CN101598040A - 动力循环系统以及动力循环方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种动力循环系统以及动力循环方法。该动力循环系统包括汽轮机，其具有进气管道和排气管道；发生器，内装有吸收溶液以及发生换热器，该发生换热器用于加热该吸收溶液以产生吸收循环工质蒸汽，该发生换热器的进口连接于所述汽轮机的排气管道；吸收器，内装有吸收溶液以及吸收换热器，该吸收换热器的进口连接于所述发生换热器的出口，该吸收换热器的出口连接于所述汽轮机的进气管道；所述的发生器和吸收器设有连通管道；吸收剂结晶器，其包括：结晶器吸收溶液入口、结晶器稀溶液出口以及含结晶溶液输出口。该动力循环系统通过回用汽轮机排汽所具有的冷凝热，显著提高了动力循环的热效率和发电效率。

Description

动力循环系统以及动力循环方法

技术领域

本发明涉及一种热能工程领域的动力循环技术，特别涉及一种将吸收式热泵循环融合到动力循环中的动力循环系统以及动力循环方法。

背景技术

汽轮发电机是常规热机发电的主要方式之一。基于朗肯循环的汽轮发电机的工作原理是，以高温高压的蒸汽作为进汽驱动汽轮机，并带动发电机进行发电，蒸汽经膨胀做功后形成低压的排汽从汽轮机排出。排汽进入冷凝器向冷却水放热冷凝成水后，由给水泵加压送入锅炉，水在锅炉中受热蒸发形成高温高压蒸汽，从而完成循环。如上所述，由于在朗肯循环中工质(排汽)经冷凝器向外部排放大量的冷凝潜热，因而朗肯循环的热效率即汽轮机的发电效率较低，通常在10～40％的水平，发电效率随进汽温度和压力的降低而降低。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有的热机发电系统尤其是汽轮发电机组存在的热效率低以及所要求热源的能量品位高的问题，而提供一种新的动力循环方法以及动力循环系统，所要解决的技术问题是使其可将多样的、包括高中低品位的外部热源的热量高效率地转化为功或者电力，从而实现清洁高效的新型热机动力循环技术，更加适于实用，且具有产业上的利用价值。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种动力循环系统，其包括：汽轮机，用于在蒸汽驱动下做功或者发电，其具有进气管道和排气管道；发生器，内装有吸收溶液以及发生换热器，该发生换热器用于加热该吸收溶液以产生吸收循环工质蒸汽，该发生换热器的进口连接于所述汽轮机的排气管道；吸收器，内装有吸收溶液以及吸收换热器，该吸收换热器用于加热动力循环工质以产生高温高压的动力循环工质蒸汽，该吸收换热器的进口连接于所述发生换热器的出口，该吸收换热器的出口连接于所述汽轮机的进气管道；所述的发生器和吸收器设有连通管道；吸收剂结晶器，其包括：结晶器吸收溶液入口，通过管道连接于吸收器吸收溶液出口和发生器溶液出口；结晶器稀溶液出口，通过管道连接于发生器的吸收溶液入口；及含结晶溶液输出口，通过管道连接于吸收器的吸收溶液入口。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的动力循环系统，其中所述的汽轮机的排气管道和所述的汽轮机的进气管道中的至少一个上设有加热器。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的动力循环系统，其中所述的加热器为换热器、蓄热式加热器、太阳能集热器或者燃烧器。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的动力循环系统，其还包括吸收溶液自换热器，设置于所述的吸收剂结晶器与发生器和吸收器连接的管道上，用于进行进入吸收剂结晶器的吸收溶液、从吸收剂结晶器输出的稀溶液和从吸收剂结晶器输出的含结晶溶液之间的热交换。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的动力循环系统，其中所述的发生器中的吸收溶液的浓度小于吸收器中的吸收溶液的浓度。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的动力循环系统，其中所述的吸收溶液的吸收剂为LiBr、LiCl、LiNO₃、Li₂SO₄、ZnCl₂、ZnBr₂、NaCl、KCl、Na₂SO₄、K₂SO₄、NaBr、KBr、CaCl₂和MgBr₂中的一种或者几种的混合物。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种动力循环方法包括：

