氨水吸收式动力与制冷复合循环方法

摘要

本发明涉及一种吸收式动力与制冷复合热力循环的构成与实施方法，包括：采用氨水混合物为工质，将加热设备过热器和精馏塔的再沸器、产功设备透平、产冷设备蒸发器、以及换热器、泵和阀门等设备组合在一起所构成的特定的流程；利用中低品位热为热源，根据不同条件和不同需要调节为动力循环运行方式或动力与制冷复合循环运行方式。循环具有较高的能量利用效率和较高的热力学完善度。循环的绝大部分冷却负荷可以采用风冷方式实施。

说明书

技术领域

本发明涉及一种动力与制冷复合循环方法，特别是以氨水混合物为工质，利用中低品位热发电、制冷的吸收式动力与制冷复合循环方法。

背景技术

在专利USP4346561中Kalina提出了采用混合工质透平产功的动力循环，但是循环不适用于中高温热源，而且热效率较低。为了改进循环，Kalina在1984年提出现在通常所说的Kalina循环(USP4489563)。Kalina又先后在一系列专利中提出了多级透平和多级分离的氨水吸收式动力循环，如专利USP4548043、USP4586340、USP4604867、USP4732005、USP4763480、USP4899545、USP4982568、USP5029444、USP5095708。Kalina循环与传统的Rankine循环相比具有较高的热效率和热力学第二定律效率，但是流程要比Rankine循环复杂，尤其是多级Kalina循环。

迄今报道的动力与制冷复合循环系统，多是利用过程余热驱动外置的制冷装置，用产生的冷量来冷却动力循环的压缩机入口空气，以提高动力循环的热效率。如专利USP5555738、USP6173563和USP6457315。

1995年，Goswami提出了一个将Rankine循环和单级氨水吸收制冷循环结合起，同时产生功和热的动力与制冷复合循环(Energy，2000，25[3]：233-246)。该循环利用太阳能集热系统供热。氨水混合物通过精馏塔中加热，几乎是纯的氨蒸气离开塔顶部分冷凝器后进入过热器，加热成过热氨蒸气。透平作功后氨蒸气的温度达到-18℃，在一个换热器中吸收环境的热量，利用工质显热制冷。该循环制冷能力很弱，产功量和产冷量的比例不能调节。

发明内容：

本发明要解决的技术问题：以中低品位热为热源，根据不同需求调节产功量和制冷量的比例，即可满足单独产功的场合，也可用于同时产功和制冷场合，从而提供一种流程结构简化，能量利用效率高的吸收式动力与制冷复合循环方法

主要技术方案：

本发明由加热设备过热器和精馏塔的再沸器、产功设备透平、产冷设备蒸发器、以及换热器、泵、阀门组成热力循环工艺流程实现。在中低品位热源加热下，浓度为0.3～0.5(以氨为基准)，压力为1bar～2bar的氨水混合物工质物流经泵升压至45bar～55bar，在回热器和塔釜换热器生温后，进入精馏塔；在精馏塔中将工质分离成为温度100℃～150℃、浓度0.7～1.0的工质蒸汽和温度200℃～250℃、浓度0.1～0.3的稀工质溶液；将工质蒸汽在过热器中加热成为温度350℃～450℃的过热工质蒸汽，经透平做功后降低压力；乏汽与精馏塔进口物流在回热器中换热；透平出口压力按两种运行方式调节：随着透平出口压力的减小，体系输出的功和冷量比例将增加。动力与制冷复合循环运行方式的透平出口压力调节为10bar～20bar，回热器出口乏汽流经制冷循环支路制冷，制冷后的氨蒸汽被低浓度的工质溶液吸收，返回精馏塔；动力循环运行方式的透平出口压力调节为1bar～2bar，低浓度的工质溶液吸收回热器出口乏汽，返回精馏塔。

上述的出口乏汽流经制冷循环支路制冷，是将工质乏汽经冷凝器冷凝成为液态，并在过冷器中与来自蒸发器的工质蒸汽换热，以降低温度，然后经节流阀减低至1bar～2bar的压力。在此压力下操作的蒸发器，工质吸收冷媒热量蒸发，输出-20℃至空调温度水平的冷量。离开制冷循环支路的工质蒸汽在吸收器中被低浓度的工质溶液吸收，返回精馏塔。

上述以动力循环运行方式时，精馏塔分离出工质的浓度为0.7～0.8(以氨为基准)；以动力与制冷复合循环运行方式时，精馏塔分离出来工质的浓度为0.9～1.0(以氨为基准)。

上述以动力与制冷复合循环运行方式时，透平出口的压力为12～17bar。

上述循环的中低品位驱动热源分别从过热器和精馏塔输入，精馏塔的输入热源温度200℃～300℃，过热器的输入热源温度400℃～600℃。

本发明循环的精馏塔塔顶冷凝器的冷却负荷和吸收器的大部分冷却负荷可以采用风冷方式实施。

发明的效果：

(1)以中低品位热为热源，该热源可以是工业或民用余热、亦可采用各种可再生能源。

(2)可以灵活地根据不同需求调节产功量和制冷量的比例，可用于单独产功的场合或用于同时产功和制冷场合。

(3)循环的流程结构简单。循环的能量利用效率高，热力学完善度高。与单独产功的Kalina循环和单独产冷的单级制冷循环组合起来的方案相比，本发明的动力与制冷复合循环运行方式的综合热效率高35％以上，热力学第二定律效率高10％以上。与单独产功的Kalina循环相比，本发明的动力循环运行方式的综合热效率高5％以上，热力学第二定律效率高30％以上。

