一种低温工质超临界发电系统或者动力系统及设备技术方案

本发明专利技术实施例提供一种低温工质超临界发电系统或者动力系统及设备，属于低温热机发电的技术领域，尤其涉及用低品位热源进行高效率发电的系统，主要应用于超低温余热发电、热水发电、冷水机等领域；ORC朗肯循环用沸点15℃工质，可实现80℃以上热水发电；本系统使用更低沸点的(‑196℃)液空或液氮，工质临界温度低至‑147℃，可实现15℃以上热水发电；本发明专利技术实施例是一种低温工质处于超临界状态的发电系统，还解决低温工质超临界气轮机或膨胀机轴端泄漏难题；使本发明专利技术实施例形成一套完整高效低品位能源发电；具有热源温度低、成本低、结构紧凑、体积小、效率高的优势。

A cryogenic working fluid supercritical power generation system or power system and equipment

【技术实现步骤摘要】
一种低温工质超临界发电系统或者动力系统及设备
本专利技术涉及中高温余热、低温余热、超低温余热发电、热水发电、冷水机等
，尤其涉及一种采用低温工质(CO2或液氮)的低温发电技术；通过液空、液氮等低温工质，吸收低品位热源的热能并发电输出，是一种高效率的低温热机发电系统或动力系统及设备。
技术介绍
传统余热发电系统，大部分是采用水作发电工质，水通过水泵加压输送到锅炉中，吸收高温余热能量后气化形成高压蒸汽，然后输入和驱动汽轮机高速旋转输出机械能或带动发电机旋转输出电能。汽轮机排出的低温乏汽，通常采用冷却塔与环境中的冷水或冷空气换热，将乏汽中潜热能量释放掉，蒸汽冷凝还原成水后，再通过水泵输送给锅炉重新加热成蒸汽，驱动汽轮机并带动发电机输出电能，汽轮机排出的乏汽再通过冷却塔系统，将乏汽中的潜热能量释放到环境中的冷水或冷空气中，乏汽被冷凝成水后，再通过水泵加压到锅炉中加热，如此不断的循环，不断的发电输出。用水作发电工质的发电技术和余热发电，可对中高品位余热资源进行吸收热能和发电；由于废余热资源是工业生产过程中多余和免费的热源，同时国家对这种环保的余热发电项目扶持，所以在工业中应用较多。缺点是余热发电效率低，低温余热效率通常只10％左右，对于温度较高的余热资源，发电效率也就20％左右，近80-90％热能量通过冷却塔释放到环境空气或冷水中，造成巨大的热资源浪费，并对环境形成热污染。市场上除采用水作发电工质，还有一种低温的有机朗肯循环，该发电采用沸点温度约15℃的有机工质，可实现对80℃以上的热水和蒸汽进行余热发电，该有机朗肯循环与用水作发电工质的原理大体相同。采用螺杆膨胀机替代汽轮机，同时因有机朗肯循环发电用约15℃沸点的低沸点工质，所以能够对80℃(甚至60℃)以上热水和热蒸汽进行发电。该低温有机朗肯循环的优势是能对80℃以上的低品位余热进行发电。缺点也是需要采用冷却塔将乏汽潜热释放到环境中的冷空气或者冷水中，不但对环境造成了热污染，同时还导致发电效率明显降低，一般仅8-12％的有效热效率，最高效率也就约20％，近80～90％的热能量被白白的浪费。同时该低温余热发电技术，采用(每吨约10万元)昂贵的有机工质。对于标准大气压沸点温度低于0摄氏度的低温发电工质，国内和国际都还处于研究阶段，对于搞发电的技术人员来说，低温发电工质的储存是一个难点，极其低温液体的发电工质，沸点温度远低于环境，设备里面的低温液体放置在环境中就会气化，形成高压气体后就无法使用和发电了；还有一个最大难点是气轮机做功后，低温乏汽的还原也成为最大痛点。通常情况下，汽轮机做功后乏汽都采用冷却塔将乏汽潜热释放到环境空气或冷水中；但是低温发电工质的乏汽，温度要远远的低于环境温度，正常情况下是无法将极其低温的潜热，释放到环境中的空气或者冷水中，因此也就无法实现冷凝和再进行循环。