CN203655368U - 一种卡诺－朗肯双循环混合高效发电设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种卡诺－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

一种卡诺-朗肯双循环混合高效发电设备

技术领域

本实用新型属于电力设备领域，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。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型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：本实用新型提供的一种卡诺－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：本实用新型提供的卡诺－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，本实用新型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。

本实用新型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为本实用新型卡诺－朗肯双循环混合发电设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做出进一步说明。

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。

本实用新型中，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实用新型的目的，然而，使用两个以上的压缩机串联，能够大大提高发电效率。

本实用新型中，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。

本实用新型中，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。

以上的仅为本实用新型的具体实施例，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

以上公开的仅为本实用新型的具体实施例，但是本实用新型并非局限于此，除此之外，本实用新型还可以其他方式实现，在不脱离本实用新型构思及实用新型精神的前提下，任何显而易见的修改及替换均在本实用新型的保护范围之内。

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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