本发明属于低品位热能利用技术领域，具体涉及一种低温热源驱动的有机工质吸收式发电方法及其系统。
背景技术：
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吸收式发电技术是一种利用低品位热能的有效方法。目前吸收式发电系统大多采用NH3/H2O溶液为工质，如卡林那(Kalina)循环系统(1989年由A.卡林那(Alexander Kalina)提出的一种以水与氨的非共沸混合液为工质的热力循环)，在余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环中，用它取代以水为工质的兰金循环，可以提高联合循环的单机功率和供电效率。但是，卡林那(Kalina)循环系统的缺点相当明显：NH3有毒，易对人体造成伤害；系统运行压力大，致使系统设备庞大，且NH3易泄露，一旦空气中的NH3含量介于15～28％vol时，遇明火则会爆炸，不利于安全运行；NH3/H2O吸收式发电系统对驱动热源温度的要求相对较高，不利于低品位能源的开发利用。此外，现有的吸收式发电系统通常在低压(冷凝压力)侧采用制冷剂贫溶液(以下简称“稀溶液”，对应的制冷剂富溶液简称为“浓溶液”)吸收膨胀机乏气，如发明专利ZL200910193870.4，稀溶液的显热以及吸收过程产生的热量被冷却介质带走，造成一定的能量浪费，以致系统热效率不高，且常规的吸收式系统为了平衡压力必须配置节流装置，这也增加了发电系统的不可逆损失。另一方面，常规的吸收式发电系统的发生器出口为气液两相流态，运行控制较为复杂。
因此，现有技术有待改进和发展。
技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种低温热源驱动的有机工质吸收式发电方法及其系统，其针对不同的应用场所，其溶液循环流量以及吸收过程的运行压力可以根据热源温度和溶液浓度进行调节，且采用有机工质混合物作为循环工质，发电系统可以在较低的温度下运行(≥70℃)，并具有较高的热力性能。
本发明的第一个目的是提供一种低温热源驱动的有机工质吸收式发电方法，包括如下步骤：
1)将有机工质加热成饱和溶液后通入第一涡流管中，经第一涡流管膨胀降压后，低沸点的有机工质汽化，生成气液两相混合物，分离出第一过热蒸汽、第一饱和蒸汽以及第一溶液；
2)从第一涡流管中流出的第一过热蒸汽与第一饱和蒸汽混合进入第一膨胀机中膨胀做功；从第一涡流管中流出的第一溶液在重力的作用下进入第二涡流管，经第二涡流管膨胀降压，低沸点的有机工质进一步汽化，生成气液两相混合物，分离出第二过热蒸汽、第二饱和蒸汽以及第二溶液，从第二涡流管中流出的第二过热蒸汽与第二饱和蒸汽混合进入第二膨胀机中膨胀做功；
3)从第二涡流管中流出的第二溶液在重力的作用下流经回热蒸发器放热后进入吸收器；第一膨胀机与第二膨胀机做功带动与其通过联轴器相连的发电机运转发电；第一膨胀机中的第一过热蒸汽与第一饱和蒸汽的混合蒸汽膨胀至第二膨胀机的进口压力后进入吸收器被来自第二涡流管的第二溶液吸收；第二膨胀机中的第二过热蒸汽与第二饱和蒸汽的混合蒸汽膨胀至冷凝压力后进入冷凝器，该混合蒸汽被冷凝器外部的冷却介质冷却成液态；
4)被冷凝器冷却成液态的第三溶液经冷剂泵升压至一定压力后流经预热器吸收部分热量，随后进入吸收器中，在吸收器中第三溶液被吸收过程产生的热量加热至对应压力下的饱和液态后流进回热蒸发器中被进一步加热，生成饱和蒸汽；吸收器中吸收终了的第四溶液在第一溶液泵的升压作用下，流经预热器，在预热器中释放出部分热量后变为过冷态溶液后作为工作流体进入喷射绝热吸收器，在喷射绝热吸收器中膨胀形成低压或真空，与其相连的回热蒸发器中产生的蒸汽被吸入，工作流体与饱和蒸汽在喷射绝热吸收器内充分混合，最终形成居中压力的溶液，随后经第二溶液泵升压后进入加热器，形成系统循环。
