用于低品位热发电的氨水混合工质热力循环系统技术方案

一种用于低品位热发电的氨水混合工质热力循环系统，它包括吸收冷凝器，富氨溶液管路，溶液泵，回热器，热源流体流道，蒸发器，气液分离器，过热器，氨水混合蒸气管路，汽轮机，主发电机，冷却水换热器，吸收液管路，水轮机，辅发电机，背压调节阀，吸收液喷淋器，本发明专利技术采用化学吸收方式促进氨水混合蒸气凝结，使一部分氨气与吸收剂反应后以铵离子或络合氨的形式稳定存在于液相，在不增加气相中氨气分压的情况下显著提高溶液中的氨浓度，从而能够在低背压下实现氨水混合蒸气的冷凝。溶液在蒸发器里加热，随着温度不断提高，水合氨、铵离子和络合氨将分解放出氨气，在挥发性组分只有氨和水变温蒸发的同时使吸收剂得以再生。

Thermal Cycle System of Ammonia-Water Mixture for Low-grade Thermal Power Generation

An ammonia-water mixing refrigerant thermodynamic cycle system for low-grade thermal power generation includes absorption condenser, ammonia-rich solution pipeline, solution pump, regenerator, heat source fluid channel, evaporator, gas-liquid separator, superheater, ammonia-water mixing steam pipeline, steam turbine, main generator, cooling water heat exchanger, absorption liquid pipeline, turbine, auxiliary generator, back pressure regulating valve, suction. The liquid collecting sprayer adopts chemical absorption method to promote the condensation of ammonia-water mixture vapor, so that part of ammonia gas reacts with the absorbent and then stabilizes in the liquid phase in the form of ammonium ion or complex ammonia. The ammonia concentration in the solution can be significantly increased without increasing the partial pressure of ammonia gas in the gas phase, thereby realizing the condensation of ammonia-water mixture vapor at low back pressure. When the solution is heated in the evaporator, ammonia hydrate, ammonium ion and complex ammonia will decompose and release ammonia gas as the temperature rises. The absorbent can be regenerated while only ammonia and water evaporate at variable temperature.

