太阳能湿氦气透平循环电水盐三联产零排放系统及方法与流程

1.本发明设计了一种太阳能湿氦气透平循环电水盐三联产零排放系统及方法，属于发电、蒸发结晶、脱盐产水领域。


背景技术：

2.氦气作为冷却剂，化学性质稳定，导热性能良好，氦气透平循环常用于高温气冷核反应堆的停堆冷却。而与纯氦气相比，携带了水蒸气的湿氦气增加了燃气透平内部做功工质，在增大有效输出功的同时能够减小压缩功的消耗，提高了循环性能。
3.随着社会发展与人类活动的增加，人类对淡水的需求程度与日俱增，淡水生产技术也因此成为了研究热点。传统的淡化技术包括蒸馏法、冷冻法、闪蒸法、反渗透法等，但运行维护成本相对较高，不利于大规模应用；且常规淡化技术中常将浓缩至6％以上的海水直接排放，严重破坏了周围的生态环境，因而发展节能、高效、零污染的淡水生产系统势在必行。
4.为了实现零排放的目的，考虑将淡水生产系统与蒸发结晶系统相结合，并用太阳能推动湿氦气透平循环发电，并且同时实现了淡水生产与浓缩结晶的目标。本电水盐三联产系统节能效果显著、符合国家节能减排及可持续发展的战略目标。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提出一种太阳能湿氦气透平循环电水盐三联产零排放系统及方法。
6.一种太阳能湿氦气透平循环电水盐三联产零排放系统，包括太阳能湿氦气循环透平子系统和结晶产水子系统,其特征在于：其中太阳能湿氦气透平循环子系统包括热熔融盐罐、冷熔融盐罐、太阳能集热器、氦气加热器、饱和器、氦压气机、发电机、氦气轮机；上述太阳能湿氦气透平循环子系统的冷熔融盐罐出口与太阳能集热器进口相连，太阳能集热器出口与热熔融盐罐进口相连，热熔融盐罐出口与氦气加热器热侧进口相连，氦气加热器热侧出口与冷熔融盐罐进口相连，氦气加热器冷侧进口与饱和器顶部湿氦气出口相连，氦气加热器冷侧出口与氦气轮机进口相连，氦气轮机带动发电机运转，饱和器底部湿氦气进口与氦压气机出口相连，氦压气机进口与溶液预热器顶部氦气出口相连，溶液预热器底部氦气进口与氦气轮机氦气出口相连，溶液预热器底部产水出口与外界相连。
7.其中结晶产水子系统包括上述饱和器，还包括节流阀ⅰ、溶液冷却器、溶液加热器、压缩机、搅拌机、离心机、节流阀ⅱ、溶液预热器、溶液泵；上述结晶产水子系统的节流阀ⅰ进口与饱和器底部溶液出口相连，节流阀ⅰ出口与溶液冷却器热侧进口相连，溶液冷却器热侧出口与搅拌机进口相连，搅拌机溶液出口与溶液泵进口相连，搅拌机晶浆出口与离心机晶浆入口相连，离心机晶体出口与外界相连，离心机母液出口与溶液泵进口相连；溶液冷却器冷侧出口与压缩机进口相连，压缩机出口与溶
液加热器热侧进口相连，溶液加热器热侧出口与节流阀ⅱ进口相连，节流阀ⅱ出口与溶液冷却器冷侧入口相连；溶液预热器底部溶液出口与溶液泵进口相连，溶液泵出口与溶液加热器冷侧进口相连，溶液加热器冷侧出口与饱和器顶部溶液进口相连。
8.一种太阳能湿氦气透平循环电水盐三联产零排放系统的工作方法，其特征在于包括以下工作过程：在太阳能湿氦气透平循环子系统中，冷熔融盐罐中的冷熔融盐在太阳能集热器中吸收太阳能后，进入热熔融盐罐中储存热量，热熔融盐罐中的热熔融盐至氦气加热器热侧放热，冷却后的熔融盐重新回到冷熔融盐罐中完成熔融盐热循环；在溶液预热器中冷凝放热后的湿氦气，由氦压气机加压后从饱和器底部通入塔中，与从饱和器顶部进入的溶液总流发生传热传质过程，升温后的湿氦气继续进入氦气加热器冷侧与热侧的熔融盐进行换热，最终进入氦气轮机膨胀做功，带动发电机工作。
9.在结晶产水子系统中，溶液总流经溶液泵升压后进入溶液加热器，在其中吸收低沸点工质放热后，从饱和器顶部进入，与从饱和器底部进入的湿氦气发生传热传质过程，然后经节流阀ⅰ降压后流至溶液冷却器热侧，向热泵子循环中的低沸点工质放热而变成过饱和溶液，接着进入搅拌机中形成晶浆，晶浆继续进入离心机中分离，从而得到晶体；离心机和搅拌机出口的溶液，在与经溶液预热器预热后的溶液汇合后，作为溶液总流进入溶液泵升压，然后流入溶液加热器冷侧；热泵循环中的低沸点工质在溶液冷却器中吸收其热侧能量后变成低温低压蒸汽，用压缩机将其压缩至高温高压状态，然后通入溶液加热器热侧，向溶液总流放热并冷凝为液态，再经过节流阀ⅱ降压后再次进入溶液冷却器中，完成热泵子循环；来自氦气轮机出口的湿氦气从溶液预热器底部进入，与从其顶部进入的溶液发生逆流换热过程，湿氦气携带的水蒸汽凝结后蓄积在溶液预热器底部，用管道将其引至外界，从而得到淡水。
