专利名称：蒸汽加湿压缩热力循环及应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对低压蒸汽进行热力压缩的热力学循环路线。低压蒸汽来源于热机真空膨胀做工排出的乏蒸汽和真空蒸发产生的低压蒸汽，如果不加压缩难以回收应用，用经济可行的方法压缩回收热机做工排出的低压水蒸汽，对提高能源效率，大幅减少温室气体排放具有巨大的经济和社会效益。压缩低压水蒸汽的有效方法是采用拉瓦尔喷管热力压缩，低压水蒸汽从膨胀做工终点绝热压缩到可利用的压力，会很快到达过热区，导致工质的焓；熵；温度同时升高，工作蒸汽用量急剧增加，只有开发新的热力学循环路线才能降低热力压缩能耗，利于应用。
本发明的目的是为热力压缩蒸汽开发新的热力学循环路线，低压蒸汽能够沿循环路线在饱和线附近完成压缩，能够用少的工作蒸汽(用于对低压蒸汽传递多余动量的过热蒸汽)耗量使低压蒸汽升压到可重新利用的压力，大幅度减少热力发电和供热产生的温室汽体排放，大幅减少或杜绝冷凝水蒸汽的排放。
本发明是这样实现的采用拉瓦尔喷管对低压蒸汽作动量压缩(动量的变化与压差成正比)，工作蒸汽采用300-800℃的过热蒸汽，过热蒸汽可以是汽机中间抽汽再热或独立提供的过热蒸汽，在焓熵图上膨胀做工终点绝热等熵压缩到饱和线以上等压线的交点，这一点过热温度随压力升高而升高，导致压缩能耗升高，压缩能耗最低的路线是从湿蒸汽区绝热压缩至饱和点完成压缩，能够实现的热力循环路线有三种1.先压缩后加湿把绝热压缩终点到等压线上的饱和点作为一个区间，根据区间的焓差或熵差划分为多个压缩级，每个绝热压缩级的终点在离饱和点很近的过热区完成，在每个压缩级的终点布置一个等压加湿级，加湿液体迅速吸收过热热量蒸发，导致过热的压缩终点沿等压线滑到饱和点，也可滑到湿蒸汽区，，以上一压缩级的终点(可以是饱和点或等压线上的湿蒸汽点)为起点再进行下一绝热压缩级压缩，2.先加湿后压缩把绝热压缩终点到等压线上的饱和点作为一个区间，根据区间的焓差或熵差划分为多个压缩级，首先从第一级压缩终点作绝热膨胀线交于热机膨胀做工终点的等压线，交点作为第一级加湿终点，先加湿后再绝热压缩到第一级压缩终点，第二级加湿压缩的路线是先加湿使第一级压缩终点沿等压线向湿蒸汽区移动至第二级压缩终点绝热等熵膨胀线的交点，再绝热压缩到第二级压缩终点，以后的压缩级按相同原理的热力循环路线完成，3.采用“先压缩后加湿”与先“加湿后压缩”混合的热力循环路线，实现“蒸汽加湿压缩热力循环”可以采用在引入蒸汽进口有加湿器，在第一级喷管装置里全部工作蒸汽在喉管与全部引入蒸汽混合，扩压段由多级扩压等压加湿段串连构成的一体化装置，也可以采用在引入蒸汽进口有加湿器，扩压管出口有等压加湿段的多套独立拉瓦尔喷管串连组成的系统装置，实现“蒸汽加湿压缩热力循环”的一体化拉瓦尔喷管装置与多套独立拉瓦尔喷管串连组成的系统装置，可以等压加湿段在前，扩压压缩段在后，可以扩压压缩段在前等压加湿段在后，“蒸汽加湿压缩热力循环”用于回收真空蒸发低压蒸汽时，优先采用“先压缩后加湿”或“先压缩后加湿”与“先加湿后压缩”混合使用的热力循环路线、“蒸汽加湿压缩热力循环”用于热电联供汽机低压排气热力压缩回收时，优先采用“先加湿后压缩”或采用“先压缩后加湿”“先加湿后压缩”混合使用的热力循环路线，“蒸汽加湿压缩热力循环”用于降低冷凝汽机膨胀终点和升高冷凝排气终点时，优先采用“先加湿后压缩”或采用“先压缩后加湿”“先加湿后压缩”混合使用的热力循环路线。
采用分级交替压缩加湿热力循环路标线能够降低压缩能耗的原理分析如下k/k+1(1)绝热压缩过程有T2/T1＝ε