如果采用压缩机压缩乏汽或用热泵将乏汽潜热泵到环境温度并释放到冷空气或冷水中，所付出的代价又太高。发电输出的电能都有可能不够压缩机及热泵所消耗的巨大电能，代价实在太高。因此，这种低温工质超临界发电系统或者动力设备，基本上没有人去研究。很多从事发电的技术人员，学习和看到的都是用水做发电工质，用低温液体工质绝大多数人员都没有去想，也有一些人认为这是不可能实现的，还有一部分人员认为这是“永动机”，因此也就不再去深入的研究。最新的发电技术中，还出现有一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电，布雷顿循环(BraytonCycle)亦称焦耳循环或气体制冷机循环。是以气体为工质的制冷循环，其工作过程包括等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀及等压吸热四个过程，这与蒸汽压缩式制冷机的四个工作过程相近，两者的区别在于工质在布雷顿循环中不发生集态。布雷顿循环相当于是把气轮机输出的气态乏汽直接进行压缩，等压冷却，然后再加热继续做功。另外还有，汽轮机缸体静止不动，汽轮机转子(或者膨胀机转子)的转速非常快，高速旋转的转轴与静止不动的缸体之间需要进行严格的密封，否则汽轮机输入的超高压气体，就会顺汽轮机转轴外泄，且泄漏压力很大。汽轮机需要有轴封系统，传统有齿形汽封、布莱登汽封、蜂窝式汽封、刷子汽封、柔齿汽封、弹性齿汽封；高压进气端虽然装有轴封，但仍然不能避免蒸汽通过轴封外漏。现大型汽轮机泄漏量每小时可达10吨以上。自密封系统，汽轮机启动和停机过程中，高压端轴封没有蒸汽，则需引用经过减温减压的新蒸汽，同时送入高压端和低压端轴封中，系统达到80％左右负荷后再结合自密封等系统，整个轴封系统也是相当复杂。其余的少量漏气再经过几道轴封片后，由信号管排放至大气，运行中可通过观察信号管的冒汽情况来监视轴封工作的好坏。尤其是低温的有机发电工质，(每吨成本高达10万元)因此轴封的泄漏成本也是相当昂贵。本专利技术实施例采用更低沸点的液空、液氮等更低温度的发电工质，不但可以实现更低温度的余热发电；同时液空、液氮，每吨成本仅为几百元人民币，相对有机工质成本低很多。标准大气压下，沸点温度低于O℃的低温液体发电工质，对于搞发电的技术人员来说，极其低温的液氮或者液空工质，沸点要远低于环境温度，除气化形成气体无法使用外，还有一个最大痛点是低温发电工质驱动气轮机做功后，极其低温的乏汽，如何还原成液体是最大难点。为解决这些技术难题，申请人经过近二十多年的不断研究探索，最终找到了一种高效的，不消耗能量的，低成本的，低温工质冷凝技术和方法，同时也找到了一种解决所述低温工质超临界气轮机或膨胀机转轴两端轴封泄漏的最新密封技术。(备注：汽轮机通常是指水蒸汽工质的，由于低温工质气化以后为气体，一般是不含有水蒸汽的气体，因此特将“汽轮机”改成“气轮机”)
技术实现思路
低温工质的储存难题，对于长期从事发电的技术研发人员来说，每天接触的都是沸点为100℃的水，低温液体工质的沸点温度很低，放置在环境中会气化；但对于搞空分的相关技术人员来说，低温液氮、液氧、液氩甚至液氢、液氦的储存，采用真空绝热等技术就能够很好的解决；不但如此，为防止真空绝热被破坏或者搁置时间长，造成外部热能进入低温工质存储器，一般都会在所述低温工质存储器上安装压力保护装置。当极低温液体吸热气化后，通过压力保护装置释放掉压力，同时，低温液体气化吸收大量汽化潜热，释放后也会迅速降低低温液体温度，这些技术对搞低温和搞空分的技术人员来说不是技术难题，这些也是相关领域很成熟的现有技术，在此就不再过多赘述。