非能动式低温热能有机物工质发电方法
【专利摘要】本发明涉及非能动式低温热能有机物工质发电方法，利用第一蒸发器及第二内的有机物工质受热蒸发，当有机物工质的压力达到设定压力时，蒸发器出口的自力式压控阀在工作压力触发下打开，有机物工质蒸汽进入透平，推动透平做功，带动发电机输出电能，做功后的低压低温乏气进入冷凝器冷凝，通过第一蒸发器、二轮流输出工作蒸汽，连续带动透平做功，输出电能。与现有技术相比，本发明性能可靠、依靠工质在密闭空间受热蒸发实现压力的升高进行运转。
【专利说明】非能动式低温热能有机物工质发电方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种发电方法，尤其是涉及一种非能动式低温热能有机物工质发电方法。
【背景技术】
[0002]低温热源通常指温度在200°C以下的热源，其种类丰富，总量巨大，主要包括太阳能热、地热及工业余热等。据统计，我国有三分之二的国土年太阳辐射总量大于每平米5000MJ，全国可采地热资源量约为33亿吨标准煤，工业能耗占全国能源总量的70%左右，而工业余热约占工业能耗的15%。由于低温热源难以通过常规的发电设备进行回收利用，绝大多数的低温热源被白白排放到环境之中，造成极大的浪费和环境污染。因此，如何高效回收利用这部分总量巨大的能源成为了当前能源【技术领域】的一个热点。其中，有机物工质朗肯发电系统采用低沸点工质，工质蒸汽能以较高的压力进入透平膨胀做功，整体装置结构简单，技术切实可行，热源利用率高，比传统水蒸汽朗肯循环发电系统更适合用于利用这些低温热源。
[0003]早在1924年，科学家就开始研究采用低沸点有机物工质二苯醚作为工质的有机物朗肯循环。随着人们对世界性能源危机意识的加强，引起各国政府和能源科技工作者对有机物朗肯循环的重视，美国、日本、以色列、意大利、德国、法国等发电国家相继投入大量的人力、物力，争相研发有机物朗肯循环发电技术。目前，有机物工质朗肯发电系统主要应用于地热电站、太阳光热、工业余热和生物质能热发电。国外，掌握有机物朗肯循环发电技术的公司主要有 Electra Therm、Turboden、Eneftech、Ormat> Freepower> Green EnergyAustralasia和Infinityturbine等。我国有机物工质朗肯循环发电技术及系统的研制始于20世纪70年代初期。虽然我国的有机物工质朗肯循环发电技术已开发多年，但是我国在该技术上仍未能取得实质性的突破。
[0004]常规的有机物工质发电方法是在外部动力作用下才能工作，需要由工质泵加压后保持正常发电状态，而工质泵本身需要消耗大量的电能，导致系统总体效率降低，此外控制过程也需要外部提供电力。所以常规的有机物朗肯循环发电系统对外部条件依赖度大，装置维护成本高，同时工质泵等部件能耗较高使得装置系统效率低。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种性能可靠、依靠工质在密闭空间受热蒸发实现压力的升高进行运转的非能动式低温热能有机物工质发电方法。
[0006]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0007]非能动式低温热能有机物工质发电方法，包括以下步骤:
[0008](I)第一蒸发器内的有机物工质受热蒸发，第一蒸发器温度和压力不断增加，当有机物工质的压力达到设定压力时，第一蒸发器出口的第一自力式压控阀在工作压力触发下打开，有机物工质蒸汽进入透平，推动透平做功，带动发电机输出电能，做功后的低压低温乏气进入冷凝器冷凝；
[0009](2)冷凝后的有机物工质流入储液罐，随着第一蒸发器中有机物工质消耗待尽，蒸发器中的压力下降到自力式压控阀的设定值，第一自力式压控阀和第五自力式压控阀自动关闭，第二自力式压控阀自动开启，在重力的作用下，储液罐中的有机物工质流入第一蒸发器中，经过一段时间后第二自力式压控阀再次关闭，第五自力式压控阀开启，第一蒸发器内的有机物工质被加热升压等待下一次循环；