式中T1压缩起点温度 T2压缩终点温度 压比ε＝P2/P1K绝热指数上式说明压比不变，起点温度高压缩终点温度高，压缩终点温度升高导致压缩工质热焓升高，过热蒸汽热焓可用下式估算I＝r+CPΔT(2)式中I过热蒸汽热焓，r汽化显潜热，CP过热区比热ΔT饱和温度与过热蒸汽温差。很少加湿量便能吸收大量热量使过热或饱和蒸汽沿等压线滑到饱和点或湿蒸汽区，在湿蒸汽区接近绝热压缩起点压缩，能够避免蒸汽过热，降低了平均压缩温度和工质热焓，总体效果是减少压缩能耗，提高压缩效率。
本发明的积极效果表现在1用交替加湿压缩的热力学循环路线对低压蒸汽压缩，很少加湿量便能吸收大量热量使过过热(或饱和)蒸汽沿等压线滑到饱和点或湿蒸汽区，在湿蒸汽区接近绝热压缩起点开始压缩，在饱和线附近完成压缩，能够避免蒸汽过热，降低了平均压缩温度和工质热焓，减少压缩能耗，提高压缩效率。加湿压缩使过程沿熵减的方向发展，而现有绝热压缩过程是熵增的。
2.用于热电机组可以既保持高发电出力又可避免冷凝热损失。
3.用于冷凝热力发电机组即可以通过抽射真空提高发电出力，又可以通过热力压缩改变冷凝温度，在任何可能的自然环境温度下可靠完成冷凝。
4.本发明提供的热力循环路线能够大幅度减少热力发电和供热产生的温室汽体排放，大幅减少或杜绝冷凝水蒸汽的排放，冷凝水蒸汽排放和温室气体排放的复合作用能够加速破坏性气候变化。
接合实施例对本发明进一步说明实施例的条件是用拉瓦尔喷管压缩汽轮机排出的低压蒸汽用于供热。
绝热压缩工艺热力参数如下
汽轮机排出蒸汽压力 4000Pa 28.8℃ I＝2320KJ S＝7.7工作蒸汽压力1.27MPa 450℃ 3365KJ饱和压缩终点1.0MPA 180℃ 2780KJ绝热压缩终点1.0MPA 479℃ 3435KJ S＝7.7分级压缩加湿工艺的热力参数如下第一级压缩起点 0.004MPa 28.8℃ 2330KJ(绝热膨胀终点X＝0.905)第一级压缩终点 0.1MPAa 168℃ 2820KJ(绝热压缩点)第一级加湿终点 0.1MPa100℃ 2680KJ(等压饱和点)第二级压缩起点 0.1MPa100℃ 2680KJ第二级压缩终点 0.2MPa165℃ 2810KJ(绝热压缩点)第二级加湿终点 0.2MPa119.6℃ 2710KJ(等压饱和点)第三级压缩起点 0.2MPa119.6℃ 2710KJ第三级压缩终点 0.5MPa214℃ 2885KJ(绝热压缩点)第三级加湿终点 0.5MPa151.1℃ 2750KJ(等压饱和点第四级压缩起点 0.5MPa151.1℃ 2750KJ第四级压缩终点 1.0MPa227℃ 2890KJ(绝热压缩点)熵S＝6.6KJ压缩消耗工作蒸汽量多少反应压缩效率的高低。压缩消耗工作蒸汽量按下述方法确定根据动量守衡定理对拉瓦尔喷管吼管有+m2V2-(m1+m2)V3＝A(P2-P1)(3)式中m1、m2工作蒸汽 引入蒸汽质量V1、V2、V3 工作蒸汽 引入蒸汽 混合蒸汽流速
P1、P2、A 喉管入口压力 吼管出口压力 吼管进出口面积(等径时)如果等式右边很小(可忽略)有m1V1+m2V2＝(m1+m2)V设 m2/m1＝G2/G1＝U(引射系数) (4)U＝(V1-V3)/(V3-V2)(5)因 I＝A/2G(V2)(2G/A)0.5×I0.5＝V代入上式有U＝(I10.5-I30.5)/(I30.5-I20.5) (6)用(6)式估算实施例如下工作蒸汽1.27MPa 450℃ 3365KJ实施例1一级绝热压缩工作蒸汽1.27MPa 450℃ 3365KJ压缩0.004MPa/288℃/2330KJ至0.1MPa/479℃/3435KJU＝33650.5-34350.5/34350.5-23300.5＝58-58.6/58.6-48.27＝-0.058说明因绝热压缩终点温升和热焓值高，不可能用1.27/450℃工作蒸汽完成0.004至1. 0MPa的绝热压缩。
