关键问题是热效率较低，只有10%左右。经过对现有技术的检索发现，位于美国内华达州北部的斯蒂尔沃特地热电站是由 七个相同的发电机组组成，每个发电机组是基于由两个相同的有机物朗肯循环并联而成 的循环，总装机容量为12. 4MW，机组热效率为8. 9% (Exergy analysis of a dual-level binarygeothermal power plant. Geothermics 31(2002)709-724)。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于能量梯级利用的中低温热源 发电装置及其热循环方法，基于能量梯级利用的原理，由两个不同的中低温热源发电循环 并联而成，顶层循环是有机物朗肯循环，底层循环是卡里纳循环，底层的卡里纳循环在利用 顶层循环排出的低温热源发电时的热效率高于有机物朗肯循环，更适合回收较低品位的热 源，相比原技术更符合能量梯级利用的原理，因此本发明机组热效率将会进一步得到提高。本发明是通过以下技术方案实现的本发明涉及一种基于能量梯级利用的中低温热源发电装置，包括进行有机物朗 肯循环的顶部循环系统组件和与之相连的进行卡里纳循环的底部循环系统组件，其中所述的顶部循环系统组件包括预热器、蒸发器、过热器、汽轮机、发电机、给水泵 和冷凝器，其中预热器的出口连接蒸发器的入口，蒸发器的出口连接过热器的入口，过热 器的出口连接汽轮机的入口，汽轮机与发电机相连并带动发电，汽轮机的出口连接冷凝器 的入口，冷凝器的出口连接给水泵的入口，给水泵的出口连接预热器的入口 ；所述的顶层循环系统组件内充有有机或无机工质，如氟利昂、烷烃类或氨水混合 物；所述的底部循环系统组件包括分离器、低压加热器、高压加热器、减压阀和混合器，其中蒸发器的出口连接分离器的入口，分离器的出口连接汽轮机的入口和高压加热器 的入口，汽轮机与发电机相连并带动发电，汽轮机的出口连接混合器的入口，高压加热器的 出口连接减压阀的入口，减压阀的出口连接混合器的入口，混合器的出口连接低压加热器 的入口，低压加热器的出口连接冷凝器的入口，冷凝器的出口连接给水泵的入口，给水泵的 出口连接低压加热器的入口，低压加热器的出口连接高压加热器的入口，高压加热器的出 口连接蒸发器的入口。所述的底层循环系统组件内充有无机工质，如氨水混合物。本发明涉及上述装置的热循环方法，包括有机物朗肯循环和卡里纳循环，其中所述的有机物朗肯循环是指有机物工质或无机物工质经给水泵升压后送入预热 器，经预热器加热后的饱和液送入蒸发器被加热成饱和蒸汽，然后进入过热器，从过热器出 来的过热蒸汽进入汽轮机膨胀做功，做功后的尾气进入冷凝器被凝结为过冷液，之后进入 给水泵完成循环；所述的卡里纳循环是指无机物工质经给水泵升压后依次经过低压加热器、高压 加热器、蒸发器，从蒸发器出来的饱和蒸汽进入分离器，被分成富氨溶液和贫氨溶液，富氨 溶液进入汽轮机膨胀做功，贫氨溶液进入高压加热器，然后经过减压阀与做功后的尾气在 混合器中混合成基本溶液，混合后的基本溶液依次经过低压加热器、冷凝器，之后进入给水 泵完成循环。本发明中的热源首先经过顶层有机物朗肯循环的过热器和蒸发器，降到合适的温 度后进入底层卡里纳循环的蒸发器，之后进入顶层循环的预热器，最后离开整个发电装置。本发明基于能量梯级利用的原理，火用损失比有机物朗肯循环和卡里纳循环单独 使用时要小，使两个循环能够优势互补并且充分发挥卡里纳循环利用低温热源的优势，达 到最大限度利用中低温热源的目的，可以使热效率保持在10%以上，通过对循环状态参数 及主要设备进行优化，可以使其热效率进一步达到15%左右。由于该中低温热源发电装置是由两个不同的循环发电装置并联起来的，每个装置 都是一个独立封闭的循环回路，当一个循环发电装置出现问题或进行检修时，另一个循环 发电装置在对运行参数进行调整后仍可照常使用。因此，各装置具有较好的独立性，整体系 统具有较好的稳定性。