(4)循环的55％以上的冷却负荷可以采用风冷。

图1为本发明的动力循环运行方式的流程示意图。

图2为本发明的动力与制冷复合循环运行方式的流程示意图。

具体实施方式：

下面分别以系统单独产功的场合以及同时产功与制冷场合为例，对本发明详细说明。

本发明的动力循环运行方式：

参照图1的流程描述，浓度为(质量％)0.3～0.5的工质物流A1流经泵5后，压力提高到45bar～55bar，成为高压工质物流A2，在回热器4中吸收透平3乏汽A8放出的热量，温度升高，成为塔釜换热器进口物流A3。物流A3吸收塔釜出口稀工质溶液A6放出的热量后，进入精馏塔1。精馏塔将工质物流分离成为温度为100℃～200℃、浓度(质量％)为0.7～0.8的工质蒸汽A5和温度为200℃～250℃的稀工质溶液A6。物流A5经过热器2加热后成为温度为350℃～400℃的过热工质蒸汽A7，物流A7在透平3中膨胀将热能转化成为动能完成产功的功能，自身成为中温、低压、高浓度乏汽A8，透平出口压力为1bar～2bar。在回热器4中物流A8与物流A2换热成为低温、低压、高浓度的废汽A9。从塔釜出来的物流A6在塔釜换热器中加热进塔物流A10，温度降低，又经节流阀8后，压力下降，在吸收器7中吸收废汽A9，成为工质物流A1，完成吸收式动力循环。

现将本发明所提出的动力循环与单级Kalina循环相比，单级Kalina循环有两个吸收器，而本发明的动力循环只有一个吸收器；Kalina循环比该动力循环多了一个分配器，也就是说本发明的动力循环比Kalina循环多了一个分离、混合的过程，因此流程大大简化了。

将本发明循环的动力循环运行方式与单级Kalina循环进行分析比较，可以得到表1所示的能量利用情况，以及热效率和热力学第二定律效率的结果。

      表1  本发明的动力循环运行方式与Kalina循环的比较

能量利用情况    单级Kalina循环      本发明的动力       改进变化率

                                          循环运行方式    /％

高温位(450℃)热源

输入热量/kW              866.864          153.853         82.3

中温位(250℃)热源1

输入热量/kW              -                657.054         -

输入的泵功/kW            7.125            20.497          187.7

产功量/kW                174.794          174.77          0.

综合热效率/％            20.0             21.0            5.10

热力学第二定律效率/％    35.9             48.5            35.1

在规定相同的热源温度和冷源温度，以及对所有系统都进行了参数优化的条件下，从表1可以看到，本发明的动力循环运行方式的综合热效率高5.10％，热力学第二定律效率高35.1％。

在本发明循环的这个动力循环运行方式的实施例中，冷却总负荷为655.09kW，其中风冷负荷为376.62kW，占57.49％。

本发明的动力与制冷复合循环运行方式：

参照图2的流程描述，浓度为(质量％)0.3～0.5的工质物流A1流经泵5后，压力提高到45bar～55bar，成为高压工质物流A2，在回热器4中吸收透平3乏汽A8放出的热量，温度升高，成为塔釜换热器进口物流A3。物流A3吸收塔釜出口稀工质溶液A6放出的热量后，进入精馏塔1。精馏塔将工质物流分离成为温度为100℃～200℃、浓度(质量％)为0.7～0.8的工质蒸汽A5和温度为200℃～250℃的稀工质溶液A6。物流A5经过热器2加热后成为温度为350℃～400℃的过热工质蒸汽A7，物流A7在透平中膨胀将热能转化成为动能完成产功的功能，自身成为中温、低压、高浓度乏汽A8，透平出口压力为10bar～20bar。在回热器4中物流A8与物流A2换热然后进入制冷循环支路。工质蒸汽A13经冷凝器9冷凝后进入过冷器10，被物流A17进一步冷却。经过节流阀11后，高浓度工质溶液A15的压力降到1bar～2bar。低温工质溶液A16在蒸发器12中吸收冷媒水的热量蒸发成工质蒸汽A9，实现制冷功能。从塔釜出来的工质物流A6在回热器中加热进塔物流A10，温度降低，又经节流阀8后，压力下降，在吸收器中吸收废汽A9，成为工质物流，完成吸收式动力循环。

将本发明循环的动力与制冷复合循环运行方式与单级Kalina循环与单级制冷循环结合分别用作产功与制冷的参比运行方案进行分析比较，可以得到表2所示的能量利用情况，以及热效率和热力学第二定律效率的结果。

表2  本发明的复合循环运行方式与单独产功与制冷运行方案的比较

                      单级Kalina循环结合      本发明的动力与制冷      改进变化率

能量利用情况

                      单级制冷循环            复合循环运行方式        /％

高温位(450℃)热源

输入热量/kW           866.864                  394.012                -54.5

中温位(250℃)热源1

输入热量/kW           -                        1257.998               -

中温位(150℃)热源2    1479.023                 -                      -

输入热量/kW

输入的泵功/kW         14.659                   38.498                 162.6

产功量/kW             174.794                  174.721                0.

制冷量/kW             712.676                  712.627                0.

综合热效率/％         37.6                     52.5                   39.6

热力学第二定律效率/％ 33.4                     37.9                   13.3

在规定相同的热源温度和冷源温度，以及对所有系统都进行了参数优化的条件下，从表2可以看到，本发明的复合循环运行方式的综合热效率高39.6％，热力学第二定律效率高13.3％。

在本发明循环的这个动力与制冷复合循环运行方式的实施例中，冷却总负荷为2249.89kW，其中风冷负荷为1333.95kW，占59.28％。