CN109469524A - 一种优化升级的余热利用卡琳娜循环发电*** - Google Patents

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张新玉
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曹贻鹏
柳贡民
赵晓臣
周承隆
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Abstract

本发明的目的在于提供一种优化升级的余热利用卡琳娜循环发电***，利用船用柴油机余热为循环热源，在基础循环***中添加了过热器、低温回热器等部件，并且用两相膨胀机替换传统的节流阀。本发明在基本卡琳娜循环的基础上添加过热器提高了汽轮机做功工质的入口温度，增大了汽轮机出口乏气的干度，能够有效提高汽轮机的膨胀做功效率并且延长汽轮机的使用寿命；添加低温回热器回收利用汽轮机乏气中的能量，能够提高能量利用率，进而提升整体循环的热效率；采用两相膨胀机可回收利用贫氨溶液的节流损失，降低汽轮机的排气压力，提高汽轮机的做功能力与效率。

Description

一种优化升级的余热利用卡琳娜循环发电***
技术领域
本发明涉及的是一种卡琳娜循环***。
背景技术
卡琳娜(Kalina)循环是朗肯循环的一种升级和改进，该循环在回收利用中低温余热的领域有其特有的优势，利用卡琳娜循环***来回收中低温余热(工厂废热、地热能、太阳能等)近年来越来越受到专家和学者的重视。然而目前现有的相关文献和研究成果表明利用卡琳娜循环***回收利用中低温余热时对于循环***的热效率考虑的不多，现有相关研究的***热效率不高，均不超过15％。
中低温热源一般是指温度低于350℃的低品位能源，这些热能种类繁多，包括太阳能、地热能等新能源及各种余(废)热等。中低温余热的数量极其庞大，在钢铁、水泥、石油化工等行业生产过程中产生的大量中低温余热，包括热水、低品位烟气和蒸汽等，这些热量数量大、品位低，基本不能被生产过程再利用。回收和利用这部分能源，既可减少能源的消耗，又可减少对环境的污染，达到节能减排的效果。
在中低温热源发电***中，卡琳娜(Kalina)循环发电一般是采用氨水溶液作为循环工质进行发电。利用氨水混合物与热源的良好匹配特性，其传热温差减小，不可逆损失减小，可最大限度回收热源热量。但在常规的Kalina循环中，富氨蒸汽和贫氨溶液要在混合器内等压混合，因此，循环过程中必须使高压贫氨溶液在高温换热器之后，需要经过节流降压至汽轮机排气的压力，才可与膨胀机出口的浓氨水蒸汽进行混合。节流导致了贫氨溶液高压势能的损失，造成了浪费和效率降低。因此如果能够减少贫氨溶液高压势能的损失，***的发电效率就能够得到提高。
由于汽轮机的寿命受到做功工质干度的影响很大，要达到0.9以上才能达到正常水平，而现有的研究对于用于做功的富氨蒸汽的干度大小考虑不多，如果能够进一步提高进入汽轮机做功的富氨蒸汽的温度进而不仅能增大汽轮机出口乏气的干度，延长汽轮机的使用寿命，而且可以使富氨蒸汽膨胀做功更加充分，有利于提高整体循环的热效率；另外通过汽轮机膨胀做功后的乏气一般仍含有较多的余热能量，因此，如果能对这部分余热进行回收利用，整体循环***的热效率以及能量利用率均能得到进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提供提高循环***热效率的目的一种优化升级的余热利用卡琳娜循环发电***。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种优化升级的余热利用卡琳娜循环发电***，其特征是：包括分离器、过热器、低温回热器、高温回热器、蒸发器、冷凝器、混合器，蒸发器的出口连通分离器的进口，分离器的第一出口连通过热器的第一进口，过热器的第一出口连通汽轮机进口，汽轮机的出口连通低温回热器的第一进口，低温回热器的第一出口连通混合器的第一进口，分离器的第二出口连通高温回热器的第一进口，高温回热器的第一出口连通混合器的第二进口，混合器的出口经冷凝器通过工质泵连通低温回热器的第二进口，低温回热器的第二出口连通高温回热器的第二进口，高温回热器的第二出口连通蒸发器的进口。
本发明还可以包括：
1、混合器和高温回热器之间设置两相膨胀机，高温回热器的第一出口连通混合器第二进口前，先经过两相膨胀机。
2、基本氨水溶液从蒸发器出口进入分离器，由分离器分离出富氨蒸汽和贫氨溶液，富氨蒸汽从分离器第一出口经过过热器由余热热源过热为温度更高的做功蒸汽，过热后的富氨蒸汽进入汽轮机膨胀进行做功，进而带动与汽轮机相连的发电机发电，实现余热能的回收利用，之后从汽轮机排出的乏气经过低温回热器进入混合器；从分离器分离出的贫氨溶液经过高温回热器进入两相膨胀机，经过两相膨胀机之后的贫氨溶液进入混合器；做过功的富氨蒸汽和经过两相膨胀机的贫氨溶液在混合器中混合成为基本氨水溶液，基本氨水溶液经冷凝器冷凝之后由工质泵依次泵回低温回热器和高温回热器，基本氨水溶液重新回到蒸发器中。
本发明的优势在于：
1、在汽轮机入口处01添加一个过热器，利用余热热源直接过热用于汽轮机膨胀做功的富氨蒸汽溶液，使得做功工质温度进一步升高，不仅有利于膨胀做功更加充分，有效提高***的做功能力，进而提高循环***的热效率，而且提高了汽轮机乏气的干度，有利于延长汽轮机的使用寿命。
2、在汽轮机排气出口处2添加一个低温回热器，利用低温回热器回收汽轮机出口乏气中带有的余热能量，并将这部分能量用于加热基本氨水溶液，从而提高进入蒸发器中的基本氨水溶液的温度，提高循环***的整体热效率。
3、在高温回热器的贫氨溶液出口处9改用两相膨胀机代替节流阀，降低了汽轮机的排气压力，增大汽轮机的工作压差，提高汽轮机的做功能力与做功效率。
4、采用两相膨胀机替代节流阀避免了循环***中的节流损失，提高了循环***的整体热效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1，本发明其组成包括：蒸发器01、分离器02、过热器03、汽轮机04、高温回热器11、低温回热器06、两相膨胀机10、混合器07、冷凝器08、工质泵09、发电机05和循环工质氨水混合物。其整体的循环过程如下：基本氨水溶液经过蒸发器01之后进入分离器02，由分离器02分离出富氨蒸汽和贫氨溶液，富氨蒸汽经过过热器03由250℃的余热热源过热为温度更高的做功蒸汽，过热后的富氨蒸汽进入汽轮机04充分膨胀进行做功，进而带动发电机发电，实现余热能的回收利用，之后从汽轮机04排出的乏气经过低温回热器06进入混合器07；从分离器02分离出的贫氨溶液经过高温回热器11进入两相膨胀机10，利用两相膨胀机10来避免节流损失，经过两相膨胀机10之后的贫氨溶液也进入混合器07；此时做过功的富氨蒸汽和经过两相膨胀机10的贫氨溶液在混合器07中又再次混合成为基本氨水溶液，基本氨水溶液通过冷凝器08冷凝之后由工质泵09依次泵回低温回热器06和高温回热器11，此时吸收***余热的较高温度的基本氨水溶液重新回到蒸发器01中，如此完成整个循环。
具体实施过程中设定热源温度(节点16)为250℃；分离器02入口处(节点7)温度为180℃，压力为3.5MPa；基本氨水溶液浓度为0.35，富氨蒸汽浓度为0.7317.贫氨溶液浓度为0.2376；冷却水入口(节点13)温度为25℃，出口(节点14)温度为32℃；工质泵09的等熵效率为0.8，泵效率为0.7；汽轮机04的等熵效率为0.75；发电机的机械效率为0.95，发电机效率为0.96。
按照上面的具体工况整个循环完成后各工质质量流量和换热器换热量以及各节点的相关状态参数如下表所示：
由以上具体数据可以看出，在汽轮机04入口处添加的过热器03对于提高整个***的热效率是很有利的，即余热热源降低4℃左右，做功工质富氨蒸汽溶液的温度升高40℃。整体循环的热效率可高达19.42％，相比现有的文献及研究较高的***热效率15％能高出4.42个百分点，且汽轮机04出口乏气的干度高达0.9314，对于延长汽轮机04的使用寿命也是很有利的。