但是，所述低温工质超临界气轮机的研发和生产制造，市场上还没有公司和厂家去做，还属于空白市场，也不属于现有技术，没有解决极其低温发电工质的冷凝难题，所述低温工质超临界气轮机(或膨胀机)也就不知道如何设计，之前也没有这方面的市场需求；因此，所述低温工质超临界气轮机或膨胀机也就没有人去进行研究和开发。所述低温工质超临界气轮机或膨胀机主蒸汽管输入的高压气体温度，必须明显高于低温工质的临界温度；低温工质超临界气轮机排气管道排出的乏汽温度，达到所述低温工质的临界温度；所述低温工质超临界气轮机或膨胀机的主蒸汽管道输入的高压气体压力，必须明显高于低温发电工质的临界压力；所述低温工质超临界气轮机或膨胀机的排气管道输出的乏汽压力，达到所述低温发电工质的临界压力；只有满足以上条件，所述低温工质超临界气轮机或膨胀机，以及低温工质超临界发电系统或动力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低温工质超临界发电系统或者动力系统及设备，其特征在于，包括依次连通的低温工质存储器、低温工质增压机、主换热器、低温工质超临界气轮机构成；所述低温工质超临界气轮机排气管道出口，返回和连接所述低温工质存储器入口，形成循环；所述低温工质存储器设置有限压阀和安全阀保护设备，并具有高效保温绝热的低温工质存储的压力容器；所存储的工质为标准大气压下，沸点温度低于零摄氏度的低温发电工质；所述低温工质增压机为提升流体压力的驱动设备；所述低温工质增压机设置在所述低温工质存储器与所述主换热器之间；所述主换热器设置在所述低温工质增压机与所述低温工质超临界气轮机之间；所述主换热器是与热源进行换热的主要设备；所述主换热器又分为低温主换热器和/或高温主换热器；所述低温主换热器包括但不仅限于热水换热器、冷凝器、冷却器、风道换热器、空气换热器、设备冷却器、地热换热器、工业废气和废液热交换器的任意一种或多种组合；所述高温主换热器包括但不仅限于锅炉、余热锅炉、中高温热交换装置的任意一种或多种组合；所述低温工质超临界气轮机的入口连接所述主换热器出口，所述低温工质超临界气轮机排气管道出口；连接低温工质存储器入口；所述低温工质超临界气轮机主蒸汽管道输入的高压气体温度，必须明显高于所述低温发电工质的临界温度；所述低温工质超临界气轮机排气管道输出的乏汽温度，达到所述低温发电工质的临界温度；所述低温工质超临界气轮机主蒸汽管道输入的气体压力，必须明显高于所述低温发电工质的临界压力；所述低温工质超临界气轮机排气管道输出的乏汽压力，达到或接近所述低温发电工质的临界压力；达到所述低温发电工质临界压力的低温发电工质，储存在所述低温工质存储器中，通过所述低温工质增压机提升压力；输送到所述主换热器中吸收外界的热能量，体积迅速膨胀，形成高温高压气体输送至所述低温工质超临界气轮机中，驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转对外输出机械能，或者带动发电机高速旋转对外输出电能；所述低温工质超临界气轮机属于一种将高温高压气体能量转换成为机械功的旋转动力机械，又称气体透平，所述气体透平包括但不仅限于气轮机、气动机、气体螺杆膨胀机、气体透平膨胀机；所述低温工质超临界气轮机设备的构造，需满足低温发电工质的密度、成分、温度、以及压力的物理特性；所述低温工质超临界气轮机的低温零部件需采用耐低温材料，包括但不仅限于奥氏体低温钢、铁素体低温钢；所述低温工质超临界气轮机的设备外，设有高效保温材料；包括但不仅限于泡沫材料、真空绝热板、纤维材料、玻璃棉、高硅氧棉。...

