CN104929708A - 一种利用混合组分工质的低温热源热电转换***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用混合组分工质的低温热源热电转换***，包括产汽器，产汽器内从上至下依次设有喷淋器、第一加热器、第二加热器，盛有混合组分工质的热井通过带有加压输液泵的管路连接喷淋器；产汽器上部设有干汽器，干汽器通过管路连接涡轮机进气端，涡轮机连接发电机，涡轮机排气端通过管路连接混合器；产汽器下部设有回流器，回流器通过管路连接混合器，混合器连接凝汽器。本发明还提供了一种利用混合组分工质的低温热源热电转换方法。本发明可以精确控制回流器中汽、液态工质的流量比例，使液态工质能够对汽态工质完全吸收后液化，从而提高了***的循环效率，改善了涡轮机工作条件；***结构简单，成本低，运行操作方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温热源热电转换***，尤其涉及一种利用混合组分工质的低温热源热电转换***。
背景技术
目前，绝大多数的热动力***都是利用具有固定沸点的单一组分工作介质，采用朗肯循环技术，这种热动力***的效率受到沸点温度恒定的限制，因为汽化潜热较大，热源在散热过程中温度呈线性下降，具有固定沸点的工作介质在吸热过程在达到沸点之前，其温升与热源散热特性相同也呈线性。但是该工作介质在达到沸点温度后即继续吸收热量蒸发汽化，在汽化过程中但是温度保持不变直至全部液态工作介质变成汽态工质。也就是说，其汽化过程必须从热源中吸收大量热能，但是与热源的温差不能保持线性关系，导致整个热动力***的效率受到限制。
在授予Alexander I.Kalina的美国专利号为US4346561的文件中介绍了一种卡琳娜循环技术，卡琳娜循环是在朗肯循环基础上的一种“改进”，它将“纯”的循环介质变成了氨和水的“混合物”。氨-水混合物的物理特性既不同于纯水，又不同于纯氨，它采用了两种沸点稳定且能形成不固定沸点的相异工作介质，该工质不但在液态吸热过程中能保持与热源散热过程线性的温降特性平行，而且在汽化相变过程中也能使其温升特性与热源散热过程线性的温降特性近似保持平行，从而提高了整个热动力***的效率。
结合图1，卡琳娜循环的过程大致如下：工质从热井经氨泵送入分离式热交换器，加热后的工质经分离器分为富氨气和贫氨水，富氨气送入氨汽轮机做功，排出的乏汽送入冷凝器，贫氨水也输送至冷凝器，通过冷源降温后，汽态工质逐渐被液态工质吸收，混合物最终呈液态送入热井，完成一个热电转换循环过程。
由上述循环过程可知，对非单一组分循环工质而言，实现一个循环的关键是进入凝汽器中的液态工质对汽态工质的吸收效率。该吸收效率取决于下列因素：
1)汽轮机背压；
2)汽、液态工质的流量比例；
3)将汽态工质被液态工质吸收后释放出的热量携离的冷却水温度及流量。
在上列因素中，汽、液态工质的流量比例最为重要。在US434656专利文件实施“贫氨水→冷凝器”的过程操作时，仅依靠操作人员经验，通过手动或电动阀门操作实施，由于对离开分离器液态工质的真实流量、温度和密度不能在线知晓，即使通过熟练运行人员操作，手动调节“贫氨水→冷凝器”过程中液态和汽态工作介质的实际流量偏差通常会超过设计值的10％～15％以上，致使工质不能按精确比例相混合，导致液、汽态工质不能完全液化，使***循环效率下降，汽轮机背压无法稳定在设计值。同时，也给冷却水量和冷却塔工况调节带来困难。
另外，根据上述循环过程又可知：由于待加热工质从离开加压泵后，陆续经过分离式的各加热器、汽水分离器以及与各分离设备相关的隔离阀、调节阀以及连接管道，不但造成了占地和布置的困难，提高了工程成本，而且提高了汽轮机入口前工质的管道沿程和局部阻力损失约8％-10％，减少了汽轮机的输出轴功率和发电机的有效输出电功率约7％-9％。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何精确控制汽、液态工质的流量比例，使液态工质能够对汽态工质完全吸收后液化，从而提高***循环效率。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种利用混合组分工质的低温热源热电转换***，其特征在于：包括产汽器，产汽器内从上至下依次设有喷淋器、第一加热器、第二加热器，盛有混合组分工质的热井通过带有加压输液泵的管路连接喷淋器；产汽器上部设有干汽器，干汽器通过管路连接涡轮机进气端，涡轮机连接发电机，涡轮机排气端通过管路连接混合器；产汽器下部设有回流器，回流器通过管路连接混合器，混合器连接凝汽器。
