低温超临界水循环发电设备的制作方法

1.本发明涉及热电转化技术领域，尤其涉及一种低温超临界水循环发电设备。


背景技术：

2.随着经济的发展，电能成为社会主流能源的代表，传统热电转化技术是基于朗肯循环理论的汽轮机发电技术和orc(有机朗肯循环)余热发电技术。
3.作为汽轮机发电、orc有机工质发电和超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术，高温、高压和高排放是其技术特征，温度和压力高低决定了热电转换效率的高低，进而有大量的热量排向大气中，无法利用，需要消耗大量水资源进行蒸发冷却，对环境造成严重污染。
4.自泄压热管技术于2015年出现，其中两项重要专利——一种热管的自泄压现象(专利号：zl201510275297.7)和采用自泄压热管原理的能量转换方法及自泄压热管发动机(专利号：zl201810814417.x)，为我们开发低温热电转换技术提供了理论基础。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种低温超临界水循环发电设备，旨在解决现有技术中的传统热电转化技术产生巨大的外排热量，需要消耗大量水资源进行蒸发冷却，对环境造成严重污染的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明采用的一种低温超临界水循环发电设备，包括制冷系统、储液罐、高压储罐、泄压罐、动力系统和循环系统；
7.所述制冷系统用于热交换，所述储液罐与所述制冷系统连通，用于容纳液体工质，所述高压储罐与所述制冷系统连通，用于容纳气体工质，所述泄压罐与所述高压储罐连通，用于容纳水和气体工质，所述动力系统与所述泄压罐连通，用于转化电能，所述循环系统与所述动力系统和所述储液罐连通，用于提供水循环。
8.其中，所述动力系统包括水轮机和发电机，所述水轮机与所述泄压罐连通，所述发电机与所述水轮机连接。
9.其中，所述循环系统包括分离罐和压缩机，所述分离罐分别与所述水轮机和所述泄压罐连通，所述压缩机分别与所述分离罐和所述储液罐连通。
10.其中，所述液体工质为液态二氧化碳，所述气体工质为超临界二氧化碳饱和气体。
11.其中，所述泄压罐的数量为多个，多个所述泄压罐分别与所述高压储罐和所述水轮机连通。
12.其中，所述水轮机为封闭式冲击水轮机，并数量为多个，多个所述水轮机分别与所述发电机和所述泄压罐连通。
13.其中，所述低温超临界水循环发电设备具有两种工质，两种工质为：二氧化碳和水，并构成二氧化碳和水双循环系统。本发明的低温超临界水循环发电设备，该设备的发明集成了自泄压热管技术、超临界二氧化碳技术、超高水头冲击水轮机技术和复杂动能转换机构，其中核心技术原理来源于自泄压热管技术及自泄压热管发动机技术原理，通过二氧
化碳和水作为工质，二氧化碳在31.5℃时气体的饱和压力是7mpa，31.5℃以上温度可以得到超临界二氧化碳饱和气体；首先，在所述储液罐中存放液体二氧化碳，液体二氧化碳进入所述制冷系统中与外界水进行热交换，相变吸热形成超临界二氧化碳气体，然后，再将超临界二氧化碳气体通过所述高压储罐注入所述泄压罐中，所述泄压罐中预先装有水，二氧化碳气体与所述泄压罐中的水融合产生饱和气水混合；二氧化碳吸收水中的热量进行第一次膨胀，致使所述泄压罐中压力达到饱和压力，在泄压过程中，由于所述水轮机喷口阀门打开，给二氧化碳提供再次膨胀的条件，二氧化碳气体进一步吸收水中热量实现体积二次膨胀，两次膨胀的结果就是推动所述泄压罐中的水做功，二氧化碳气体体积的快速膨胀给所述水轮机提供稳定压力和流量的冲击水流，驱使所述水轮机做功，实现低温31.5℃以上的热能转化为机械能，进而所述水轮机带动所述电动机输出电能，做完功的二氧化碳和水在所述循环系统中进行气水分离，能够循环使用，整个过程采用计算机控制和管理手段完成对工艺和参数的精确控制，并在真空条件下，把热电转换温度降低到40
‑
85℃，能够实现热能最大化的利用，在转换过程中没有热量排放，有利于保护环境和节约水资源。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1是本发明的低温超临界水循环发电设备的工作原理图。
16.图2是本发明的实施例一中单组泄压小型机的结构图。
17.图3是本发明的实施例一中多组泄压小型机的结构图。
18.图4是本发明的实施例二中单轴多组中型机的结构图。
