论文理论中国R245FA热泵与有机工质双循环发电201208

利用热泵和有机工质进行双循环发电-提高火力发电厂的效率1.我研究了相关的热机理论，并得出以下结果: 结果1: 传统理论成立卡诺循环的热效率取决于热源温度T1，与冷源温度T2（即工作流体吸收和放热温度）和工作流体特性无关. 我已经证明了卡诺循环的热效率也与工作流体的性质有关. 结果2: 我有一个理论论证，当热源温度= 300℃时，无论涡轮系统的制造工艺多么先进，以水为介质的传统涡轮机组的发电效率都不会超过20％. 结果3: 我有一个理论上的论据，当热源温度= 300℃时，以有机工作介质为介质的涡轮机组的发电效率可超过50％. 目前已知的ORC有机工作单元的发电效率通常不超过15％. 该过程的后向效应；结果4: 将热泵与ORC有机工作流体双循环发电技术相结合，可使使用热能的发电机组的整体发电效率超过60％. 场景1: 为提高涡轮机组的发电效率，应改善锅炉的制造工艺；对于涡轮机组的再热系统，不应将蒸汽返回锅炉，而应使用锅炉的热源（使用导热油）逐渐加热膨胀缸. 与其将蒸汽返回锅炉并使用可发电的蒸汽来逐步加热循环系统中的工作流体，不如将其转化为蒸汽. 方案2: 热泵技术可使热效率≥1，并能生产先进的锅炉制造回收方法；方案3: 应改善涡轮机的制造工艺；当前的涡轮效率不高，应该研究特斯拉涡轮.

方案4: 应改进发电机的制造工艺；直流，高频，磁悬浮轴承等； 2.我的研究成果的理论基础: 2.1. 结果1: 卡诺循环和工作介质的热效率也被认为是关系式: 2.1.1. 传统卡诺循环理论: 热力学中著名的理论循环-卡诺循环. 此循环包括两个恒温过程和两个绝热过程，如图2-10（a）（b）所示. 在图中，1-2工序是恒温加热工序. 工作介质在T1温度（即面积| 2S2S1 |）处从热源吸收热量q1. 在T-S图表上. 计算公式为: q1 = T1（S2-S1）=T1ΔS2-3表示可逆的绝热膨胀功过程，即恒定熵过程. 在该过程中，工作流体的温度降低，内部能量减少，并且在外界进行工作，直到工作流体的温度降低至冷源的温度T2. 图3-4表示可逆的恒温放热过程. 在此过程中，工作介质在T2的温度下将热量释放到冷源. 热量释放为q2，即TS图表上的面积为34 S1 S23. 计算公式为: q2 = T2（S2-S1）=T2ΔS如1-2恒温过程所述，工作流体温度T2等于冷源温度（或无穷小差异）. 在冷温度T2下，工作介质膨胀到最大程度后（工作介质的冷却介质膨胀达到冷源温度T2是其最大值），以便将工作介质恢复到初始状态，从而在循环的连续工作中，q2是冷源释放的最小热量，因此q2是理想卡诺循环的最小补偿.

4-1表示可逆绝热压缩过程. 在此部分中，工作流体的温度从T2升高到T1，然后返回到原始状态. 2.1.2. 传统的卡诺循环结论: 卡诺循环的净效率差的工作流体在循环中及其被热源吸收的热量之比称为循环效率，显然: ηti卡=净功/热吸收= W0 / q1 =（q1-q2）/ q1 = 1-q2 / q1 =1-T2ΔS /T1ΔS = 1-T2 / T1分析上述公式，可以得出以下重要结论: （1）的热效率卡诺循环由热源温度T1和冷源温度T2（即工作流体吸收和放热温度）决定，与工作流体的性质无关. 增加T1和减小T2可以提高循环效率. （2）卡诺循环热效率只能小于1. 因为不可能使T1 =∞或T2 = 0K. 也就是说，q2只能减少而无法避免. （3）当T1 = T2，ηticard = 0时，即在没有温度差的系统中，不可能实现将热量转换为有用的热循环. 换句话说，不能实现仅具有一个热源而没有冷源的热机. 2.1.3. 卡诺循环的结果和我的研究结论: 卡诺循环的热效率不仅取决于热源温度T1和冷源温度T2（即工作流体吸收和放热温度），而且还与工作液的性质. 在上述卡诺循环的效率中: ηticard =净功/吸热= W0 / q1 =（q1-q2）/ q1是最原始，最简单和最实用的公式1）如果工作介质是水，则热源温度T1必须受锅炉材料的限制. 珠光体钢的允许温度必须低于565℃，冷源温度T2不得低于0℃（这是受液压介质性质限制的温度）.