(1)在吸收器中，高浓度的吸收溶液吸收来自发生器的吸收循环工质蒸汽，释放吸收热以加热吸收换热器中的动力循环工质，使其产生高温高压的动力循环工质蒸汽；

(2)上述的动力循环工质蒸汽被导入汽轮机中，驱动该汽轮机对外做功或者发电；

(3)汽轮机排出低温低压的动力循环工质蒸汽，将该排汽导入发生换热器中凝结，释放冷凝热以加热发生器中的吸收溶液，使其产生吸收循环工质蒸汽；

(4)将发生器中产生的吸收循环工质蒸汽导入吸收器中；

(5)将吸收器和发生器中的吸收溶液输出到吸收剂结晶器中，在结晶器中产生吸收剂结晶，并进行固液分离，固液分离后的稀溶液输送至发生器中，含结晶溶液输送至吸收器中。

优选的，前述的动力循环方法，其还包括：对吸收器和发生器输出到吸收剂结晶器的吸收溶液、从吸收剂结晶器输出的稀溶液以及含结晶溶液进行热交换。

优选的，前述的动力循环方法，从吸收换热器中输出的动力循环工质蒸汽和汽轮机排出的动力循环工质蒸汽的其一或者二者由外部热源加热。

优选的，前述的动力循环方法，其中所述的外部热源为地热、太阳能热、低谷电、中低温余热或者燃料燃烧热。

优选的，前述的动力循环方法，采用外部冷源对所述的吸收剂结晶器进行冷却。

优选的，前述的动力循环方法，所述的吸收器中吸收溶液的吸收剂质量浓度比发生器中吸收溶液的吸收剂质量浓度高7wt％以上。

优选的，前述的动力循环方法，其中所述发生器中吸收溶液的饱和蒸汽压高于吸收器中吸收溶液的饱和蒸汽压0.05kPa以上。

本发明与现有技术相比具有如下明显的优点和有益效果：

(1)通过回用汽轮机排汽所具有的冷凝热，显著提高了动力循环的热效率和发电效率；

(2)由于无需使用外部冷量对排汽进行冷却，可大幅降低冷却塔的冷却负荷，从而显著节约宝贵的水资源；

(3)可将多样的、较低品位的能源，包括太阳能热等可再生能源，秸秆、薪柴、沼气、生物乙醇等生物质能，中低温余热以及低谷电等清洁高效地转化为电能。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明实施例1的动力循环系统的流程图。

图2是本发明实施例2的动力循环系统的流程图。

图3是本发明实施例3的动力循环系统的流程图。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的动力循环系统其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

请参阅图1所示，是本发明实施例1的动力循环系统的流程图。该动力循环系统主要包括：汽轮机200、发生器10、吸收器20以及吸收剂结晶器30。所述的汽轮200机为在蒸汽推动下进行发电或者做功的设备，其可以采用现有技术中的设备。汽轮机200，其具有连接于输入端的进气管道240和连接于输出端的排气管道230，通过传动设备连接于发电机210。发电机210由汽轮机驱动产生电力。在发生器10、吸收器20以及吸收剂结晶器30内填充有吸收溶液，并使该吸收溶液在上述三个装置之间进行循环。所述的吸收溶液是由吸收循环工质以及溶解在该工质中的吸收剂构成。所述的吸收溶液的吸收剂为LiBr、LiCl、LiNO₃、Li₂SO₄、ZnCl₂、ZnBr₂、NaCl、KCl、Na₂SO₄、K₂SO₄、NaBr、KBr、CaCl₂和MgBr₂中的一种或者几种的混合物，所述的吸收循环工质为水、氨、甲醇和乙醇中的一种或者几种的混合物。

