一种蒸汽朗肯循环-低温型有机朗肯循环复叠式高效发电装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提供的一种蒸汽朗肯循环-低温型有机朗肯循环复叠式高效发电装置，包括水蒸气朗肯循环装置和低温型有机朗肯循环装置；所述水蒸气朗肯循环装置包括依次连接成环的高压锅炉、第一热功动力转换机械、冷凝蒸发器和水泵；所述低温型有机朗肯循环装置包括依次连接成环的储液罐、工质泵、冷凝蒸发器、第二热功动力转换机械、冷凝器。该装置将水蒸汽朗肯循环装置与低温型有机朗肯循环装置复叠，能够有效利用水蒸汽朗肯循环装置低温乏汽中的热量，大大提高了热量的利用效率。
【专利说明】一种蒸汽朗肯循环-低温型有机朗肯循环复叠式高效发电装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于电力设备领域，特别涉及一种蒸汽朗肯循环-低温型有机朗肯循环复叠式高效发电装置。
【背景技术】
[0002]电力行业是我国重点的耗能大户，电力行业能耗约占全国总能耗的1/3，二氧化硫排放占全国一半。全国2011年全国发电量4.7万亿千瓦时，其中火电发电量为3.8万亿千瓦时，由于中国火电基本上是煤电，煤电约占发电总量的80%。2011年火电消耗一次能源(标准煤)19亿吨，全国的煤炭消耗量为35.7亿吨，电力行业的煤炭消耗占全国煤炭消耗总量的50%以上。中国煤电把燃烧的热能转化成电能的效率较低，目前我国每发一千瓦时的电消耗煤炭333克，而丹麦仅为269克。根据国际能源署的统计，2010年中国煤电每发一千瓦时的电排放二氧化碳967克，与世界平均水平958克相比较高。2010年，全球二氧化碳排放量为302.76亿吨，中国(含香港地区)为72.586亿吨，占世界二氧化碳排放总量的24%，名列第一。煤炭火力发电不仅导致了煤炭大量的消耗，更导致了严重的生态问题。目前，我国二氧化硫和二氧化碳排放量均居世界首位，我国东部地区环境承载能力已接近极限。有数据显然，东中部地区PM2.5严重超标，高于安全值5?8倍。如何提高火力发电的效率，减少发电的能源消耗，已经是刻不容缓的课题。
[0003]传统的火力发电厂，是以水蒸汽为工质的，利用高温高压的水蒸气把热能转变成机械能，又把机械能转变为电能。发电厂的设备，主要是由锅炉、汽轮机、凝汽器、水泵等设备所组成。其工作原理是:给水先经给水泵加压后送入锅炉，在锅炉中水被加热汽化、形成高温高压的过热蒸汽，过热蒸汽在汽轮机中膨胀做功，变为低温低压的乏汽，最后排入凝汽器凝结为冷凝水，重新经水泵将冷凝水送入锅炉进行新的循环。在汽轮机里作完功的乏气直接进入到凝汽器中，通过直接空冷或水冷方式完成排气的凝结过程。通常汽轮机乏汽为低温(32-55°C)低压(0.005-0.016MPa)的湿饱和蒸汽，冷凝潜热约为2400kJ/kg，乏汽在凝汽器内凝结成水，大量的汽化潜热被冷却水或空气携带，释放到大气环境中。在水蒸汽朗肯循环中，中压机组热效率不超过40%，超临界机组热效率不超过50%，发电效率不高的根本原因是做功部分只能利用水蒸气的显热，而占能源消耗量的50%以上乏气的潜热能(2400kJ/kg)做为低品位热量通过双曲线冷凝塔白白的发散到大气中。由于乏汽的温度在32-55°C，属于低品位余热，现有的技术难以回收和利用，造成电厂的大量的热损失。因此如何有效利用凝汽器中蒸汽凝结时释放的占能源消耗量的50%以上的低品位冷凝潜热，对于提高发电效率，有着决定性的作用。
[0004]虽然低品位的潜热资源浪费巨大，但回收利用有较大的难度，其主要原因是:(I)冷凝热的品质较低，未找到有效的利用方法；(2)回收冷凝器的余热，如果对锅炉原有热力装置做出较大改动，具有一定的风险性；(3)热平衡问题难以组织，虽然热电联产的热利用效率较高，但难以在发电厂内部全部直接利用消化，往往需要向外寻找合适的热用户，而热用户的用热只限于冬季寒冷时期，从而限制了回收冷凝热的利用，特别是在我国的南方，由于没有集中供暖的设备，很难进行热电联产的实施，造成大量的乏气的冷凝热白白地浪费掉了。