【技术特征摘要】
1.一种低温工质超临界发电系统或者动力系统及设备，其特征在于，包括依次连通的低温工质存储器、低温工质增压机、主换热器、低温工质超临界气轮机构成；所述低温工质超临界气轮机排气管道出口，返回和连接所述低温工质存储器入口，形成循环；所述低温工质存储器设置有限压阀和安全阀保护设备，并具有高效保温绝热的低温工质存储的压力容器；所存储的工质为标准大气压下，沸点温度低于零摄氏度的低温发电工质；所述低温工质增压机为提升流体压力的驱动设备；所述低温工质增压机设置在所述低温工质存储器与所述主换热器之间；所述主换热器设置在所述低温工质增压机与所述低温工质超临界气轮机之间；所述主换热器是与热源进行换热的主要设备；所述主换热器又分为低温主换热器和/或高温主换热器；所述低温主换热器包括但不仅限于热水换热器、冷凝器、冷却器、风道换热器、空气换热器、设备冷却器、地热换热器、工业废气和废液热交换器的任意一种或多种组合；所述高温主换热器包括但不仅限于锅炉、余热锅炉、中高温热交换装置的任意一种或多种组合；所述低温工质超临界气轮机的入口连接所述主换热器出口，所述低温工质超临界气轮机排气管道出口；连接低温工质存储器入口；所述低温工质超临界气轮机主蒸汽管道输入的高压气体温度，必须明显高于所述低温发电工质的临界温度；所述低温工质超临界气轮机排气管道输出的乏汽温度，达到所述低温发电工质的临界温度；所述低温工质超临界气轮机主蒸汽管道输入的气体压力，必须明显高于所述低温发电工质的临界压力；所述低温工质超临界气轮机排气管道输出的乏汽压力，达到或接近所述低温发电工质的临界压力；达到所述低温发电工质临界压力的低温发电工质，储存在所述低温工质存储器中，通过所述低温工质增压机提升压力；输送到所述主换热器中吸收外界的热能量，体积迅速膨胀，形成高温高压气体输送至所述低温工质超临界气轮机中，驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转对外输出机械能，或者带动发电机高速旋转对外输出电能；所述低温工质超临界气轮机属于一种将高温高压气体能量转换成为机械功的旋转动力机械，又称气体透平，所述气体透平包括但不仅限于气轮机、气动机、气体螺杆膨胀机、气体透平膨胀机；所述低温工质超临界气轮机设备的构造，需满足低温发电工质的密度、成分、温度、以及压力的物理特性；所述低温工质超临界气轮机的低温零部件需采用耐低温材料，包括但不仅限于奥氏体低温钢、铁素体低温钢；所述低温工质超临界气轮机的设备外，设有高效保温材料；包括但不仅限于泡沫材料、真空绝热板、纤维材料、玻璃棉、高硅氧棉。2.根据权利要求1所述的低温工质超临界发电系统或者动力系统及设备，其特征在于，还包括有乏汽回热器和低温液体泵，所述乏汽回热器低温管道设置在所述低温液体泵出口与所述主换热器之间；乏汽回热器高温管道设置在低温工质超临界气轮机与所述低温工质存储器之间；所述乏汽回热器低温管道与所述乏汽回热器高温管道充分的换热，共同组合成为一个高效换热的乏汽回热器；所述乏汽回热器单独设置或者与所述低温工质超临界气轮机组合到一起；进一步的，还包括有低温液体泵；所述低温液体泵入口，连通所述低温工质存储器底部的低温发电工质液体；所述低温液体泵出口与乏汽回热器低温管道入口连通；所述低温液体泵单独设置，或者与所述低温工质增压机组合；优选的，所述低温工质增压机出口与所述低温液体泵出口相连；或者所述低温工质增压机出口连接乏汽回热器低温管道出口，所述低温液体泵连接所述乏汽回热器低温管道入口。3.