实施例2采用先压缩后加湿工艺工作蒸汽1.27MPa 450℃ 3365KJ第一级压缩0.004MPa(X＝0.905)分级绝热压缩加湿至0.1MPaU1＝33650.5-28200.5/28200.5-23300.5＝58-53.1/53.1-48.27＝1.0144第一级加湿终点0.1MPa 100℃ 268KJ工作蒸汽量G11＝0.9988 引入蒸汽G12＝1 混合流量＝1.9988第一级加湿量ΔG1＝(2820-2680)/(2680-83.7)＝0.0539KG/KG第一级排出蒸汽总量1.9988×(1+0.0539)＝2.1065第二级U2＝33650.5-28100.5/28100.5-26800.5＝58-53/53-51.76＝4.032第二级加湿终点 0.1MPa 119.6℃ 2710KJ
第二级工作蒸汽量G12＝0.522 引入蒸汽G22＝2.1065 混合流量2.6285第二级加湿量ΔG2＝(2810-2710)/(2710-83.7)＝0.038KG/KG第二级排出蒸汽总量2.625(1+0.038)＝2.725第三级U3＝33650.5-28850.5/28850.5-27100.5＝58-53.7/53.7-52＝2.529第三级加湿终点0.5MPa151.1℃ 2750KJ第三级工作蒸汽量G13＝2.628/2.529＝1.039 引入蒸汽G23＝2.6285 混合流量＝3.67第三级加湿量ΔG3＝(2885-2710)/(2710-83.7)＝0.067KG/KG第三级排出蒸汽总量3.67(1+0.066)＝3.912第四级U2＝33650.5-28900.5/28900.5-27100.5＝ 58-53.76/53.76-52.06＝2.42第四级终点1.0MPa 227℃ 2890KJ工作蒸汽量G14＝3.912/2.42＝1.6165 引入蒸汽G24＝3.912 混合蒸汽量5.528工作蒸汽用量∑G1i＝G11+G12+G13+G14＝0.9988+0.552+1.039+1.516＝4.1058引入蒸汽流量1引入系数 U＝1/4.1058＝0.243说明例二压缩终点仍然在过热区，虽然完成了压缩，但工作蒸汽用量仍然较多实施例3采用先加湿后压缩热力循环路线，两级完成压缩过程起点0.004MPa 28.8℃ 2330KJ(实际膨胀终点X＝0.905)第一级加湿终点0.004MPa X＝0.816(绝热膨胀终点)2110KJ第一级压缩终点 0.5MPAa 151.1℃ X＝1.02750KJ(饱和点)第二级湿终点 0.5MPa 151℃X＝0.952650KJ第二级压缩终点 1.0MPa 180℃2800KJ(饱和点)第一级压缩U＝33650.5-27500.5/27500.5-21100.5＝58-52.44/52.44-45.93＝0.854
工作蒸汽流量G11＝1.17 引入蒸汽G12＝1 混合蒸汽流量2.17第二级压缩U＝33650.5-28000.5/28000.5-26500.5＝58-52.9/52.9-51.48＝3.59工作蒸汽流量G12＝0.604 引入蒸汽G22＝2.17 混合蒸汽流量2.77总蒸汽流量＝G11+G12＝1.17+0.604＝1.774总引入系数U＝1/1.774＝0.5636实施例3说明先加湿后压缩可以在饱和线以下完成压缩，工作蒸汽用量有明显降低。