发生器10，具有发生器稀溶液入口和发生器吸收溶液出口，并在该发生器10内设有发生换热器11。该发生器10用于浓缩吸收溶液，即通过发生换热器11向发生器10内的吸收溶液提供热量，使发生器中吸收溶液中的工质蒸发从而产生工质蒸汽。在发生器10和吸收器20之间设有蒸汽管道12，用于连通发生器和吸收器，从而可以将发生器10产生的工质蒸汽导入吸收器20中。所述的发生器吸收溶液出口，可以设置于发生器10的底部，从而输出经过浓缩的吸收溶液到吸收剂结晶器30中。所述的发生换热器11用于加热发生器10中的吸收溶液以产生吸收循环工质蒸汽，该发生换热器11的进口连接于所述汽轮机的排气管道230。由于从汽轮机200排出的动力循环蒸汽具有高于发生器10工作温度的饱和温度，所以其可以作为热源，通过冷凝释放冷凝热对发生器内的吸收溶液进行加热。

吸收器20，具有吸收器吸收溶液入口、吸收器吸收溶液出口，并在该吸收器20内设有吸收换热器21。该吸收器20用于吸收来自发生器10的吸收循环工质蒸汽，当高浓度的吸收溶液吸收工质时，可在较高的温度下释放出吸收热。该吸收换热器21的入口连接于上述的发生换热器11的出口，上述的吸收热所产生的高温热量传递给吸收换热器21中的动力循环工质，使液体的动力循环工质转化为具有较高温度和压力的动力循环工质蒸汽。该吸收换热器21的出口连接于所述汽轮机的进气管道240，从而可以将上述动力循环工质蒸汽导入汽轮机200中，从而驱动汽轮机200做功或者进而驱动发电机210发电。吸收溶液吸收来自发生器10的吸收循环工质蒸汽后浓度降低，浓度降低后的吸收溶液通过吸收器吸收溶液出口输送到吸收剂结晶器30。上述的吸收器中的吸收溶液的浓度要大于发生器中的浓度，其间的浓度差越大越有利于提高动力循环系统的输出功率和能量利用效率。

吸收剂结晶器30，其包括：结晶器吸收溶液入口，通过管道连接于吸收器的吸收溶液出口和发生器的吸收溶液出口；结晶器稀溶液出口，通过管道连接于发生器的吸收溶液入口；及含结晶溶液输出口，通过管道连接于吸收器的吸收溶液入口。该吸收剂结晶器30还具有冷媒循环设备，用于向吸收剂结晶器30内的吸收溶液提供冷量，使吸收剂结晶器30内的吸收溶液温度降低，当达到吸收剂的结晶温度以下时，析出吸收剂结晶。经沉降分离后，吸收剂结晶从含结晶溶液输出口输出到吸收器20中，吸收剂浓度降低了的稀溶液从结晶器稀溶液出口输送到发生器10内。

在本实施例中，在进气管道240上设有加热器220，用于对进入汽轮机的动力循环蒸汽进行加热，以进一步提高导入汽轮机的蒸汽温度从而有利于提高汽轮机的输出功量和排汽干度。所述的加热器220为换热器、蓄热式加热器、地热式加热器、太阳能集热器或者燃烧器。所述燃料器的燃料可为薪柴、煤、天然气、石油液化气、沼气、生物乙醇、秸秆或者燃料油等可以燃烧的物质。上述加热器220的加热方式可采用直接加热方式，亦可采用循环热媒与被加热的蒸汽进行换热的方式。