本发明提出的低温热源驱动的有机工质吸收式发电方法中，加热器出口饱和溶液的分离产汽过程分两级进行，第一级分离产汽过程在第一涡流管内进行，第二级分离产汽过程在第二涡流管内进行。涡流管采用逆流型涡流管，利用其能量分离效应，高压的饱和浓溶液从涡流管进口进入后，通过膨胀降压，部分制冷剂汽化，产生气液两相混合物，在其中高速旋转流动，分离出饱和稀溶液、过热冷剂蒸汽和饱和冷剂蒸汽，稀溶液由涡流管底部的液体出口流出，过热冷剂蒸汽与饱和冷剂蒸汽分别从涡流管的热气出口与冷气出口流出。
吸收过程在中间压力条件下分两级进行，第一级吸收过程在吸收器内进行，第二级吸收过程在喷射绝热吸收器内进行。吸收器可以采用横管降膜式吸收器、竖管降膜式吸收器或鼓泡式吸收器，由预热器来的冷剂液走管程进入吸收器被吸收过程产生的热量加热至饱和液态。喷射绝热吸收器采用气液两相流喷射器，高压过冷态稀溶液作为工作流体进入喷射器，在其中迅速膨胀形成低压或真空，与其引射流体进口相连的回热蒸发器内产生的低压冷剂蒸汽被吸入，稀溶液与冷剂蒸汽在喷射器内充分混合并伴随着动量与能量交换，最终形成居中压力的浓溶液从混合流体出口流出；整个吸收过程喷射器与外界无热量交换。此外，喷射绝热吸收器中产生的引射作用还有助于促进回热蒸发器中的冷剂液吸热汽化。
本发明采用涡流管替代闪蒸器，利用涡流管的能量分离效应，将高压的有机工质饱和浓溶液进行两级分离，产生的冷剂蒸汽用于膨胀做功发电，同时用循环泵对吸收过程的压力进行调节，在中间压力条件下分两级吸收，实现稀溶液显热与吸收热的最大化回收，降低冷凝器的热负荷，从而提高发电系统的热效率，具有较高的技术经济性。
涡流管是能量分离装置，它是由喷嘴、涡流室、分离孔板和冷热两端管组成。工作时压缩气体在喷嘴内膨胀，然后以很高的速度沿切线方向进入涡流管。气流在涡流管内高速旋转时，经过涡流变换后分离成总温不相等的两部分气流，处于中心部位的气流温度低，而处于外层部位的气流温度高，调节冷热流比例，可以得到最佳的分离效果。
步骤(1)中所述的有机工质包括作为制冷剂的低沸点有机物和作为吸收剂的高沸点有机物，所述的低沸点有机物选自R1234yf(2,3,3,3-四氟丙烯)、R1233zd(E)(反式-1-氯-3,3,3-三氟丙烯)、R1336mzz(Z)(顺式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯)、R1234ze(E)(反式-1,3,3,3-四氟丙烯)和R1234ze(Z)(顺式-1,3,3,3-四氟丙烯)中的一种或几种，所述的高沸点有机物选自TrEGDME(三乙二醇二甲醚)、TEGDME(四乙二醇二甲醚)和NMP(N-甲基吡咯烷酮)中的一种。
在本发明中，低沸点有机物采用安全性较好的环保型有机物R1234yf、R1233zd(E)、R1336mzz(Z)、R1234ze(E)和R1234ze(Z)中的一种或几种，高沸点有机物采用TrEGDME、TEGDME和NMP中的一种。上述低沸点有机物与高沸点有机物的沸点差较大，第一涡流管与第二涡流管出口的过热蒸汽与饱和蒸汽主要为冷剂蒸汽。
