专利名称：利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备的制作方法
技术领域：
本技术涉及发电、制冷、热动、环保、机械制造和自动化等技术领域。 二
背景技术：
低温热能(低品位热能、低品质热能)指温度低于120°C的低位热能，包括太阳能、 地热能、地表水热能、地表及建筑物辐射热能和工业废热能等，总量巨大，具有可再生性。以工业废热为例，约50%的热能以低品位废热的方式被排放，尤其是以低温热水的方式(热电厂超过三分之一的热效率在冷凝器中损失掉被循环冷却水带走，气体等温压缩时冷却水带走的热能与压缩机消耗的功相当；金属冶炼、轧制等过程冷却水带走热能的量也非常大)。高效率地利用和回收这部分能源，可解决我国所面临的能源问题，极大地改善生存环境，实现可持续发展。国内外从上世纪70年代开始研究低温热能发电技术，先后研制出基于有机物郎肯循环(0RC)、混合工质循环、Kalirma循环和氨吸收式动力制冷循环等的发电技术，其中 ORC发电技术应用最为广泛，机组容量较小。近年来螺杆膨胀机发电技术在国内发展较快， 已形成产业，但受螺杆机性能结构制约，机组容量较小，且低温热能利用的范围较窄(70°C 以上)。利用太阳池、太阳能热水锅炉及热泵技术等提高低温热能的品位，从而提高发电效率，也是低温热能发电新的发展方向，但受到热源稳定、制冷工质的选用等方面的限制。本发明不同于以上技术和装置，主要利用深冷技术和高炉炉顶煤气余压发电技术 (TRT)相结合，以液空、液氮、液氩等大气中存在的自然物质经作为制冷工质，通过低温液体泵使低温工质与低品位热源进行热交换，产生中高压气体，一部分焓值升高的气体工质膨胀做功转化为机械能，驱动发电机，发电机将机械能转换为电能，另一部分工质经增压膨胀产生冷量，通过低温换热装置使工质冷凝，工质回收后循环使用。本发明可充分高效地利用各种低温热能；对环境的影响没有；制冷工质的获取容易，使用不受限制，克服了低温热能发电技术的一个难题；还可与太阳池、太阳能热水锅炉及热泵技术等相结合，提高发电效率；另外利用的都是成熟的技术，可实现大规模的工业化生产。本发明工质蒸发潜热是用于冷却已气化的工质，而不是用于从热源吸收热能，这是与其他低温热能利用技术显著的区别之一。CO2因存在跨临界问题，对装置的压力等级要求较高，且宜阻塞低温换热器通道，故本发明不采用这种自然物质为制冷工质；采用空气吸附净化技术生产的液空、液氮等深冷工质中不含C02。与TRT使用的能-功转换设备不同， 一是介质干净、单纯；二是温度区间不同，TRT是由中温到常温，本发明是由常温(或中温) 到中冷温度(相对于接近液体工质沸点的低温深冷温度)；三是负荷稳定；四是为防止冷损需要增加保温装置；另外工质进出透平膨胀机的压力均高于TRT(中高压进，中低压出)。参考文献[1]张早校，冯霄，郁永章.制冷与热泵.北京化学工业出版社，1999. 8.[2]朱明善，林兆庄，刘颖，彭晓峰.工程热力学，北京清华大学出版社.1994.[3]《制氧机的原理与操作》编写组.制氧机的原理与操作.北京冶金工业出版社· 1977.[4]庄骏，张红著.热管技术及其工程应用.北京化学工业出版社.2000.[5]王长贵，崔容强，周篁主编.新能源发电技术.北京中国电力出版社.2003「61郭瑞斌.工业循环水废热在热泵空调系统上的节能实践与推广.工程建设与设计· 2007. (5) 14 17.[7]连鸿昌，刘昌茂.工业废热水源热泵在太重气体公司的应用.中国气体· 2009，(2) 42 44.[8]吴小华，晏刚，陈茂平，崔景谭.吸附式制冷技术研究概况.家电科技.2003， (4) 66 68.[9]化工第四设计院主编.深冷手册.北京.燃料化学工业出版社.1973.[10]李化冶编著.制氧技术-2版.北京.冶金工业出版社.2009. 8.[11]郑爱平，赵乱成.利用低温位热能驱动的喷射式制冷机制冷工质的研究.制 7令· 1996，(3) 46 48.[12]中国冶金建设协会主编.煤气余压发电装置技术规范GB50584-2010.北京·中国计划出版社.2010. 10.[13]大卫·Μ·贝克.将低温热能转化为电的有效方法和设备.