CN103806965A - 一种卡诺-朗肯双循环混合高效发电设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种卡诺-朗肯双循环混合发电设备,包括朗肯循环回路和卡诺循环回路;所述朗肯循环回路包括依次连接成环的给水泵、高压蒸汽锅炉、热功动力转换机械、冷凝器和气液分离器;所述卡诺循环回路包括依次串联的一组压缩机和换热器,一组压缩机两两之间设有冷却器;一组压缩机进口与气液分离器气体出口连接,所述换热器出口设于高压蒸汽锅炉和热功动力转换机械之间。该设备,将朗肯循环与卡诺循环直接结合,利用卡诺循环效率高的优点,对低效率的朗肯循环加以改进,从而实现了大幅度提高朗肯循环热效率的效果。
Description
技术领域
本发明属于电力设备领域,特别涉及一种卡诺-朗肯双循环混合发电设备。
背景技术
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。
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℃)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℃,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。
朗肯(W.J.M.Rankine,1820-1872年),英国科学家,他计算出的热力学循环(后称为朗肯循环)的热效率被作为计算蒸汽动力发电厂性能的方法。朗肯循环的特点是蒸汽工质的动力循环;朗肯循环发电是通过水在热力设备中不断进行等压加热(水蒸发)、绝热膨胀、等压放热(蒸汽冷凝)和绝热压缩4个过程的气液相变,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。常规的水蒸气朗肯循环有很多优点,做功发电量大,容易大规模发电,且使用的工质为水,具有热导率高、无毒、无腐蚀等优点,因此广泛应用于火力发电、核电及各类余热发电;然而,水蒸气朗肯循环最大的缺点是发电效率较低。如何提高水蒸气朗肯循环发电效率是一个难题,通常有两个途径:一是提高蒸汽的温度。蒸汽的温度越高,其显热/冷凝潜热比例越高,朗肯循环的热效率就越高,因此提高蒸汽的温度是提高热电转化效率的有效手段;然而,蒸气在高温运行时存在高压问题,在实际使用时由于设备材料强度的原因,蒸气温度的提高受到限制,抑制了朗肯循环热发电设备的热效率的提高。二是减少冷凝热的排放,然而该方法仅能从理论上述及,实际鲜有应用。
卡诺循环(Carnot cycle)是由法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年提出的,以分析热机的工作过程。卡诺循环是由两个等温过程和两个绝热过程所构成的气体循环,其特点是气体工质的动力循环在循环设备中不存在相变,其包括四个步骤:气体等温膨胀、气体绝热膨胀、气体等温压缩、气体绝热压缩。根据热力学第二定律,在相同的高、低温热源温度T1与T2之间工作的一切循环中,以卡诺循环的热效率为最高,称为卡诺定理。尽管卡诺循环的热效率高,但完全按照卡诺循环工作的热机在现实中是难以实现的,因为热机的膨胀做功是高压气体在较短的时间内完成的,是绝热膨胀过程,很难通过外部加热来实现等温膨胀过程;而低压气体等温压缩,也是在较短的时间内完成的,是绝热压缩过程,也很难通过外部冷凝来实现气体等温压缩过程。此外,卡诺循环是以气体作为传热循环工质,气体的热传导率较小,为水的1/20左右,换热较困难,用于加热及冷凝气体的换热器的体积远大于朗肯循环,造成换热设备的成本大幅度增加。
朗肯循环及卡诺循环都有各自的热力学优势,因此如何发挥其优势,克服缺点,探 索新的循环方法及理论,找到大幅度提高热力循环效率的新途径,无疑具有十分重要的意义。
发明内容
发明目的:本发明的目的在于提供一种发电效率高的卡诺-朗肯双循环混合发电设备,利用卡诺循环效率高的优点,对低效率的朗肯循环加以改进,从而实现大幅度提高朗肯循环热效率的目的。