本发明的另一目的是提出一种低温热源驱动的有机工质吸收式发电系统，包括将有机工质加热为饱和溶液的加热器、第一涡流管、第一膨胀机、第二涡流管、第二膨胀机、发电机、冷凝器、冷剂泵、预热器、吸收器、回热蒸发器、第一溶液泵、喷射绝热吸收器和第二溶液泵，所述的加热器的饱和溶液出口与第一涡流管的第二进口相连，所述的第一涡流管的第一热气出口与第一冷气出口并联后连接至第一膨胀机的第三进口，所述的第一涡流管的第一液体出口与第二涡流管的第四进口相连，所述的第二涡流管的第二热气出口与第二冷气出口并联后连接至第二膨胀机的第五进口，所述的第二涡流管的第二液体出口通过回热蒸发器后连接至吸收器的稀溶液进口，所述的第一膨胀机的第一出口与吸收器的冷剂蒸汽进口相连，所述的第二膨胀机的第二出口依次通过冷凝器、冷剂泵、预热器、吸收器、回热蒸发器后连接至喷射绝热吸收器的引射流体进口；所述的吸收器的浓溶液出口依次通过第一溶液泵、预热器后连接至喷射绝热吸收器的工作流体进口，所述的喷射绝热吸收器的混合流体出口通过第二溶液泵后连接至加热器的第一进口，所述的第一膨胀机和第二膨胀机通过联轴器与发电机相连。
在本发明中，吸收器可以采用横管降膜式吸收器、竖管降膜式吸收器或鼓泡式吸收器，由预热器来的冷剂液走管程进入吸收器被吸收过程产生的热量加热至饱和液态。喷射绝热吸收器采用气液两相流喷射器，高压过冷态稀溶液作为工作流体进入喷射器，在其中迅速膨胀形成低压或真空，与其引射流体进口相连的回热蒸发器内产生的低压冷剂蒸汽被吸入，稀溶液与冷剂蒸汽在喷射器内充分混合并伴随着动量与能量交换，最终形成居中压力的浓溶液从混合流体出口流出；整个吸收过程喷射器与外界无热量交换。此外，喷射绝热吸收器中产生的引射作用还有助于促进回热蒸发器中的冷剂液吸热汽化。
在本发明中，冷剂泵、第一溶液泵和第二溶液泵可以采用屏蔽泵，也可以采用磁力泵。发电机可以采用同步发电机，也可以采用异步发电机。系统各部件之间的连接方式为金属管道连接。
优选地，所述的有机工质包括作为制冷剂的低沸点有机物和作为吸收剂的高沸点有机物，所述的低沸点有机物选自R1234yf、R1233zd(E)、R1336mzz(Z)、R1234ze(E)和R1234ze(Z)中的一种或几种，所述的高沸点有机物选自TrEGDME、TEGDME和NMP中的一种，其中低沸点有机物与高沸点有机物的质量比约为0.3～0.7。
优选地，所述的第二涡流管的第四进口的位置低于第一涡流管的第一液体出口的位置，所述的回热蒸发器的第二溶液进口的位置低于第二涡流管的第二液体出口的位置，所述吸收器的稀溶液进口的位置低于回热蒸发器的第二溶液出口的位置。第二涡流管的第四进口的位置低于第一涡流管的第一液体出口的位置，以保证第一涡流管出口的稀溶液能在重力作用下自行流入第二涡流管；回热蒸发器的第二溶液进口的位置低于第二涡流管的第二液体出口的位置，以保证第二涡流管出口的稀溶液能在重力的作用下自行流入回热蒸发器；吸收器的稀溶液进口的位置低于回热蒸发器的第二溶液出口的位置，以保证回热蒸发器出口的稀溶液能在重力的作用下自行流入吸收器。
优选地，所述的加热器、冷凝器、预热器和回热蒸发器选自管壳式换热器、降膜式换热器和板式换热器中的一种。
优选地，所述的第一涡流管为逆流型涡流管，所述的第二涡流管为逆流型涡流管。
第一膨胀机与第二膨胀机可以采用螺杆膨胀机、涡旋膨胀机或透平膨胀机，也可以是其它形式的膨胀机。
本发明的有益效果是：
1、系统以有机混合物作为循环工质，对比常规的NH3/H2O溶液，系统驱动热源的温度可以降低20℃左右，拓宽了吸收式发电系统的应用范围；
2、加热器出口溶液为饱和液态，溶液的吸热过程不涉及相变过程，传热系数高，且运行控制较为简单；