[0005]有机朗肯循环(ORC)发电是通过利用低温热来加热某种沸点较低的工质，使之变为高压有机蒸汽，推动汽轮机去带动发电机发电。和常规的有机朗肯循环一样，由冷凝蒸发器、汽轮机、冷凝器和工质泵组成，工质在热力设备中不断进行等压加热、绝热膨胀、等压放热和绝热压缩4个过程，使热能不断转化为机械能，再由发电机将机械能转化为人们所需要的电能。ORC技术比常规的水蒸气朗肯循环有很多优点，主要是在回收低温热方面有较高的效率，由于循环中显热/冷凝潜热比例不相等，ORC技术中其工质的冷凝潜热远远的小于水的冷凝潜热，因此采用ORC技术与水蒸气循环相比，其低温时热电转化效率较高。但现有的ORC技术也有其固有的缺点:一般来说，现有的ORC技术适用于100°C以上的低温热，IOO0C以下的热源，几乎很少有涉及。
[0006]因此，将现有的有机朗肯循环(ORC)装置应用于现有热电厂发电，需要将冷凝器的乏汽温度由现有的低温32-55°C加热至100°C以上高温，需要对原有热力装置做出较大改动，同时需将凝汽式汽轮机改为背压式汽轮机，不仅具有一定的风险性，而且导致水蒸气朗肯循环的热电转换效率的大幅度下降，如凝汽机温度每升高6-7°C，汽轮机热电转换效率减少1%，如果从30°C升到100°C，汽轮机热电转换效率减少10%左右；而在此温度下有机工质发电的效率也大约为10%左右，导致叠式动力循环发电装置的效率几乎没有较大的提高，这是水蒸汽一有机朗肯复叠式动力循环发电装置在回收电厂冷凝热时，必须要解决的难题，也是水蒸汽一有机朗肯复叠式动力循环发电装置无法商业化的原因。因此，如何合理的利用蒸汽朗肯循环火力发电厂的冷凝热，在保留原有热力装置的设计的前提下，利用低温的(32-55°C)的乏汽的冷凝热的ORC的循环技术，进而大幅度提高热力循环动力装置的热效率，无疑具有十分重要的意义。
实用新型内容
[0007]实用新型目的:本实用新型的目的是提供一种应用方便、热效率高的蒸汽朗肯循环-低温型有机朗肯循环复叠式高效发电装置。
[0008]技术方案:本实用新型提供的一种蒸汽朗肯循环-低温型有机朗肯循环复叠式高效发电装置，包括水蒸气朗肯循环装置和低温型有机朗肯循环装置；所述水蒸气朗肯循环装置包括依次连接成环的高压锅炉、第一热功动力转换机械、冷凝蒸发器和水泵；所述低温型有机朗肯循环装置包括依次连接成环的储液罐、工质泵、冷凝蒸发器、第二热功动力转换机械、冷凝器。
[0009]作为改进,还包括第一发电机和第二发电机，所述第一发电机与第一热功动力转换机械连接，所述第二发电机与第二热功动力转换机械连接。
[0010]作为优选，所述冷凝蒸发器的蒸发温度为30-55°C。
[0011]作为另一种优选，所述低温型有机朗肯循环装置采用临界温度100°C以下、沸点在_40°C以下的介质作为循环工质。
[0012]作为进一步优选，低温型有机朗肯循环内采用丙烷(C3H8)、或二氧化碳(CO2)、或丙烷和二氧化碳的混合物作为循环工质。采用这样的工质具有不破坏臭氧层、化学性稳定的优点，同时这样的工质其凝固温度小于设备循环中所有回路中的工质最低凝固温度。
[0013]作为另一种优选，所述冷凝器为水冷冷凝器或空冷冷凝器。
[0014]作为另一种优选，所述第一热功动力转换机械为汽轮机或膨胀机，所述第二热功动力转换机械为汽轮机或膨胀机。
[0015]作为进一步优选，所述膨胀机为涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、离心式膨胀机或活塞式膨胀机。