技术方案:本发明提供的一种卡诺-朗肯双循环混合发电设备,包括朗肯循环回路和卡诺循环回路;所述朗肯循环回路包括依次连接成环的给水泵、高压蒸汽锅炉、热功动力转换机械、冷凝器和气液分离器;所述卡诺循环回路包括依次串联的一组压缩机和换热器,一组压缩机两两之间设有冷却器;一组压缩机进口与气液分离器气体出口连接,所述换热器出口设于高压蒸汽锅炉和热功动力转换机械之间。
作为优选,所述压缩机的数量为两个以上。
作为另一种优选,压缩机为涡旋式压缩机、螺杆式压缩机、离心式压缩机或活塞式压缩机。
作为另一种优选,还包括发电机,所述发电机与热功动力转换机械连接。
作为另一种优选,还包括第一调节阀,所述第一调节阀设于高压蒸汽锅炉和热功动力转换机械之间。
作为另一种优选,还包括第二调压阀,所述第二调压阀设于换热器和热功动力转换机械之间。
作为另一种优选,所述朗肯循环回路采用水作为朗肯循环工质。
作为另一种优选,所述卡诺循环回路采用二氧化碳、空气、氮气、氦气、氢气、氧气中的一种或几种的混合作为卡诺循环工质。
作为另一种优选,所述的热功动力转换机械为汽轮机或膨胀机。
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。
有益效果:本发明提供的卡诺-朗肯双循环混合发电设备,将朗肯循环与卡诺循环直接结合,利用卡诺循环效率高的优点,对低效率的朗肯循环加以改进,从而实现了大幅度提高朗肯循环热效率的效果。
具体而言,本发明将低效率的朗肯循环与高效率的卡诺循环结合,把两者有机的结 合起来,能够实现发挥各自的优势,形成一个双循环动力设备,从而大幅度提高了设备的热效率,该发电设备能够比传统的朗肯循环发电装置效率提高20%以上。
本发明设备既可对现有火力、核电、各种余热电站及太阳热电站的大、中、小的发电机组加以改造,以提高其发电效率,也可用于新建卡诺-朗肯双循环混合发电设备用于高效发电机组的设计、建造;该设备可大幅度节约能源消耗,具有发电效率高、发电量大等优点。
附图说明
图1为本发明卡诺-朗肯双循环混合发电设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出进一步说明。
卡诺-朗肯双循环混合发电设备,见图1,包括朗肯循环回路1、卡诺循环回路2和发电机3;朗肯循环回路1包括依次连接成环的给水泵11、高压蒸汽锅炉12、第一调节阀16、热功动力转换机械13、冷凝器14和气液分离器15;卡诺循环回路2包括依次串联的一组压缩机21、换热器22和第二调压阀23,一组压缩机21两两之间设有冷却器,即卡诺循环回路2包括依次串联的第一级压缩机24、第一冷却器25、第二级压缩机26、第二冷却器27、第三级压缩机28、换热器22和第二调压阀23;第一级压缩机24进口与气液分离器15气体出口连接,第二调压阀23出口设于第一调节阀16和热功动力转换机械13之间;发电机3与热功动力转换机械13连接。
本发明中,压缩机21的数量为3个,可选地,压缩机21的数量也可以根据需要合理设置,只要是在一个以上均可实现本发明的目的,然而,使用两个以上的压缩机串联,能够大大提高发电效率。
本发明中,热功转换机械13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。
本发明中,压缩机21为涡旋式压缩机;可选地,也可以选择任意合适的,压缩机;优选地,可选用涡旋式压缩机、螺杆式压缩机、离心式压缩机或活塞式压缩机。
该装置的工作原理为:
气液分离器15分离的水被给水泵11泵入高压蒸汽锅炉12中加热形成高温高压的饱和蒸汽,进入热功动力转换机械13中带动发电机3发电,乏汽经冷凝器14进入气液分 离器15形成凝结水和低压气体,气液分离器15将凝结水分离至朗肯循环回路1中,完成一次朗肯循环;气液分离器15将低压气体分离至卡诺循环回路2中,低压气体经压缩机21和冷却器,经数级冷却压缩后,产生高压气体,与高压锅炉1的高温高压的饱和蒸汽混合,形成高压混合蒸汽,进入热功动力转换机械13内,带动发电机3发电。