3、系统的吸收过程在中间压力条件下进行，稀溶液不进冷凝器，其蕴含的热量全部予以回收，有效地降低了冷凝器的热负荷并提高加热器进口溶液的温度，对比现有技术系统的热效率可以提高约5～15％；
4、系统通过涡流管两级膨胀与循环泵结合对吸收过程的运行压力进行平衡调节，不设置节流装置，降低了系统的不可逆损失。
附图说明：
图1为本发明实施例1低温热源驱动的有机工质吸收式发电系统的结构示意图；
附图标记：100、加热器；101、第一进口；101、饱和溶液出口；200、第一涡流管；201、第二进口；202、第一热气出口；203、第一液体出口；204、第一冷气出口；300、第一膨胀机；301、第三进口；302、第一出口；400、第二涡流管；401、第四进口；402、第二热气出口；403、第二液体出口；404、第二冷气出口；500、第二膨胀机；501、第五进口；502、第二出口；600、发电机；700、冷凝器；701、第六进口；702、第三出口；800、冷剂泵；801、第七进口；802、第四出口；900、预热器；901、第一冷剂液进口；902、第一冷剂液出口；903、第一溶液进口；904、第一溶液出口；110、吸收器；111、第二冷剂液进口；112、冷剂蒸汽进口；113、稀溶液进口；114、第二冷剂液出口；115、浓溶液出口；120、回热蒸发器；121、第三冷剂液进口；122、第二溶液出口；123、第二溶液进口；124、冷剂蒸汽出口；130、第一溶液泵；131、第八进口；132、第五出口；140、喷射绝热吸收器；141、工作流体进口；142、引射流体进口；143、混合流体出口；150、第二溶液泵；151、第九进口；152、第六出口。
具体实施方式：
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
除特别说明，本发明中的实验材料和试剂均为本技术领域常规市购产品。图1中的箭头表示蒸汽或液体的流动方向。
一种低温热源驱动的有机工质吸收式发电方法，包括如下步骤：
1)将有机工质加热成饱和溶液后通入第一涡流管200中，经第一涡流管200膨胀降压后，低沸点的有机工质汽化，生成气液两相混合物，分离出第一过热蒸汽、第一饱和蒸汽以及第一溶液；
2)从第一涡流管200中流出的第一过热蒸汽与第一饱和蒸汽混合进入第一膨胀机3中膨胀做功；从第一涡流管200中流出的第一溶液在重力的作用下进入第二涡流管400，经第二涡流管400膨胀降压，低沸点的有机工质进一步汽化，生成气液两相混合物，分离出第二过热蒸汽、第二饱和蒸汽以及第二溶液，从第二涡流管400中流出的第二过热蒸汽与第二饱和蒸汽混合进入第二膨胀机5中膨胀做功；
3)从第二涡流管400中流出的第二溶液在重力的作用下流经回热蒸发器120放热后进入吸收器110；第一膨胀机300与第二膨胀机500做功带动与其通过联轴器相连的发电机600运转发电；第一膨胀机300中的第一过热蒸汽与第一饱和蒸汽的混合蒸汽膨胀至第二膨胀机500的进口压力后进入吸收器110被来自第二涡流管400的第二溶液吸收；第二膨胀机500中的第二过热蒸汽与第二饱和蒸汽的混合蒸汽膨胀至冷凝压力后进入冷凝器700，该混合蒸汽被冷凝器外部的冷却介质冷却成液态；