[0016]有益效果:本实用新型提供的蒸汽朗肯循环-低温型有机朗肯循环复叠式高效发电装置将水蒸汽朗肯循环装置与低温型有机朗肯循环装置复叠，上级水蒸汽朗肯循环装置的第一热功动力转换机械排气的热量不直接用水冷却，而是加热下级低温型有机朗肯循环装置的液态低沸点工质，产生压力较高的低沸点工质蒸汽，在低温型有机朗肯循环装置的第二热功动力转换机械膨胀作功，从而能够有效利用水蒸汽朗肯循环装置低温乏汽中的热量，大大提高了热量的利用效率。
[0017]该装置比传统的火力发电效率提高10%以上。全国的火力发电的冷凝热如果全部能够加以回收利用的话，每年可发电4700亿度电，节约标准煤1.9亿吨。
[0018]该装置既可对现有火力发电机组的加以改造，利用现有的各种大、中、小的火力发电站的冷凝热来用于发电，以提高其发电效率，也可用于新建低温型有机朗肯循环一蒸汽朗肯循环复叠式高效发电机组的设计、建造，应用范围广、发电效率高。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本实用新型的蒸汽朗肯循环-低温型有机朗肯循环复叠式高效发电装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本实用新型作出进一步说明。
[0021]蒸汽朗肯循环-低温型有机朗肯循环复叠式高效发电装置，包括水蒸气朗肯循环装置I和低温型有机朗肯循环装置2 ;水蒸气朗肯循环装置I包括依次连接成环的高压锅炉11、第一热功动力转换机械12、冷凝蒸发器13和水泵14 ;低温型有机朗肯循环装置2包括依次连接成环的储液罐21、工质泵22、冷凝蒸发器13、第二热功动力转换机械23、冷凝器24 ;还包括第一发电机15和第二发电机25,第一发电机15与第一热功动力转换机械12连接，第二发电机25与第二热功动力转换机械23连接。
[0022]本实用新型中，冷凝蒸发器13的蒸发温度通过工质的选择和设计控制在30-55。。。
[0023]第一热功动力转换机械12为汽轮机；可选地，也可以选择任意合适的热功转换机械；优选地，可选用汽轮机或膨胀机，其中，膨胀机包括但不限于涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、离心式膨胀机和活塞式膨胀机。
[0024]第二热功动力转换机械23为汽轮机；可选地，也可以选择任意合适的热功转换机械；优选地，可选用汽轮机或膨胀机，其中，膨胀机包括但不限于涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、离心式膨胀机和活塞式膨胀机。
[0025]该装置的工作原理为:在水蒸气朗肯循环装置I中，高压锅炉(11)出来的高温高压的过热蒸汽，进入第一热功动力转换机械12带动第一发电机15发电；第一热功动力转换机械12出来的乏汽经管路通过冷凝蒸发器13内的热源管路后被冷源管路冷凝成凝结水，凝结水经给水泵14进入高压锅炉(11)，完成水蒸气朗肯循环；在低温型有机朗肯循环装置2中，液态低沸点的循环工质被工质泵(22)从储液罐21中输送至冷凝蒸发器(13)的冷源管路后，被热源管路加热成循环工质蒸汽，在第二热功动力转换机械23中带动带动第二发电机25发电，从第二热功动力转换机械23中排除的乏汽经冷凝器冷却形成液态的循环工质并送至储液罐21完成低温有机朗肯循环。
[0026]该装置具有以下特点:
[0027](I)首先进行水蒸汽朗肯顶循环发电；
[0028](2)在保留原有热力装置的设计的前提下，把水蒸汽朗肯顶循环的乏气的冷凝热直接作为有机朗肯循环的驱动热源；
[0029](3)驱动热源通过冷凝蒸发器，把热量传递给有机朗肯循环的循环工质即低沸点工质，使其产生高压蒸汽推动热功动力转换机械，带动发电机发电。
[0030]将上述装置用于不同条件下发电。
