專利名稱：使用一種三組分工作流體的熱動力發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱動力發(fā)電循環(huán)，更為具體地說，是一種使用包括水、氨和二氧化碳的工作流體的熱動力發(fā)電系統(tǒng)。
最通用的從一種熱源產(chǎn)生有用能量的熱動力發(fā)電循環(huán)是蘭金循環(huán)。在蘭金循環(huán)中，一種如水、氨或氟利昂的工作流體使用一種可利用的熱源在一個蒸發(fā)器內(nèi)進行蒸發(fā)。蒸發(fā)出的氣態(tài)工作流體然后通過一種渦輪機予以膨脹以釋放出能量。使用過的氣態(tài)工作流體于是使用一種可利用的冷卻介質(zhì)予以冷凝，而冷凝工作流體的壓力由泵來增加。壓縮的工作流體于是被蒸發(fā)使操作繼續(xù)進行。


圖1和2中顯示的熱動力發(fā)電系統(tǒng)分別使用水蒸汽和氨/水工作流體。在圖1中，熱動力發(fā)電設(shè)備包括一個進口10，其中過熱蒸汽被施加到一系列熱交換器12，14和16中?？諝馔ㄟ^出口18從熱交換器16中排出。流在進口10和相應(yīng)的熱交換器之間的空氣流被標(biāo)以A，B，C和D。在圖1的系統(tǒng)中的工作流體是水/蒸汽，其中的水最初由泵20加壓然后作為流E被施加到熱交換器16中，在那里它被加熱到接近其初沸點的溫度。從熱交換器16通過流F排出的熱水被施加到熱交換器14中，在那里變成蒸汽，然后從那里通過流G被送至熱交換器12中，在這里它以過熱蒸汽(流H)出現(xiàn)。過熱蒸汽被送至膨脹器/渦輪機22，在其中產(chǎn)生發(fā)電操作。從膨脹器渦輪機22排出的水/蒸汽混合物被送至冷凝器24，循環(huán)又重新進行。
在圖1所示的實例中，在進口10處的氣體的溫度是800°F。從熱交換器12進氣中獲得的熱將流G中的飽和蒸汽過度加熱以產(chǎn)生流H的過熱蒸汽。渦輪機22產(chǎn)生2004馬力的軸功，這軸功可以轉(zhuǎn)換成電力或用來驅(qū)動一個壓縮機或其它機械裝置。如上所述的部分冷凝蒸汽在冷凝器24中被完全冷凝，而泵20將液體水的壓力在其進入熱交換器16之前從1磅/平方英寸絕對壓力(psia)加高至600psia。從熱交換器16排出的空氣溫度是374°F。這個溫度受到熱交換器14內(nèi)扭點溫度的限制。該溫度是從熱交換器14排出的空氣溫度(506°F)和進入熱交換器14的飽和水的溫度(484°F)之間的溫差，也就是溫差22°F。這個溫度是水壓和氣體及水流速的函數(shù)。下表1顯示出對圖1所示條件分析研究的計算結(jié)果。
表1
圖2是圖1系統(tǒng)的重復(fù)，其中的工作流體是一種氨/水混合物。圖2中所示的各部分的標(biāo)號都與圖1中的相同。然而，溫度與壓力根據(jù)對氨/水工作流體的熱動力性能的重新計算有所更改。工作流體混合物中氨的摩爾分數(shù)是0.15。流I的壓力增加到6.5psia以允許工作流體在進入泵20之間能在102°F下完全被冷凝。在冷凝器24壓力增加的最終結(jié)果是渦輪機22的渦輪功率從圖1中蒸汽體系的2004馬力降低至1804馬力。即使通過使用水/氨工作流體將更多的能量從空氣流中除去，這種降低也仍會發(fā)生。在出口18處的空氣溫度對圖1中出口18處的空氣溫度是318°F對374°F。
下表2說明了對圖2的氨/水工作流體系統(tǒng)的計算參數(shù)。
表2
上述使用蒸汽和氨/水工作流體的蘭金循環(huán)現(xiàn)有技術(shù)的實例指出了在水中加入氨大大地減小了熱動力循環(huán)的效率。
最近開發(fā)出的一種稱作卡林娜循環(huán)(Kalina cycle)的熱動力發(fā)電系統(tǒng)比蘭金循環(huán)呈現(xiàn)出在效率上的改進。圖3顯示了一種使用卡林娜循環(huán)和繼續(xù)使用水/氨工作流體的發(fā)電系統(tǒng)中主要構(gòu)件的簡化示意圖。使用卡林娜循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的細節(jié)可以在美國專利第4,346,561，4,489,563和4,548,043號(這些專利全部授予A.I.Kalina)中找到，這里介紹了圖3中系統(tǒng)的簡短敘述。