p热源温度T1，560°C压力: 25 MP热焓: 3369.2kJ / kg；冷源温度T2 7°C，压力: 0.01 MP热焓: 2513.8kJ / kg卡诺循环 工质性质，其中冷凝热为2260 kj / kg）（因此，液压油的极限效率: ηti卡=净功/吸热= W0 / q1 = 1-q2）1 =（q / q（3369.2-2513.8）（3369.2-2513.8 + 2260）/ = 855.4 / 3115.4 = 0.2745为了增加q1，当前的工程设计采用一次性再热设计. 再加热后蒸汽的焓值可增加500 kJ / kg，因此上述效率=（855.4 + 500）/3115.4=0.435 2）同上. 该物质是有机的工作流体（以R123为例，临界温度为183.68℃，临界压力为3.6618 MP）. 源温度T1受R123有机工作流体的特性限制，并且必须低于326.85℃. 冷源温度T2可以低于0℃（受环境温度0℃温度限制），热源温度T1 326.85℃压力: 3.6618冷源温度T2 kj / kg）（以上数据来自http // WWW. 因此，有机工作流体的极限效率: ηtiMP焓: 627.61 kJ / kg； 7°C，压力: 0.044 MP焓: 385.650kJ / kg（其中冷凝热为178.685卡路里=净功/吸热率= W0 / q1 =（q1-q2）/ q1 =（627.61-385.650）/（627.61） -385.650 + 178.685）= 241.96 / 420.645 = 0.575如果采用重新加热设计，通常可以将重新加热后的蒸汽焓值至少提高50 kJ / kg，因此上述效率=（241.96 + 50）/420.645=0.6945结论: 由于有机工作流体的冷凝热q2在工作热能（q1-q2）中占很小的比例，因此相同的热源温度T1（设计为低温热源326.85℃）和冷源温度T2相同. 在（7℃）的条件下，使用水和有机工质，发电效率不同，即使有机工质的ORC系统不需要再加热，也不需要达到高温565℃，可达到50％以上的高效率. <

液压流体的冷凝热能q2在吸收的热能中占很大比例. 即使达到565℃的高温，即使重新加热液压油的涡轮效率也不会超过50％. 因此，证明了卡诺循环的热效率不仅由热源温度T1和冷源温度T2（即工作流体吸收和放热温度）决定，而且还与热源温度的性质有关. 工作液. 2.2. 结果2: 当热源为低温= 300℃时，无论采用先进的制造工艺，使用水作为工作物质的低温发电系统的涡轮机机组都不能超过20％. 理论基础很明确；以我们的300 MW汽轮机中的5台为例，例如，阶段泵送流量= 450 t / h；温度= 295℃压力= 0.576Mpa蒸汽焓= 3054.1 kJ / kg；热源温度T1，295℃压力: 0.576Mpa热焓: 3054.1 kJ / kg；冷源温度T2 36℃，压力: 0.01 MP，焓: 2513.8kJ / kg（冷凝热为2260 kj / kg）可以扩展以在自己的蒸汽轮机中工作，这部分功率的计算公式为: P a =（heN – he0）*meNηqj* / 3600 Pa: 提取蒸汽的功率； meN: 提取蒸汽流量；提取蒸汽的焓ηqj: 汽轮机低压缸效率计算为90％； he0为低压缸排气焓； （真空度95％，温度36℃，焓2450）五级提取发电量: P a = 450 *（heN – he0）*meNηqj* / 3600 = 450 *（3054.1 –2450）* 1 * 88.9％* /3600=67.0 MW第五级抽水发电期间的总热能输出: （3054.1-43 * 4.1868）* 450 / 3.6 = 293285/3600 = 359.2 MW;发电效率=输出/输入热能= 67.0 MW / 359.2 = 18.6％;冷凝器冷却造成的损失冷凝热: = 450 *（2450 –43 * 4.1868）/3600=1082961/3600=300.82 MW； = 450 *（2450 –43 * 4.1868）/3600=1082961/3600=300.82 MW；冷却损失占冷凝热的五分之一截面提取物的总热量输出比例为: 300.82MW / 359.2 = 83.7％，因为冷却五阶段蒸汽所损失的冷凝热占冷凝热的83.7％在五阶段抽气的总热量输出中，当蒸汽轮机发电时，五阶段蒸汽会发电. 发电效率不能超过20％；以上证明了为什么传统的涡轮机在<300°C的低温下效率较低.