[0031]应用实例一，冷凝蒸发器13的蒸发温度为55°C，冷凝器24采用水冷冷凝器、冷凝温度为30°C，低温型有机朗肯循环装置采用丙烷作为循环工质。
[0032]其中水蒸气朗肯循环装置I的发电效率为36%，低温型有机朗肯循环装置2的发电效率为10%，该装置总发电效率为46%。
[0033]应用实例二，冷凝蒸发器13的蒸发温度为40°C，冷凝器(24)采用水冷冷凝器、冷凝温度为20°C，低温型有机朗肯循环装置采用体积比为1:1的丙烷和液态二氧化碳的混合物作为循环工质。
[0034]其中水蒸气朗肯循环装置I的发电效率为38%，低温型有机朗肯循环装置2的发电效率为10%，该装置总发电效率为48%。
[0035]应用实例三，冷凝蒸发器13的蒸发温度为30°C，冷凝器(24)采用风冷冷凝器、冷凝温度为0°c，低温型有机朗肯循环装置采用二氧化碳作为循环工质。
[0036]其中水蒸气朗肯循环装置I的发电效率为40%，低温型有机朗肯循环装置2的发电效率为10%，该装置总发电效率为50% ;该装置适合于北方的寒冷的地区。
[0037]以上的仅为本实用新型的具体实施例，除此之外的温度范围，可根据余热的温度的高低对工质进行设计，调整各组分的比例，以达到最高的热功转换效率及热回收率。实例中采用工质的比较及建议适用的余热温度如表I。
[0038]表I低温型有机朗肯循工质的特性
[0039]
【权利要求】
1.一种蒸汽朗肯循环-低温型有机朗肯循环复叠式高效发电装置，其特征在于:包括水蒸气朗肯循环装置(I)和低温型有机朗肯循环装置(2);所述水蒸气朗肯循环装置(I)包括依次连接成环的高压锅炉(11 )、第一热功动力转换机械(12)、冷凝蒸发器(13)和水泵(14);所述低温型有机朗肯循环装置(2)包括依次连接成环的储液罐(21)、工质泵(22)、冷凝蒸发器(13)、第二热功动力转换机械(23)、冷凝器(24)。
2.根据权利要求1所述的一种蒸汽朗肯循环-低温型有机朗肯循环复叠式高效发电装置，其特征在于:还包括第一发电机(15)和第二发电机(25),所述第一发电机(15)与第一热功动力转换机械(12)连接，所述第二发电机(25)与第二热功动力转换机械(23)连接。
3.根据权利要求1所述的一种蒸汽朗肯循环-低温型有机朗肯循环复叠式高效发电装置，其特征在于:所述冷凝蒸发器(13)的蒸发温度为30-55°C。
4.根据权利要求1所述的一种蒸汽朗肯循环-低温型有机朗肯循环复叠式高效发电装置，其特征在于:所述低温型有机朗肯循环装置(2)采用临界温度100°C以下、沸点在_40°C以下的介质作为循环工质。
5.根据权利要求4所述的一种蒸汽朗肯循环-低温型有机朗肯循环复叠式高效发电装置，其特征在于:所述循环工质选自丙烷和二氧化碳中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种蒸汽朗肯循环-低温型有机朗肯循环复叠式高效发电装置，其特征在于:所述冷凝器(24)为水冷冷凝器或空冷冷凝器。
7.根据权利要求1所述的一种蒸汽朗肯循环-低温型有机朗肯循环复叠式高效发电装置，其特征在于:所述第一热功动力转换机械(12)为汽轮机或膨胀机，所述第二热功动力转换机械(23)为汽轮机或膨胀机。
8.根据权利要求7所述的一种蒸汽朗肯循环-低温型有机朗肯循环复叠式高效发电装置，其特征在于:所述膨胀机为涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、离心式膨胀机或活塞式膨胀机。
【文档编号】F01K23/04GK203626906SQ201320584265
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2013年9月22日 优先权日:2013年9月22日
【发明者】孟宁 申请人:南京微阳电力科技有限公司