如上述结构构成的动力循环系统，由汽轮机、发生换热器、吸收换热器和加热器及其连接管道构成了一个封闭的动力循环工质的循环回路，在吸收器中通过以较高浓度的吸收溶液吸收在发生器中产生的吸收工质蒸汽，可以产生较高温度的吸收热从而使吸收换热器中动力循环工质从液态转化为具有较高温度和较高压力的蒸汽。该动力循环工质蒸汽进入汽轮机做功，从而输出动力或者驱动发电机产生电力。而由发生器、吸收器、吸收剂结晶器及其连接管道构成了封闭的吸收剂和吸收循环工质的循环回路，可实现吸收器中吸收溶液浓度的提升和发生器中吸收溶液浓度的降低，并实现吸收循环工质在发生器和吸收器之间以蒸汽态从发生器传到吸收器，而以液态从吸收器回到发生器的循环。通过上述两个循环，可以使加热器提供的热量尽可能多的被用于汽轮机的做功上，从而使得该循环系统可以高效率地利用外部热源进行做功或者发电。

请参阅图2所示，是本发明实施例2的流程图。本实施例的动力循环系统与实施例1相比，其增加了吸收溶液自换热器40，设置于所述的吸收剂结晶器30与发生器10和吸收器20连接的管道上，用于对进入吸收剂结晶器的吸收溶液、从吸收剂结晶器输出的稀溶液和从吸收剂结晶器输出的含结晶溶液进行热交换。吸收溶液自换热器30的作用在于，经过热交换之后，进入吸收剂结晶器30的吸收溶液温度降低，有利于结晶的形成，从而节约了结晶所需的冷量；输出到发生器10的稀溶液的温度得到了提高，有利于吸收循环工质的蒸发；输出的含吸收剂结晶溶液的温度也得到了提高，从而有利于保持吸收器20在较高的温度下工作。

请参阅图3所示，是本发明实施例3的流程图。本实施例的动力循环系统与实施例2相比，在汽轮机的排气管道230中增加了另一个加热器250，用于对排汽管道230中的排汽进行加热。由于所述排气的温度显著低于进汽的温度，因而通过加热器250可以有效地将更低品位的外部热源用于发电。

在上述各个实施例中，仅描述了完成本发明技术方案的基本流程，对于实现该流程的其他零件或者设备进行了如略，例如，保证各个物质流动方向所需的泵或者阀门。例如，在图3中所示的泵260，其是用于使动力循环工质增压而从发生换热器流向吸收换热器。对于实现上述各个实施例所述的动力循环系统所需要的其他设备或者零件，本领域人员皆可在现有技术中找到对应的技术手段，本发明人在此不再赘述。

本发明的实施例4还提出了一种基于实施例1的动力循环系统的动力循环方法，其包括以下步骤：

(1)在吸收器中，高浓度的吸收溶液吸收来自发生器的吸收循环工质蒸汽，释放吸收热以加热吸收换热器中的动力循环工质，使其从液态转化为具有较高温度和压力的蒸汽；

(2)所述的动力循环工质蒸汽经加热器由外部热源加热，然后，被导入汽轮机中，驱动该汽轮机对外做功或者发电；

(3)汽轮机排出动力循环工质蒸汽，并将该排汽导入发生换热器中凝结，释放冷凝热以加热发生器中的吸收溶液，使其产生吸收循环工质蒸汽；

(4)将发生器中产生的吸收循环工质蒸汽导入吸收器中；

(5)将吸收器和发生器中的吸收溶液输出到吸收剂结晶器中，采用外部冷源对所述的吸收剂结晶器进行冷却，在结晶器中产生吸收剂结晶，并进行沉降分离，沉降分离后的稀溶液输送至发生器中，含结晶溶液输送至吸收器中。

本发明的实施例5还提出了一种基于实施例2的动力循环系统的动力循环方法，本实施例的动力循环方法与实施例4相比，其还包括对吸收器和发生器输出到吸收剂结晶器的吸收溶液、从吸收剂结晶器输出的稀溶液以及含结晶溶液进行热交换。经过该热交换步骤可以有效的降低对冷量的需求。