【技术实现步骤摘要】
用于低品位热发电的氨水混合工质热力循环系统
本专利技术涉及一种以氨水混合工质热力循环，更确切的说是采用了化学吸收方式使通过汽轮机做功后的氨水混合蒸气在常温下以较低背压实现凝结的非共沸混合工质热力循环，主要用于低品位热发电。
技术介绍
与定温蒸发的单一工质Rankine循环相比，非共沸混合工质的变温蒸发过程与显热热源达成更好的换热匹配，减少了换热过程中的不可逆损失，从而获得更高的热效率。有研究表明，氨水工质Rankine循环的热效率可达到蒸汽Rankine循环的1.05～1.25倍{薄涵亮,马昌文,吴少融.氨水工质朗肯循环.清华大学学报（自然科学版）,1997.37(2):108-109）}。同时，氨水混合工质在较低温度下即可蒸发，因此采用氨水混合工质的热力循环可以利用各种中低温余热热源，实现对中低品位能源的有效回收利用。所以，氨水混合工质动力循环具有良好的热力特性、环境友好性及经济性。但是在动力循环的冷凝过程中，混合工质变温冷凝的特性使其与冷源间的温度匹配逊于单一工质，从而造成较大的火用损失。Kalina循环{KalinaAI.Combined-cyclesystemwithnovelbottomingcycle.JournalofEngineeringforGasTurbinesandPower.1984,106(7):737-742}在氨水工质Rankine循环的基础上增加了闪蒸和冷凝吸收系统，较好地解决了这一问题。尽管Kalina循环与Rankine循环相比在热效率方面有较大的提高，但是其系统比Rankine循环复杂得多，对其经济性有较大负面影响。Kalina循环在以下几个方面尚有较大的改进空间：（1）蒸馏子系统环节较多，造成较大㶲损失；（2）换热面积远远高于Rankine循环，金属耗量较高；（3）混合蒸气冷凝背压较高，限制了热效率的提高。
技术实现思路
本专利技术提供了一种氨水混合工质热力循环系统，能够在常温下以较低背压实现氨水混合蒸气的冷凝，相对于现有Kalina循环，热效率进一步提高，有利于提高低品位热发电的经济性。本专利技术提出一种用于低品位热发电的氨水混合工质热力循环系统，它包括吸收冷凝器，富氨溶液管路，溶液泵，回热器，热源流体流道，蒸发器，气液分离器，过热器，氨水混合蒸气管路，汽轮机，主发电机，冷却水换热器，吸收液管路，水轮机，辅发电机，背压调节阀，吸收液喷淋器，其相互连接关系如下：汽轮机的蒸汽出口与吸收冷凝器的蒸汽入口通过管路相连通，做功后的低压氨水混合蒸气（乏汽）进入吸收冷凝器；在吸收冷凝器内部设置有冷却水换热器，吸收冷凝器内腔的顶部设置有吸收液喷淋器，吸收液喷淋器与吸收液管路连通，吸收液管路上设置有背压调节阀；吸收冷凝器底部连通有富氨溶液管路，富氨溶液管路通过溶液泵与回热器的管程冷侧入口连通；在热源流体流道内设置有蒸发器和过热器，回热器的管程冷侧出口与蒸发器入口连通，蒸发器出口与气液分离器入口连通；气液分离器设置有底部出口和顶部出口。气液分离器的顶部出口与过热器入口连通，过热器出口通过氨水混合蒸气管路与汽轮机的气体入口连通，高温高压的氨水混合蒸气驱动汽轮机做功，带动主发电机发电，汽轮机气体出口与吸收冷凝器连通；气液分离器的底部出口通过吸收液管道与回热器的壳程入口连通，回热器的壳程出口与水轮机的液体入口连通，水轮机的液体出口通过背压调节阀与吸收液喷淋器连通；高压吸收液驱动水轮机带动辅发电机发电。本方案的具体特点还有，吸收液是一种含有至少一种能够与氨发生化学反应生成铵离子或络合氨的盐或酸的水溶液。吸收液是水、氨、磷酸按照摩尔比6:4:1的比例混合组成(NH4)xH3-xPO4/H2O/NH3溶液（0＜x≤3）作为循环工作介质。它的工作过程是：汽轮机的蒸汽出口与吸收冷凝器的蒸汽入口通过管路相连通，做功后的低压氨水混合蒸气（乏汽）进入吸收冷凝器；汽轮机气体出口的氨水混合蒸气已是低压乏汽，通往吸收冷凝器冷凝后再次进入循环。吸收液管路内是与乏汽压力相同的吸收液，吸收液在吸收冷凝器顶部的吸收液喷淋器喷射成雾状，与乏汽充分混合，通过内置于吸收冷凝器内部的冷却水换热器将混合物冷却至室温，乏汽中的水首先被冷却而凝结，使吸收液稀释，乏汽中的氨先是与吸收液中的盐或酸发生络合反应或中和反应生成较稳定的络合氨或铵离子，当化学反应饱和后，还有一部分游离氨溶解于水中，所形成的冷凝液为富氨溶液，沉积在吸收冷凝器的底部，通过富氨溶液管路由溶液泵加压到高压后进入回热器管程冷侧入口，与吸收液换热后被预热；预热后的富氨溶液进入与回热器冷侧出口相连接的蒸发器，被热源流体流道中的热流体加热升温，随着温度升高，富氨溶液中的溶解氨、络合氨和铵离子依次被蒸发，同时水的蒸气分压也不断增加，如果热源允许，溶液终温的设定应以确保蒸发全部氨和大部分水为度，剩余的液相为高温高压的吸收液；气液混合物进入气液分离器以后，分离为干蒸气和溶液，干蒸气成分是氨水混合蒸气，从分离器顶部的出口进入与之相连接的过热器入口进一步升温，溶液即为吸收液，在重力作用下沉积在分离器底部，在高压驱动下，通过吸收液管路进入回热器壳程热侧入口，吸收液在此与来自吸收冷凝器的富氨溶液进行换热，回收热能；高压吸收液驱动水轮机带动辅发电机发电，回收压力能，水轮机出口连接背压调节阀，将压力调整到吸收冷凝器工作压力，背压调节阀的另一端管路连接到吸收液喷淋器。