2.3. 结果3: 当热源低温= 300℃时，以有机工质为工质的透平机组的发电效率应达到可以超过50％的高值，理论基础明确； （以R123为例，临界温度183.68℃临界压力3.6618MP），热源温度T1，295℃压力: 3.6618冷源温度T2 36℃，压力: 0.135MP热焓: 595.377kJ / kg； MP热焓: 403.140kJ / kg，其中冷凝热为166.700 kj / kg）（（以上数据来自http // WWW.AP1700.COM）ηti卡=净功/吸热= W0 / q1 =（q1 -q2）/q1ηticard =净功/热= W0 / q1 =（q1-q2）/ q1 =（595.377 -403.140）/（595.377 -403.140 + 166.700）= 192.237 / 358.937 = 0.5355冷凝产生的有机工作介质即使不重新加热，热能q2也占吸收的热能的一小部分，它不必达到565°C的高温，并且可以实现超过50％的高效率. 当前已知的ORC有机工作单元的效率通常不超过15％，这受有机工作单元涡轮单元系统制造过程的落后影响； 2.4. 结果4: 热泵和ORC有机工作流体的组合双循环发电技术可以使使用热能的发电机组的整体发电效率达到60％.

2.4.1热泵技术已在商业上使用: 热泵是一种通过电气或机械工作从自然空气，水或土壤中获取低级热能并输出可用于用过的. 冷凝器压缩机电机节气门蒸发器图1-热泵的工作原理热泵的工作原理如上图1所示: 压缩机之后: 气态循环工作流体被压缩和加热，然后工作流体被送入冷凝器. . 在冷凝器之后: 循环的制冷剂在冷凝器中释放热量（达到热负荷）. （等温放热）气态工作流体变成液态工作流体之后，它通过膨胀阀: 对循环的工作流体进行节流和减压（膨胀冷却）成为低温和低压液体卡诺循环 工质性质，然后通过蒸发器: 液体循环工作流体（吸收到热源）加热）吸热蒸发而变成气态，为下一个周期做好准备. 2.4.2. 有机工质的热泵利用及发电技术方案: 2.4.2.1. 技术方案的构想: 该方案的设备由热源部分，加热器部分，汽轮机部分，有机工作流体回收（热泵供热）组成）五个主要部件的部件和发电机部件如图1所示: 工作液: 选择有机工作液R-245fa；这种工作液在当今世界上是常用的，并且可以替代氟利昂. 具有腐蚀性和环境破坏性所有指标均符合环保要求，唯一的是价格较高. 有关详细参数，请访问网站. 1）热源部分: 发电厂蒸汽轮机的低参数蒸汽（本厂为五级抽气）被用作双循环发电系统的热源（原因是五级抽气）继续低效率发电）; 2）加热器部分: 加热的有机工作流体出口的温度可以接近热源的温度（相差50℃之内）. 有许多可以生产有机加工液的热交换器工厂，它们已经具有成型产品，需要压制. 我们需要的参数是定制的.

3）汽轮机部件: 有许多可以生产有机工作流体的汽轮机，并且已经有成型产品，但是是否是理想的类型，我们需要根据需要的参数进行定制. 4）有机工作液回收部分: 热泵采用容积式压缩机（许多厂家可以生产），已经有异型产品，理想的型号需要根据我们所需的参数进行定制. 5）发电机部分: 已经有成型产品. 2.4.2.2.2技术方案的循环工作过程: 改进的系统工作过程如图2所示: 首先，将有机工作流体在加热器中以固定压力（试验压力5.0 MPa）从液态至气态（曲线4-5段），然后在过热器中加热到过热器以增加焓值（曲线5-1段）（暂定在190℃，压力5.0 MPa焓值: 590kj / kg）；蒸汽轮机中有机工质蒸汽在第1-2节中绝热膨胀曲线的工作过程；工作完成后的废气（暂定为45℃，压力为0.29 MP焓值: 437.5 kj / kg，其中液体焓值= 259.3974 kj / kg），压缩机进入热泵的入口被压缩到一定温度后压缩在85℃时，压力为0.89 MP（焓值: 465.093 kj / kg，其中液体焓= 315.201 kj / kg），之后热泵冷凝器的热负荷（加热热水或冷凝水等）为40℃入口和出口处80℃，然后在相同的温度和压力下变成液体；然后将工作流体泵压至5.0 MPa，然后进入加热器以准备下一个循环.

