专利名称：使用一种三组分工作流体的热动力发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及热动力发电循环，更为具体地说，是一种使用包括水、氨和二氧化碳的工作流体的热动力发电系统。
最通用的从一种热源产生有用能量的热动力发电循环是兰金循环。在兰金循环中，一种如水、氨或氟利昂的工作流体使用一种可利用的热源在一个蒸发器内进行蒸发。蒸发出的气态工作流体然后通过一种涡轮机予以膨胀以释放出能量。使用过的气态工作流体于是使用一种可利用的冷却介质予以冷凝，而冷凝工作流体的压力由泵来增加。压缩的工作流体于是被蒸发使操作继续进行。
图1和2中显示的热动力发电系统分别使用水蒸汽和氨/水工作流体。在图1中，热动力发电设备包括一个进口10，其中过热蒸汽被施加到一系列热交换器12，14和16中。空气通过出口18从热交换器16中排出。流在进口10和相应的热交换器之间的空气流被标以A，B，C和D。在图1的系统中的工作流体是水/蒸汽，其中的水最初由泵20加压然后作为流E被施加到热交换器16中，在那里它被加热到接近其初沸点的温度。从热交换器16通过流F排出的热水被施加到热交换器14中，在那里变成蒸汽，然后从那里通过流G被送至热交换器12中，在这里它以过热蒸汽(流H)出现。过热蒸汽被送至膨胀器/涡轮机22，在其中产生发电操作。从膨胀器涡轮机22排出的水/蒸汽混合物被送至冷凝器24，循环又重新进行。
在图1所示的实例中，在进口10处的气体的温度是800°F。从热交换器12进气中获得的热将流G中的饱和蒸汽过度加热以产生流H的过热蒸汽。涡轮机22产生2004马力的轴功，这轴功可以转换成电力或用来驱动一个压缩机或其它机械装置。如上所述的部分冷凝蒸汽在冷凝器24中被完全冷凝，而泵20将液体水的压力在其进入热交换器16之前从1磅/平方英寸绝对压力(psia)加高至600psia。从热交换器16排出的空气温度是374°F。这个温度受到热交换器14内扭点温度的限制。该温度是从热交换器14排出的空气温度(506°F)和进入热交换器14的饱和水的温度(484°F)之间的温差，也就是温差22°F。这个温度是水压和气体及水流速的函数。下表1显示出对图1所示条件分析研究的计算结果。
表1
图2是图1系统的重复，其中的工作流体是一种氨/水混合物。图2中所示的各部分的标号都与图1中的相同。然而，温度与压力根据对氨/水工作流体的热动力性能的重新计算有所更改。工作流体混合物中氨的摩尔分数是0.15。流I的压力增加到6.5psia以允许工作流体在进入泵20之间能在102°F下完全被冷凝。在冷凝器24压力增加的最终结果是涡轮机22的涡轮功率从图1中蒸汽体系的2004马力降低至1804马力。即使通过使用水/氨工作流体将更多的能量从空气流中除去，这种降低也仍会发生。在出口18处的空气温度对图1中出口18处的空气温度是318°F对374°F。
下表2说明了对图2的氨/水工作流体系统的计算参数。
表2
上述使用蒸汽和氨/水工作流体的兰金循环现有技术的实例指出了在水中加入氨大大地减小了热动力循环的效率。
最近开发出的一种称作卡林娜循环(Kalina cycle)的热动力发电系统比兰金循环呈现出在效率上的改进。图3显示了一种使用卡林娜循环和继续使用水/氨工作流体的发电系统中主要构件的简化示意图。使用卡林娜循环发电系统的细节可以在美国专利第4,346,561，4,489,563和4,548,043号(这些专利全部授予A.I.Kalina)中找到，这里介绍了图3中系统的简短叙述。
水/氨工作流体由泵30泵至一个高的工作压力(流A)。流A是一种氨/水混合物，一般情况该混合物中大约70-95摩尔百分数的量是氨。该混合物具有足够的压力使其处于液体状态。来自可获得的热源的热，例如从燃气涡轮废气中获得的热，通过流B馈入一个蒸发器32中，在蒸发器中流A的液体被转变成过热蒸汽(流C)。该蒸汽被馈入膨胀涡轮34使其产生轴马力，再由一个发电机36转变成电。发电机36可以由一个压缩机或其它消耗动力的装置来替代。
从膨胀涡轮34流出的是一种低压混合物(流D)，它与从一个分离单元38底部流出的作为流E的贫氨液合并。该合并的流体成为流F馈入到一个冷凝器40中。流E和F通常分别含大约35摩尔百分数和45摩尔百分数的氨。