19.图5是本发明的实施例二中双轴多组中型机的结构图。
20.图6是本发明的实施例三中单级水轮机大型机的结构图。
21.图7是本发明的实施例三中多级水轮机大型机的结构图。
22.图8是本发明的实施例四中在工业循环水场景的实施例图。
23.图9是本发明的实施例五中在工业余热(废热)场景的实施例图。
24.图10是本发明的实施例六中在垃圾发电场景的实施例图。
25.图11是本发明的实施例七中在地热(干热岩)发电场景的实施例图。
26.图12是本发明的实施例八中在热力发电场景的实施例图。
27.图13是本发明的实施例九中在空气能发电场景的实施例图。
[0028]1‑
换热器、2
‑
泄压罐、3
‑
储液罐、4
‑
压缩机、5
‑
分离罐、6
‑
高压储罐、7
‑
循环泵、8
‑
水轮机、9
‑
发电机、10
‑
制冷系统、11
‑
进水管、12
‑
回水管、20
‑
动力系统、30
‑
循环系统、100
‑
低温超临界水循环发电设备。
具体实施方式
[0029]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0030]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0031]
在本发明的描述中，“六合机”是给低温超临界水循环发电设备起的通用名称，非产品商标。
[0032]
请参阅图1，本发明提供了一种低温超临界水循环发电设备100，包括制冷系统10、储液罐3、高压储罐6、泄压罐2、动力系统20和循环系统30；
[0033]
所述制冷系统10用于热交换，所述储液罐3与所述制冷系统10连通，用于容纳液体工质，所述高压储罐6与所述制冷系统10连通，用于容纳气体工质，所述泄压罐2与所述高压储罐6连通，用于容纳水和气体工质，所述动力系统20与所述泄压罐2连通，用于转化电能，所述循环系统30与所述动力系统20和所述储液罐3连通，用于提供水循环。
[0034]
在本实施方式中，所述储液罐3内存放液体二氧化碳，液体二氧化碳通过液态管路进入所述制冷系统10中，与所述制冷系统10中的外界循环水进行热交换，循环水进水温度为40
‑
80℃，出水温度设定为30℃，循环水可为工业循环水，进而还对工业循环水进行冷却，充分利用热量，节约能源；液体二氧化碳在所述制冷系统10中相变吸热，成为超临界二氧化碳饱和气体，饱和压力大于7mpa，超临界二氧化碳饱和气体通过气态超临界管路进入所述高压储罐6中，由所述高压储罐6向所述泄压罐2提供超临界二氧化碳饱和气体，所述泄压罐2中预选注有一定量水，此水为除盐、除气水，并所述泄压罐2的数量为多个，每个所述泄压罐2按照控制程序要求完成注水、注气、保压和泄压环节，，第一个所述泄压罐2完成泄压环节，第二个所述泄压罐2开始泄压，依次类推，实现组内循环，向所述动力系统20提供持续稳定压力和流量的冲击水流，进而所述动力系统20转化为电能，并对外输出，所述循环系统30将做完功的二氧化碳和水进行分离，实现水循环和气体循环；各个所述泄压罐2的工作指令由控制系统控制相应的阀门，以保证气路、水路畅通，整个过程是在真空条件下，采用计算机控制和管理手段完成对工艺和参数的精确控制，把热电转换温度降低到40
‑
85℃，能够实现热能最大化的利用，在转换过程中没有热量排放，有利于保护环境和节约水资源。
[0035]
进一步地，请参阅图1，所述动力系统20包括水轮机8和发电机9，所述水轮机8与所述泄压罐2连通，所述发电机9与所述水轮机8连接。
[0036]
在本实施方式中，所述水轮机8型号为php80，是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，与所述泄压罐2连通，接收所述泄压罐2提供的尺寸稳定压力和流量的冲击水流，在持续水流的冲击下输出稳定转速和扭矩，并与所述发电机9连接，带动所述发电机9运转，所述发电机9型号为zd25，当所述发电机9转速达到额定转速时，所述发电机9对外输出电能，进而实现将热能转化为机械能，再转化为电能，并整个过程在真空条件下进行，能够实现热能最大化的利用，在转换过程中没有热量排放，有利于保护环境和节约水资源。
[0037]
进一步地，请参阅图1，所述循环系统30包括分离罐5和压缩机4，所述分离罐5分别与所述水轮机8和所述泄压罐2连通，所述压缩机4分别与所述分离罐5和所述储液罐3连通。
[0038]