因为遵循能量守恒定律，所以采用了热泵技术和新的工艺流程，并且在冷端没有能量损失（仅机械消耗）. 机械能转化为通过压力和温度反映的热能，从而提高了汽轮机发电的整体效率. 2.4.3. 热泵和有机工质双循环发电模型的功率和效率计算: 1）涡轮功率: 根据发电原理计算: 涡轮机实际转换的机械能为焓降: 高温下的焓值低温下= 590热量焓= 437.5kj / kg;千焦/千克转换的机械能= 590-437.5 = 152.5 kj / kg;涡轮机的实际转换的机械能功率=（流量t / h）*（590-437.5）kj / kg * /3.6涡轮机功率=（50t / h）*（590-437.5）kj / kg * / 3.6 = 2118 KW当流量设计为50t / h时；发电功率= 0.85 * 2118 = 1800 KW 2）热泵功率: a）根据焓降值计算热泵压缩功: 465.0931 -437.4774 = 27.61（kj / kg）； 50吨/小时* 1000 * 27.61 / 3600 = 383 KW;根据设备的机械效率计算得出80％，则需要383.5 / 80％= 479 KW B）根据热泵的热效率计算压缩功COP: 因为热泵出口处每千克工作流体的热焓是465.0931 kj / kg，其中潜热= 148.3885（kj / kg）可以释放潜热，并且工作流体可以从气体变为气体液体，因此可以加热的能量为: 50 t / h * 1000 * 148.3885 / 3600 = 2060 KW根据热泵效率COP = 4.0计算压缩功: 2104/4 = 515 KW（如果您选择效率更高的压缩机，则该术语将大大减少）.

当加热器出口温度达到190℃时，试验锅炉可以发电: 1800还可以提供热量（热水温度为80度）= 2060 KW；减去热泵压缩机消耗的功率= 479综合输出: （1800 3）综合效率: 1）: 如果纯发电效率（热泵停止运行）: 此时，加热器输入的总热量为: =（50t / h）*（590输出功率/输入功率= 1800/4591 = 39-259.3974）kj / kg * / 3.6 = 4591 KW％;千瓦;千瓦-479）千瓦+ 2060千瓦= 3381千瓦; 2）: 发电+加热效率（热泵投入运行）: 加热器输入的总热量: =（50t / h）*（590可以发电: 1800 -479 = 1321 kw; -315.201）kj / kg * /3.6 = 3816 KW可提供热量（热水温度为80度）= 2060 KW;综合效率: （发电输出功率+加热输出功率）/输入功率= 3381/3816 = 88％；综上所述，在该方案中，热泵和有机工质的双循环发电模型是加热器出口温度为190℃时的纯发电. 效率= 39％= 88％. 综合效率: （发电输出功率+供热输出功率）/输入功率= 2881/3542，与传统的12.6％效率提高（88-12.6）％= 75％相比；可以分析为什么使用有机工质发电效率高，为什么使用火力发电厂进行热电联产.

楼爱红2012年6月6日工作液泵加热器热泵冷凝器涡轮压缩机电机图1-热泵和有机工作液发电技术方案1: 压缩机2: 热泵冷凝器3: 工作液泵4: 加热器5: 汽轮机试验锅炉试验锅炉（回水）2级过热加热涡轮发电机热泵压缩机E-311加热热泵冷凝器加热热网和其他冷源水45/70°C工作介质泵水泵连接图1有机工质双循环系统（改进方案）T300°C1250°C200°C3-2 150°53-3100°C50°C3气体20100 kj 200 kj 300 kj 400 kj 500 kj 600 kj 700kjHͼ2改进的系统工作流程

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