申请号 200680017772. X.公开(公告)号 CN101218121.申请日 2006. 03. 23.公开(公告)日 2008. 07. 09.[14]阿历山大· I·卡林纳.将低温热量变化为电能的方法和设备.申请号CN91105805. 2.公开(公告)号CN1032324.申请日1991. 08. 14.公开(公告)日 1997. 07. 17.[15]王石柱.中低温热能回收发电装置.申请号20102(^88873. 4.公开(公告) 号 CN201771558U.串请日 2010. 08. 12.公开(公告)H 2011. 03. 23.[16]李国新.低温热能增量发电方法及装置.申请号200710034971. 8.公开(公告)号 CN101054959.申请日 2007. 05. 18.公开(公告)日 2007. 10. 17.[17]齐树亮.利用低温流体中的热能做功的动力设备.申请号 200610103355. 9.公开(公告)号 CN101109299.申请日 2006. 07. 21. 2008. 01. 23.[18]胡亮光，庞风彪，王之安，范文伯，吕灿仁.中低温能源全流发电螺杆膨胀机的性能及实验研究.工程热物理学报.1989. 11，第10卷，第4期.[19]顾伟，翁武，曹广益，翁史烈.低温热能的研究现状和发展趋势.热能动力工程.2007. 3，第22卷，第2期.[20]罗桂荣，罗鸣.太阳池发电系统新技术.《动力循环系统与制冷循环系统复合式热力发动机》发明专利文献.高等教育出版社.1982. 9.[21]李海军，沈胜强.使用量纲-参数进行喷射器性能分析.大连理工大学学报.2007. 1，第47卷第1期.
三
发明内容
本发明以自然界存在物质的为深冷制冷工质，使用一种新的循环方式利用低温热能发电。以液空、液氮、液氩等大气中存在的自然物质经作为制冷工质，以液氮、液氩为辅助冷源，通过低温液体泵增压输送工质，通过低温换热装置冷却工质和回收冷量，中冷工质与低品位热源进行热交换，产生中高压气体，一部分焓值升高的气体工质膨胀做功转化为机械能，驱动发电机，发电机将机械能转换为电能，电能并入本地电网。另一部分工质经增压膨胀产生冷量，通过低温换热装置和喷射器使工质降温、冷凝、回收，工质液化过冷后循环使用。
四
附图是本发明的工艺流程示意简图，图中标记的部分分别为1-真空绝热液空储罐，2-带恒压控制装置的低温液体泵，7-多组置于珠光砂绝热冷箱中的板式(翘翅)换热器，15-空浴式换热器，14-多组气水(或气气、气汽)热交换器，16-缓冲罐，17-透平膨胀机-发电机组(17-1透平膨胀机，17-2发电机，17-3无刷励磁系统)，18-高低压发配电装置，19-增压膨胀机组(19-1膨胀机，19-2增压机)，20-增压机(增压端)出口气气冷却器，13-自增压真空绝热液氮储罐(辅助冷源液体储罐)，9-多组置于珠光砂绝热冷箱中的过冷器(液化器)，8_多组置于珠光砂绝热冷箱中的喷射器，12-低温调节阀，3-气液分离器，4-低温调节截止阀，5-低温放空阀，6-低温节流阀，10-放空消音器，11-低温放空消音器，21-计算机控制系统。
五
具体实施例方式1以下结合附图对实施方式进行说明低温液体泵2从真空绝热制冷工质储罐1中抽出，将制冷工质增至一定压力(中高压)并保持稳定，通过真空保温管送至板式换热器7，在板式换热器中与从透平膨胀机 17-1出来的正流气热交换，完成相变并充分气化后，以略低于正流气的中冷温度进入空浴式换热器15，温度进一步上升后送入气水(或气气、气汽)热交换器14，与热源充分热交换，并有一定的过热度，在接近热源入口温度后，送入缓冲罐16。从缓冲罐出来的气体分两路，一路进入增压膨胀机组19，一路进入透平膨胀机-发电机组。增压膨胀机系统根据需要确定机组组合形式(可单组也可更多组；可串联也可并联)。从缓冲罐出来的气体由增压膨胀机组19的增压端19-2入口进入，增压后焓值进一步增加，经增压机(增压端)出口气气冷却器20降温后，作为正流气送入板式换热器7，温降后的气体从板式换热器7的中部取出，经珠光砂绝热冷箱中的管路(低温调节阀12用于调节膨胀量，为避免减压后影响换热，置于板式换热器后)送入增压膨胀机组19的膨胀端 (膨胀机)19-1入口，气体近似等熵膨胀，焓值降低，温度降低，能量转换为机械能驱动增压机工作，膨胀端19-1出口压力较低，温度达到饱和温度，有气液混合物出现。