在本实施方式中，当高压水气流冲击所述水轮机8做完功后，分别经气、水回收管
路进入所述气液分离罐5中，所述气液分离罐5的作用是回收做完功的水和二氧化碳气体，并进行二氧化碳气体中水蒸汽气水分离，分离水蒸气后，二氧化碳气体通过气态管路进入所述压缩机4中进行压缩相变，形成液体二氧化碳，再回到所述液体储罐，至此，二氧化碳的循环完成，循环使用，有利于保护环境和节约水资源。
[0039]
进一步地，请参阅图1，所述液体工质为液态二氧化碳，所述气体工质为超临界二氧化碳饱和气体。
[0040]
进一步地，请参阅图1，所述低温超临界水循环发电设备具有两种工质，两种工质为：二氧化碳和水，并构成二氧化碳和水双循环系统。在本实施方式中，用二氧化碳从外界吸收热量，二氧化碳在31.5℃时气体的饱和压力是7mpa，31.5℃以上温度可以得到超临界二氧化碳饱和气体，进而能够在较低温度40
‑
85℃下解决提高热电转换效率和减少热量排放这两个矛盾的问题，有利于保护环境和节约水资源。
[0041]
进一步地，请参阅图1，所述泄压罐2的数量为多个，多个所述泄压罐2分别与所述高压储罐6和所述水轮机8连通。
[0042]
在本实施方式中，所述泄压罐2的数量为多个，形成组，第一个所述泄压罐2完成泄压环节，第二个所述泄压罐2开始泄压，依次类推，实现所述泄压罐2组内循环工作，所述泄压罐2组内循环工作是给所述水轮机8提供持续稳定压力和流量的冲击水流，进而有利于驱动所述水轮机8的转动，实现热能转化为机械能，使用效果更佳。
[0043]
进一步地，请参阅图1，所述水轮机8为封闭式冲击水轮机8，并数量为多个，多个所述水轮机8分别与所述发电机9和所述泄压罐2连通。
[0044]
在本实施方式中，所述水轮机8为多水路封闭式冲击水轮机8，使整个操作过程在真空环境下进行，并按照系统设计要求，可以采用多台所述水轮机8同轴并联输出方式，防止转化过程中热量的排放，增大所述发电机9的输出电能，促使使用效果更佳。
[0045]
进一步地，请参阅图1，所述制冷系统10包括进水管11、回水管12和换热器1，所述进水管11与所述换热器1连通，并位于所述换热器1的一侧；所述回水管12与所述换热器1连通，并位于所述换热器1的另一侧；所述换热器1通过管路分别与所述储液罐3和所述高压储罐6连通。
[0046]
在本实施方式中，所述换热器1型号为glc1123，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，所述进水管11向所述换热器1中输入40
‑
80℃的循环水，在所述换热器1中与液体二氧化碳进行热交换冷却，再通过所述回水管12输出30℃的循环水，实现工业水的冷却，同时使液体二氧化碳气化。
[0047]
进一步地，请参阅图1，所述循环系统30还包括循环泵7，所述循环泵7分别与所述泄压罐2和所述分离罐5连通。
[0048]
在本实施方式中，所述循环泵7型号为sppe200，是将水循环起来利用的水泵，所述分离罐5中水通过内部设置的所述循环泵7，经回水管12路分别给所述泄压罐2补水，各个所述泄压罐2的工作指令由控制系统控制相应的阀门，以保证气路、水路畅通，当所述泄压罐2需要补水时，打开所述泄压罐2上排气阀门，所述循环泵7补水，所述泄压罐2内二氧化碳气体通过气态回收管路回到所述分离罐5，所述泄压罐2补水完成，关闭所述泄压罐2排气阀门，这样，水在系统中的循环过程完成，循环使用，有利于保护环境和节约水资源。
[0049]
本发明提供的实施例一：如图2和图3所示，六合机为所述低温超临界水循环发电
设备100，六合机为箱体结构，箱体内部集成了换热器、二氧化碳气体循环系统、水循环系统、水轮机、发电机等，同时还有自控系统、电控系统，六合机对外有一个进水口和一个出水口，与外界循环水管路连接，通过循环水为六合机提供发电所需的热量，另外，六合机还有一组电力输出接口，对外输出400v交流电，六合机小型机是针对小流量循环水开发的小功率发电机组，分为单组泄压罐和多组泄压罐结构，该结构的特点是单机体积小，适合于特定小流量循环水环境下，比如采用空气能取热所产生的小流量循环热水，可直接转化成电能。
[0050]
本发明提供的实施例二：如图4和图5所示，六合机中型机总体布局和图2或图3类似，主要是针对冶金行业现有循环水废热利用，对现有循环水管路上进行改造，依据循环水管路上热源分布情况，采用中型六合机构建分布式发电系统，比如工业循环水和冶炼冲渣水的废热回收和利用，这类循环水的特点是温度不高但循环量很大，综合考虑各个集成部件体积、重量的前提下，设计了两种结构，即用一台水轮机和两台水轮机并联驱动一台发电机的结构布局，在泄压组件方面，同样采用单组和多组的组合结构，对外输出400v交流电，单机输出功率为500
