[实用新型]一种卡诺－朗肯混合循环高效发电设备

说明书

技术领域

本实用新型属于电力设备领域，特别涉及一种卡诺－朗肯混合循环高效发电设备。

背景技术

电力行业是我国重点的耗能大户，电力行业能耗约占全国总能耗的1/3，二氧化硫排放占全国一半。全国2011年全国发电量4.7万亿千瓦时，其中火电发电量为3.8万亿千瓦时，由于中国火电基本上是煤电，煤电约占发电总量的80%。2011年火电消耗一次能源（标准煤）19亿吨，全国的煤炭消耗量为35.7亿吨，电力行业的煤炭消耗占全国煤炭消耗总量的50％以上。中国煤电把燃烧的热能转化成电能的效率较低，目前我国每发一千瓦时的电消耗煤炭333克，而丹麦仅为269克。根据国际能源署的统计，2010年中国煤电每发一千瓦时的电排放二氧化碳967克，与世界平均水平958克相比较高。2010年，全球二氧化碳排放量为302.76亿吨，中国（含香港地区）为72.586亿吨，占世界二氧化碳排放总量的24%，名列第一。煤炭火力发电不仅导致了煤炭大量的消耗，更导致了严重的生态问题。目前，我国二氧化硫和二氧化碳排放量均居世界首位，我国东部地区环境承载能力已接近极限。有数据显然，东中部地区PM2.5严重超标，高于安全值5～8倍。如何提高火力发电的效率，减少发电的能源消耗，已经是刻不容缓的课题。

传统的火力发电厂，是以水蒸汽为工质的，利用高温高压的水蒸气把热能转变成机械能，又把机械能转变为电能。发电厂的设备，主要是由锅炉、汽轮机、凝汽器、水泵等设备所组成。其工作原理是:给水先经给水泵加压后送入锅炉，在锅炉中水被加热汽化、形成高温高压的过热蒸汽，过热蒸汽在汽轮机中膨胀做功，变为低温低压的乏汽，最后排入凝汽器凝结为冷凝水，重新经水泵将冷凝水送入锅炉进行新的循环。在汽轮机里作完功的乏气直接进入到凝汽器中，通过直接空冷或水冷方式完成排气的凝结过程。通常汽轮机乏汽为低温（32-55℃）低压（0.005-0.016MPa）的湿饱和蒸汽，冷凝潜热约为2400kJ/kg,乏汽在凝汽器内凝结成水，大量的汽化潜热被冷却水或空气携带，释放到大气环境中。在水蒸汽朗肯循环中，中压机组热效率不超过40%，超临界机组热效率不超过50%，发电效率不高的根本原因是做功部分只能利用水蒸气的显热，而占能源消耗量的50%以上乏气的潜热能（2400kJ/kg）做为低品位热量通过双曲线冷凝塔白白的发散到大气中。由于乏汽的温度在32-55℃，属于低品位余热，现有的技术难以回收和利用，造成电厂的大量的热损失。因此如何有效利用凝汽器中蒸汽凝结时释放的占能源消耗量的50%以上的低品位冷凝潜热，对于提高发电效率，有着决定性的作用。

朗肯（W.J.M.Rankine，1820－1872年)，英国科学家，他计算出的热力学循环（后称为朗肯循环）的热效率被作为计算蒸汽动力发电厂性能的方法。朗肯循环的特点是蒸汽工质的动力循环；朗肯循环发电是通过水在热力设备中不断进行等压加热（水蒸发）、绝热膨胀、等压放热（蒸汽冷凝）和绝热压缩4个过程的气液相变，使热能不断转化为机械能，再由发电机将机械能转化为人们所需要的电能。常规的水蒸气朗肯循环有很多优点，做功发电量大，容易大规模发电，且使用的工质为水，具有热导率高、无毒、无腐蚀等优点，因此广泛应用于火力发电、核电及各类余热发电；然而，水蒸气朗肯循环最大的缺点是发电效率较低。如何提高水蒸气朗肯循环发电效率是一个难题，通常有两个途径：一是提高蒸汽的温度。蒸汽的温度越高，其显热/冷凝潜热比例越高，朗肯循环的热效率就越高，因此提高蒸汽的温度是提高热电转化效率的有效手段；然而，蒸气在高温运行时存在高压问题，在实际使用时由于设备材料强度的原因，蒸气温度的提高受到限制，抑制了朗肯循环热发电设备的热效率的提高。目前，由于金属材料耐热性能的限制，一般初温取在600℃上下。二是降低乏汽冷凝压力及放热温度，因此热效率将提高。但是乏汽压力的选择取决冷凝器内冷却流体的温度，一般冷却流体是自然界中的水。因此，降低受制于环境介质的温度。目前我国大型蒸汽动力装置的设备中采用冷凝压力为0.004MPa左右，其对应的饱和温度在29℃左右，它比天然水体的温度仅略高，所以降低冷凝压力已没有多少潜力。提高蒸汽动力循环热效率的方法，除提高初温、初压及降低终压外，还可从改进循环着手，如采用抽汽回热循环、再热循环等。另外是减少冷凝热的排放，然而该方法仅能从理论上述及，实际鲜有应用。