流F通常通过作为流G流动的冷却水在冷凝器40中被冷凝。在流F中比较低浓度的氨与流D相比允许存在于流D中的蒸汽以比如果流D在混合之前就冷凝(如兰金循环中的情况)的所可能的低得多的压力予以冷凝。最终结果是流C和D之间的压力比更大，转化成从膨胀涡轮34的更大的输出功率。分离单元38通常进行蒸馏式的操作并产生出送往蒸发器32的含氨量高的流A和促使流D中气体吸附/冷凝的低浓度的流E。
虽然卡林娜循环显示出比兰金循环可能更高的发电效率，但是目前的发电设备几乎普遍地使用兰金循环的设备。然而，对于这两种热动力发电循环，在它们效率上的低成本的改进将对输出功率的成本有着重大的影响。此外，在进行改进而不需大量更动基本设备的意义上说，这样的更动很可能很快就能完成。
因此，本发明的目的是提供一种用于改进兰金循环和卡林娜循环热动力发电系统效率的装置。
本发明另一个目的是提供一种对目前热动力发电系统的改进，这种改进不需要花费大量基本投资就能完成。
一种受压流体通过涡轮膨胀的发电系统由于使用了包含水、氨和二氧化碳的三组分工作流体而表现出改进效率。最好将工作流体的pH值维持在一个可以防止含碳固体沉淀的范围内(即8.0至10.6之间)。工作流体能使兰金循环的效率改进达到百分之十二而卡林娜循环的效率改进大约为百分之五。
图1是使用蒸汽的现有技术兰金循环发电系统的示意图。
图2是使用氨和水的工作流体的现有技术兰金循环发电系统的示意图。
图3是使用水/氨工作流体的现有技术卡林娜循环系统的示意图。
图4是本发明的一个使用兰金循环和包含氨、水和二氧化碳的工作流体的实施例的示意图。
图5是图4中所示本发明实施例的示意图，其中进一步的改进表现在热交换器系统中扭点温度的降低。
图6是二氧化碳的百分数对NH3-CO2-H2O系统中平衡状态的曲线图，显示出两相和三相等温线。
本发明的实质是在热动力发电循环中使用一种二氧化碳、氨和水气相的混合物的工作流体。这导致形成NH3，NH4+，OH-，H+，CO2，H2，CO3，HCO3-，CO3-2和NH2CO2-在水(在液相)中的混合物。这种工作流体混合物增加了发电的效率和/或减少用于发电的设备成本。在低温时，例如，大约100°F，液相的组分形成一种高度溶于水的溶液。当温度增加时，液相物质就分解成水，氨和二氧化碳。这种三组分流体混合物容许更有效地使用低标准的能或者在兰金循环中使混合物蒸发，或者在卡林娜系统中产生一个大体积的蒸汽流。
在水中加入氨减低了混合物沸腾和冷凝的温度。卡林娜循环使用吸附和蒸馏以改进效率。在氨/水混合物中加入二氧化碳就形成各种离子形式，它们容许流体在比工作流体仅包含氨和水时高的温度使其完全冷凝。加入二氧化碳还可以容许在比只有氨和水的工作流体时低的温度下形成蒸气相。因此，较低标准的(低质量)热被用来蒸发工作流体，这就可以使高水平的热用来使蒸汽过热。较高的有效过热水平结合较低的冷凝器压力(较高的冷凝温度)造成从一个给定的热源获得更多的功率输出。
图4显示出向氨/水混合物中加入二氧化碳的效果。工作流体中氨加上二氧化碳的摩尔分数是0.15(氨为0.10和二氧化碳为0.05)。图3显示出由图4中所示的本发明的氨/水/二氧化碳工作流体实施例所得出的计算参数。
表3
由于工作流体组合物的结果，流I的压力减小至2psia。流I压力减小的最终结果是从涡轮22的功率输出增加到2028HP。与图1中所示的蒸汽系统相比，功率从2004HP增加到2028 HP代表着效率增加了1.2％。与图2中所示的氨/水工作流体系统相比，从1840HP至2028HP的效率变化大约为9.3％。效率增加的发生并没有增加从在进口10引入空气流中除去的能量。
图2显示出在流F和C之间的33°F的扭点温度，而本发明的使用三组分工作流体的系统显示出一个106°F的扭点温度，说明了所要求的热交换面积大为减小。这减小了设备的成本然而却增加了系统的效率。
在图5中，图4的系统已被改进以显示出一个使用三组分工作流体的系统在性能上的进一步改进。
下表4显示了图5系统的计算参数。
表4
