一种余热回收式分布式能源与海洋温差能耦合发电系统

摘要

一种余热回收式分布式能源与海洋温差能耦合发电系统，包括余热回收式分布式能源子系统、吸收式热泵子系统和海洋温差发电子系统，本发明利用燃气轮机、以及连接燃气轮机的余热锅炉产生的高温蒸汽和烟气凝结热驱动吸收式热泵，将海洋表层温海水经吸收式热泵的吸收器、冷凝器和气-水换热器加热升温，以提高低沸点工质的体积膨胀系数，海洋底层冷海水经吸收式热泵的蒸发器吸热降温，以增强对工质乏汽的冷凝效果。本发明实现了对分布式能源系统余热的充分利用，采用燃气轮机余热驱动吸收式热泵运行，提升了一次能源利用效率，同时增大了海水温差，提高了海洋温差发电效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种余热回收式分布式能源与海洋温差能耦合发电 系统。

背景技术

伴随着电力需求的增加和能源危机的加剧，调整能源结构，提高 能源利用率，解决环境污染已经成为我国能源发展战略重点。随着环 保标准不断提高，火力发电不仅面临脱硫脱硝的压力，而且长三角、 珠三角、京津冀等重点区域的火电机组建设也逐渐受到限制。东部沿 海地区积极发展新的发电技术已是迫在眉睫。

海洋能是一种清洁无污染、蕴藏量丰富的可再生能源。海洋是世 界上最大的太阳能采集器，每年吸收的太阳能相当于37万亿kWh， 约为人类目前用电量的4000倍，每平方千米大洋表面水层含有的能 量相当于3800桶石油燃烧发出的热量。加强海水资源的开发与利用， 是解决沿海及岛屿地区资源短缺、环境污染问题的有效途径，是实现 可持续发展的重要保证。

海洋温差能发电（Ocean Thermal Energy Conversion）是利用海洋 中受太阳能加热的暖和表层水与较冷的深层水之间的温差驱动热机 做功而发电，具有清洁，可再生，储量大，不存在间歇，受昼夜和季 节影响较小，不占用土地资源等优点。海洋温差能发电装置根据所用 工质及流程的不同，可分为开式循环、闭式循环和混合式循环三种方 式，其中最接近实用化和商业化的是闭式循环方式。闭式循环系统以 温海水为热源，使液体工质气化推动发电机发电，以低温海水为冷源 使气态工质液化，实现循环，不断发电。

海水温差的大小是决定海洋能转化率的根本因素。通常冷热水温 差20℃以上才可实现温差发电，只能在太阳辐射充足的低纬度地区 得到开发利用，如我国南海和台湾以东海域。南沙群岛位于北回归线 以南，太阳辐射强烈，表层水温在25℃以上，500～800m的深层水温 在5℃以下，表层、深层水温差约20℃～24℃，具备温差发电的潜力。 我国东部沿海地区表层海水与深层海水的温差不大，闭式循环发电系 统效率较低，限制了其推广使用。

发明内容

为了克服现有的燃气三联供系统一次能源利用率不高和沿海地 区表层海水与深层海水因温差不大而导致闭式循环发电系统效率较 低的缺点，本发明提供一种余热回收式分布式能源与海洋温差能耦合 发电系统。

本发明采用的技术方案是：

一种余热回收式分布式能源与海洋温差能耦合发电系统，包括余 热回收式分布式能源子系统、吸收式热泵子系统和海洋温差发电子系 统；

余热回收式分布式能源子系统包括燃气机、发电机、余热锅炉、 冷凝换热器、发生器、气-水换热器，燃气机通过输气管道与发电机 连接，驱动发电机运行发电；所述燃气机、余热锅炉和冷凝换热器通 过烟气管道依次连接，所述冷凝换热器的烟气输出端与排气管道相 连，换热管串通冷凝换热器和发生器构成烟气冷凝热与发生器内媒介 换热的环路，余热锅炉的高温蒸汽出口与蒸气管道连接，所述蒸气管 道依次经过发生器、气-水换热器后与热水管道连通构成高温蒸汽加 热发生器内媒介的单向通道；

吸收式热泵子系统包括发生器、冷凝器、节流阀、蒸发器、吸收 器、溶液热交换器，所述吸收器、所述溶液泵、所述溶液热交换器和 所述发生器通过媒介管道依次首尾连接组成媒介流通环路；所述发生 器、所述冷凝器、所述节流阀、所述蒸发器和所述吸收器通过制冷剂 管道依次连接构成制冷剂循环通道；

海洋温差发电子系统包括温海水泵、冷海水泵、吸收器、蒸发器、 冷凝器、气-水换热器、蒸汽发生器、汽轮机、凝气器和工质泵， 所述温海水泵、所述吸收器、所述冷凝器、所述气-水换热器和所述 蒸汽发生器通过温海水管道依次连接，构成温海水的加热通道，所述 蒸汽发生器的温海水出口与温海水排出管连接；所述冷海水泵、所述 蒸发器和所述凝汽器通过冷海水管道依次连接，构成冷海水的降温通 道，所述凝汽器的冷海水出口与冷海水排水管连接，所述凝汽器、所 述工质泵、所述蒸汽发生器和所述汽轮机通过工质管道首尾连接构成 工质蒸汽驱动汽轮机做功通道，所述汽轮机与发电机相连，以驱动发 电机工作。