水/氨工作流體由泵30泵至一個高的工作壓力(流A)。流A是一種氨/水混合物，一般情況該混合物中大約70-95摩爾百分數(shù)的量是氨。該混合物具有足夠的壓力使其處于液體狀態(tài)。來自可獲得的熱源的熱，例如從燃氣渦輪廢氣中獲得的熱，通過流B饋入一個蒸發(fā)器32中，在蒸發(fā)器中流A的液體被轉(zhuǎn)變成過熱蒸汽(流C)。該蒸汽被饋入膨脹渦輪34使其產(chǎn)生軸馬力，再由一個發(fā)電機36轉(zhuǎn)變成電。發(fā)電機36可以由一個壓縮機或其它消耗動力的裝置來替代。
從膨脹渦輪34流出的是一種低壓混合物(流D)，它與從一個分離單元38底部流出的作為流E的貧氨液合并。該合并的流體成為流F饋入到一個冷凝器40中。流E和F通常分別含大約35摩爾百分數(shù)和45摩爾百分數(shù)的氨。
流F通常通過作為流G流動的冷卻水在冷凝器40中被冷凝。在流F中比較低濃度的氨與流D相比允許存在于流D中的蒸汽以比如果流D在混合之前就冷凝(如蘭金循環(huán)中的情況)的所可能的低得多的壓力予以冷凝。最終結(jié)果是流C和D之間的壓力比更大，轉(zhuǎn)化成從膨脹渦輪34的更大的輸出功率。分離單元38通常進行蒸餾式的操作并產(chǎn)生出送往蒸發(fā)器32的含氨量高的流A和促使流D中氣體吸附/冷凝的低濃度的流E。
雖然卡林娜循環(huán)顯示出比蘭金循環(huán)可能更高的發(fā)電效率，但是目前的發(fā)電設(shè)備幾乎普遍地使用蘭金循環(huán)的設(shè)備。然而，對于這兩種熱動力發(fā)電循環(huán)，在它們效率上的低成本的改進將對輸出功率的成本有著重大的影響。此外，在進行改進而不需大量更動基本設(shè)備的意義上說，這樣的更動很可能很快就能完成。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于改進蘭金循環(huán)和卡林娜循環(huán)熱動力發(fā)電系統(tǒng)效率的裝置。
本發(fā)明另一個目的是提供一種對目前熱動力發(fā)電系統(tǒng)的改進，這種改進不需要花費大量基本投資就能完成。
一種受壓流體通過渦輪膨脹的發(fā)電系統(tǒng)由于使用了包含水、氨和二氧化碳的三組分工作流體而表現(xiàn)出改進效率。最好將工作流體的pH值維持在一個可以防止含碳固體沉淀的范圍內(nèi)(即8.0至10.6之間)。工作流體能使蘭金循環(huán)的效率改進達到百分之十二而卡林娜循環(huán)的效率改進大約為百分之五。
圖1是使用蒸汽的現(xiàn)有技術(shù)蘭金循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的示意圖。
圖2是使用氨和水的工作流體的現(xiàn)有技術(shù)蘭金循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的示意圖。
圖3是使用水/氨工作流體的現(xiàn)有技術(shù)卡林娜循環(huán)系統(tǒng)的示意圖。
圖4是本發(fā)明的一個使用蘭金循環(huán)和包含氨、水和二氧化碳的工作流體的實施例的示意圖。
圖5是圖4中所示本發(fā)明實施例的示意圖，其中進一步的改進表現(xiàn)在熱交換器系統(tǒng)中扭點溫度的降低。
圖6是二氧化碳的百分數(shù)對NH3-CO2-H2O系統(tǒng)中平衡狀態(tài)的曲線圖，顯示出兩相和三相等溫線。