[0010](3)在第一蒸发器重新填充液体工质时，第二蒸发器内工质被加热至设定压力，第三自力式压控阀自动开启，接替第一蒸发器继续输出工作蒸汽，带动透平和发电机输出电能，第二蒸发器填充工质方法与第一蒸发器相同，第三自力式压控阀、第五自力式压控阀自动关闭，第四自力式压控阀自动开启，有机物工质在重力作用下从储液罐流入第二蒸发器，填充完毕后，第四自力式压控阀自动关闭，第五自力式压控阀自动开启:
[0011](4)第二蒸发器填充有机物工质与被加热至工作点期间，第一蒸发器内有机物工质压力按设计己被加热至设定值，接替第二蒸发器输出工作蒸汽，第一蒸发器、二轮流输出工作蒸汽，连续带动透平做功，输出电能。
[0012]所述的有机物工质为R245fa、R600、R600a、R141b或R142b中的一种或几种。
[0013]第一蒸发器中的有机物工质受热蒸发，温度达到60°C-18(TC，压力达到设定压力
0.5MPa_5MPa。
[0014]第二蒸发器中的有机物工质受热蒸发，温度达到60°C-18(TC，压力达到设定压力
0.5MPa_5MPa。
[0015]所述的透平入口的蒸汽温度为60°C _180°C，压力为0.5MPa_5MPa。
[0016]所述的透平出口压力为0.2MPa-l.0MPa,出口温度为30°C _120°C。
[0017]所述的储液罐比第一蒸发器及第二蒸发器的位置高200-2000mm，利用重力势能差
传输液体工质。
[0018]对蒸发器进行加热的热源为地热、太阳光热或工业余热，热源温度为85?200°C。
[0019]对冷凝器进行冷凝的冷源为地下水、河水、海水或空气，冷源温度为O?40°C。
[0020]所述的透平的膨胀比范围为1.5?15。
[0021 ] 与现有技术相比，本发明利用重力传输液体工质，系统无工质泵，依靠工质在密闭空间受热蒸发实现压力的升高；通过自力式压控阀对发电过程进行控制实现发电，整个发电系统结构简单、性能可靠且成本较低，易于实现小型化、实用化。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为该方法采用的装置的结构示意图。
[0023]图中:1为透平、2为发电机、3为冷凝器、4为储液罐、5为第一蒸发器、6为第二蒸发器、7为第一自力式压控阀、8为第二自力式压控阀、9为第三自力式压控阀、10为第四自力式压控阀、11为第五自力式压控阀门、12为联轴器。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。[0025]非能动式有机物工质发电装置的结构如图1所示，包括:透平1、发电机2、冷凝器
3、储液罐4、第一蒸发器5、第二蒸发器6、第一自力式压控阀7、第二自力式压控阀8、第三自力式压控阀9、第四自力式压控阀10、第五自力式压控阀11和联轴器12，其中外部低温热源流体通过管道分别与第一蒸发器5和第二蒸发器6热源侧的进出口相连，加热蒸发器中的有机物工质，第一蒸发器5工质侧出口经过第一自力式压控阀7与透平I入口相连，第一蒸发器5工质侧入口经过第二自力式压控阀8与储液罐4底部出口相连，第二蒸发器6工质侧出口经过第三自力式压控阀9与透平I入口相连，第二蒸发器6工质侧入口经过第四自力式压控阀10与储液罐4底部出口相连，透平I的轴通过联轴器12与发电机2的轴相连，透平I的出口和冷凝器3工质侧入口相连，冷凝器3工质侧出口经过第五自力式压控阀11与储液罐4顶部入口相连，冷凝器3冷源侧进出口分别通过管道与外部冷源流体相连。
[0026]本发明采用的有机物工质有:R245fa、R600、R600a、R141b、R142b等或混合物。本发明的储液罐比蒸发器的相对位置高200-2000MM，利用重力势能差传输液体工质。
[0027]在使用时，第一蒸发器5、第二蒸发器6内的有机物工质受热蒸发，使蒸发器内和温度不断增加。通过合理设计，第一蒸发器5内工质压力先达到透平I设计工作压力，第一蒸发器5出口的第一自力式压控阀7在工作压力触发下打开，工作蒸汽进入透平1，推动透平I做功，带动发电机2输出电能，做功后的低压低温乏气进入冷凝器3冷凝。冷凝后的液态工质流入储液罐4。随着第一蒸发器5中工作蒸汽的消耗，蒸发器中的压力逐渐下降到自力式压控阀的设定值，第一自力式压控阀7和第五自力式压控阀11自动关闭，第二自力式压控阀8自动开启，在重力的作用下，储液罐4中的液体工质重新流入第一蒸发器5中，然后第二自力式压控阀8再次关闭，第五自力式压控阀11开启，第一蒸发器5内工质在密闭容器内被热源加热升压等待下一次的循环。