‑
1000kw。
[0051]
本发明提供的实施例三：如图6和图7所述，六合机大型设备是新建冶金窑炉的废热回收、利用的定制配套设备，其优势在于集中回收，单机发电功率大，设备占地面积小，用一台或两台设备就能分别解决窑炉循环冷却水和冲渣水的废热回收问题，六合机大型设备采用单台大型冲击式水轮机(多喷嘴)或大型多级冲击式水轮机，匹配相应的二氧化碳循环系统和水循环系统，通过专用的泄压机构实现对配套设备工业废热进行循环利用。
[0052]
本发明提供的实施例四：如图8所示，六合机在循环管网的接入方式为并联，高温水进入六合机后，出水口接入低温管路，六合机把热量吸收转化成电能，应用现场是依据热量计算，装配相应数量的六合机，同时增加一台备用机组，就是n 1，备用机组是设备检修期间投用设备，保证循环水常年稳定的回水温度，该应用场景采用中型六合机，采用六合机的优势：可以保证循环水回水温度稳定在30℃，同时可以节约大量的工业水。
[0053]
本发明提供的实施例五：如图9所述，该场景主要针对冶炼高炉冲渣水、废蒸汽、高炉尾气等，在设备布置方面，后端六合机布置与实施例四中工业循环水场景布置一致，前端热源部分采用不同类型的换热器(气
‑
水，水
‑
水)将各类热量转换成高温热水，用水作为各类工业余热(废热)与六合机之间的热量传递介质，简化了对各类热源的处理工艺，扩大了六合机的适用范围，提高了六合机的使用年限，采用六合机的优势：可以回收80℃的工业废热，减少排放，节约水资源，这是目前采用orc技术的余热发电所做不到的。
[0054]
本发明提供的实施例六：传统垃圾焚烧发电是采用汽轮机发电技术，就是利用垃圾焚烧的热量烧蒸汽，用饱和蒸汽推动汽轮机发电，如图10所示，六合机在垃圾焚烧发电场景的应用，利用垃圾焚烧的热量通过换热器加热80℃循环热水，热水给六合机提供热量，六合机回水温度30℃给换热器，水在六合机与换热器之间封闭循环。把六合机应用到垃圾焚烧发电的场景中，相比较传统汽轮机发电技术，可提高热电转换效率，减少热排放(取消冷却塔)，简化热电转换所需的水处理设备，节约大量水。
[0055]
本发明提供的实施例七：如图11所示，为六合机中型机在地热资源利用方面的应用场景，地热资源主要指地下热水和地下干热岩的热量，目前开采的地下热水温度在40
‑
80℃，开采地下干热岩导出的热水温度通常在90
‑
130℃，地下热水目前仅仅用于采暖和中央空调地源热泵机组，干热岩开采出来的热能用汽轮机发电技术，发电效率很低，不具备商业
开发价值，采用六合机在地热资源方面的应用，干热岩导出的90
‑
130℃热水很适合六合机的取热范围，地下热水经换热器换出80℃热水给六合机，地上和地下双循环，地下开采只取热，不抽水，地上采用循环水换热，循环水换出的热量供六合机转化成电能。
[0056]
本发明提供的实施例八：如图12所示，为六合机在火力发电领域的应用场景，目前火力发电领域采用的是朗肯循环发电技术(俗称烧开水)，为提高发电效率，采用超超临界的饱和蒸汽推动汽轮机发电，热电转化效率42％，有超过50％的热量外排，排放热量需要消耗大量的水，如果采用六合机在火力发电领域应用(简称烧热水)，如图12所示，锅炉只需要烧热水，热水经六合机后回到锅炉，六合机吸取热水中热量转化成电能输出，整个过程没有高温外排，锅炉也是常压热水锅炉，该场景的六合机可采用中型或大型六合机。
[0057]
本发明提供的实施例九：如图13所示，为六合机在无有效热源条件下利用空气能发电的应用场景，无有效热源是指六合机在不接入各类热源的情况下，只利用外界空气的热量实现热电转换的应用场景，空气能发电是小型六合机的应用实施例，是在环境温度0℃以上，利用二氧化碳热泵机组与环境空气换热，满足六合机的热电转换条件，该设备为小型一体机，适用于野外施工场所，道路照明供电，无人值守充电站，包括解决不便铺设输电线路的沿海岛礁的基本供电需求，单机发电功率50
‑
100kw。
[0058]
能够实现热能最大化的利用，在转换过程中没有热量排放，有利于保护环境和节约水资源。
[0059]
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。