通过将流F(292°F)和流C(357°F)之间的扭点温度减低至一个65°F的差异，更多的低标准的热被用来蒸发三组分混合物。离开泵20(流E)的流体压力增加到700psia，因而流G的温度(482°F)与图1中所示的流G的温度相同，其中只是将蒸汽用作工作流体。这些变化的最终效果是将涡轮22的输出增加到2,250马力，涡轮输出增加了大约11％。图1和图5的系统之间扭点温度的不同(22°F对65°F)说明了设备成本减低的潜力。
将本发明的三组分工作流体施加到图3的卡林娜循环中涉及水，氨和二氧化碳在流F(包括所有与该液相相关的所有离子形式)中的组成。最好是流F的氨加二氧化碳的含量与传统的基于氨的卡林娜循环的相同(大约为45摩尔百分数)。氨/二氧化碳的相对浓度最好被调节成使流H的pH值被维持在8.0至10.6的范围内。在这个pH值范围内可以为流F获得最低的冷凝压力，从而形成一个对膨胀涡轮34的最低排出压力(也就是最大功率输出)。
一个在水中含有大约45摩尔百分数的氨的液流，如果冷凝液(流H)是102°F，则要求一个超过35.5psia的膨胀涡轮排气压力。如果冷凝液流H含有在水中的29摩尔百分数的氨和16摩尔百分数的二氧化碳，则膨胀涡轮34的排气压力可以降低为在102°F的大约2.4psia。这种较低的冷凝器压力的结果是三组分流体系统的效率至少能够比使用氨/水基的卡林娜循环所能得到的高出百分之五。
流F的组成最好应当被控制到这样的程度，即避免沉淀出碳酸盐、碳酸氢盐、氨基甲酸盐以及其它的氨的碳酸盐固体。在图6中示出了CO2百分数对NH3-CO2-H2O系统中平衡状态的曲线图。其中浓度以摩尔百分数而温度以℃示出。如果该系统被调整成在两相等温线下工作，则固相的形成就可以避免。
如果图3中的流F和图5中的流J的pH值维持在低于8.0或高于10.6则有可能获得某些效益。然而，如果这些液流是在低于7.5或高于12pH值时工作，则将得不到效益或极少效益，除非沉淀物的形成对该系统组分的工作是可接受的。在低pH值，很难获得高的氨含量而不沉淀出如NH4HCO3这类物质。而在高pH值时，又很难获得高的CO2/NH3比率而不沉淀出如NH2CO2NH4之类的物质。
也可能会有这种情况，在冷凝器系统中固体的沉淀是希望有的。因为碳酸铵沉淀一般在低温下即分解，在冷凝器中形成沉淀使得有可能更有效地使用低标准的热。然而，通过不使沉淀形成，设备问题，例如冷凝器和热交换器的堵塞，泵的腐蚀和分离单元中的卡阻都可以避免了。
应当理解上述的描述仅仅是对本发明的举例说明。各种另外的设想和改进都可以由本专业中熟悉技术的人员设计出而不偏离本发明(例如，双压力和再加热兰金循环)。因此，本发明应当包括所有这些另外设想、改进和变异，只要它们落入附于本文后面的权利要求范围之内。
权利要求
1.一种通过涡轮使加压的工作流体膨胀而发电的系统，所述系统使用的工作流体包括水，氨和二氧化碳。
2.如权利要求1中所述的系统，其中所述的氨和二氧化碳以能使所述工作流体的pH值处于7.5至12的范围内的比例存在于所述水中。
3.如权利要求1中所述的系统，其中所述的氨和二氧化碳以能使所述工作流体的pH值处于8.0至10.6的范围内的比例存在于所述水中。
4.如权利要求1中所述的系统，其中所述工作流体被置于一个兰金热动力发电循环中。
5.如权利要求1中所述的系统，其中所述工作流体被置于一个卡林娜热动力发电循环中。
6.如权利要求5中所述的系统，其中所述氨和二氧化碳在所述工作流体中的含量大约为45％(摩尔)。
7.如权利要求6中所述的系统，其中氨和二氧化碳在水中的浓度被调节，以使所述工作流体在液态的pH值被维持在8.0至10.6范围内。
8.如权利要求6中所述的系统，其中氨和二氧化碳在水中的浓度被调节，以使所述工作流体在液态的pH值被维持在7.5至12.0范围内。
全文摘要
一种通过涡轮使加压的工作流体膨胀而发电的系统，它使用了一种包含水、氨和二氧化碳的三组分工作流体而使效率得到改进。工作流体的pH值被维持在一定的范围内(最好在8.0至10.6之间)以防止沉淀出含碳的固体。该工作流体能使兰金循环的效率改进达到百分之十二，而在卡林娜循环中的效率改进大约为百分之五。
文档编号F01D15/10GK1143714SQ96108890
公开日1997年2月26日 申请日期1996年7月26日 优先权日1995年7月27日
发明者R·F·德尼维希 申请人:普拉塞尔技术有限公司