第一蒸发器5重新填充时，也就是第一自力式压控阀7、第五自力式压控阀11关闭和第三自力式压控阀9开启时，第二蒸发器8内工质压力已被加热至设计值，第三自力式压控阀9自动开启，接替第一蒸发器5继续输出工作蒸汽，带到透平和发电机输出电能。第二蒸发器6填充工质方法与第一蒸发器5相同，第三自力式压控阀9、五11自动关闭，第四自力式压控阀10自动开启，液态工质在重力作用下从储液罐4流入第二蒸发器6，填充完毕后，第四自力式压控阀10自动关闭，第五自力式压控阀11自动开启。第二蒸发器6填充工质与被加热至工作点期间，第一蒸发器5内工质压力按设计已被加热至设计值，正好接替第一蒸发器5输出工作蒸汽。第一蒸发器5、二 6轮流输出工作蒸汽，从而能连续带动透平做功，输出电能。
[0028]本实施例可利用太阳能、地热、低温余热等温度范围在60°C?200°C的低温热能作为热源，蒸发器的工作压力为液体工质在热源温度在60?200°C时对应的饱和压力。以地下水、河水、海水或空气为冷源，冷源温度范围为O?40°C，冷凝器的工作压力为液体工质在冷却水或冷却空气温度在0°C?40°C时对应的饱和压力。本装置可依靠地下水、河(海)水或空气作为冷源进行工作，可以实现的发电功率可由数千瓦到数百千瓦，以下进行具体操作。
[0029]实施例1
[0030]工质R600a，热源温度120°C，冷却水温度为20°C。蒸发器蒸发温度为100°C，蒸发压力为1.98MPa，蒸汽产生速率为1.8kg/s ;冷凝气冷凝温度为30°C，冷凝压力为0.403MPa,换热器效率为0.9 ;透平膨胀比为5.0,透平效率为0.8。此外，第一、第二蒸发器内部容积为0.2m3，储液罐内部容积为0.4m3，储液罐内部初始储液量为120kg。本发明通过以下步骤进行工作:
[0031](I)第二自力式压控阀自动打开，储液罐中约30°C的液体工质在重力的作用下流入第一蒸发器，液位平衡后第二自力式压控阀关闭，将60kg的液体工质密闭在第一蒸发器中；
[0032](2)第一蒸发器中液体工质受热蒸发，工质温度和压力不断增加，达到100°C，
1.98MPa,这一参数为透平入口蒸汽参数；
[0033](3)第一蒸发器出口的第一自力式压控阀在压力作用下自动打开，工作蒸汽以1.8kg / s的质量流速进入透平膨胀做功，带到发电机输出电能，透平出口压力和温度分别为 0.403MPa 和 47.4°C ；
[0034](4)工质在冷凝器中冷凝为30°C的饱和液态，随后流入储液罐。
[0035](5)在发电过程中，第一蒸发器中的液体工质不断受热蒸发，约26s后完全蒸发。此后工质压力迅速下降至冷凝压力，此时第二自力式压控阀自动开启，第一自力式压控阀和五自动关闭，储液罐中的饱和液态工质在重力作用下流入蒸发器中。当第一蒸发器填充工质过程结束后，第二自力式压控阀自动关闭，第五自力式压控阀自动开启，工质在第一蒸发器中受热增压，待达到设计工作点时接替第二蒸发器，继续输出工作蒸汽。
[0036](6)当第一蒸发器填充工质时，第二蒸发器内工质按设计已达到工作点，第三自力式压控阀在第二蒸发器内工作压力的触发下自动开启，接替第一蒸发器输出工作蒸汽，带动透平和发电机输出电能。当第二蒸发器内工质蒸发完全时，第二蒸发器需重新填充工质，其方法与第一蒸发器样，第三自力式压控阀、第五自力式压控阀自动关闭，第四自力式压控阀开启，储液罐中工质在重力作用下进入第二蒸发器；与此同时，第一蒸发器内工质按设计已达到工作点，第一自力式压控阀自动开启，接替第二蒸发器，继续输出工作蒸汽，带动透平和发电机输出电能。
[0037](7)本发明采用两个蒸发器，第一蒸发器与第二蒸发器轮流输出高温高压蒸汽，驱动透平，带动发电机，从而保证装置能连续地输出电能。
[0038]该实例下，系统热效率为13.7%，发电功率为56.8KW。
[0039]实施例2
[0040]工质R245fa，热源温度120°C，冷却水温度为20°C。蒸发器蒸发温度为100°C，蒸发压力为1.26MPa，蒸汽产生速率为4kg/s ;冷凝气冷凝温度为30°C，冷凝压力为0.177MPa，换热器效率为0.9 ;透平膨胀比为7.1，透平效率为0.8。此外，第一、第二蒸发器内部容积为2m3,储液罐内部容积为3m3，储液罐内部初始储液量为2400kg。本发明通过以下步骤进行工作:
[0041](I)第二自力式压控阀自动打开，储液罐中约30°C的液体工质在重力的作用下流入第一蒸发器，液位平衡后第二自力式压控阀关闭，将1200kg的液体工质密闭在第一蒸发器中；
[0042](2)第一蒸发器中液体工质受热蒸发，工质温度和压力不断增加，最总到达100°C，1.26MPa，这一参数为透平入口蒸汽参数；
[0043](3)第一蒸发器出口的第一自力式压控阀在压力作用下自动打开，工作蒸汽以4kg/s的质量流速进入透平膨胀做功，带到发电机输出电能，透平出口压力和温度分别为0.177MPa 和 49.5 °C ；
[0044](4)工质在冷凝器中冷凝为30°C的饱和液态，随后流入储液罐。
[0045](5)在发电过程中，第一蒸发器中的液体工质不断受热蒸发，260s后完全蒸发。此后工质压力迅速下降至冷凝压力，此时第二自力式压控阀自动开启，第一自力式压控阀和五自动关闭，储液罐中的饱和液态工质在重力作用下流入蒸发器中。当第一蒸发器填充工质过程结束后，第二自力式压控阀自动关闭，第五自力式压控阀自动开启，工质在第一蒸发器中受热增压，待达到设计工作点时接替第二蒸发器，继续输出工作蒸汽。
[0046](6)当第一蒸发器填充工质时，第二蒸发器内工质按设计已达到工作点，第三自力式压控阀在第二蒸发器内工作压力的触发下自动开启，接替第一蒸发器输出工作蒸汽，带动透平和发电机输出电能。当第二蒸发器内工质蒸发完全时，第二蒸发器需重新填充工质，其方法与第一蒸发器样，第三自力式压控阀、第五自力式压控阀自动关闭，第四自力式压控阀开启，储液罐中工质在重力作用下进入第二蒸发器；与此同时，第一蒸发器内工质按设计已达到工作点，第一自力式压控阀自动开启，接替第二蒸发器，继续输出工作蒸汽，带动透平和发电机输出电能。
[0047](7)本发明采用两个蒸发器，第一蒸发器与第二蒸发器轮流输出高温高压蒸汽，驱动透平，带动发电机，从而保证装置能连续地输出电能。
[0048]该实例下，系统热效率为15.5%，发电功率为92.6KW。
[0049]实施例3
[0050]工质R141b，热源温度120°C，冷却水温度为20°C。蒸发器蒸发温度为100°C，蒸发压力为0.675MPa，蒸汽产生速率为20kg/s ;冷凝气冷凝温度为30°C，冷凝压力为0.094MPa,换热器效率为0.9 ;透平膨胀比为7.2，透平效率为0.8。此外，第一、第二蒸发器内部容积为2m3,储液罐内部容积为3m3，储液罐内部初始储液量为2400kg。本发明通过以下步骤进行工作:
[0051](I)第二自力式压控阀自动打开，储液罐中约30°C的液体工质在重力的作用下流入第一蒸发器，液位平衡后第二自力式压控阀关闭，将1200kg的液体工质密闭在第一蒸发器中；
[0052](2)第一蒸发器中液体工质受热蒸发，工质温度和压力不断增加，最总到达100°C,0.675MPa,这一参数为透平入口蒸汽参数；
[0053](3)第一蒸发器出口的第一自力式压控阀在压力作用下自动打开，工作蒸汽以4kg/s的质量流速进入透平膨胀做功，带到发电机输出电能，透平出口压力和温度分别为
0.094MPa 和 44.5 °C ；
[0054](4)工质在冷凝器中冷凝为30°C的饱和液态，随后流入储液罐。
[0055](5)在发电过程中，第一蒸发器中的液体工质不断受热蒸发，55.9s后完全蒸发。此后工质压力迅速下降至冷凝压力，此时第二自力式压控阀自动开启，第一自力式压控阀和五自动关闭，储液罐中的饱和液态工质在重力作用下流入蒸发器中。当第一蒸发器填充工质过程结束后，第二自力式压控阀自动关闭，第五自力式压控阀自动开启，工质在第一蒸发器中受热增压，待达到设计工作点时接替第二蒸发器，继续输出工作蒸汽。
[0056](6)当第一蒸发器填充工质时，第二蒸发器内工质按设计已达到工作点，第三自力式压控阀在第二蒸发器内工作压力的触发下自动开启，接替第一蒸发器输出工作蒸汽，带动透平和发电机输出电能。当第二蒸发器内工质蒸发完全时，第二蒸发器需重新填充工质，其方法与第一蒸发器样，第三自力式压控阀、第五自力式压控阀自动关闭，第四自力式压控阀开启，储液罐中工质在重力作用下进入第二蒸发器；与此同时，第一蒸发器内工质按设计已达到工作点，第一自力式压控阀自动开启，接替第二蒸发器，继续输出工作蒸汽，带动透平和发电机输出电能。