根据权利要求1-2所述的低温工质超临界发电系统或者动力系统及设备，所述高温主换热器或者锅炉还包括有燃烧系统，所述燃烧系统由依次连通的燃料存储器、控制器、锅炉构成；所述锅炉由炉膛燃烧器和所述高温主换热器管道构成；所述燃料存储器中的燃料，经过控制器的调节与控制后，被输送至所述锅炉中燃烧，产生的高温热能量加热所述高温主换热器管道或者锅炉管道，所述高温主换热器管道或锅炉管道中的低温发电工质，受热后形成高温高压气体，驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转对外输出机械能，或者带动发电机高速旋转对外输出电能；所述燃料存储器中所储存的燃料，包括但不仅限于天然气、甲醇、乙醇、汽油、柴油、液化石油气、生物燃料的任意一种；进一步的，所述燃料存储器中所储存的燃料为低温液体燃料；所述温液体燃料包括但不仅限于液氢、LNG液体；进一步的，所述低温液体燃料存储器与所述低温工质存储器中所储存的低温工质为相同的低温液体时，所述低温工质存储器与所述低温液体燃料存储器合并为一个相同的低温液体存储器。4.根据权利要求1-3所述的低温工质发电系统或机动设备，其特征在于，还包括有低温液体燃料的燃烧系统，所述低温液体燃料的燃烧系统由依次连接的低温液体燃料存储器，换热器，控制器，和锅炉构成；所述换热器数量为1的整数倍，设置在所述低温工质超临界气轮机与所述低温工质存储器之间或者所述乏汽换热器与所述低温工质存储器之间，和/或设置在所述低温液体燃料存储器中；所述低温液体燃料，包括但不仅限于LNG液体、液氢；低温液体燃料储存在所述低温液体燃料存储器中，通过管道输送至所述换热器中与乏汽管道中的高温乏汽换热，或者在所述低温液体燃料存储器的底部设置有所述换热器，和/或在低温液体燃料存储器的顶部也设置有所述换热器；所述换热器与低温工质超临界气轮机排气管道输出的高温高压乏汽换热，令高温高压乏汽冷凝成为液体返回低温工质存储器中；与此同时，所述低温液体燃料存储器中的低温液体燃料吸收所述低温工质超临界气轮机排气管道输出的高温乏汽的热能后，气化成为可燃气体，经所述控制器调节控制后，可燃气体被输送至所述锅炉中燃烧，加热所述锅炉高温主换热器管道中的低温发电工质，所述锅炉高温管道中的低温发电工质吸收可燃气体燃烧产生的高温热能后，形成高温高压气体，输入并驱动所述低温工质超临界气轮机高速旋转对外输出机械能或带动发电机旋转对外输出电能；进一步的，所述高温主换热器或者锅炉外，还包裹有低温主换热器，所述低温主换热器充分吸收锅炉中可燃气体燃烧产生出的热能，充分利用所述可燃气体燃烧所产生的热能量来进行发电做功；优选的，所述低温主换热器，还与其他发热设备进行换热，充分的吸收所述其他发热设备的热能量，同时也令其他发热设备降温；进一步的，所述低温主换热器，还与环境中的热空气或者环境中的热水等介子换热，利用极其低温的所述低温发电工质来吸收环境中的热能做功，进一步的提高该系统的发电效率和发电输出；进一步的，在炎热夏季，将所述低温主换热器设置在所述机动设备的内部，来实现空调或者制冷功能，包括但不仅限于汽车、火车、船舶客舱的顶部、以及需要有保鲜或者制冷设备的场所。5.根据权利要求1-4所述的低温工质超临界发电系统或者动力系统及设备，其特征在于，所述低温工质存储器为储存低温发电工质的压力容器；拥有限压阀和安全阀保护设备，壳体设有高效绝热保温材料；所存储的介子为标准大气压下，沸点温度低于零摄氏度的低温发电工质；包括但不仅限于液氮、甲烷、液空、液氧、液氩、液氢，液氦的任意一种或多种组合；所述低温工质存储器、低温液体泵、低温工质增压机、乏汽回热器、主换热器、低温工质超临界气轮机、所述低温设备或者低温部件以及相应的连接管道为耐低温材料，包括但不仅限于奥氏体低温钢；所述低温设备或者低温部件及相应的连接管道外面，还设置有绝热层；所述绝热层具有良好的绝热性能，包括但不仅限于真空绝热、气凝胶、泡沫材料、纤维材料、玻璃棉、高硅氧棉；还包括有冷箱，所述冷箱由高效绝热保温材料构成，并将所述低温设备放置在所述冷箱中；所述冷箱还设置有隔离；所述冷箱通过高效绝热的外壳...

【专利技术属性】
技术研发人员：翁志远，
申请(专利权)人：北京宏远佰思德科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11