附图说明
10.图1为本发明提出的太阳能湿氦气透平循环电水盐三联产零排放系统流程图；图中标号名称：1
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热熔融盐罐；2
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冷熔融盐罐；3
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太阳能集热器；4
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氦气加热器；5
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饱和器；6
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节流阀ⅰ；7
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溶液冷却器；8
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氦压气机；9
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溶液加热器；10
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压缩机；11
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搅拌机；12
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离心机；13
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节流阀ⅱ；14
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溶液预热器；15
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发电机；16
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氦气轮机；17
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溶液泵。
11.具体实施方法图1是本发明提出的太阳能湿氦气透平循环电水盐三联产零排放系统流程图，下面参照图1说明系统的工作过程：在太阳能湿氦气透平循环子系统中，冷熔融盐罐中的冷熔融盐在太阳能集热器中吸收太阳能后，进入热熔融盐罐中储存热量，热熔融盐罐中的热熔融盐至氦气加热器热侧放热，冷却后的熔融盐重新回到冷熔融盐罐中完成熔融盐热循环；在溶液预热器中冷凝放热后的湿氦气，由氦压气机加压后从饱和器底部通入塔中，与从饱和器顶部进入的溶液总流发生传热传质过程，升温后的湿氦气继续进入氦气加热器冷侧与热侧的熔融盐进行换热，最终进入氦气轮机膨胀做功，带动发电机工作。
12.在结晶产水子系统中，溶液总流经溶液泵升压后进入溶液加热器，在其中吸收低沸点工质放热后，从饱和器顶部进入，与从饱和器底部进入的湿氦气发生传热传质过程，然
后经节流阀ⅰ降压后流至溶液冷却器热侧，向热泵子循环中的低沸点工质放热而变成过饱和溶液，接着进入搅拌机中形成晶浆，晶浆继续进入离心机中分离，从而得到晶体；离心机和搅拌机出口的溶液，在与经溶液预热器预热后的溶液汇合后，作为溶液总流进入溶液泵升压，然后流入溶液加热器冷侧；热泵循环中的低沸点工质在溶液冷却器中吸收其热侧能量后变成低温低压蒸汽，用压缩机将其压缩至高温高压状态，然后通入溶液加热器热侧，向溶液总流放热并冷凝为液态，再经过节流阀ⅱ降压后再次进入溶液冷却器中，完成热泵子循环；来自氦气轮机出口的湿氦气从溶液预热器底部进入，与从其顶部进入的溶液发生逆流换热过程，湿氦气携带的水蒸汽凝结后蓄积在溶液预热器底部，用管道将其引至外界，从而得到淡水。