气液混合物经珠光砂绝热冷箱中的管路作为反流气送入过冷器(液化器)9中。透平膨胀机-发电机组17不带冷凝器，采用类似于高炉炉顶煤气余压透平发电 (TRT)的技术，轴流式透平膨胀机17-1与发电机17-2直连，恒定转速(3000r/min)。发电机为无刷励磁同步发电机，无刷励磁系统17-3采用永励磁或他励方式，能从电动运行状态过渡到发电机运行状态，同时也能满足在运行中由发电机状态恢复到同步电动机状态。从缓冲罐16出来的气体进入透平膨胀机17-1入口，气体膨胀做功转化为机械能，驱动发电机 17-2，发电机将机械能转换为电能，逐渐由开机时的电动状态过渡到发电状态，通过高压发配电系统18送入本地电网。发配电系统18由高低压开关和控制柜组成，设置有手动准同期并网、自动准同期并网功能和纵联差动、过电流、低电压、失磁、低周波、逆功率等保护功能。 透平膨胀机17-1的进气量由动叶控制，乏气为中冷气体，送入板式换热器7作为正流气，温度略高于反流气出口温度。透平膨胀机17-1的乏气与低温液体泵2输送的低温工质逆流换热，将大部分冷量回收(减少冷量损失及制冷需要的用能，同时还能降低设备的制造要求)，降温后的气体通过过桥冷箱进入喷射器8，在喷射器8中气体温降，并将过冷器(液化器)9的反流气吸入喷射器8的吸入室，两路工质在喷射器8中混合，温度进一步降低，作为正流气从过冷器9 的热端进入，在过冷器(液化器)9中与反流工质热交换(由于正流气的压力高于反流气的工质压力，正流气被冷凝)，在过冷器9冷端出现气液混合物，经气液分离器3后气液分离， 气体经5-低温放空阀由低温放空消音器放空11 (主要在开机时)，或经低温调节截止阀4 进入喷射器8的吸入室回收冷量，液体经低温节流阀6节流，过冷液体送真空绝热液空储罐 1。自增压真空绝热液氮储罐13提供开机或异常时的辅助冷源，空分制品企业众多， 液氮极易获取，且液氮冷量较高(特殊情况下也可利用液氩)。开机时通过液氮储罐13自增压，液氮进入过冷器9冷端，按工作温度的不同，依次预冷过冷器9、喷射器8和板式换热器7，在板式换热器7的热端达到中冷温度通过管道在大气中进一步复热，经放空消音器10 放空。板式换热器7冷箱、喷射器8冷箱、过冷器9冷箱和增压膨胀机19冷箱相对独立， 通过珠光砂绝热过桥冷箱连接。成套装置的参数(含状态、数据)检测、报警、控制、运算、记录、通讯等由计算机控制系统完成。2通过冷量平衡和能功转换计算示例进一步说明实施方式和效果(1)冷量平衡设制冷工质为液空，液空密度rkl 873. 9kg/m3，液空沸点78. 8 81. 8K (常压)， 空气密度U^8kg/m3(标况)；透平膨胀机-发电机组17入口压2.0MPa，入口温度1\ 300C (30 )，出口压力I32 0.6MPa，出口温度-50°C (223K)；低温液体泵2的流量Ql 100m3/h，扬程H 220m3 ；板式换热器7的热端温差Atkl_2°C (2K)；增压膨胀机组19膨胀端 19-1入口温度T3-IOO0C (171)，增压膨胀机组19膨胀端19-1出口温度T4_182°C (91K)， 出口压力P3 0. 13MPa ；低温节流阀6出口压力P4 0. 3MPa，出口过冷Δ tk2_7°C (7K)；本例压力均为绝对压力，管路阻力不计。冷量获得Q1 =增压膨胀机制冷量+喷射器制冷量+节流制冷量 增压膨胀机制冷量(为简化计算不计入喷射器制冷量和节流制冷量)查空气T-S图，膨胀端19-1入口温度T3-100°C (173Κ)，入口压2.0MPa(绝压) 时其焓值Ii3 为 9544. 08kJ/mol ；T4-182°C (91K)，出口压力 P3 0. 13MPa 时其焓值h44922. 7kJ/ mol ；空气量Q = 100 X 675 = 67500m3 (标况) ( / ^ 675)设增压膨胀空气量占总空气量比值Ic1，透平膨胀机-发电机组空气量占总空气量比值k2k!