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用化学吸收方式促进氨水混合蒸气凝结，使一部分氨气与吸收剂反应后以铵离子或络合氨的形式稳定存在于液相，从而在不增加气相中氨气分压的情况下显著提高溶液中的氨浓度，使之与透平前的氨水当量比相同。溶液在蒸发器里加热，随着温度不断提高，水合氨、铵离子和络合氨将分解放出氨气，在挥发性组分（只有氨和水）变温蒸发的同时使吸收剂得以再生，从而构成本质上与Kalina循环相似、形式上与Rankine循环相似的新型热力循环。对比Kalina循环以及化学吸收式非共沸混合工质循环，化学吸收式非共沸混合工循环在锅炉中与Kalina循环体统相近，可以获得一样的吸热效率，而在冷凝过程中和Rankine循环相近，可以有较小的㶲损失，这说明本专利改进的新式循环在Kalina循环变沸点混合工质的基础上具有了Rankine循环形式简单的特点大大简化了Kalina循环，具有更高的循环效率。另外，循环的效率随透平出口压力升高而降低。当透平进口压力不变，而出口压力增加时，由于其它条件不变压差减小，所以透平作功能力下降。化学吸收剂较低浓度的氨水更容易吸收氨，可以使氨迅速的冷凝下来，这就能够使新式循环采用较低的透平背压，使透平的有用功输出增加。吸收剂溶液的余压和预热得以回收利用，减小损失，提高系统热效率，该循环与现有的Kalina循环或者有机朗肯循环相比在热源温度不高的工况下具有更高的热效率，适合用于低品位余热发电。现有技术利用水、氨混合物做工质，利用氨气在水中溶解特性来实现做功后氨水混合蒸气的冷凝，为了保证氨气的溶解，需要较高背压，而高背压导致系统效率降低。与现有技术相比，本专利技术采用至少一种能够与氨发生化学反应生成铵离子或络合氨的盐或酸的水溶液，采用化学吸收方式促进了氨气被溶液的吸收，使一部分氨气与吸收剂反应后以铵离子或络合氨的形式稳定存在于液相，余本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于低品位热发电的氨水混合工质热力循环系统，其特征是它包括吸收冷凝器，富氨溶液管路，溶液泵，回热器，热源流体流道，蒸发器，气液分离器，过热器，氨水混合蒸气管路，汽轮机，主发电机，冷却水换热器，吸收液管路，水轮机，辅发电机，背压调节阀，吸收液喷淋器，其相互连接关系如下：汽轮机的蒸汽出口与吸收冷凝器的蒸汽入口通过管路相连通；在吸收冷凝器内部设置有冷却水换热器，吸收冷凝器内腔的顶部设置有吸收液喷淋器，吸收液喷淋器与吸收液管路连通，吸收液管路上设置有背压调节阀；吸收冷凝器底部连通有富氨溶液管路，富氨溶液管路通过溶液泵与回热器的管程冷侧入口连通；在热源流体流道内设置有蒸发器和过热器，回热器的管程冷侧出口与蒸发器入口连通，蒸发器出口与气液分离器入口连通；气液分离器设置有底部出口和顶部出口；气液分离器的顶部出口与过热器入口连通，过热器出口通过氨水混合蒸气管路与汽轮机的气体入口连通，高温高压的氨水混合蒸气驱动汽轮机做功，带动主发电机发电，汽轮机气体出口与吸收冷凝器连通；气液分离器的底部出口通过吸收液管道与回热器的壳程入口连通，回热器的壳程出口与水轮机的液体入口连通，水轮机的液体出口通过背压调节阀与吸收液喷淋器连通；高压吸收液驱动水轮机带动辅发电机发电。...

【技术特征摘要】
1.一种用于低品位热发电的氨水混合工质热力循环系统，其特征是它包括吸收冷凝器，富氨溶液管路，溶液泵，回热器，热源流体流道，蒸发器，气液分离器，过热器，氨水混合蒸气管路，汽轮机，主发电机，冷却水换热器，吸收液管路，水轮机，辅发电机，背压调节阀，吸收液喷淋器，其相互连接关系如下：汽轮机的蒸汽出口与吸收冷凝器的蒸汽入口通过管路相连通；在吸收冷凝器内部设置有冷却水换热器，吸收冷凝器内腔的顶部设置有吸收液喷淋器，吸收液喷淋器与吸收液管路连通，吸收液管路上设置有背压调节阀；吸收冷凝器底部连通有富氨溶液管路，富氨溶液管路通过溶液泵与回热器的管程冷侧入口连通；在热源流体流道内设置有蒸发器和过热器，回热器的管程冷侧出口与蒸发器入口连通，蒸发器出口与气液分离器入口连通；气液分离器设置有底部出口和顶部出口；气液分离器的顶部出...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾磊，刘志刚，吕明明，梁家馨，梁世强，
申请(专利权)人：山东省科学院能源研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37