Claims (3)

1.一种优化升级的余热利用卡琳娜循环发电***，其特征是：包括分离器、过热器、低温回热器、高温回热器、蒸发器、冷凝器、混合器，蒸发器的出口连通分离器的进口，分离器的第一出口连通过热器的第一进口，过热器的第一出口连通汽轮机进口，汽轮机的出口连通低温回热器的第一进口，低温回热器的第一出口连通混合器的第一进口，分离器的第二出口连通高温回热器的第一进口，高温回热器的第一出口连通混合器的第二进口，混合器的出口经冷凝器通过工质泵连通低温回热器的第二进口，低温回热器的第二出口连通高温回热器的第二进口，高温回热器的第二出口连通蒸发器的进口。
2.根据权利要求1所述的一种优化升级的余热利用卡琳娜循环发电***，其特征是：混合器和高温回热器之间设置两相膨胀机，高温回热器的第一出口连通混合器第二进口前，先经过两相膨胀机。
3.根据权利要求2所述的一种优化升级的余热利用卡琳娜循环发电***，其特征是：基本氨水溶液从蒸发器出口进入分离器，由分离器分离出富氨蒸汽和贫氨溶液，富氨蒸汽从分离器第一出口经过过热器由余热热源过热为温度更高的做功蒸汽，过热后的富氨蒸汽进入汽轮机膨胀进行做功，进而带动与汽轮机相连的发电机发电，实现余热能的回收利用，之后从汽轮机排出的乏气经过低温回热器进入混合器；从分离器分离出的贫氨溶液经过高温回热器进入两相膨胀机，经过两相膨胀机之后的贫氨溶液进入混合器；做过功的富氨蒸汽和经过两相膨胀机的贫氨溶液在混合器中混合成为基本氨水溶液，基本氨水溶液经冷凝器冷凝之后由工质泵依次泵回低温回热器和高温回热器，基本氨水溶液重新回到蒸发器中。
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