优选的，所述蒸发器和吸收器采用喷淋式换热器。

优选的，所述溶液泵采用具有较高的允许吸入真空高度的屏蔽型 密闭泵。

优选的，管路上设置的阀门采用真空隔膜阀或双极密封角阀。

优选的，所述热泵子系统的媒介是氨水溶液、溴化锂水溶液或氟 利昂溶液。

优选的，所述海洋温差发电系统中工质是液氨、丙烷或正丁烷。

优选的，所述换热管中的换热介质为水。

在余热回收式分布式能源子系统中，燃气机燃烧天然气驱动发电 机运行发电，燃烧产生的烟气进入到余热锅炉中，吸收式热泵的发生 器和冷凝换热器分别吸收余热锅炉排出的高温蒸汽和烟气。高温蒸汽 在发生器内冷凝后，经气-水换热器进入热水管道；冷凝换热器释放 的烟气冷凝热同样输入发生器中，放热后的烟气经处理后排入大气。

在吸收式热泵子系统中，浓溶液在吸收器中吸收来自蒸发器的制 冷剂蒸汽后变成稀溶液，由溶液泵增压经溶液热交换器送入发生器 中。稀溶液在发生器中被高温蒸汽和烟气冷凝热加热蒸发成蒸汽后变 成浓溶液，通过溶液热交换器后进入吸收器，完成溶液循环。发生器 中产生的制冷剂蒸汽进入冷凝器冷凝放热，加热海水。液态制冷剂经 节流阀降压进入蒸发器，吸收冷海水的热量后变成制冷剂蒸汽，产生 的制冷剂蒸汽进入吸收器中被浓溶液吸收，完成制冷剂循环。

在海洋温差发电子系统中，来自海洋表层的温海水经连续加热升 温后，进入蒸汽发生器加热低沸点工质。工质受热沸腾蒸发，在汽轮 机内绝热膨胀做功，驱动发电机工作。随后，用预冷过的海洋深层的 冷海水将汽轮机排出的工质乏汽冷凝为液态，再用工质泵打入蒸汽发 生器中，利用温海水加热工质，沸腾蒸发后送入汽轮机内做功，推动 发电机工作，如此循环，持续发电。

本发明包括四个热交换步骤：第一热交换步骤，燃气机燃烧天然 气带动发电机工作，输出部分电力，同时燃气机的排气进入余热锅炉， 进行烟气和水的热交换，水吸热后变为高温水蒸汽，高温烟气放热后 变为低温烟气；第二热交换步骤，余热锅炉排出的高温水蒸汽和低温 烟气作为驱动热源，加热吸收式热泵的发生器，进行蒸汽、烟气在发 生器内与稀溶液的热交换，稀溶液受热产生制冷剂蒸汽，高温水蒸汽 冷凝为高温水，烟气尾气排入大气；第三热交换步骤，吸收式热泵运 行时，将海洋表层的温海水依次送入吸收式热泵的吸收器、冷凝器以 及气-水换热器进行预热，温海水与吸收式热泵工质、高温水的热交 换，温海水温度进一步增加，用于提高低沸点工质的体积膨胀系数； 同时海洋底层的冷海水送入吸收式热泵的蒸发器进行预冷，冷海水与 液态制冷剂的热交换，冷海水温度进一步降低，增强对工质乏汽的冷 凝效果；第四热交换步骤，将预热过的温海水送入蒸汽发生器内，进 行高温海水与低沸点工质的热交换，低沸点工质受热沸腾蒸发，进入 汽轮机膨胀做功，驱动发电机工作，提供另一部分电力；同时将预冷 过的冷海水送入凝汽器，进行冷海水与汽轮机排出的工质乏汽的热交 换，工质乏汽冷凝换热成为液态工质，经工质泵循环送入蒸汽发生器， 重新循环。

本发明的有益效果是：本系统实现了对分布式能源系统余热的充 分利用，采用燃气机余热驱动吸收式热泵运行，提升了一次能源利用 效率，同时增大了海水温差，提高了海洋温差发电效率，扩大应用温 差能资源的海域范围，实现了分布式能源与海洋温差能的联合发电， 保证了发电稳定性。