+k2 = 1qi = (h3-h4) XQXk1 = (9544. 08-4922. 7) +22. 4X67500X^ = 13926033. 48 Ii1 (kj)冷量损失q2 =装置跑冷冷量q3+液空带走冷量q4+空气带走冷量q5跑冷损失取4. 6046kJ/m3 (标况)q3 = 4. 6046X67500 = 310810. 5 (kj)液空比定压热容取1. 992kJ/ (kg. K)q4 = 1. 992X 100X873. 9X7 = 1218566. 16 (kj)查空气T-S图，板式换热器7的热端出口温度1^-521 (221K)，压力P1 2. OMPa 时其焓值、为11094.76kJ/mol ；环境温度按T6 25 °C 098K)，压力P1 2. OMPa时其焓值 h6 13439. 31kJ/molq5 = (h6-h5) XQXk2 = (13439. 31-11094. 76) ^-22. 4X67500Xk2 = 7065041. 18 k2 (kj)根据冷量平衡Q1 = q2 = q3+q4+q513926033. 48 Ii1 = 310810. 5+1218566. 16+7065041. 18 k2Ic1 = 0. 409k2 = 0. 591功热转换查空气T-S图，透平膨胀机-发电机组17入口压力P1 2.0MPa，入口温度1\ 300C (303K)时其焓值 1^13564. 91kJ/mol ；出口压力 P2 0. 6MPa，出口温度-50°C (223K)时其焓值 Ii2 11304. 09kJ/molq6 = (h6-h5) XQXk2 = (13564. 91-11304. 09) ^-22. 4X67500X0. 591 = 4026328.65(kj)功热当量为3600 (lkff · h ^ 3600kJ)，透平膨胀机的效率取0. 7，发电机的效率取 0. 95则发电量为G = 4026328. 65 + 3600 X0. 7X0. 95 = 743. 75 (kff · h)功效温度略高于30°C (303K)的热源，无论是从自然界还是在工业废热中获取，都较容易，且代价很低，故本示例予以忽略不计。低温液体泵功率计算如下W = rklXQXH^- (102X H1) = 873. 9X (100 + 3600) X 220+(102X0. 65)= 80. 55 (kff)功效系数ε = 743.75 + 80.55 = 9.23。
权利要求
1.一种利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备，通过制冷工质吸收中、低温热能，工质膨胀做功发电，其特征在于它包括真空绝热液空储罐1，带恒压控制装置的低温液体泵2，置于珠光砂绝热冷箱中的板式换热器7，空浴式换热器15，热交换器14，缓冲罐 16，透平膨胀机-发电机组17，高低压发配电装置18，增压膨胀机组19，低温调节阀12，增压机出口冷却器20，置于珠光砂绝热冷箱中的过冷器(液化器)9，置于珠光砂绝热冷箱中的喷射器8，气液分离器3，低温调节截止阀4，低温放空阀5，低温节流阀6，低温放空消音器11，自增压真空液氮(液氩)储罐(辅助冷源液体储罐)13，放空消音器10，计算机控制系统21，前述部分组成的低温热能发电装置以液空、液氮、液氩作为制冷工质，工质在板式换热器中7换热回收冷量，经空浴式换热器15和气水热交换器14换热，焓值升高后的一部分气体工质经缓冲罐16进入透平膨胀机-发电机组17膨胀做功发电，另一部分工质经缓冲罐16进入增压膨胀19产生冷量，两路工质在喷射器8中混合、温降、工质和冷量回收，工质在过冷器(液化器)中冷凝，工质在气液分离器3中气液分离，气体经低温调节截止阀4 进入喷射器8的吸入室回收冷量和工质，部分气体通过低温放空阀5经低温放空消音器11 放空(开机及异常时)，低温液体工质通过低温节流阀6过冷后回收循环使用，前述部分组成的低温热能发电装置的参数(含状态、数据)检测、报警、控制、运算、记录、通讯由计算机控制系统完成。