[0057](7)本发明采用两个蒸发器，第一蒸发器与第二蒸发器轮流输出高温高压蒸汽，驱动透平，带动发电机，从而保证装置能连续地输出电能。
[0058]该实例下，系统热效率为13.7%，发电功率为560KW。
【权利要求】
1.非能动式低温热能有机物工质发电方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: (1)第一蒸发器内的有机物工质受热蒸发，第一蒸发器温度和压力不断增加，当有机物工质的压力达到设定压力时，第一蒸发器出口的第一自力式压控阀在工作压力触发下打开，有机物工质蒸汽进入透平，推动透平做功，带动发电机输出电能，做功后的低压低温乏气进入冷凝器冷凝； (2)冷凝后的有机物工质流入储液罐，随着第一蒸发器中有机物工质消耗待尽，蒸发器中的压力下降到自力式压控阀的设定值，第一自力式压控阀和第五自力式压控阀自动关闭，第二自力式压控阀自动开启，在重力的作用下，储液罐中的有机物工质流入第一蒸发器中，经过一段时间后第二自力式压控阀再次关闭，第五自力式压控阀开启，第一蒸发器内的有机物工质被加热升压等待下一次循环； (3)在第一蒸发器重新填充液体工质时，第二蒸发器内工质被加热至设定压力，第三自力式压控阀自动开启，接替第一蒸发器继续输出工作蒸汽，带动透平和发电机输出电能，第二蒸发器填充工质方法与第一蒸发器相同，第三自力式压控阀、第五自力式压控阀自动关闭，第四自力式压控阀自动开启，有机物工质在重力作用下从储液罐流入第二蒸发器，填充完毕后，第四自力式压控阀自动关闭，第五自力式压控阀自动开启； (4)第二蒸发器填充有机物工质与被加热至工作点期间，第一蒸发器内有机物工质压力按设计已被加热至设定值，接替第二蒸发器输出工作蒸汽，第一蒸发器、二轮流输出工作蒸汽，连续带动透平做功，输出电能。
2.根据权利要求1所述的非能动式低温热能有机物工质发电方法，其特征在于，所述的有机物工质为R245fa、R600、R600a、R141b或R142b中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的非能动式低温热能有机物工质发电方法，其特征在于，第一蒸发器中的有机物工质受热蒸发，温度达到60°C _180°C，压力达到设定压力0.5MPa-5MPa。
4.根据权利要求1所述的非能动式低温热能有机物工质发电方法，其特征在于，第二蒸发器中的有机物工质受热蒸发，温度达到60°C _180°C，压力达到设定压力0.5MPa-5MPa。
5.根据权利要求1所述的非能动式低温热能有机物工质发电方法，其特征在于，所述的透平入口的蒸汽温度为60°C _180°C，压力为0.5MPa-5MPa。
6.根据权利要求1所述的非能动式低温热能有机物工质发电方法，其特征在于，所述的透平出口压力为0.2MPa-l.0MPa,出口温度为30°C _120°C。
7.根据权利要求1所述的非能动式低温热能有机物工质发电方法，其特征在于，所述的储液罐比第一蒸发器及第二蒸发器的位置高200-2000mm，利用重力势能差传输液体工质。
8.根据权利要求1所述的非能动式低温热能有机物工质发电方法，其特征在于，对蒸发器进行加热的热源为地热、太阳光热或工业余热，热源温度为85?200°C。
9.根据权利要求1所述的非能动式低温热能有机物工质发电方法，其特征在于，对冷凝器进行冷凝的冷源为地下水、河水、海水或空气，冷源温度为O?40°C。
10.根据权利要求1所述的非能动式低温热能有机物工质发电方法，其特征在于，所述的透平的膨胀比范围为1.5?15。
【文档编号】F01D15/10GK103527271SQ201310496376
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月21日 优先权日:2013年10月21日
【发明者】翁一武, 薄泽民, 吕小静, 耿孝儒 申请人:上海交通大学