CN109667634A - 用于低品位热发电的氨水混合工质热力循环系统 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
本发明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。
背景技术
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{Kalina A I. Combined-cyclesystem with novel bottoming cycle. Journal of Engineering for Gas Turbinesand Power. 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。
发明内容
本发明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。
本发明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。
本发明的有益效果是：本发明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，本发明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，余下的游离氨再以溶解的方式被溶液吸收。与比对专利相比，能够在下以更低背压实现氨水混合蒸气的冷凝，随着背压的降低，热效率得到提高。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图。
图中：1、吸收冷凝器；2、富氨溶液；3、富氨溶液管路；4、溶液泵；5、回热器；6、热源流体流道；7、蒸发器；8、气液分离器；9、过热器；10、氨水混合蒸气管路；11、汽轮机；12、主发电机；13、冷却水换热器；14、吸收液；15、吸收液管路；16、水轮机；17、辅发电机；18、背压调节阀；19、吸收液喷淋器。
具体实施方式
如图1所示，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1，富氨溶液管路3，溶液泵4，回热器5，热源流体流道6，蒸发器7，气液分离器8，过热器9，氨水混合蒸气管路10，汽轮机11，主发电机12，冷却水换热器13，吸收液管路15，水轮机16，辅发电机17，背压调节阀18，吸收液喷淋器19，其相互连接关系如下：汽轮机11的蒸汽出口与吸收冷凝器1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1；在吸收冷凝器1内部设置有冷却水换热器13，吸收冷凝器1内腔的顶部设置有吸收液喷淋器19，吸收液喷淋器19与吸收液管路15连通，吸收液管路15上设置有背压调节阀18；吸收冷凝器1底部连通有富氨溶液管路3，富氨溶液管路3通过溶液泵4与回热器5的管程冷侧入口连通。在热源流体流道6内设置有蒸发器7和过热器9，回热器5的管程冷侧出口与蒸发器7入口连通，蒸发器7出口与气液分离器8入口连通；气液分离器8设置有底部出口和顶部出口。气液分离器8的顶部出口与过热器9入口连通，过热器9出口通过氨水混合蒸气管路10与汽轮机11的气体入口连通，高温高压的氨水混合蒸气驱动汽轮机11做功，带动主发电机12发电，汽轮机气体出口与吸收冷凝器1连通；气液分离器8的底部出口通过吸收液管道15与回热器5的壳程入口连通，回热器5的壳程出口与水轮机16的液体入口连通，水轮机16的液体出口通过背压调节阀18与吸收液喷淋器19连通；高压吸收液驱动水轮机带动辅发电机17发电。
吸收液是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，具体是指水、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11的蒸汽出口与吸收冷凝器1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1；汽轮机11气体出口的氨水混合蒸气已是低压乏汽，通往吸收冷凝器1冷凝后再次进入循环。吸收液管路15内是与乏汽压力相同的吸收液14，吸收液14在吸收冷凝器1顶部的吸收液喷淋器19喷射成雾状，与乏汽充分混合，通过内置于吸收冷凝器1内部的冷却水换热器13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14稀释，乏汽中的氨先是与吸收液14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2，沉积在吸收冷凝器1的底部，通过富氨溶液管路3由溶液泵4加压到高压后进入回热器5管程冷侧入口，与吸收液14换热后被预热；预热后的富氨溶液2进入与回热器5冷侧出口相连接的蒸发器7，被热源流体流道6中的热流体加热升温，随着温度升高，富氨溶液2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14；
气液混合物进入气液分离器8以后，分离为干蒸气和溶液，干蒸气成分是氨水混合蒸气，从气液分离器8顶部的出口进入与之相连接的过热器9入口进一步升温，溶液即为吸收液14，在重力作用下沉积在气液分离器8底部，在高压驱动下，通过吸收液管路15进入回热器5壳程热侧入口，吸收液14在此与来自吸收冷凝器1的富氨溶液2进行换热，回收热能；高压吸收液驱动水轮机16带动辅发电机17发电，回收压力能，水轮机16出口连接背压调节阀18，将压力调整到吸收冷凝器1工作压力，背压调节阀18的另一端管路连接到吸收液喷淋器19。
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，该溶液在温度低于30℃，压力高于0.1MPa时为液态，即吸收冷凝器1底部的富氨溶液2，该溶液经富氨溶液管路3，由溶液泵4加压至10MPa，通过回热器5进入蒸发器7，被热源流体通道6中的热流体加热至200℃，加热过程中不断有氨气和水蒸发，流入气液分离器8时，气相约为摩尔比2:1的氨水混合蒸气，液相含有极少量的NH4H2PO4，主要是H3PO4和H2O，摩尔比1:4，液相即吸收液14。
由气液分离器8顶部分离出来的氨水混合蒸气，其焓值1418.6kJ/kg，质量流量38.5kg/s，进入过热器9，被加热至300℃，焓值为2413.4kJ/kg，过热过程消耗热源约40MW。
混合蒸气从过热器出来后，经氨水混合蒸气管路10进入汽轮机11，膨胀至0.1MPa，温度将至63℃，输出轴功带动主发电机12发电，输出电功率24MW。
吸收液14由气液分离器8底部经过吸收液管路15进入回热器，与30℃的富氨溶液2进行换热，被由200℃降温至35℃，回热43MW，富氨溶液被预热到133℃，预热后的富氨溶液在蒸发器7蒸发时的吸热功率约为72MW。
吸收液14经过回热器5之后，进入水轮机16，减压至0.1MPa，带动辅发电机发电0.7MW，约为溶液泵4所耗功率1.5MW的一半。
从汽轮机11出来的0.1MPa的氨水混合蒸气乏汽，含有摩尔比约2:1的氨和水，正常情况下无法在30℃的温度下完全冷凝。当乏汽与吸收液14在吸收液喷淋器19出口处混合后，气相中有大部分氨首先与液相中的磷酸或磷酸二氢铵反应，经过冷却水换热器13冷却后形成稳定的溶液，游离氨与水的比例实际上转换为1:6，形成的氨水溶液饱和蒸气压远远低于0.1MPa，因而可以在30℃至50℃的温度范围内完全液化。上述循环所消耗热源的温度不超过350℃，考虑过程损耗，系统总体热电转化效率达到21.7%，比现有低温余热锅炉的效率高3%左右。
Claims (3)
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。
2.根据权利要求1所述的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。
3.根据权利要求2所述的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。
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