图1为本发明的系统结构示意图。图中1第一给水泵、2预热器、3第一蒸发器、4过热器、5第一汽轮机、6第一发电 机、7第一冷凝器、8第二蒸发器、9分离器、10第二汽轮机、11第二发电机、12混合器、13低 压加热器、14冷凝器、15第二给水泵、16高压加热器、17减压阀。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。如图1所示，本实施例包括第一给水泵1、预热器2、第一蒸发器3、过热器4、第一汽轮机5、第一发电机6、第一冷凝器7、第二蒸发器8、分离器9、第二汽轮机10、第二发电机 11、混合器12、低压加热器13、第二冷凝器14、第二给水泵15、高压加热器16和减压阀17。 上述组件的安装连接关系如下第一给水泵1的出口连接预热器2的入口，预热器2的出口 连接第一蒸发器3的入口，第一蒸发器3的出口连接过热器4的入口，过热器4的出口连接 第一汽轮机5的入口，第一汽轮机5带动第一发电机6发电，第一汽轮机5的出口连接第一 冷凝器7的入口，第一冷凝器7的出口连接第一给水泵1的入口而完成顶层循环系统组件 的连接；第二蒸发器8的出口连接分离器9的入口，分离器9的出口分别连接第二汽轮机10 的入口和高压加热器16的入口，第二汽轮机10带动第二发电机11发电，第二汽轮机10的 出口连接混合器12的入口，高压加热器16的出口连接减压阀17的入口，减压阀17的出口 连接混合器12的入口，混合器12的出口连接低压加热器13的入口，低压加热器13的出口 连接第二冷凝器14的入口，第二冷凝器14的出口连接第二给水泵15的入口，第二给水泵 15的出口连接低压加热器13的入口，低压加热器13的出口连接高压加热器16的入口，高 压加热器16的出口连接第二蒸发器8的入口而完成底层循环系统组件的连接。该中低温热源发电装置由顶层有机物朗肯循环发电装置和底层卡里纳循环发电 装置并联组成。顶层有机物朗肯循环发电装置利用中低温热源(如太阳能、地热能、工业余 热等)及底层发电装置排出的热源，输出机械功，或带动发电机输出电能；底层卡里纳循环 发电装置利用顶层发电装置排出的低温热源，输出机械功，或带动发电机输出电能。顶层发电装置通过预热器2利用底层发电装置排出的热源，加热经过第一给水泵 1升压后的工质，从预热器2出来的饱和液经过第一蒸发器3变成饱和蒸汽，接着进入过热 器4被加热成过热蒸汽，过热蒸汽进入第一汽轮机5膨胀做功，第一汽轮机5带动第一发电 机6产生电能，从第一汽轮机5出来的蒸汽进入第一冷凝器7被凝结成过冷液，然后进入第 一给水泵1，完成一个循环。底层发电装置通过第一蒸发器8利用顶层发电装置排出的低温热源，将从高压加 热器16出来的基本溶液加热成饱和蒸汽，饱和蒸汽进入分离器9被分离成富氨溶液和贫氨 溶液，富氨溶液进入第二汽轮机10膨胀做功，第二汽轮机10带动第二发电机11产生电能， 贫氨溶液经过高压加热器16被冷却，进而进入减压阀17减压，减压后的贫氨溶液与第二汽 轮机10排出的富氨溶液在混合器12中混合，生成基本溶液，基本溶液经过低压加热器13 被冷却，进而进入冷凝器14被凝结成过冷液，然后经过第二给水泵15被升压，升压后进入 低压加热器13被加热，之后进入高压加热器16，完成一个循环。两装置所配置的换热工质，与其热源相匹配。顶层换热工质包括氟利昂、烷烃类等 有机工质以及氨水混合物等无机工质，底层换热工质为氨水混合物无机工质。本发明的顶层有机物朗肯循环发电装置采用预热器，即用底层卡里纳循环发电装 置排出的热源对第一给水泵1输出的工质进行预热，提高了进入第一蒸发器3工质的温度， 减小了工质与热源的温差，进而减少了不可逆传热损失，提高了整个装置的火用效率。该中低温热源发电装置中的底层卡里纳循环发电装置适合低温热源发电，能够最 大限度的利用顶层发电装置排出的低温热源，进而提高整个发电装置的热效率。为了避免 汽轮机尾部蒸汽凝结而影响汽轮机的安全运行，要求富氨溶液的浓度大于97 %。本发明是在国外相关技术理念的基础上，将原技术基于有机物朗肯循环的底层循 环替换为基于卡里纳循环的底层循环，充分发挥卡里纳循环在利用较低品位热源进行发电