附图说明

图1是本发明的系统原理图

具体实施方式

参照附图1，一种余热回收式分布式能源与海洋温差能耦合发电 系统，包括余热回收式分布式能源子系统、吸收式热泵子系统和海洋 温差发电子系统；

余热回收式分布式能源子系统包括燃气机1、发电机2、余热锅 炉3、冷凝换热器4、发生器6、气-水换热器7，燃气机1通过输气 管道23与发电机2连接，驱动发电机2运行发电；所述燃气机1、 余热锅炉3和冷凝换热器4通过烟气管道24依次连接，所述冷凝换 热器4的烟气输出端与排气管道5相连，换热管25串通冷凝换热器 4和发生器6构成烟气冷凝热与发生器6内媒介换热的环路，余热锅 炉3的高温蒸汽出口与蒸气管道26连接，所述蒸气管道26依次经过 发生器6、气-水换热器7后与热水管道8连通构成高温蒸汽加热发生 器6内媒介的单向通道；

吸收式热泵子系统包括发生器6、冷凝器9、节流阀10、蒸发器 11、吸收器12、溶液热交换器14，所述吸收器12、所述溶液泵13、 所述溶液热交换器14和所述发生器6通过媒介管道27依次首尾连接 组成媒介流通环路；所述发生器6、所述冷凝器9、所述节流阀10、 所述蒸发器11和所述吸收器12通过制冷剂管道28依次连接构成制 冷剂循环通道；

海洋温差发电子系统包括温海水泵15、冷海水泵18、吸收器12、 蒸发器11、冷凝器9、气-水换热器7、蒸汽发生器16、汽轮机21、 凝气器19和工质泵22，所述温海水泵15、所述吸收器12、所述冷 凝器9、所述气-水换热器7和所述蒸汽发生器16通过温海水管道29 依次连接，构成温海水的加热通道，所述蒸汽发生器16的温海水出 口与温海水排出管17连接；所述冷海水泵18、所述蒸发器11和所 述凝汽器19通过冷海水管道30依次连接，构成冷海水的降温通道， 所述凝汽器19的冷海水出口与冷海水排水管20连接，所述凝汽器 19、所述工质泵22、所述蒸汽发生器16和所述汽轮机21通过工质 管道31首尾连接构成工质蒸汽驱动汽轮机做工通道，所述汽轮机21 与发电机2相连，以驱动发电机2工作。

优选的，所述蒸发器11和吸收器12采用喷淋式换热器。

优选的，所述溶液泵13采用具有较高的允许吸入真空高度的屏 蔽型密闭泵。

优选的，管路上设置的阀门采用真空隔膜阀或双极密封角阀。

优选的，所述热泵子系统的媒介是氨水溶液、溴化锂水溶液或氟 利昂溶液。

优选的，所述海洋温差发电系统中工质是液氨、丙烷或正丁烷。

优选的，所述换热管中的换热介质为水。

本发明的利用分布式能源和海洋温差能耦合循环发电系统，是在 传统的闭式海洋温差循环发电系统的基础上，利用燃气机发电的余热 驱动吸收式热泵运行，提高海洋温差发电系统的低沸点工质进口温 度，降低冷海水温度，以提高海洋温差发电效率，同时实现天然气和 电力的负荷峰谷互补，保证系统高效、安全、稳定运行。

在余热回收子系统中，燃气机1燃烧天然气驱动发电机2发电， 燃烧产生的烟气进入余热锅炉3中，余热锅炉3产生的500～600℃的 高温水蒸汽作为热源，高温水蒸气加热发生器6后温度降低为210℃ 左右，再经气-水换热器7释放热量变成70℃的热水，进入热水管道 8。同时，从余热锅炉3出来的130℃左右的烟气尾气经过冷凝换热 器4后降到30℃，经排气管道5处理后排出。

在吸收式热泵子系统中，发生器6内的稀溶液被高温水蒸气以及 冷凝换热器4加热，产生制冷剂蒸汽，该制冷剂蒸汽在冷凝器9中释 放热量成为液态制冷剂，同时发生器6中溶液浓度提高成为浓溶液， 该浓溶液经溶液热交换器14放热后流入到吸收器12。从冷凝器9中 流出的液态制冷剂经过节流阀10降压后，进入蒸发器11制冷，在蒸 发器11中液态制冷剂吸热蒸发形成制冷剂蒸汽进入吸收器12中，被 吸收器12中的浓溶液喷淋吸收，成为稀溶液，稀溶液由溶液泵13从 吸收器12中升压经溶液热交换器14预热后，送入发生器6中，完成 吸收式制冷循环。

在海洋温差发电子系统中，海洋表层20～25℃的温海水由温海水 泵15抽取进入吸收器12中预热后进入冷凝器9中继续吸收冷凝热， 再经气-水换热器7被加热到60℃左右，送入蒸汽发生器16中，使得 低沸点工质流体沸腾为蒸汽，蒸汽进入汽轮机21内膨胀做功，驱动 发电机2工作。海洋底层的10～15℃的冷海水由冷海水泵18抽取送 入蒸发器11中预冷到5℃左右，再进入凝汽器19将工质乏汽冷凝后， 进入冷海水排水管20。工质泵22将冷凝后的液态工质重新压入蒸汽 发生器16，以供循环使用。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列 举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形 式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够 想到的等同技术手段。