饱和水蒸气膨胀时,将由汽相冷凝为液相;由于卡诺循环回路产生的高压气体的热容远小于水,在膨胀做功时,其温度降低幅度将会大于饱和蒸汽的温度的降低幅度,迫使高压气体吸收饱和蒸汽释放的冷凝热,通过在热机内部加热高压气体,巧妙的实现了气体等温膨胀的过程。而卡诺循环回路中低压气体的等温压缩,是通过多极压缩及多极外部环境冷凝来实现等温压缩的过程。根据热力学理论,热机膨胀过程中等温膨胀做功最大,而在压缩过程中等温压缩最省功。但要实现等温压缩,必须使气体的热量随时与外界交换,气体温度与外界相等,这在实际工作中是不可能实现的。为降低压缩后的气体温度和减小压缩机功耗,尽可能向定温压缩过程靠近,分级压缩加中间冷却是有效的方法。分级压缩后必须经过中间冷却,使进入到第二级的压缩空气进气温度,等于或接近于第一级的进气温度,这样才能降低排气温度和压缩机功耗。
将上述卡诺-朗肯双循环混合发电设备用于不同条件下发电。
应用实例一,高压蒸汽锅炉12及换热器22的加热温度为400℃,朗肯循环回路1采用水作为工作介质,其饱和蒸汽的压力为21Mpa,冷凝器14冷凝温度为30℃,卡诺循环回路2采用氦气作为工作介质,冷凝采用水冷方式,两个循环高压侧的流量及压力相同。
应用实例二,高压蒸汽锅炉12及换热器22的加热温度为300℃,朗肯循环回路1采用水作为工作介质,其饱和蒸汽的压力为9Mpa,冷凝器14冷凝温度为30℃,卡诺循环回路2采用二氧化碳作为工作介质,冷凝采用风冷方式,两个循环高压侧的流量及压力相同。
应用实例三,高压蒸汽锅炉12及换热器22的加热温度为200℃,朗肯循环回路1采用水作为工作介质,其饱和蒸汽的压力为1.6Mpa,冷凝器14冷凝温度为30℃,卡诺循环回路2采用空气作为工作介质,冷凝采用风冷方式,两个循环高压侧的流量及压力相同。
以上的仅为本发明的具体实施例,除此之外的温度范围,可根据热源温度的高低对设备进行优化设计,调整各循环的流量及压力,以达到最高的热功转换效率。应用实例中的等流量的卡诺-蒸汽朗肯循环设备的热效率比较如表1。
表1 卡诺-蒸汽朗肯双循环混合设备的热效率比较
以上公开的仅为本发明的具体实施例,但是本发明并非局限于此,除此之外,本发明还可以其他方式实现,在不脱离本发明构思及发明精神的前提下,任何显而易见的修改及替换均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种卡诺-朗肯双循环混合发电设备,其特征在于:包括朗肯循环回路(1)和卡诺循环回路(2);所述朗肯循环回路(1)包括依次连接成环的给水泵(11)、高压蒸汽锅炉(12)、热功动力转换机械(13)、冷凝器(14)和气液分离器(15);所述卡诺循环回路(2)包括依次串联的一组压缩机(21)和换热器(22),一组压缩机(21)两两之间设有冷却器;一组压缩机(21)进口与气液分离器(15)气体出口连接,所述换热器(22)出口设于高压蒸汽锅炉(12)和热功动力转换机械(13)之间。
2.根据权利要求1所述的一种卡诺-朗肯双循环混合发电设备,其特征在于:所述压缩机(21)的数量为两个以上。
3.根据权利要求1所述的一种卡诺-朗肯双循环混合发电设备,其特征在于:压缩机(21)为涡旋式压缩机、螺杆式压缩机、离心式压缩机或活塞式压缩机。
4.根据权利要求1所述的一种卡诺-朗肯双循环混合发电设备,其特征在于:还包括发电机(3),所述发电机(3)与热功动力转换机械(13)连接。
5.根据权利要求1所述的一种卡诺-朗肯双循环混合发电设备,其特征在于:还包括第一调节阀(16),所述第一调节阀(16)设于高压蒸汽锅炉(12)和热功动力转换机械(13)之间。
6.根据权利要求1所述的一种卡诺-朗肯双循环混合发电设备,其特征在于:还包括第二调压阀(23),所述第二调压阀(23)设于换热器(22)和热功动力转换机械(13)之间。
7.根据权利要求1所述的一种卡诺-朗肯双循环混合发电设备,其特征在于:所述朗肯循环回路(1)采用水作为朗肯循环工质。
8.根据权利要求1所述的一种卡诺-朗肯双循环混合发电设备,其特征在于:所述卡诺循环回路(2)采用二氧化碳、空气、氮气、氦气、氢气、氧气中的一种或几种的混合作为卡诺循环工质。
9.根据权利要求1所述的一种卡诺-朗肯双循环混合发电设备,其特征在于:所述的热功动力转换机械(13)为汽轮机或膨胀机。
10.根据权利要求9所述的一种卡诺-朗肯双循环混合发电设备,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。
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