4)被冷凝器700冷却成液态的第三溶液经冷剂泵800升压至一定压力后流经预热器900吸收部分热量，随后进入吸收器110中，在吸收器110中第三溶液被吸收过程产生的热量加热至对应压力下的饱和液态后流进回热蒸发器120中被进一步加热，生成饱和蒸汽；吸收器110中吸收终了的第四溶液在第一溶液泵130的升压作用下，流经预热器900，在预热器900中释放出部分热量后变为过冷态溶液后作为工作流体进入喷射绝热吸收器140，在喷射绝热吸收器140中膨胀形成低压或真空，与其相连的回热蒸发器120中产生的蒸汽被吸入，工作流体与饱和饱和蒸汽在喷射绝热吸收器140内充分混合，最终形成居中压力的溶液，随后经第二溶液泵150升压后进入加热器100，形成系统循环。
实施例1
使用如图1所示的低温热源驱动的有机工质吸收式发电系统，包括将有机工质加热的加热器100、第一涡流管200、第一膨胀机300、第二涡流管400、第二膨胀机500、发电机600、冷凝器700、冷剂泵800、预热器900、吸收器110、回热蒸发器120、第一溶液泵130、喷射绝热吸收器140和第二溶液泵150。加热器100的饱和溶液出口102与第一涡流管200的第二进口201相连，第一涡流管200的第一热气出口202与第一冷气出口204并联后与第一膨胀机300的第三进口301连接，第一涡流管200的第一液体出口203与第二涡流管400的第四进口401相连，第二涡流管400的第二热气出口402与第二冷气出口404并联后与第二膨胀机500的第五进口501连接，第二涡流管400的第二液体出口403与回热蒸发器120的第二溶液进口123相连，回热蒸发器120的第二溶液出口122与吸收器110的稀溶液进口113相连，第一膨胀机300的第一出口302与吸收器110的冷剂蒸汽进口112相连，第二膨胀机500的第二出口502与冷凝器700的第六进口701相连，冷凝器700的第三出口702与冷剂泵800的第七进口801相连，冷剂泵800的第四出口802与预热器900的第一冷剂液进口901相连，预热器900的第一冷剂液出口902与吸收器110的第二冷剂液进口111相连，吸收器110的第二冷剂液出口114与回热蒸发器120的第三冷剂液进口121相连，回热蒸发器120的冷剂蒸汽出口124与喷射绝热吸收器140的引射流体进口142相连，吸收器110的浓溶液出口115与第一溶液泵130的第八进口131相连，第一溶液泵130的第五出口132与预热器900的第一溶液进口903，预热器900的第一溶液出口904与喷射绝热吸收器140的工作流体进口141相连，喷射绝热吸收器140的混合流体出口143与第二溶液泵150的第九进口151相连，第二溶液泵150的第六出口152与加热器100的第一进口101相连，第一膨胀机300通过联轴器与第二膨胀机500和发电机600相连。
系统各部件之间的连接方式为金属管道连接。第二涡流管400的第四进口401的位置低于第一涡流管200的第一液体出口203的位置，回热蒸发器120的第二溶液进口123的位置低于第二涡流管400的第二液体出口403的位置，吸收器110的稀溶液进口113的位置低于回热蒸发器120的第二溶液出口122的位置。第二涡流管400的第四进口401的位置低于第一涡流管200的第一液体出口203的位置，以保证第一涡流管200出口的稀溶液能在重力作用下自行流入第二涡流管400；回热蒸发器120的第二溶液进口123的位置低于第二涡流管400的第二液体出口403的位置，以保证第二涡流管400出口的稀溶液能在重力的作用下自行流入回热蒸发器120；吸收器110的稀溶液进口113的位置低于回热蒸发器120的第二溶液出口122的位置，以保证回热蒸发器120出口的稀溶液能在重力的作用下自行流入吸收器110。