本发明的实施例6还提出了一种基于实施例3的动力循环系统的动力循环方法，本实施例的动力循环方法与实施例5相比，其还包括对汽轮机排出的动力循环工质蒸汽进行加热的步骤。

在上述实施例4-6中，所述的外部热源为地热、太阳能热、低谷电、中低温余热或者燃料燃烧热；所述的吸收器中吸收溶液的吸收剂质量浓度比发生器中吸收溶液的吸收剂质量浓度高7wt％以上；同时，所述发生器中吸收溶液的饱和蒸汽压高于吸收器中吸收溶液的饱和蒸汽压0.05kPa以上。

本发明的上述实施例所述的技术方案对所采用吸收溶液的种类并无特别的限制，上述实施例皆以水-溴化锂为工质对的吸收溶液为例进行了说明，作为本发明所采用工质对的工质，除了水之外，也可采用氨、甲醇、乙醇及其混合物等，作为本发明所采用工质对的吸收剂，除了溴化锂之外，也可以采用LiCl、LiNO₃、Li₂SO₄、ZnCl₂、ZnBr₂、NaCl、KCl、Na₂SO₄、K₂SO₄、NaBr、KBr、CaCl₂或MgBr₂及其混合物等。

以下通过具有具体参数的实施例来说明上述实施例的可实施性。

实例1

本实例采用实施例5所述的方法，采用150℃工业余热作为外部热源对汽轮机进汽和汽轮机排汽进行加热，而采用5℃的冷却水来冷却吸收剂结晶器，汽轮机绝热效率为80％，发电机效率为90％，本实例的动力循环系统发电效率为22％。

实例2

本实例采用实施例5所述的方法，采用来自地热换热器的200℃热能作为外部热源对汽轮机进汽和汽轮机排汽进行加热，而采用5℃的冷却水来冷却吸收剂结晶器，汽轮机绝热效率为80％，发电机效率为90％，本实例的动力循环系统发电效率为34％。

实例3

本实例采用实施例4所述的方法，采用来自锅炉的250℃燃烧烟气作为外部热源对汽轮机进汽进行加热，而采用20℃的冷却水来冷却吸收剂结晶器，汽轮机绝热效率为80％，发电机效率为90％，本实例的动力循环系统发电效率为33％。

实例4

本实例采用实施例4所述的方法，采用来自太阳能集热器的400℃热能作为外部热源对汽轮机进汽进行加热，而采用20℃的冷却水来冷却吸收剂结晶器，汽轮机绝热效率为80％，发电机效率为90％，本实例的动力循环系统发电效率为37％。

比较例

本比较例采用基于朗肯循环的汽轮发电机，采用地热换热器的200℃热能作为蒸汽锅炉的热源，而采用20℃的冷却水作为排汽冷凝器的冷源，汽轮机绝热效率为80％，发电机效率为90％，本比较例的发电效率为17％。

上述实例以及比较例的动力循环系统发电效率的计算公式如下：

η_c＝P/Q

   ＝(Q-q₁-q₂)×η_p/Q

   ＝ΔH×η_p/Q

η_c：动力循环系统的发电效率

P：动力循环系统的发电量，kJ

Q：动力循环工质从外部热源吸收的热量，kJ

η_p：发电机效率

q₁：吸收剂结晶器的冷却量，kJ

q₂：系统的散热损失，kJ

ΔH：进汽与排汽的焓差，kJ

下表1为上述实例1～4的工作参数和性能。

表1

为实现上述技术方案所必须的其他技术手段皆可采用现有技术中的技术实现。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (13)

1、一种动力循环系统，其特征在于其包括：

汽轮机，用于在蒸汽驱动下做功或者发电，其具有进气管道和排气管道；

发生器，内装有吸收溶液以及发生换热器，该发生换热器用于加热该吸收溶液以产生吸收循环工质蒸汽，该发生换热器的进口连接于所述汽轮机的排气管道；

吸收器，内装有吸收溶液以及吸收换热器，该吸收换热器用于加热动力循环工质以产生动力循环工质蒸汽，该吸收换热器的进口连接于所述发生换热器的出口，该吸收换热器的出口连接于所述汽轮机的进气管道；