本發(fā)明的實質(zhì)是在熱動力發(fā)電循環(huán)中使用一種二氧化碳、氨和水氣相的混合物的工作流體。這導(dǎo)致形成NH3，NH4+，OH-，H+，CO2，H2，CO3，HCO3-，CO3-2和NH2CO2-在水(在液相)中的混合物。這種工作流體混合物增加了發(fā)電的效率和/或減少用于發(fā)電的設(shè)備成本。在低溫時，例如，大約100°F，液相的組分形成一種高度溶于水的溶液。當(dāng)溫度增加時，液相物質(zhì)就分解成水，氨和二氧化碳。這種三組分流體混合物容許更有效地使用低標(biāo)準的能或者在蘭金循環(huán)中使混合物蒸發(fā)，或者在卡林娜系統(tǒng)中產(chǎn)生一個大體積的蒸汽流。
在水中加入氨減低了混合物沸騰和冷凝的溫度?？帜妊h(huán)使用吸附和蒸餾以改進效率。在氨/水混合物中加入二氧化碳就形成各種離子形式，它們?nèi)菰S流體在比工作流體僅包含氨和水時高的溫度使其完全冷凝。加入二氧化碳還可以容許在比只有氨和水的工作流體時低的溫度下形成蒸氣相。因此，較低標(biāo)準的(低質(zhì)量)熱被用來蒸發(fā)工作流體，這就可以使高水平的熱用來使蒸汽過熱。較高的有效過熱水平結(jié)合較低的冷凝器壓力(較高的冷凝溫度)造成從一個給定的熱源獲得更多的功率輸出。
圖4顯示出向氨/水混合物中加入二氧化碳的效果。工作流體中氨加上二氧化碳的摩爾分數(shù)是0.15(氨為0.10和二氧化碳為0.05)。圖3顯示出由圖4中所示的本發(fā)明的氨/水/二氧化碳工作流體實施例所得出的計算參數(shù)。
表3
由于工作流體組合物的結(jié)果，流I的壓力減小至2psia。流I壓力減小的最終結(jié)果是從渦輪22的功率輸出增加到2028HP。與圖1中所示的蒸汽系統(tǒng)相比，功率從2004HP增加到2028 HP代表著效率增加了1.2％。與圖2中所示的氨/水工作流體系統(tǒng)相比，從1840HP至2028HP的效率變化大約為9.3％。效率增加的發(fā)生并沒有增加從在進口10引入空氣流中除去的能量。
圖2顯示出在流F和C之間的33°F的扭點溫度，而本發(fā)明的使用三組分工作流體的系統(tǒng)顯示出一個106°F的扭點溫度，說明了所要求的熱交換面積大為減小。這減小了設(shè)備的成本然而卻增加了系統(tǒng)的效率。
在圖5中，圖4的系統(tǒng)已被改進以顯示出一個使用三組分工作流體的系統(tǒng)在性能上的進一步改進。
下表4顯示了圖5系統(tǒng)的計算參數(shù)。
表4
通過將流F(292°F)和流C(357°F)之間的扭點溫度減低至一個65°F的差異，更多的低標(biāo)準的熱被用來蒸發(fā)三組分混合物。離開泵20(流E)的流體壓力增加到700psia，因而流G的溫度(482°F)與圖1中所示的流G的溫度相同，其中只是將蒸汽用作工作流體。這些變化的最終效果是將渦輪22的輸出增加到2,250馬力，渦輪輸出增加了大約11％。圖1和圖5的系統(tǒng)之間扭點溫度的不同(22°F對65°F)說明了設(shè)備成本減低的潛力。
將本發(fā)明的三組分工作流體施加到圖3的卡林娜循環(huán)中涉及水，氨和二氧化碳在流F(包括所有與該液相相關(guān)的所有離子形式)中的組成。最好是流F的氨加二氧化碳的含量與傳統(tǒng)的基于氨的卡林娜循環(huán)的相同(大約為45摩爾百分數(shù))。氨/二氧化碳的相對濃度最好被調(diào)節(jié)成使流H的pH值被維持在8.0至10.6的范圍內(nèi)。在這個pH值范圍內(nèi)可以為流F獲得最低的冷凝壓力，從而形成一個對膨脹渦輪34的最低排出壓力(也就是最大功率輸出)。
一個在水中含有大約45摩爾百分數(shù)的氨的液流，如果冷凝液(流H)是102°F，則要求一個超過35.5psia的膨脹渦輪排氣壓力。如果冷凝液流H含有在水中的29摩爾百分數(shù)的氨和16摩爾百分數(shù)的二氧化碳，則膨脹渦輪34的排氣壓力可以降低為在102°F的大約2.4psia。這種較低的冷凝器壓力的結(jié)果是三組分流體系統(tǒng)的效率至少能夠比使用氨/水基的卡林娜循環(huán)所能得到的高出百分之五。
流F的組成最好應(yīng)當(dāng)被控制到這樣的程度，即避免沉淀出碳酸鹽、碳酸氫鹽、氨基甲酸鹽以及其它的氨的碳酸鹽固體。在圖6中示出了CO2百分數(shù)對NH3-CO2-H2O系統(tǒng)中平衡狀態(tài)的曲線圖。其中濃度以摩爾百分數(shù)而溫度以℃示出。如果該系統(tǒng)被調(diào)整成在兩相等溫線下工作，則固相的形成就可以避免。