实施例4工作蒸汽1.27MPa 550℃，3580KJ其余条件同例3第一级压缩U＝35800.5-27500.5/27500.5-21100.5＝59.83-52.44/52.44-45.93＝1.135工作蒸汽流量G11＝0.88 引入蒸汽G12＝1 混合蒸汽流量1.88第二级压缩U＝35800.5-28000.5/28000.5-26500.5＝59.83-52.9/52.9-51.48-＝4.88工作蒸汽流量G12＝0.385 引入蒸汽G22＝1.88 混合蒸汽流量2.265总蒸汽流量＝G11+G12＝0.88+0.385＝1.245总引入系数U＝1/1.245＝0.803实施例4说明采用高温过热蒸汽，工作蒸汽用量进一步减少。
实施例5工艺条件同实施例4，用于热电联供过热蒸汽焓3.43MPa/435℃/33151KJ工作蒸汽从汽机中间抽出参数为1.27MPa 350℃(3150KJ)再热至550℃(3580KJ)抽汽前发电热焓I1＝3315-3150＝165KJ/KG抽汽后发电热焓I2＝(3150-2320)×0.803/1+0.803＝369.66KJ/Kg发电合计I1+I2＝(165369.66)/4.1868＝127.7Kcal/kg度电汽耗d＝860/127.7＝6.734Kg/kwh 蒸汽100％用于供热。
参数相近的抽汽冷凝机组C12-35/10 度电汽耗d＝8.25Kg/kwh，只有58.8％的蒸汽能够用于供热。参数相近的背压发电供热机组B1.5-35/10 度电汽耗d＝16.57Kg/kwh，发电供热参数比较
比较说明蒸汽加湿压缩热力循环用于热电联供有明显优点，即能够用较低的发电汽耗生产较多的电，又能将汽机排汽全部用于供热，避免蒸汽冷凝损失。实施例中汽机绝热膨胀终点0.004MPa(X＝0.905)S7.7，完成压缩终点1.0MPa(饱和)S6.58，压缩过程沿熵减的方向完成。
实施例6用于改变凝汽式汽轮机膨胀终点和冷凝终点，过热蒸汽3.43MPa/435℃ 3303KJ/背压0.0081MPa，2390.4KJ冷凝温度41.1℃，发电汽耗4.75dg/kwh现用产本发明提供的拉瓦尔喷管抽射压缩方法将膨胀终点抽到0.004MPa/2330KJ(X＝0.905)发电汽耗4.4kg/kwh后再升压到0.0081MPa冷凝，发电量增加4.75-4.4/4.75＝7.368％，付出的代价是消耗部分热量采用1.27MPa//350℃/3150KJ抽汽作工作蒸汽U＝31500.5-23900.5/2390.5-23300.5＝56.12-48.88/48.88-48.27＝11.869工作蒸汽用量＝1/1+11.869＝0.0778kg/kg，4.4+0.0778＝4.478Kg，说明在一定条件下抽射真空可以不增加热耗多发电。在环境温度高于冷凝温度时，汽机背压真空会降低，导致出力以更大的幅度降低，采用实施例6的热力压缩方法即可保持发电量又可顺利完成冷凝，用于风冷热电机组可以随环境温度而调节冷凝温度。
权利要求