优选地，所述混合组分工质同时满足以下两个条件：一、两种以上化学成分稳定的工作介质；二、两种以上沸点稳定且能形成不固定沸点的相异工作介质。
优选地，所述第一加热器与第二加热器共用同一低温热源，即低温热源先进入第一加热器，从第一加热器出来后再进入第二加热器。
优选地，所述第一加热器与第二加热器的传热面温度均高于所述混合组分工质的沸点温度。
优选地，所述凝汽器内通有冷却水源。
优选地，所述回流器连接混合器的管路上设有流量调节阀。
优选地，所述产汽器中的液位线位于第一加热器以下。
本发明还提供一种利用混合组分工质的低温热源热电转换方法，采用上述利用混合组分工质的低温热源热电转换***，步骤为：
步骤1：热井中的混合组分工质经由加压输液泵送入产汽器内的喷淋器，混合组分工质经由喷淋器先与具有高于混合组分工质沸点温度的第一加热器表面接触并使混合组分工质中沸点温度低于第一加热器表面温度的工质部分汽化；
步骤2：首批析出的汽态工质流逸至干汽器，未汽化的混合组分工质则进入产汽器下部并形成液位线；液位线以下的工质继续被具有高于混合组分工质沸点温度的第二加热器传热面继续加热，并继续析出汽态工质流逸往干汽器，汽态工质中的液态颗粒在干汽器中被去除；
步骤3：从干汽器出来的干汽态工质被输导往涡轮机，该汽态工质在涡轮机的叶片流道中被膨胀作功转换成机械能，驱动发电机以电能形式向电网供电；经涡轮机作过功的乏汽被排往混合器；
步骤4：位于产汽器中液位线下方的、部分沸点温度低于第一加热器表面温度且已被汽化后剩余的工作介质在第二加热器热传导面的加热下继续发生深度汽化，未被汽化的、密度较高的工作介质趋向于停留在产汽器下部，在回流器中形成沸点温度低于第一加热器表面温度的工作介质组分浓度最低区域；
步骤5：根据加压输液泵送入产汽器的总量和沸点温度低于第一加热器表面温度工作介质的组分比例及设计液位线，从回流器中取出液态工质，输送至混合器中与在涡轮机中作过功排出的乏汽混合；乏汽和未汽化混合组分工作介质在混合器中充分混合之后被引往凝汽器中，该汽、液混合物通过凝汽器降温后，汽、液混合物中的汽态工作介质逐渐被液态工作介质吸收；该混合物最终呈液态进入热井，完成一个热电转换循环过程
优选地，所述步骤5中，利用对产汽器的液位线的多冲量控制精确调节从回流器中取出的液态工质的量。
优选地，所述对产汽器的液位线的多冲量控制的测量参数包括：涡轮机进口汽态工质的流量、温度和密度，加压输液泵出口液态工作介质的流量、温度、密度，回流器出口至混合器入口管道上的液态工作介质的流量、温度、密度。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、将传统技术中使用的分离式混合工质加热器、分离器、液态工质回流装置组合成为一体式装置，优化了***功能，减少了项目投资，减少了涡轮机入口前工质的流动阻力，提高了热源的热电转换效率；
2、循环凝汽过程效率提高，相应提高了循环效率；
3、两级加热器的使用提高了汽液分离效率；
4、汽液分离效率的提高，改善了涡轮机工作条件和效率；
5、在凝汽器中设计布置了混合器，使得来自回流器的液态工质和涡轮机排出的汽态工质在重量流量上实现了按精确比例进入，还能实现汽-液态工质的均匀分布；
6、将热井和凝汽器组合成一体，简化了流程，降低了涡轮机背压，有利于提高热源的热点转换效率；
7、设备部件减少，***结构简单，成本低，运行操作方便。
附图说明
图1为卡琳娜循环过程示意图；
图2为本发明提供的利用混合组分工质的低温热源热电转换***示意图；
图3为本发明提供的***循环过程示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本发明提供了一种利用混合组分工质的低温热源热电转换***，混合组分工质满足以下两个条件：(1)两种以上化学成分稳定的工作介质；(2)两种以上沸点稳定且能形成不固定沸点的相异工作介质。其中，第(1)条是指两种以上相互不发生化学反应的机械混合物，如：氨、水比例任意的氨-水混合物，氨、水及其它工质组成的混合物。低温热源是指热源温度高于工质沸点温度的热源，含各种工业工艺废热、太阳能及地热等。热电转换是指低温热源低品位热能转换成向电网输出的电能。