如果圖3中的流F和圖5中的流J的pH值維持在低于8.0或高于10.6則有可能獲得某些效益。然而，如果這些液流是在低于7.5或高于12pH值時工作，則將得不到效益或極少效益，除非沉淀物的形成對該系統(tǒng)組分的工作是可接受的。在低pH值，很難獲得高的氨含量而不沉淀出如NH4HCO3這類物質(zhì)。而在高pH值時，又很難獲得高的CO2/NH3比率而不沉淀出如NH2CO2NH4之類的物質(zhì)。
也可能會有這種情況，在冷凝器系統(tǒng)中固體的沉淀是希望有的。因為碳酸銨沉淀一般在低溫下即分解，在冷凝器中形成沉淀使得有可能更有效地使用低標(biāo)準的熱。然而，通過不使沉淀形成，設(shè)備問題，例如冷凝器和熱交換器的堵塞，泵的腐蝕和分離單元中的卡阻都可以避免了。
應(yīng)當(dāng)理解上述的描述僅僅是對本發(fā)明的舉例說明。各種另外的設(shè)想和改進都可以由本專業(yè)中熟悉技術(shù)的人員設(shè)計出而不偏離本發(fā)明(例如，雙壓力和再加熱蘭金循環(huán))。因此，本發(fā)明應(yīng)當(dāng)包括所有這些另外設(shè)想、改進和變異，只要它們落入附于本文后面的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種通過渦輪使加壓的工作流體膨脹而發(fā)電的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)使用的工作流體包括水，氨和二氧化碳。
2.如權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)，其中所述的氨和二氧化碳以能使所述工作流體的pH值處于7.5至12的范圍內(nèi)的比例存在于所述水中。
3.如權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)，其中所述的氨和二氧化碳以能使所述工作流體的pH值處于8.0至10.6的范圍內(nèi)的比例存在于所述水中。
4.如權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)，其中所述工作流體被置于一個蘭金熱動力發(fā)電循環(huán)中。
5.如權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)，其中所述工作流體被置于一個卡林娜熱動力發(fā)電循環(huán)中。
6.如權(quán)利要求5中所述的系統(tǒng)，其中所述氨和二氧化碳在所述工作流體中的含量大約為45％(摩爾)。
7.如權(quán)利要求6中所述的系統(tǒng)，其中氨和二氧化碳在水中的濃度被調(diào)節(jié)，以使所述工作流體在液態(tài)的pH值被維持在8.0至10.6范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求6中所述的系統(tǒng)，其中氨和二氧化碳在水中的濃度被調(diào)節(jié)，以使所述工作流體在液態(tài)的pH值被維持在7.5至12.0范圍內(nèi)。
全文摘要
一種通過渦輪使加壓的工作流體膨脹而發(fā)電的系統(tǒng)，它使用了一種包含水、氨和二氧化碳的三組分工作流體而使效率得到改進。工作流體的pH值被維持在一定的范圍內(nèi)(最好在8.0至10.6之間)以防止沉淀出含碳的固體。該工作流體能使蘭金循環(huán)的效率改進達到百分之十二，而在卡林娜循環(huán)中的效率改進大約為百分之五。
文檔編號F01D15/10GK1143714SQ96108890
公開日1997年2月26日 申請日期1996年7月26日 優(yōu)先權(quán)日1995年7月27日
發(fā)明者R·F·德尼維希 申請人:普拉塞爾技術(shù)有限公司