技术特征：
1.一种太阳能湿氦气透平循环电水盐三联产零排放系统，包括太阳能湿氦气透平子系统和结晶产水子系统,其特征在于：其中太阳能湿氦气透平循环子系统包括热熔融盐罐(1)、冷熔融盐罐(2)、太阳能集热器(3)、氦气加热器(4)、饱和器(5)、氦压气机(8)、发电机(15)、氦气轮机(16)；上述太阳能湿氦气透平循环子系统的冷熔融盐罐(2)出口与太阳能集热器(3)进口相连，太阳能集热器(3)出口与热熔融盐罐(1)进口相连，热熔融盐罐(1)出口与氦气加热器(4)热侧进口相连，氦气加热器(4)热侧出口与冷熔融盐罐(2)进口相连；氦气加热器(4)冷侧进口与饱和器(5)顶部湿氦气出口相连，氦气加热器(4)冷侧出口与氦气轮机(16)进口相连，氦气轮机带动发电机(15)运转，饱和器(5)底部湿氦气进口与氦压气机(8)出口相连，氦压气机(8)进口与溶液预热器(14)顶部氦气出口相连，溶液预热器(14)底部氦气进口与氦气轮机(16)氦气出口相连，溶液预热器(14)底部产水出口与外界相连;其中结晶产水子系统包括上述饱和器(5)，还包括节流阀ⅰ(6)、溶液冷却器(7)、溶液加热器(9)、压缩机(10)、搅拌机(11)、离心机(12)、节流阀ⅱ(13)、溶液预热器(14)、溶液泵(17)；上述结晶产水子系统的节流阀ⅰ(6)进口与饱和器(5)底部溶液出口相连，节流阀ⅰ(6)出口与溶液冷却器(7)热侧进口相连，溶液冷却器(7)热侧出口与搅拌机(11)进口相连，搅拌机(11)溶液出口与溶液泵(17)进口相连，搅拌机(11)晶浆出口与离心机(12)晶浆入口相连，离心机(12)晶体出口与外界相连，离心机(12)母液出口与溶液泵(17)进口相连；溶液冷却器(7)冷侧出口与压缩机(10)进口相连，压缩机(10)出口与溶液加热器(9)热侧进口相连，溶液加热器(9)热侧出口与节流阀ⅱ(13)进口相连，节流阀ⅱ(13)出口与溶液冷却器(7)冷侧入口相连；溶液预热器(14)底部溶液出口与溶液泵(17)进口相连，溶液泵(17)出口与溶液加热器(9)冷侧进口相连，溶液加热器(9)冷侧出口与饱和器(5)顶部溶液进口相连。2.根据权利要求1所述的一种太阳能湿氦气透平循环电水盐三联产零排放系统的工作方法，其特征在于包括以下工作过程：在太阳能湿氦气透平循环子系统中，冷熔融盐罐(2)中的冷熔融盐在太阳能集热器(3)中吸收太阳能后，进入热熔融盐罐(1)中储存热量，热熔融盐罐(1)中的热熔融盐至氦气加热器(4)热侧放热，冷却后的熔融盐重新回到冷熔融盐罐(2)中完成熔融盐热循环；在溶液预热器(14)中冷凝放热后的湿氦气，由氦压气机(8)加压后从饱和器(5)底部通入塔中，与从饱和器(5)顶部进入的溶液总流发生传热传质过程，升温后的湿氦气继续进入氦气加热器(4)冷侧与热侧的熔融盐进行换热，最终进入氦气轮机(16)膨胀做功，带动发电机(15)工作;在结晶产水子系统中，溶液总流经溶液泵(17)升压后进入溶液加热器(9)，在其中吸收低沸点工质放热后，从饱和器(5)顶部进入，与从饱和器(5)底部进入的湿氦气发生传热传质过程，然后经节流阀ⅰ(6)降压后流至溶液冷却器(7)热侧，向热泵子循环中的低沸点工质放热而变成过饱和溶液，接着进入搅拌机(11)中形成晶浆，晶浆继续进入离心机(12)中分离，从而得到晶体；离心机(12)和搅拌机(11)出口的溶液，在与经溶液预热器(14)预热后的溶液汇合后，作为溶液总流进入溶液泵(17)升压，然后流入溶液加热器(9)冷侧；热泵循环中的低沸点工质在溶液冷却器(7)中吸收其热侧能量后变成低温低压蒸汽，用压缩机(10)将其压缩至高温高压状态，然后通入溶液加热器(9)热侧，向溶液总流放热并冷凝为液态，
再经过节流阀ⅱ(13)降压后再次进入溶液冷却器(7)中，完成热泵子循环；来自氦气轮机(16)出口的湿氦气从溶液预热器(14)底部进入，与从其顶部进入的溶液发生逆流换热过程，湿氦气携带的水蒸汽凝结后蓄积在溶液预热器(14)底部，用管道将其引至外界，从而得到产水。

技术总结
本发明公开了一种太阳能湿氦气透平循环电水盐三联产零排放系统及方法，属于发电、蒸发结晶、脱盐产水领域。该系统包括太阳能湿氦气透平循环子系统和结晶产水子系统；其中太阳能湿氦气透平循环子系统包括热熔融盐罐、冷熔融盐罐、太阳能集热器、氦气加热器、饱和器、氦气轮机、发电机；结晶产水子系统主要包括搅拌器、离心机、溶液预热器以及热泵循环。本发明将发电系统与脱盐产水过程相结合，利用太阳能加热湿氦气进行发电，同时能充分回收湿氦气余热，用于预热进口溶液，并使用热泵系统对溶液进行加热蒸发、冷却结晶，从而同时实现了发电和脱盐产水的要求。本系统节能效果显著、符合国家节能减排及可持续发展的战略目标。国家节能减排及可持续发展的战略目标。国家节能减排及可持续发展的战略目标。


技术研发人员：路裕 何纬峰 安浩浩 周萱 韩冬 岳晨 蒲文灏
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2021.05.31
技术公布日：2021/9/21