CN101852106A

CN101852106A - 大幅度提高火力发电效率的方法

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Publication number: CN101852106A
Application number: CN201010165180A
Authority: CN
Inventors: 冯益安
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-04-21
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2010-10-06

Abstract

大幅度提高火力发电效率的方法涉及一种“超低温发电机”，方法是利用“磁制冷技术”等高效超低温制冷技术做功制冷，以氢气氦气等临界值较低的气体做介质，氢气氦气等气体在超低温下液化，形成汽轮机做功的低温环境即“冷凝***”，以火力电厂的冷凝***或其他低温热源作为变成“超低温发电机”的“蒸发器”，蒸发器对火力发电厂形成的“乏汽”进行热吸收后做功发电。以氢气为例，氢气的液化临界值温度约20K，磁制冷温度必须低于20K，根据卡诺热机原理，当低温端为20K，高温端为300K时，理论热机效率＝1-20/300＝93.33％，由于磁制冷技术消耗功率实际可以达到卡诺循环的30％，因此超低温热机效率远大于磁制冷技术消耗功率，可行性很大。超低温发电机配合火力发电机组使用可以大幅度提高效率，以山东省的火力发电厂为例在70％的转化效率下每年可以节约煤炭3000万吨以上，减少碳排放8000万吨。

Description

大幅度提高火力发电效率的方法

技术领域：热动力、发电、能量转化

背景技术：

火电厂的燃料燃烧总发热量中只有35％左右转变为电能，而60％以上的热能主要通过锅炉烟囱和汽轮机凝汽器的循环冷却水失散到环境中。相比之下，循环冷却水携带走的废热量又占其中绝大部分。

也就是说，使用过的蒸汽(乏汽)由于温度降低，难以再次直接利用。所以传统的做法就是将其送入冷凝器，经冷却水冷凝后排出。这样不仅浪费了蒸汽的余热潜热，还需增加一套体积庞大的冷却设备，消耗大量的冷却水。

为提高热效率，也曾采用多种方式进行回热循环，比如将气体全部抽出进行加热至新蒸汽参数温度后进行二次循环可以提高效率5％，但因为气体密度低，压力小，内含“焓”值低，不仅繁琐关键蒸汽越来越多转化率特低不能实现完全的热“循环”。还有一种方法就是采用联合循环：利用热力性能不同的工质组成联合动力装置，可改善整个装置的经济性。一个主要的联合方式是，以高温工质循环的排气(汽)作为低温工质循环的热源。联合装置的工质有燃气-蒸汽、汞蒸气-蒸汽、蒸汽-氨(或氟里昂)等多种形式

目前也有人提出用热泵将“乏汽”中的低温热源进行余热回收，但热泵的效能比如果低于3，或者***回收的温度不能达到较高温度，也不能被电厂循环利用。原因是热泵消耗了一部分电，虽然只占回收热能的35％左右，但热能转化成电只有40％左右，这样循环不仅成本大且对电厂的“发电”而言几乎没有经济效益。根据卡诺热机定理，回收热消耗的功，正是卡诺热机理论上做的功，所以凭压缩“乏汽”做功回收热再继续做功发电，人们称为“第二类永动机”，根据卡诺热机原理无法实现。

还有一种低温发电原理：根据卡诺热机原理，热机效率＝1-T低/T高，即当传热介质低温端温度无限低时，热机效率即可接近100％但永远达不到100％，有人提出用氦气冷凝做介质形成“低温端”，但形成“低温环境”又耗费能量，其耗费的能量大于热机做的功，这样又得不偿失，这种依然被人们称为“第二类”永动机。

过去制冷方式多是多级压缩式，但目前有一种“磁制冷技术”，效能可以达到30％-60％。用磁陷阱技术成功将绝对温度降低到了0.5纳k。

发明内容：

涉及一种“超低温发电机”，方法是利用“磁制冷技术”等高效超低温制冷技术做功制冷，以氢气氦气等临界值较低的气体做介质，氢气氦气等气体在超低温下液化，形成汽轮机做功的低温环境即卡诺循环的“冷凝***”，以原火力电厂的冷凝***或其他低温热源作为“超低温发电机”的“蒸发器”，蒸发器对火力发电厂形成的“乏汽”进行热吸收后做功发电。以氢气为例，氢气的液化临界值温度约20k，磁制冷温度必须低于20k，根据卡诺热机原理，当低温端为20k，高温端为300k时，理论热机效率＝1-20/300＝93.33％，由于磁制冷技术消耗功率实际可以达到卡诺循环的30％，因此超低温发电机的效率即“热机”效率远大于磁制冷技术消耗功率，可行性很大。超低温发电机配合火力发电机组使用可以大幅度提高现行火力发电厂的热能转化效率。