所述的发生器和吸收器设有连通管道；

吸收剂结晶器，其包括：

结晶器吸收溶液入口，通过管道连接于吸收器吸收溶液出口和发生器溶液出口；

结晶器稀溶液出口，通过管道连接于发生器的吸收溶液入口；及

含结晶溶液输出口，通过管道连接于吸收器的吸收溶液入口。

2、根据权利要求1所述的动力循环系统，其特征在于其中所述的汽轮机的排气管道和所述的汽轮机的进气管道中的至少一个上设有加热器。

3、根据权利要求1所述的动力循环系统，其特征在于其中所述的加热器为换热器、蓄热式加热器、太阳能集热器或者燃烧器。

4、根据权利要求1所述的动力循环系统，其特征在于其还包括吸收溶液自换热器，设置于所述的吸收剂结晶器与发生器和吸收器连接的管道上，用于进行进入吸收剂结晶器的吸收溶液、从吸收剂结晶器输出的稀溶液和从吸收剂结晶器输出的含结晶溶液之间的热交换。

5、根据权利要求1所述的动力循环系统，其特征在于其中所述的发生器中的吸收溶液的浓度小于吸收器中的吸收溶液的浓度。

6、根据权利要求1所述的动力循环系统，其特征在于其中所述的吸收溶液的吸收剂为LiBr、LiCl、LiNO₃、Li₂SO₄、ZnCl₂、ZnBr₂、NaCl、KCl、Na₂SO₄、K₂SO₄、NaBr、KBr、CaCl₂和MgBr₂中的一种或者几种的混合物。

7、一种动力循环方法，其特征在于包括：

(1)在吸收器中，高浓度的吸收溶液吸收来自发生器的吸收循环工质蒸汽，释放吸收热以加热吸收换热器中的动力循环工质，使其产生高温高压的动力循环工质蒸汽；

(2)上述的动力循环工质蒸汽被导入到汽轮机中，驱动该汽轮机对外做功或者发电；

(3)汽轮机排出低温低压的动力循环工质蒸汽，将该蒸汽导入发生换热器中凝结，释放冷凝热以加热发生器中的吸收溶液，使其产生吸收循环工质蒸汽；

(4)将发生器中产生的吸收循环工质蒸汽导入吸收器中；

(5)将吸收器和发生器中的吸收溶液输出到吸收剂结晶器中，在结晶器中产生吸收剂结晶，并进行固液分离，固液分离后的稀溶液输送至发生器中，含结晶溶液输送至吸收器中。

8、根据权利要求7所述的动力循环方法，其特征在于其还包括：对吸收器和发生器输出到吸收剂结晶器的吸收溶液、从吸收剂结晶器输出的稀溶液以及含结晶溶液进行热交换。

9、根据权利要求7所述的动力循环方法，其特征在于从吸收换热器中输出的动力循环工质蒸汽和汽轮机排出的动力循环工质蒸汽的其一或者二者由外部热源加热。

10、根据权利要求9所述的外部热源为地热、太阳能热、低谷电、中低温余热或者燃料燃烧热。

11、根据权利要求7所述的动力循环方法，其特征在于采用外部冷源对所述的吸收剂结晶器进行冷却。

12、根据权利要求7所述的动力循环方法，其特征在于所述的吸收器中吸收溶液的吸收剂质量浓度比发生器中吸收溶液的吸收剂质量浓度高7wt％以上。

13、根据权利要求7所述的动力循环方法，其特征在于其中所述发生器中吸收溶液的饱和蒸汽压高于吸收器中吸收溶液的饱和蒸汽压0.05kPa以上。

Images