系统的工作流体可以为R1234yf、R1233zd(E)、R1336mzz(Z)、R1234ze(E)或R1234ze(Z)中的一种或几种作为制冷剂与高沸点有机物TrEGDME、TEGDME或NMP中的一种作为吸收剂组成的混合物。在实际选择工作流体时，可以选择R1234yf、R1233zd(E)、R1336mzz(Z)、R1234ze(E)或R1234ze(Z)中的一种或几种和TrEGDME、TEGDME或NMP中的一种混合作为发电系统的工作流体，本领域技术人员可根据实际需要选择，在本实施例中以R1233zd(E)/TEGDME溶液为工作流体，其中R1233zd(E)与TEGDME的质量比为0.3～0.7，对比现有技术，本实施例中发电系统驱动热源的温度可以降低20℃左右，拓宽了吸收式发电系统的应用范围，本实施利用90℃左右的低品位热源，发电系统的热效率可以提高约5％～15％。
以R1233zd(E)/TEGDME溶液作为循环工质，低温热源驱动的有机工质吸收式发电系统的工作原理为：
过冷态的R1233zd(E)/TEGDME基本(浓)溶液在加热器100中被外部低品位热源加热至饱和溶液后进入第一涡流管200，经第一涡流管200的膨胀降压，低沸点的有机工质R1233zd(E)汽化，生成气液两相混合物，在第一涡流管200中经过高速旋转流动，分离出过热气体、饱和气体以及饱和溶液，从第一涡流管200中流出的R1233zd(E)过热蒸汽与饱和蒸汽混合进入第一膨胀机300中膨胀做功；从第一涡流管200中流出的R1233zd(E)/TEGDME稀溶液在重力的作用下进入第二涡流管400，再次经膨胀降压，低沸点的有机工质R1233zd(E)汽化，生成气液两相混合物，在其中经过高速旋转流动，分离出过热气体、饱和气体以及饱和溶液，从第二涡流管400中流出的R1233zd(E)过热蒸汽与饱和蒸汽混合进入第二膨胀机500中膨胀做功；从第二涡流管400中流出的R1233zd(E)/TEGDME稀溶液在重力的作用下流经回热蒸发器120放热后进入吸收器110；第一膨胀机300与第二膨胀机500做功带动通过联轴器与第一膨胀机300和第二膨胀机500相连的发电机600运转发电；第一膨胀机300中的R1233zd(E)蒸汽膨胀至第二膨胀机500的进口压力后进入吸收器110，被来自第二涡流管400的R1233zd(E)/TEGDME稀溶液吸收；第二膨胀机500中的R1233zd(E)蒸汽膨胀至冷凝压力后进入冷凝器700，在冷凝器700中被冷凝器的外部冷却介质冷却成液态；R1233zd(E)冷剂液经冷剂泵800升压至一定压力后流经预热器900吸收部分热量，随后进入吸收器110中，在其中被吸收过程产生的热量加热至对应压力下的饱和液态后流进回热蒸发器120中，在回热蒸发器120中被进一步加热，生成R1233zd(E)饱和蒸汽；吸收器110中吸收终了的R1233zd(E)/TEGDME溶液在第一溶液泵130的升压作用下，流经预热器900，在预热器900中逆向流动释放出部分热量后变为过冷态溶液后作为工作流体进入喷射绝热吸收器140，在其中迅速膨胀形成低压或真空，与其相连的回热蒸发器120中产生的R1233zd(E)冷剂蒸汽被吸入，稀溶液与冷剂蒸汽在喷射绝热吸收器140内充分混合并伴随着动量与能量交换，最终形成居中压力的R1233zd(E)/TEGDME基本溶液，随后经第二溶液泵150升压后进入加热器100，形成系统循环。
以上对本发明提供的低温热源驱动的有机工质吸收式发电方法及其系统进行了详细的介绍，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。