附图说明：

图1为超低温发电工艺流程示意图。(1)为低温蒸发器，(2)为汽轮机做功发电，3)为超低温冷凝器(4)为回流***。

具体实施方式：

如图1，在宏观上此“超低温发电机”就是现行的发电机的翻版，同样具有“蒸发器”(1)，“冷凝器”(3)，之间依靠汽轮机或者活塞运动做功(2)，冷凝后的液体回到蒸发器完成循环(4)。所不同的是汽轮机工作的温度区间不同，所用气体介质不同，冷凝方式不同。具体可描述：

以火力电厂的冷凝***或其他低温热源作为变成“超低温发电机”的“蒸发器”，蒸发器对火力发电厂形成的“乏汽”或其他低温热源进行热吸收，相当于火力发电厂中的锅炉加热***，低温介质如氢气氦气等在常温下已经具备“高压”，具有很强的做功能力。而低温热源如发电厂的乏汽一般在36℃-42℃，相当于热力学温度309.15k--315k，，对于20k以下的超低温液体已经很高。具有“锅炉”加热功能。

汽轮机做功的环境需保持密封，防止液体泄漏。因为氢气和氦气几乎无孔不入，在材料选择方面不仅要有保温性能还要有对低温气体的“防泄漏”功能。另外汽轮机的工作“温度”环境改变很大，原来在“高温”下工作，现在是“超低温”，部分材料会有改变，以适应“超低温”。

冷凝器即需要把温度降至氢气或氦气的临界值温度以下才可能导致冷凝，保温材料可用碳纤维。介质的选择是常温下“气体”的临界值接近绝对零度。

分析：此类发电机原理比较简单，但这种发电机往往误被认为“第二类永动机”，但此种设计的超低温发电机符合热力学第二定律，并且根据卡诺热机原理制作，有热源的传递，与第二类永动机有本质区别。遇到问题就是制冷的耗能问题，就是一个“经济性能”的问题。如果耗能大于汽轮机做功量，则得不偿失，比如用压缩式机械能做功就遇到这种情况，机械能压缩气体做功制冷就类似第二类“永动机”，虽然符合第二定律，但得不偿失。这种用高效率的“磁制冷技术”制造一个超低温的环境将做过功德氢气或氦气液化，消耗较小的热能，就可制冷。原因是：超低温发电机在300k左右的低温区吸收的热量通过汽轮机做功后已经基本通过发电输出，因为理论卡诺热机转化率大于93.33％，即使实际工作中超低温发电机的效率大于70％，磁制冷已经达到卡诺循环的30％～60％，所以经济上可行。如果把冷凝液体换成“氦气”，可把超低温环境降到2-3k，在这个温度下，根据卡诺循环热机效率可以达到99％以上，这样只有1％的能量需要在低温下冷却，这样会更节能。

超低温发电机配合火力发电机组使用可以大幅度提高现行火力发电机组的综合效率，减少热污染，实际上这是让地球变冷的一种技术，在我们的地球环境逐渐变热的同时推出超低温发电技术是保护地球应对气候变化的重要举措。

Claims

1.大幅度提高火力发电效率的方法涉及一种“超低温发电机”，方法是利用“磁制冷技术”等高效超低温制冷技术做功制冷，以氢气氦气等临界值较低的气体做介质，氢气氦气等气体在超低温下液化，形成汽轮机做功的低温环境即“冷凝***”，以火力电厂的冷凝***或其他低温热源作为变成“超低温发电机”的“蒸发器”，蒸发器对火力发电厂形成的“乏汽”进行热吸收后做功发电。以氢气为例，氢气的液化临界值温度约20k，磁制冷温度必须低于20k，根据卡诺热机原理，当低温端为20k，高温端为300k时，理论热机效率＝1-20/300＝93.33％，由于磁制冷技术消耗功率实际可以达到卡诺循环的30％，因此超低温热机效率远大于磁制冷技术消耗功率，可行性很大。与火力发电厂嫁接对火力发电厂的低温乏汽进行“二次”发电提高了火力发电厂的综合效率。

2.根据1所述，超低温发电机的实现不仅需要一个超低温的环境，还要有一个高效率的制冷技术，比如“磁制冷技术”不仅高效而且仅需消耗热能不需要机械力做功，区别于压缩制冷式，是超低温发电机的理想的制冷方式。

3.根据1所述，蒸发介质的选择是临界值较低氢气氦气类，其特征是超低温发电机的低温环境接近绝对零度，介质的液化临界点接近于绝对零度。

4.根据1所述，超低温发电机可以单独从废弃热源吸热用于发电，废弃热源的温度应高于0℃。