5时的优越性，更加符合能量梯级利用的原理。原技术机组热效率为8.9%，改进后机组热 效率为11.6%，机组热效率比原技术提高30. 3 %，通过对循环状态参数及主要设备进行优 化，机组的热效率还可以进一步提高，可以达到15%左右。
权利要求
一种基于能量梯级利用的中低温热源发电装置，其特征在于，包括进行有机物朗肯循环的顶部循环系统组件和与之相连的进行卡里纳循环的底部循环系统组件。
2.根据权利要求1所述的基于能量梯级利用的中低温热源发电装置，其特征是，所述 的顶部循环系统组件包括预热器、蒸发器、过热器、汽轮机、发电机、给水泵和冷凝器，其 中预热器的出口连接蒸发器的入口，蒸发器的出口连接过热器的入口，过热器的出口连接 汽轮机的入口，汽轮机与发电机相连并带动发电，汽轮机的出口连接冷凝器的入口，冷凝器 的出口连接给水泵的入口，给水泵的出口连接预热器的入口。
3.根据权利要求1所述的基于能量梯级利用的中低温热源发电装置，其特征是，所述 的底部循环系统组件包括分离器、低压加热器、高压加热器、减压阀和混合器，其中蒸发 器的出口连接分离器的入口，分离器的出口连接汽轮机的入口和高压加热器的入口，汽轮 机与发电机相连并带动发电，汽轮机的出口连接混合器的入口，高压加热器的出口连接减 压阀的入口，减压阀的出口连接混合器的入口，混合器的出口连接低压加热器的入口，低压 加热器的出口连接冷凝器的入口，冷凝器的出口连接给水泵的入口，给水泵的出口连接低 压加热器的入口，低压加热器的出口连接高压加热器的入口，高压加热器的出口连接蒸发 器的入口。
4.根据权利要求1或2所述的基于能量梯级利用的中低温热源发电装置，其特征是，所 述的顶层循环系统组件内充有有机或无机工质。
5.根据权利要求1或2所述的基于能量梯级利用的中低温热源发电装置，其特征是，所 述的顶层循环系统组件内充有氟利昂、烷烃类或氨水混合物；
6.根据权利要求1或3所述的基于能量梯级利用的中低温热源发电装置，其特征是，所 述的底层循环系统组件内充有无机工质。
7.根据权利要求1或3所述的基于能量梯级利用的中低温热源发电装置，其特征是，所 述的底层循环系统组件内充有氨水混合物。
8.一种根据上述任一权利要求所述的装置的热循环方法，包括有机物朗肯循环和卡 里纳循环，其特征在于所述的有机物朗肯循环是指有机物工质或无机物工质经给水泵升压后送入预热器， 经预热器加热后的饱和液送入蒸发器被加热成饱和蒸汽，然后进入过热器，从过热器出来 的过热蒸汽进入汽轮机膨胀做功，做功后的尾气进入冷凝器被凝结为过冷液，之后进入给 水泵完成循环；所述的底层卡里纳循环是指无机物工质经给水泵升压后依次经过低压加热器、高压 加热器、蒸发器，从蒸发器出来的饱和蒸汽进入分离器，被分成富氨溶液和贫氨溶液，富氨 溶液进入汽轮机膨胀做功，贫氨溶液进入高压加热器，然后经过减压阀与做功后的尾气在 混合器中混合成基本溶液，混合后的基本溶液依次经过低压加热器、冷凝器，之后进入给水 泵完成循环。
全文摘要
一种能源利用技术领域的基于能量梯级利用的中低温热源发电装置及其热循环方法，包括顶部循环系统组件和与之相连的底部循环系统组件。基于能量梯级利用的原理，由两个不同的中低温热源发电循环并联而成，顶层循环是有机物朗肯循环，底层循环是卡里纳循环，底层的卡里纳循环在利用顶层循环排出的低温热源发电时的热效率高于有机物朗肯循环，更适合回收较低品位的热源，相比原技术更符合能量梯级利用的原理，因此本发明机组热效率将会进一步得到提高。
文档编号F01K25/10GK101929360SQ201010270569
公开日2010年12月29日 申请日期2010年9月2日 优先权日2010年9月2日
发明者于立军, 冯驯, 徐建 申请人:上海交通大学