1.本发明涉及热力压缩水蒸汽的循环路线，特别是“蒸汽加湿压缩热力循环”其特征在于采用拉瓦尔喷管对低压蒸汽作动量压缩(动量的变化与压差成正比)时，工作蒸汽采用过热蒸汽，低压蒸汽能耗最低的压缩路线是从湿蒸汽区绝热压缩至饱和点完成压缩，能够实现的热力循环路线有三种1。先压缩后加湿、2。先加湿后压缩、3。“先压缩后加湿”与先“加湿后压缩”混合的热力循环路线，实现“蒸汽加湿压缩热力循环”可以采用在引入蒸汽进口有加湿器，在第一级喷管装置里全部工作蒸汽在喉管与全部引入蒸汽混合，扩压段由多级扩压等压加湿段串连构成的一体化装置，也可以采用在引入蒸汽进口有加湿器，扩压管出口有等压加湿段的多套独立拉瓦尔喷管串连组成的系统装置，实现“蒸汽加湿压缩热力循环”的一体化拉瓦尔喷管装置与多套独立拉瓦尔喷管串连组成的系统装置，可以等压加湿段在前，扩压压缩段在后，可以扩压压缩段在前等压加湿段在后，“蒸汽加湿压缩热力循环”用于回收真空蒸发低压蒸汽时，采用拉瓦尔喷管作抽射真空热力压缩装置，优先采用“先压缩后加湿”或采用“先压缩后加湿”与“先加湿后压缩”混合使用的热力循环路线、“蒸汽加湿压缩热力循环”用于热电联供汽机低压排气热力压缩回收时，采用拉瓦尔喷管作抽射真空热力压缩装置，优先采用“先加湿后压缩”或采用“先压缩后加湿”“先加湿后压缩”混合使用的热力循环路线、“蒸汽加湿压缩热力循环”用于降低冷凝汽机膨胀终点和升高冷凝排气终点时，采用拉瓦尔喷管作抽射真空热力压缩装置，优先采用“先加湿后压缩”或采用“先压缩后加湿”“先加湿后压缩”混合使用的热力循环路线。
2.权利要求1中，热力循环路线“先压缩后加湿”其特征是把绝热压缩终点到等压线上的饱和点作为一个区间，根据区间的焓差或熵差划分为多个压缩级，每个绝热压缩级的终点在离饱和点很近的过热区完成，在每个压缩级的终点布置一个等压加湿级，加湿液体迅速吸收过热热量蒸发，导致过热的压缩终点沿等压线滑到饱和点，也可滑到湿蒸汽区，以上一压缩级的终点(可以是饱和点或等压线上的湿蒸汽点)为起点再进行下一绝热压缩级压缩。
3.权利要求1中，热力循环路线“先加湿后压缩”其特征是把绝热压缩终点到等压线上的饱和点作为一个区间，根据区间的焓差或熵差划分为多个压缩级，首先从第一级压缩终点作绝热膨胀线交于热机膨胀做工终点的等压线，交点作为第一级加湿终点，先加湿后再绝热压缩到第一级压缩终点，第二级加湿压缩的路线是先加湿使第一级压缩终点沿等压线向湿蒸汽区移动至第二级压缩终点绝热等熵膨胀线的交点，再绝热压缩到第二级压缩终点，以后的压缩级按相同原理的热力循环路线完成。
4.权利要求1中，工作蒸汽采用过热蒸汽其特征是300-800℃的过热蒸汽，过热蒸汽可以是汽机中间抽汽再热或独立提供的过热蒸汽。
5.权利要求1中，“蒸汽加湿压缩热力循环”用于回收真空蒸发低压蒸汽时，其特征在于采用拉瓦尔喷管作抽射真空热力压缩装置，优先采用“先压缩后加湿”的热力循环路线、
6 权利要求1中，“蒸汽加湿压缩热力循环”用于热电联供汽机低压排气热力压缩回收时，其特征在于采用拉瓦尔喷管作抽射真空热力压缩装置，优先采用“先加湿后压缩”的热力循环路线，
7.权利要求1中，“蒸汽加湿压缩热力循环”用于降低冷凝汽机膨胀终点和升高冷凝排气终点时，其特征在于采用拉瓦尔喷管作抽射真空热力压缩装置，优先采用“先加湿后压缩”的热力循环路线。
全文摘要
本发明涉及对低压蒸汽热力压缩的循环路线。低压蒸汽来源汽轮机真空膨胀做工排汽和真空蒸发产生的蒸汽，采用本发明提出的“加湿压缩”“压缩加湿”路线，能够通过拉瓦尔喷管用最少的工作过热蒸汽完成低压蒸汽压缩回收，用于热力发电机组时比背压热电机组增加发电量1倍以上、比抽汽冷凝机组发电增加10％，供热增加40％，没有冷凝排放、提高凝汽机组真空度多发电7％，同时提高冷凝温度在任何可能的汽温下完成热力循环。
文档编号F01K19/00GK1763354SQ20041008580
公开日2006年4月26日 申请日期2004年10月21日 优先权日2004年10月21日
发明者王卫民 申请人:王卫民