图2为本发明提供的利用混合组分工质的低温热源热电转换***示意图，所述的利用混合组分工质的低温热源热电转换***包括盛有混合组分工作介质的热井1，加压输液泵11一端通过管路连接热井1，另一端通过管路连接产汽器8，产汽器8上部装有干汽器6，干汽器6通过管路连接涡轮机5进气端，涡轮机5连接发电机4，涡轮机5排气端通过管路连接混合器3，产汽器8下部装有回流器10，回流器10通过管路连接混合器3，混合器3连接凝汽器2，凝汽器2内通有冷却水源12。
产汽器8内从上至下依次设有喷淋器7、第一加热器9-1、第二加热器9-2，喷淋器7位于产汽器8内顶部，喷淋器7连接加压输液泵11；第一加热器9-1与第二加热器9-2共用同一低温热源，即低温热源先进入第一加热器9-1，从第一加热器9-1出来后再进入第二加热器9-2。
回流器10连接混合器3的管路上装有流量调节阀13。
结合图3，上述***的工作方法如下：
热井1中的混合组分工作介质经由加压输液泵11送入产汽器8，来自加压输液泵11的混合组分工作介质经由喷淋器7先与具有高于混合组分工作介质沸点温度的第一加热器9-1表面接触并使混合组分工作介质中沸点温度低于第一加热器9-1表面温度的工作介质部分汽化。
首批析出的汽态工质流逸至干汽器6，未汽化的混合组分工作介质则进入产汽器8下部并形成液位线9-0。液位线9-0以下的工作介质继续被具有高于混合组分工作介质沸点温度的第二加热器9-2传热面继续加热，并继续析出汽态工质流逸往干汽器6，汽态工质中的液态颗粒在干汽器6中被去除。
经过干汽器6除去液态颗粒的干工作介质汽体被输导往涡轮机5。该汽态工作介质的内能(压力及热焓)在涡轮机5叶片流道中被膨胀作功转换成机械能，驱动发电机4以电能形式向电网供电。
经涡轮机5作过功的乏汽被排往混合器3。
位于产汽器8中液位线9-0下方的、部分沸点温度低于第一加热器9-1表面温度且已被汽化后剩余的工作介质在第二加热器9-2热传导面的加热下继续发生深度汽化。未被汽化的、密度较高的工作介质趋向于停留在产汽器8下部，在回流器10中形成沸点温度低于第一加热器9-1表面温度的工作介质组分浓度最低区域。
根据加压输液泵11送入产汽器8的总量和沸点温度低于第一加热器9-1表面温度工作介质的组分比例及设计液位线9-0，从回流器10中取出液态工质，输送至混合器3中与在涡轮机5中作过功排出的乏汽混合。乏汽和未汽化混合组分工作介质在混合器3中充分混合之后被引往凝汽器2中，该汽、液混合物通过凝汽器2中的冷却水***12降温后，汽、液混合物中的汽态工作介质逐渐被液态工作介质吸收。该混合物最终呈液态进入热井1，完成一个热电转换循环过程。
本发明在“从回流器10中取出液态工质输送至混合器3”的过程中，利用对设计液位线9-0的多冲量控制器精确控制从回流器10中取出的液态工质的量，从而提高输送至混合器3中的液态工质与在涡轮机5中作过功排出的乏汽的混合度，提高凝汽器2中汽态工作介质被液态工作介质的吸收效率。具体如下方法如下：
1、在产汽器8中设置液位线9-0，并根据不同热源和输出功率将此液位线设计成控制目标；
2、在涡轮机5进口设置汽态工质流量、温度和密度测点。该参数群配合加压输液泵11运行控制输出功率和实现对液位线控制；
3、在加压输液泵11出口管道上对泵出液态工作介质的流量、温度、密度等运行参数设置采样点。该参数群除作为输出功率控制依据外，还用作进入混合器3液态流量的控制比较依据；
4、在回流器10出口至混合器3入口管道上对液态工作介质的流量、温度和密度等运行参数设置采样点。该参数群用作进入混合器3液态流量的控制比较和在线设定依据。
利用上列控制参数，采用PID控制算法，经过运算后，可获得从回流器10中取出的液态工质的量，通过流量调节阀13的调节，使得混合器3中液态和汽态工质能按精确比例相混合，使得液态工质能够对汽态工质完全吸收后液化，稳定了涡轮机背压，提高了循环效率。同时，也给冷却水量和冷却塔工况调节带来便利。
本发明由于对“回流器→混合器”过程设定了控制目标和通过多个控制冲量实现控制目标，以控制精度不低于1％计，本发明与US434656专利相比，混合效率提高10％左右，循环效率提高2％左右。
Claims (10)