2.根据权利要求1所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备，其特征在于中冷工质以气态在空浴式换热器15中预热后进入热交换器14，没有相变发生。
3.根据权利要求1所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备，其特征在于从透平膨胀机-发电机组17中膨胀输出的工质，没有经过冷凝器，直接进入冷箱内的板式换热器7。
4.根据权利要求1所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备，其特征在于进入透平膨胀机-发电机组17的工质状态是中常温、中高压气体，出透平膨胀机-发电机组17的工质状态是中冷温度、中低压气体。
5.根据权利要求1或2所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备，其特征在于从透平膨胀机-发电机组17输出的工质，作为正流气与低温液体泵2输送来的反流工质在板式换热器7中热交换，完成相变、充分气化、大部分冷量回收。
6.根据权利要求1所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备，其特征在于利用工质本身所载的能量，通过增压膨胀19产生冷量。
7.根据权利要求1或6所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备，其特征在于通过对增压膨胀机增压端出口气气冷却器20回收热量、增加制冷量。
8.根据权利要求1或6所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备，其特征在于通过板式换热器7中部取出工质进入增压膨胀机膨胀端入口，以提高制冷量。
9.根据权利要求1所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备，其特征在于轴流式透平膨胀机17-1和发电机17-2间无减速器，直接连接。
10.根据权利要求1所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备，其特征在于以液氮、液氩为辅助冷源。
11.根据权利要求1所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备，其特征在于板式换热器7冷箱、喷射器8冷箱、过冷器9冷箱和增压膨胀机19冷箱相对独立，通过珠光砂绝热过桥冷箱连接。
12.根据权利要求1或4所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备，其特征在于透平膨胀机-发电机组17是按照输入中常温、中高压气体工质，输出中冷温度、中低压气体工质，进行设计、制造。
13.根据权利要求1或4所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备，其特征在于透平膨胀机-发电机组17中的透平膨胀机17-1出口侧有保温装置。
14.根据权利要求1所述的利用深冷技术实现低温热能发电的方法和设备，其特征在于采用的无刷励磁同步发电机，能从电动运行状态过渡到发电机运行状态，同时也能在运行中由发电机状态恢复到电动机状态。
全文摘要
本发明使用一种新的循环方式利用低温热能发电。以液空、液氮、液氩(1)等大气中存在的自然物质作为制冷工质，以液氮、液氩为辅助冷源(13)，通过低温液体泵(2)增压输送工质，通过低温换热装置(7)冷却工质和回收冷量，中冷工质与低品位热源进行热交换(15、14)，产生中高压气体，一部分焓值升高的气体工质膨胀做功发电(17)，电能并入本地电网(18)。另一部分工质经增压膨胀(19)产生冷量，通过低温换热装置(9)和喷射器(8)使工质降温、冷凝、混合和回收，工质液化过冷(5)后循环使用，参数检测、控制等由计算机控制系统(21)实现。
文档编号F01K25/10GK102230403SQ201110132669
公开日2011年11月2日 申请日期2011年5月16日 优先权日2011年5月16日
发明者墙新奇 申请人:墙新奇