1.一种利用混合组分工质的低温热源热电转换***，其特征在于：包括产汽器(8)，产汽器(8)内从上至下依次设有喷淋器(7)、第一加热器(9-1)、第二加热器(9-2)，盛有混合组分工质的热井(1)通过带有加压输液泵(11)的管路连接喷淋器(7)；产汽器(8)上部设有干汽器(6)，干汽器(6)通过管路连接涡轮机(5)进气端，涡轮机(5)连接发电机(4)，涡轮机(5)排气端通过管路连接混合器(3)；产汽器(8)下部设有回流器(10)，回流器(10)通过管路连接混合器(3)，混合器(3)连接凝汽器(2)。
2.如权利要求1所述的一种利用混合组分工质的低温热源热电转换***，其特征在于：所述混合组分工质同时满足以下两个条件：一、两种以上化学成分稳定的工作介质；二、两种以上沸点稳定且能形成不固定沸点的相异工作介质。
3.如权利要求1所述的一种利用混合组分工质的低温热源热电转换***，其特征在于：所述第一加热器(9-1)与第二加热器(9-2)共用同一低温热源，即低温热源先进入第一加热器(9-1)，从第一加热器(9-1)出来后再进入第二加热器(9-2)。
4.如权利要求1或3所述的一种利用混合组分工质的低温热源热电转换***，其特征在于：所述第一加热器(9-1)与第二加热器(9-2)的传热面温度均高于所述混合组分工质的沸点温度。
5.如权利要求1所述的一种利用混合组分工质的低温热源热电转换***，其特征在于：所述凝汽器(2)内通有冷却水源(12)。
6.如权利要求1所述的一种利用混合组分工质的低温热源热电转换***，其特征在于：所述回流器(10)连接混合器(3)的管路上设有流量调节阀(13)。
7.如权利要求1所述的一种利用混合组分工质的低温热源热电转换***，其特征在于：所述产汽器(8)中的液位线(9-0)位于第一加热器(9-1)以下。
8.一种利用混合组分工质的低温热源热电转换方法，其特征在于：采用如权利要求1～7任一项所述的利用混合组分工质的低温热源热电转换***，步骤为：
步骤1：热井(1)中的混合组分工质经由加压输液泵(11)送入产汽器(8)内的喷淋器(7)，混合组分工质经由喷淋器(7)先与具有高于混合组分工质沸点温度的第一加热器(9-1)表面接触并使混合组分工质中沸点温度低于第一加热器(9-1)表面温度的工质部分汽化；
步骤2：首批析出的汽态工质流逸至干汽器(6)，未汽化的混合组分工质则进入产汽器(8)下部并形成液位线(9-0)；液位线(9-0)以下的工质继续被具有高于混合组分工质沸点温度的第二加热器(9-2)传热面继续加热，并继续析出汽态工质流逸往干汽器(6)，汽态工质中的液态颗粒在干汽器(6)中被去除；
步骤3：从干汽器(6)出来的干汽态工质被输导往涡轮机(5)，该汽态工质在涡轮机(5)的叶片流道中被膨胀作功转换成机械能，驱动发电机(4)以电能形式向电网供电；经涡轮机(5)作过功的乏汽被排往混合器(3)；
步骤4：位于产汽器(8)中液位线(9-0)下方的、部分沸点温度低于第一加热器(9-1)表面温度且已被汽化后剩余的工作介质在第二加热器(9-2)热传导面的加热下继续发生深度汽化，未被汽化的、密度较高的工作介质趋向于停留在产汽器(8)下部，在回流器(10)中形成沸点温度低于第一加热器(9-1)表面温度的工作介质组分浓度最低区域；
步骤5：根据加压输液泵(11)送入产汽器(8)的总量和沸点温度低于第一加热器(9-1)表面温度工作介质的组分比例及液位线(9-0)，从回流器(10)中取出液态工质，输送至混合器(3)中与在涡轮机(5)中作过功排出的乏汽混合；乏汽和未汽化混合组分工作介质在混合器(3)中充分混合之后被引往凝汽器(2)中，该汽、液混合物通过凝汽器(2)降温后，汽、液混合物中的汽态工作介质逐渐被液态工作介质吸收；该混合物最终呈液态进入热井(1)，完成一个热电转换循环过程。
9.如权利要求8所述的一种利用混合组分工质的低温热源热电转换方法，其特征在于：所述步骤5中，利用对产汽器(8)的液位线(9-0)的多冲量控制精确调节从回流器(10)中取出的液态工质的量。
10.如权利要求9所述的一种利用混合组分工质的低温热源热电转换方法，其特征在于：所述对产汽器(8)的液位线(9-0)的多冲量控制的参考参数包括：涡轮机(5)进口汽态工质的流量、温度和密度，加压输液泵(11)出口液态工作介质的流量、温度、密度，回流器(10)出口至混合器(3)入口管道上的液态工作介质的流量、温度、密度。
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